CN103680641A - 一种基于柔顺结构六自由度的精密定位平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于柔顺结构六自由度的精密定位平台，包括运动平台和测量机构，基座、输出平台、3个位移放大器；所述基座上设有3个第一驱动器，3个所述位移放大器的上端均固定于输出平台的下面，下端均与基座连接；3个所述位移放大器中均设有第二驱动器。本基于柔顺结构六自由度的精密定位平台的尺寸小、工作空间小，且定位精度高和稳定性高。

Description

一种基于柔顺结构六自由度的精密定位平台

技术领域

本发明涉及定位平台，具体涉及一种基于柔顺结构六自由度的精密定位平台。

背景技术

目前，精密定位平台的传动副较多采用的是传统的机械结构，如常采用的伺服电机和精密丝杆传动方案，由于不可避免地存在着间隙、摩擦，定位精度一般只能达到微米级，很难提升到亚微米级甚至纳米级别。近年来，采用压电元件作为驱动装置，柔性铰链机构作为传动装置的柔顺精密定位平台成为实现亚微米级、纳米级别定位的研究热点。现有的柔顺精密定位平台大都是尺寸大、工作空间小，且操作定位精度低，同时柔顺精密定位平台难于在六个自由度方向进行移动。

发明内容

本发明的目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种结构简单、合理，工作空间小、精度高的基于柔顺结构六自由度的精密定位平台。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：本基于柔顺结构六自由度的精密定位平台，包括基座、输出平台、3个位移放大器；所述基座上设有3个第一驱动器，且3个所述第一驱动器相对于基座的中心线的圆周均匀分布；3个所述位移放大器的上端均安装于输出平台的下面，下端均与基座连接；3个所述位移放大器中均设有第二驱动器。具体的，3个第一驱动器于基座的中心线的圆周均匀分布，即相邻2个第一驱动器之间的圆弧大小为120°。

所述基座包括主体和3个移动块，所述主体设有通孔，3个移动块均匀分布于通孔内；所述移动块的中部弯曲，且所述移动块内设有与移动块外形匹配的安装槽，所述移动块的一端设有与安装槽连通的开口；同时所述移动块的一端的两侧均设有第一柔顺部，中部的两侧均设有第二柔顺部，而另一端的两侧均设有第三柔顺部；所述移动块通过第一柔顺部与主体的内壁连接，所述移动块的另一端与主体的内壁之间具有间隙，相邻2个所述移动块之间具有间隙；所述第一驱动器的一端与移动块的中部连接，另一端与主体的内壁连接，且所述第一驱动器位于安装槽内。具体点，第一柔顺部、第二柔顺部和第三柔顺部相对于移动块的其他部分较薄一些，则当第一柔顺部、第二柔顺部和第三柔顺部受到第一驱动器的作用力时，容易发生变形，从而改变输出平台的空间位置。由于每个移动块具有2个第一柔顺部、2个第二柔顺部和2个第三柔顺部，同时2个第一柔顺部、2个第二柔顺部和2个第三柔顺部均可使用转动副来表示，即每个移动块中具有6个转动副。而移动块在通孔内是均匀分布，移动块相对于基座的中心线均匀圆周分布。则通过移动块的作用，这可令输出平台实现在空间中沿X轴、Y轴的平动和绕Z轴的转动，即输出平台可以进行三个自由度方向的运动。由于移动块具有第一柔顺部、第二柔顺部和第三柔顺部，利用柔顺部代替传统的机械传动连接，从而避免地存在着间隙、摩擦，故具有高精度和高稳定性，同时令整个定位平台尺寸小，占用空间小。

所述位移放大器包括第一万能副、移动副和第二万能副；所述第一万能副的上端固定于输出平台，所述第一万能副的下端设有第四柔顺部和第五柔顺部，第四柔顺部位于第五柔顺部的上方，且所述第四柔顺部和第五柔顺部互相垂直，所述第一万能副通过第五柔顺部与移动副的上端连接；所述第二万能副的上端设有第六柔顺部和第七柔顺部，且所述第六柔顺部位于第七柔顺部的下方，且所述第六柔顺部与第七柔顺部互相垂直；所述第二万能副通过第七柔顺部与移动副的下端连接；所述第二万能副的下端与基座连接；所述第二驱动器安装于移动副内。具体的，第一万能副和第二万能副均具2个互相垂直的柔顺部，而移动副采用双排桥式放大结构。这令位移放大器的结构更紧凑，工作空间小。同时，这种位移放大器可令输出平台可实现在空间中沿Z轴的平动和绕X轴、Y轴的转动。故本发明中的基座和位移放大器的配合可令输出平台实现6个自由度方向的运动，且精密性高，定位精准。

为提高输出平台移动的精准度，所述基座下面设有6个位移传感器，所述位移传感器以2个为一组，3组所述位移传感器分别位于相邻的位移放大器之间，且每一组中的2个位移传感器相互垂直设置。

为提高输出平台移动的稳定性，同时也为进一步提高输出平台移动的精准度，所述的基于柔顺结构六自由度的精密定位平台还包括测量支架和支撑平台，所述支撑平台安装于基座的下面；所述测量支架的上端与输出平台连接，下端穿过基座且与支撑平台连接；所述位移传感器通过测试支架安装于输出平台的下面。

具体的，所述测量支架包括第一连接杆、转动杆和第二连接杆，所述第一连接杆的上端与输出平台连接，所述第一连接杆的下端设有槽孔，所述转动杆的一端安装于槽孔，所述转动杆的另一端与第二连接杆的上端铰接，所述第二连接杆的下端穿过基座且与支撑平台连接。

为提高输出平台移动的稳定性，同时也为进一步提高输出平台移动的精准度，所述的基于柔顺结构六自由度的精密定位平台还包括3个测量支架和3个调节杆，所述测量支架的上端与输出平台连接，下端与基座连接；3个所述测量支架分别位于相邻两个位移放大器之间；3个所述调节杆分别安装于3个测量支架的下端；所述位移传感器通过测量支架安装于输出平台的下面。

具体的，所述测量支架包括第一连接件、第二连接件和第三连接件，所述第二连接件呈倒L型，所述第二连接杆的上端设有第一调节槽，所述第一连接件的上端与输出平台连接，下端安装于第一调节槽；所述第三连接件安装于基座上，且第三连接件的一端与第二连接件的下端连接，所述第三连接件的另一端设有第二调节槽，所述调节杆的一端安装于第二调节槽。

为提高自动化程度，所述的基于柔顺结构六自由度的精密定位平台还包括控制器，所述第一驱动器和第二驱动器均与控制器的输出端连接，所述控制器的输入端与位移传感器连接。

本发明相对于现有技术具有如下的优点：本基于柔顺结构六自由度的精密定位平台中的基座通过位移放大器与输出平台紧凑连接，这令整个定位平台尺寸小、工作空间小；本基于柔顺结构六自由度的精密定位平台中的基座具有3个移动块,且每个移动块均设有2个第一柔顺部、2个第二柔顺部和2个第三柔顺部，这让移动块的运动具有地间隙、无摩擦和免润滑等特点，故整个定位平台可以具有尺寸小，工作空间小等特点，且保证输出平台移动具有高精度和高稳定性,即操作精度高；本基于柔顺结构六自由度的精密定位平台中的位移放大器具有第一万能副、移动副和第二万能副，且第一万能副和第二万能副分别通过第五柔顺部和第七柔顺部与移动副的上端和下端连接，这避免使用传统的机械传动，提高了输出平台移动具有高精度和高稳定性同时还令整个定位平台的尺寸小、工作空间小；本基于柔顺结构六自由度的精密定位平台通过基座和位移放大器的配合，可以让输出平台在6个自由度的方向里均可移动。

附图说明

图1是实施例1的基于柔顺结构六自由度的精密定位平台的结构示意图。

图2是实施例1的基于柔顺结构六自由度的精密定位平台正视图。

图3是实施例1的基座的俯视图。

图4是实施例1的基座的结构示意图。

图5是实施例1的位移放大器的结构示意图。

图6是实施例1的过渡支架的俯视图。

图7是实施例1的控制流程图。

图8是实施例2的基于柔顺结构六自由度的精密定位平台的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

如图1和图2所示的一种基于柔顺结构六自由度的精密定位平台，包括基座1、输出平台2、3个位移放大器3；所述基座1上设有3个第一驱动器4，且3个所述第一驱动器4相对于基座1的中心线的圆周均匀分布；3个所述位移放大器3的上端均安装于输出平台2的下面，下端均与基座1连接；3个所述位移放大器3中均设有第二驱动器5。具体的，3个第一驱动器4于基座1的中心线的圆周均匀分布，即相邻2个第一驱动器4之间的圆弧大小为120°。本实施例中，第一驱动器4和第二驱动器5均选用裸压电陶瓷驱动器。因为裸压电陶瓷驱动器具有高精度运动输出和快速响应的特点。

如图3和图4所示，所述基座1包括主体11和3个移动块12，所述主体11设有通孔111，3个移动块12均匀分布于通孔111内；所述移动块12的中部弯曲，且所述移动块12内设有与移动块12外形匹配的安装槽13，所述移动块12的一端设有与安装槽13连通的开口；同时所述移动块12的一端的两侧均设有第一柔顺部121，中部的两侧均设有第二柔顺部122，而另一端的两侧均设有第三柔顺部123；所述移动块12通过第一柔顺部121与主体11的内壁连接，所述移动块12的另一端与主体11的内壁之间具有间隙，相邻2个所述移动块12之间具有间隙；所述第一驱动器4的一端与移动块12的中部连接，另一端与主体11的内壁连接，且所述第一驱动器4位于安装槽13内。具体点，第一柔顺部121、第二柔顺部122和第三柔顺部123相对于移动块12的其他部分较薄一些，则当第一柔顺部121、第二柔顺部122和第三柔顺部123受到第一驱动器4的作用力时，容易发生变形，从而改变输出平台2的空间位置。由于每个移动块12具有2个第一柔顺部121、2个第二柔顺部122和2个第三柔顺部123，同时2个第一柔顺部121、2个第二柔顺部122和2个第三柔顺部123均可使用转动副来表示，即每个移动块12中具有6个转动副。而移动块12在通孔111内是均匀分布，移动块12相对于基座1的中心线均匀圆周分布。则通过移动块12的作用，这可令输出平台2实现在空间中沿X轴、Y轴的平动和绕Z轴的转动，即输出平台2可以进行三个自由度方向的运动。由于移动块12具有第一柔顺部121、第二柔顺部122和第三柔顺部123，利用柔顺部代替传统的机械传动连接，从而避免地存在着间隙、摩擦，故具有高精度和高稳定性，同时令整个定位平台尺寸小，占用空间小。

如图5所示，所述位移放大器3包括第一万能副31、移动副32和第二万能副33；所述第一万能副31的上端固定于输出平台2，所述第一万能副31的下端设有第四柔顺部311和第五柔顺部312，第四柔顺部311位于第五柔顺部312的上方，且所述第四柔顺部311和第五柔顺部312互相垂直，所述第一万能副31通过第五柔顺部311与移动副32的上端连接；所述第二万能副33的上端设有第六柔顺部331和第七柔顺部332，且所述第六柔顺部331位于第七柔顺部332的下方，且所述第六柔顺部331与第七柔顺部332互相垂直；所述第二万能副33通过第七柔顺部332与移动副32的下端连接；所述第二万能副33的下端与基座1连接；所述第二驱动器5安装于移动副32内。具体的，第一万能副31和第二万能副33均具2个互相垂直的柔顺部，而移动副32采用双排桥式放大结构。这令位移放大器3的结构更紧凑，工作空间小。同时，这种位移放大器3可令输出平台2可实现在空间中沿Z轴的平动和绕X轴、Y轴的转动。故本发明中的基座1和位移放大器3的配合可令输出平台实现6个自由度方向的运动，且精密性高，定位精准。

如图6所示，所述基座1上面设有过渡支架6，所述过渡支架6呈三角架状；所述移动块12另一端设有安装部14，且安装部14位于2个第三柔顺部123之间；所述过渡支架6的3个支脚61分别安装于3个移动块12的安装部14；所述第二万能副33的下端通过过渡支架6与基座1连接。

为提高输出平台2移动的精准度，所述基座1下面设有6个位移传感器，所述位移传感器以2个为一组，3组所述位移传感器分别位于相邻的位移放大器3之间，且每一组中的2个位移传感器相互垂直设置。为了进一步提高位移传感器的检测精确度，所述输出平台2和过渡支架6设有定位件。其中设置于输出平台2的定位件9有3个，而设置于过渡支架6的定位件也有3个，即定位件9的数量与位移传感器数量相等，从而定位件9与位移传感器可以一一对应，每一个定位件9为与其对应的位移传感器提供参照位置。本实施例中，位移传感器选用电容式位移传感器，而定位件9采用不锈钢片。

为提高输出平台移动的稳定性，同时也为进一步提高输出平台2移动的精准度，所述的基于柔顺结构六自由度的精密定位平台还包括测量支架7和支撑平台8，所述支撑平台8安装于基座1的下面；所述测量支架7的上端与输出平台2连接，下端穿过基座1且与支撑平台8连接；所述位移传感器通过测试支架7安装于输出平台2的下面。

具体的，所述测量支架7包括第一连接杆71、转动杆73和第二连接杆72，所述第一连接杆71的上端与输出平台2连接，所述第一连接杆71的下端设有槽孔，所述转动杆73的一端安装于槽孔，所述转动杆73的另一端与第二连接杆72的上端铰接，所述第二连接杆72的下端穿过基座1且与支撑平台8连接。

为提高自动化程度，所述的基于柔顺结构六自由度的精密定位平台还包括控制器，所述第一驱动器4和第二驱动器5均与控制器的输出端连接，所述控制器的输入端与位移传感器连接。如图7所示，控制器的输出端与第一驱动器4、第二驱动器5连接，而控制器的输入端与位移传感器连接，同时，第一驱动器4和第二驱动器5均为输出平台2的运动提供动力，而位称传感器将对输出平台2的进行检测，故控制器、第一驱动器4、第二驱动器5、输出平台2和位移传感器形成一个闭环反馈结构。即，控制器自输出端发出控制信息，第一驱动器4和第二驱动器5收到控制信息号，根据控制信息做出相应的动作，而输出平台受到第一驱动器4和第二驱动器5的作用而发生运动，输出平台2的运动被位移传感器检测到，位移传感器将检测信息传递给控制器，而此时控制器根据位移传感器检测到的信息再将对第一驱动器4和第二驱动器5发出控制信息，对输出平台2的运动进行调整。这种闭环反馈结构保证了输出平台2运动的准确性，从而令输出平台2定位时具有更高的精度和更高的稳定性。

实施例2

本基于柔顺结构六自由度的精密定位平台除以下技术特征外同实施例1：为提高输出平台移动的稳定性，同时也为进一步提高输出平台移动的精准度，如图8所示，所述的基于柔顺结构六自由度的精密定位平台还包括3个测量支架7和3个调节杆10，所述测量支架7的上端与输出平台2连接，下端与基座1连接；3个所述测量支架7分别位于相邻两个位移放大器之间；3个所述调节杆10分别安装于3个测量支架7的下端；所述位移传感器通过测量支架7安装于输出平台2的下面。

具体的，所述测量支架7包括第一连接件74、第二连接件75和第三连接件76，所述第二连接75件呈倒L型，所述第二连接杆75的上端设有第一调节槽，所述第一连接件74的上端与输出平台连接，下端安装于第一调节槽；所述第三连接件76安装于基座1上，且第三连接件76的一端与第二连接件75的下端连接，所述第三连接件76的另一端设有第二调节槽75，所述调节杆10的一端安装于第二调节槽。

上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于柔顺结构六自由度的精密定位平台，其特征在于：包括基座、输出平台、3个位移放大器；所述基座上设有3个第一驱动器，且3个所述第一驱动器相对于基座的中心线的圆周均匀分布；3个所述位移放大器的上端均安装于输出平台的下面，下端均与基座连接；3个所述位移放大器中均设有第二驱动器。

2.根据权利要求1所述的基于柔顺结构六自由度的精密定位平台，其特征在于：所述基座包括主体和3个移动块，所述主体设有通孔，3个移动块均匀分布于通孔内；所述移动块的中部弯曲，且所述移动块内设有与移动块外形匹配的安装槽，所述移动块的一端设有与安装槽连通的开口；同时所述移动块的一端的两侧均设有第一柔顺部，中部的两侧均设有第二柔顺部，而另一端的两侧均设有第三柔顺部；所述移动块通过第一柔顺部与主体的内壁连接，所述移动块的另一端与主体的内壁之间具有间隙，相邻2个所述移动块之间具有间隙；所述第一驱动器的一端与移动块的中部连接，另一端与主体的内壁连接，且所述第一驱动器位于安装槽内。

3.根据权利要求2所述的基于柔顺结构六自由度的精密定位平台，其特征在于：所述位移放大器包括第一万能副、移动副和第二万能副；所述第一万能副的上端固定于输出平台，所述第一万能副的下端设有第四柔顺部和第五柔顺部，第四柔顺部位于第五柔顺部的上方，且所述第四柔顺部和第五柔顺部互相垂直，所述第一万能副通过第五柔顺部与移动副的上端连接；所述第二万能副的上端设有第六柔顺部和第七柔顺部，且所述第六柔顺部位于第七柔顺部的下方，且所述第六柔顺部与第七柔顺部互相垂直；所述第二万能副通过第七柔顺部与移动副的下端连接；所述第二万能副的下端与基座连接；所述第二驱动器安装于移动副内。

4.根据权利要求3所述的基于柔顺结构六自由度的精密定位平台，其特征在于：所述基座上面设有过渡支架，所述过渡支架呈三角架状；所述移动块另一端设有安装部，且安装部位于2个第三柔顺部之间；所述过渡支架的3个支脚分别安装于3个移动块的安装部；所述第二万能副的下端通过过渡支架与基座连接。

5.根据权利要求1所述的基于柔顺结构六自由度的精密定位平台，其特征在于：所述基座下面设有6个位移传感器，所述位移传感器以2个为一组，3组所述位移传感器分别位于相邻的位移放大器之间，且每一组中的2个位移传感器相互垂直设置。

6.根据权利要求5所述的基于柔顺结构六自由度的精密定位平台，其特征在于：还包括测量支架和支撑平台，所述支撑平台安装于基座的下面；所述测量支架的上端与输出平台连接，下端穿过基座且与支撑平台连接；所述位移传感器通过测试支架安装于输出平台的下面。

7.根据权利要求6所述的基于柔顺结构六自由度的精密定位平台，其特征在于：所述测量支架包括第一连接杆、转动杆和第二连接杆，所述第一连接杆的上端与输出平台连接，所述第一连接杆的下端设有槽孔，所述转动杆的一端安装于槽孔，所述转动杆的另一端与第二连接杆的上端铰接，所述第二连接杆的下端穿过基座且与支撑平台连接。

8.根据权利要求5所述的基于柔顺结构六自由度的精密定位平台，其特征在于：还包括3个测量支架和3个调节杆，所述测量支架的上端与输出平台连接，下端与基座连接；3个所述测量支架分别位于相邻两个位移放大器之间；3个所述调节杆分别安装于3个测量支架的下端；所述位移传感器通过测量支架安装于输出平台的下面。

9.根据权利要求8所述的基于柔顺结构六自由度的精密定位平台，其特征在于：所述测量支架包括第一连接件、第二连接件和第三连接件，所述第二连接件呈倒L型，所述第二连接杆的上端设有第一调节槽，所述第一连接件的上端与输出平台连接，下端安装于第一调节槽；所述第三连接件安装于基座上，且第三连接件的一端与第二连接件的下端连接，所述第三连接件的另一端设有第二调节槽，所述调节杆的一端安装于第二调节槽。

10.根据权利要求5所述的基于柔顺结构六自由度的精密定位平台，其特征在于：还包括控制器，所述第一驱动器和第二驱动器均与控制器的输出端连接，所述控制器的输入端与位移传感器连接。

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