CN104196952B - 两自由度的微型柔性铰链减振平台及减振方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于机械领域，涉及两自由度的微型柔性铰链减振平台及减振方法，该平台由于方型框架壳体内有中心体（减振平台），中心体位于方形框架壳体的上端或下端四周面各有一沿面向一侧延伸连接的柔性薄板，柔性薄板另一端与方形框架壳体一个面连接；方形框架壳体一个面连接与中心体柔性薄板连接面垂直；垂直电机和水平电机分别与水平边框和垂直边框固定连接，当外界干扰使得中心体运动时，通过控制算法控制电机反方向的推力，这个推力使得弹簧和垂直推头反方向运动，同时垂直推头顶着中心体向反方向推动，保持中心体静止。
Description
技术领域
本发明属于机械领域，主要体现在减振方面，涉及非电变量的调整或控制系统中有关平台的位置和姿态调整的控制，具体是两自由度的微型柔性铰链减振平台及减振方法。
背景技术
微型减振平台是基于压电驱动的纳米级微定位技术，是以压电微位移驱动器为驱动，以柔性铰链为弹性导轨的微动精密定位平台，具有无摩擦、无反向间隙、高分辨率、易于控制和机构紧凑等优点。
而柔顺机构是利用自身柔性构件的弹性变形来转换力运动或能量的一种新型机构，目前对柔顺机构静力学及运动学方面的研究主要
包括:计算机构的自由度，分析杆的运动轨迹和机构的驱动力矩等方面。
国外学者Midha最先对柔顺机构的自由度进行了研究，创造性的提出了按构件横截面的不同对构件进行分段在此基础上Ananthasuresh等进行了更深入的研究，提出了一种计算柔顺机构自由度的方法国内许多学者也对柔顺机构的自由度问题进行了研究，谢先海等针对柔顺机构构件的特点，在分析段的自由度及段与段之间
联接类型的基础上，提出了一种非常简易的计算柔顺机构自由度的方法。
在柔顺机构静力学计算方面，Her根据柔顺机构的特点研究了非迭代一步计算方法在柔顺机构中的应用问题，利用线性方法研究了机构铰结点的位移，导出了柔顺机构的静力学求解计算公式Pigosk等
采用代数几何方法，通过对柔顺机构进行静力逆分析，得到6次封闭型解。
根据柔顺机构的性能特点,由于构件的大变形引起的几何非线性使得柔顺机构的分析变得复杂。为了简化柔顺机构的分析过程,美国学者Howell和Midha教授等提出了伪刚体模型法,该方法是基于传统刚性机构分析和设计的一种分析方法。文献HowellLL，MidhaA《Parametricdeflectionapproximationsforendloadedlargedeflectionbeamsincompliantmechanisms［J］》中建立了分段悬臂梁的伪刚体模型，在悬臂梁中短而柔的那一段中间加一铰链和一扭转弹簧，转化成为刚性弹簧机构。
近几年国内学者通过对微动精密定位平台和柔顺机构的研究，也设计出一系列的微型定位机构。如孙宝玉等设计了基于直圆柔性铰链的一维压电式微定位机构，建立了机构的动力学模型陈时锦等设计了一种基于直圆柔性的二维微位移工作台，分析了机构尺寸对工作台各项性能的影响。吴鹰飞等基于正圆形柔性铰链设计了一种多自由度微位移平台，该平台以压电陶瓷作为驱动装置柔性铰链作为运动传递机构，构成平面平动和转动微位移平台，结合电磁锁紧机构，实现蠕动式运动。
发明内容
本发明的目的是提供在一个水平面上的前后方向和左右方向直线运动的微型减振，以便用柔性机构实现两自由度的两自由度的微型柔性铰链减振平台及减振方法。
本发明的目的是这样实现的，两自由度的微型柔性铰链减振平台，其特征是：至少包括方形框架壳体，方型框架壳体内有中心体，中心体四周分别通过一个柔性薄板与方型框架壳体连接，四周柔性薄板位于中心体的下端，方形框架壳体每一个面与一个柔性薄板垂直边连接；中心体前端或后端有四个通孔，其中两个通孔沿前后面上下布置，另两个面水平布置在上述两个上下孔之间；两个音圈电机的垂直电机和水平电机分别与水平边框和垂直边框固定连接，垂直电机和水平电机分别连接垂直推头连接件和水平推头连接件；垂直推头连接件和水平推头连接件分别有两个平行的第一弹簧接头；垂直电机和水平电机的电机轴连接有垂直推头、水平推头；垂直推头和水平推头在平行的第一弹簧接头之间；四个弹簧一端套接在平行的第一弹簧接头上，另一端穿过四个通孔与水平和垂直两个限位杆的第二弹簧接头连接；垂直推头和水平推头用螺丝固定在电机上。
所述的方型框架壳体四面为金属薄板；柔性薄板为金属薄板经多次垂直反相弯折构成。
两自由度的微型柔性铰链减振平台的减振方法，其特征是：设左方向为+X，右方向为-X，前方向为+Y，后方向为-Y；当外界干扰使得中心体向-Y方向运动时，柔性薄板因惯性拉着中心体向+Y方向运动，减少一部分中心体振动，同时通过控制算法控制-Y面电机产生+Y方向的推力，这个推力使得弹簧和垂直推头向+Y方向运动，同时垂直推头顶着中心体向+Y方向推动，保持中心体静止；若外界干扰使得中心体向+Y面运动，四全柔性薄板因惯性合力拉着中心体向-Y方向运动，减少一部分中心体振动，同时通过控制算法控制电机产生-Y方向的拉力，这个拉力使得电机带动弹簧和垂直推头向-Y面运动，同时弹簧拉着中心体向-Y面运动，保持中心体静止；通过控制算法控制电机运动速度及位移，减少中心体前后方向的振动；
当外界干扰使得中心体向-X面运动时，柔性薄板因惯性合力拉着中心体向+X方向运动，减少一部分中心体振动，同时通过控制X面的水平电机产生+X方向的推力，这个推力使得电机带动弹簧和水平推头向+X运动，同时水平推头顶着中心体向+X面运动，保持中心体静止；若外界干扰使得中心体向-X面运动，柔性薄板因惯性合力拉着中心体向+X方向运动，减少一部分中心体振动，同时通过控制算法控制水平电机产生-X方向的拉力，这个拉力使得电机带动弹簧和水平推头向-X面运动，同时弹簧拉着中心体向-X方向运动，保持中心体不动。
本发明的优点是：由于方型框架壳体内有中心体（减振平台），中心体位于方形框架壳体的上端或下端四周面各有一沿面向一侧延伸连接的柔性薄板，柔性薄板另一端与方形框架壳体一个面连接；方形框架壳体一个面连接与中心体柔性薄板连接面垂直；垂直电机和水平电机分别与水平边框和垂直边框固定连接，当外界干扰使得中心体运动时，通过控制算法控制电机反方向的推力，这个推力使得弹簧和垂直推头反方向运动，同时垂直推头顶着中心体向反方向方向推动，保持中心体静止。
附图说明
下面结合实施例附图对本发明作进一步说明：
图1是本发明实施例结构示意图；
图2是图1底面结构示意图。
图中，1、方形框架壳体；2、中心体；3、柔性薄板；4、四个通孔；5、垂直电机；6、水平电机；7、水平边框；8、垂直边框；9、第一弹簧接头；10、第二弹簧接头；11、限位杆；12、弹簧；13、垂直推头；14、水平推头；15、垂直推头连接件；16、水平推头连接件。
具体实施方式
如图1、图2所示，两自由度的微型柔性铰链减振平台，至少包括方形框架壳体1，方型框架壳体1内有中心体2，中心体2四周分别通过一个柔性薄板3与方型框架壳体1连接，四周柔性薄板3位于中心体2的下端，方形框架壳体1每一个面与一个柔性薄板3垂直边连接；中心体2前端或后端有四个通孔4，其中两个通孔沿前后面上下布置，另两个面水平布置在上述两个上下孔之间；两个音圈电机的垂直电机5和水平电机6分别与水平边框7和垂直边框8固定连接，垂直电机5和水平电机6分别连接垂直推头连接件15和水平推头连接件16；垂直推头连接件15和水平推头连接件16分别有两个平行的第一弹簧接头；垂直电机5和水平电机6的电面轴连接有垂直推头13、水平推头14；垂直推头13和水平推头14在平行的第一弹簧接头9之间；四个弹簧12一端套接在平行的第一弹簧接头上，另一端穿过四个通孔4与水平和垂直两个限位杆11的第二弹簧接头10连接；垂直推头15和水平推头16用螺丝固定在电机上。所述的垂直电机5和水平电机6均为直线型音圈电机。
方型框架壳体四面为金属薄板；柔性薄板3为金属薄板经多次垂直反相弯折构成。
如图2，两自由度的微型柔性铰链减振平台的减振方法，设左方向为+X，右方向为-X，前方向为+Y，后方向为-Y。当外界干扰使得中心体2向-Y方向运动时，图2中的柔性薄板因惯性拉着图1中的中心体2向+Y方向运动，减少一部分中心体振动，同时通过控制算法控制-Y面电机5产生+Y方向的推力，这个推力使得弹簧12和垂直推头13向+Y方向运动，同时垂直推头13顶着中心体2向+Y方向推动，保持中心体静止。若外界干扰使得中心体2向+Y面运动，图2中的柔性薄板因惯性拉着图1中的中心体2向-Y方向运动，减少一部分中心体振动，同时通过控制算法控制电机5产生-Y方向的拉力，这个拉力使得电机5带动弹簧12和垂直推头13向-Y面运动，同时弹簧12拉着中心体2向-Y面运动，保持中心体静止。通过控制算法控制电机运动速度及位移，减少中心体前后方向的振动。
同理，当外界干扰使得中心体2向-X面运动时，图2中的柔性薄板因惯性拉着图1中的中心体2向+X方向运动，减少一部分中心体振动，同时通过控制X面的水平电机6产生+X方向的推力，这个推力使得电机带动弹簧12和水平推头14向+X运动，同时水平推头14顶着中心体2向+X面运动，保持中心体静止。若外界干扰使得中心体2向-X面运动，图2中的柔性薄板因惯性拉着图1中的中心体2向+X方向运动，减少一部分中心体振动，同时通过控制算法控制水平电机6产生-X方向的拉力，这个拉力使得电机带动弹簧12和水平推头14向-X面运动，同时弹簧12拉着中心体2向-X方向运动，保持中心体不动。通过控制算法可以控制电机的运动速度和位移，通过这种方法实现左右方向的减振。在此过程中，通过控制算法调整电机作用力，使得柔性薄板和电机对中心体的作用力保持平衡。
Claims (3)
1.两自由度的微型柔性铰链减振平台，其特征是：至少包括方形框架壳体，方型框架壳体内有中心体，中心体四周分别通过一个柔性薄板与方型框架壳体连接，四周柔性薄板位于中心体的下端，方形框架壳体每一个面与一个柔性薄板垂直边连接；中心体的前后端和左右端分别设有2个通孔，其中中心体前后端的两个通孔水平平行，中心体左右两端的两个通孔与水平面垂直，且位于中心体前后端的两个通孔之间；两个音圈电机包括两个垂直电机和两个水平电机，所述的两个水平电机与水平边框连接，两个垂直电机与垂直边框固定连接，垂直电机和水平电机分别连接垂直推头连接件和水平推头连接件；垂直推头连接件和水平推头连接件分别有两个平行的第一弹簧接头；垂直电机的电机轴连接有垂直推头，水平电机的电机轴连接有水平推头；垂直推头和水平推头在平行的第一弹簧接头之间；四个弹簧一端套接在平行的第一弹簧接头上，另一端穿过四个通孔与水平和垂直两个限位杆的第二弹簧接头连接；垂直推头和水平推头用螺丝固定在电机上。
2.根据权利要求1所述的两自由度的微型柔性铰链减振平台，其特征是：所述的方型框架壳体四面为金属薄板；柔性薄板为金属薄板经多次垂直反相弯折构成。
3.两自由度的微型柔性铰链减振平台的减振方法，其特征是：设左方向为+X，右方向为-X，前方向为+Y，后方向为-Y；当外界干扰使得中心体向-Y方向运动时，柔性薄板因惯性拉着中心体向+Y方向运动，减少一部分中心体振动，同时通过控制算法控制-Y面电机产生+Y方向的推力，这个推力使得弹簧和垂直推头向+Y方向运动，同时垂直推头顶着中心体向+Y方向推动，保持中心体静止；若外界干扰使得中心体向+Y面运动，中心体四周设有的柔性薄板因惯性合力拉着中心体向-Y方向运动，减少一部分中心体振动，同时通过控制算法控制电机产生-Y方向的拉力，这个拉力使得电机带动弹簧和垂直推头向-Y面运动，同时弹簧拉着中心体向-Y面运动，保持中心体静止；通过控制算法控制电机运动速度及位移，减少中心体前后方向的振动；
当外界干扰使得中心体向-X面运动时，柔性薄板因惯性合力拉着中心体向+X方向运动，减少一部分中心体振动，同时通过控制X面的水平电机产生+X方向的推力，这个推力使得电机带动弹簧和水平推头向+X运动，同时水平推头顶着中心体向+X面运动，保持中心体静止；若外界干扰使得中心体向+X面运动，柔性薄板因惯性合力拉着中心体向-X方向运动，减少一部分中心体振动，同时通过控制算法控制水平电机产生-X方向的拉力，这个拉力使得电机带动弹簧和水平推头向-X面运动，同时弹簧拉着中心体向-X方向运动，保持中心体不动。
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