CN104385261B - 具有空间三自由度的平动装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及具有空间三自由度的平动装置及方法，该装置至少包括：固定底座、动平台、动力头、音圈电机；三个音圈电机通过螺钉固定在固定底座上，三个音圈电机的轴运动方向与固定底座的底面平行；三个音圈电机以固定底座的中心为中心互成120度；固定底座通过三组弹性连接件与动平台连接，使固定底座的平面与动平台的平面平行；分别驱动三个音圈电机，通过三个音圈电机连接的动力头带动动平台在固定底座上端移动。该装置实现了动平台具有在空间内前后、左右和上下运动的三个自由度，具有承载能力强、结构简单，整体结构紧凑，减轻了整个装置的重量和所占用的体积。
Description
技术领域
本发明属于机械技术领域，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装置，具体是关于具有空间三自由度的平动装置及方法。可用于精密测试平台的微位移调整、主动减震控制等领域。
背景技术
近年来，并联机器人收到了大家的重视，并联机器人具有结构稳定、高刚度、高精度、运动迅速、运动杆件质量轻等优点。基于这些有点，并联机器人非常适合用于空间三自由度微动机器人的设计。因此，并联机器人的研究已经成为国内外机械学研究的新型热点。
1985年Clavel提出了可实现3平动的Delta并联机器人。参考文献《Deltaafastrobotwithparallelgeometry》inProceedingsofInternationalSymposiumonIndustrialRobot,Apr.26-28,1988,Lausanne.Switzerland：ISIR,1988：91-100。1998年芬兰Tampere大学KALLIO等提出了一种3自由度压电液压驱动微操作机器人。参考文献《A3DOFpiezohydraulicparallelmicromanipulator》inInternationalConferenceonRoboticsandAutomation，May10-15，1999，Leuven.Belgium：IEEE，1998：l8231828。2006年金振林提出了一种可实现3平动的三维平动球平台机器人。参考文献《三维平动球平台机器人的位置与工作空间分析》，中国机械工程，第17卷第6期2006年3月下半月。2011年澳门大学的Li和Xu设计了一种基于压电驱动的全解耦三自由度微动执行器，其微位移精度可达亚微米级。参考文献《Atotallydecoupledpiezo-drivenXYZflexureparallelmicropositioningstageformicro/nanomanipulation》,IEEETransactionsonautomationscienceandengineering,2011,8(2):265-279。
如上所述，近年来，三自由度的并联机器人得到了发展，但是传统的三自由并联机器人由于机构关节众多，难以在极小的空间范围和质量范围内实现。本文提出了一种便于微型化的空间三平动微动并联机器人。
发明内容
本发明的目的是提供一种易于在小空间范围和质量范围内具有空间三自由度的平动装置及方法。
本发明的技术方案是这样实现的：具有空间三自由度的平动装置，其特征是：至少包括：固定底座、动平台、动力头、音圈电机；三个音圈电机通过螺钉固定在固定底座上，三个音圈电机的轴运动方向与固定底座的底面平行；三个音圈电机以固定底座的中心为中心互成120度；固定底座通过三组弹性连接件与动平台连接，使固定底座的平面与动平台的平面平行；分别驱动三个音圈电机，通过三个音圈电机连接的动力头带动动平台在固定底座上端移动。
所述的弹性连接件包括拉簧螺钉、拉簧、拉簧挂棒和螺钉；动平台是一个底面为正三角形、倒置的三棱台，其底面三角形的高为36mm，棱台的高度为5mm，锥面倾角为45度，材料选用铝；拉簧的顶部通过拉簧挂棒与动平台在其斜角处连接，拉簧的底部通过拉簧螺钉与固定底座连接。
所述的三个音圈电机通过螺钉固定在后立板上，后立板垂直与固定底座固定，三个音圈电机以固定底座的中心为中心互成120度，三个音圈电机轴的延长线汇焦在动平台和固定底座的中心位置；三个音圈电机的运动方向与固定底座的底面平行。
所述的固定底座是对称六边形，其三个短边上分别固定三个互成120度的直线电机，中心部分有与动力头形成平面移动副的导轨。
具有空间三自由度的平动方法,其特征是：
以固定底座的中心为原点O，以一个音圈电机的运动方向为X轴方向，以该音圈电机运动方向的垂直方向为Y方向，使得XOY平面与固定底座的底面平行，建立空间坐标系(X、Y、Z)；
当三个音圈电机带动三个动力头沿着固定底座上的导轨同时朝向原点O或远离原点O做直线运动时，可推动动平台沿Z轴方向上升或下降，从而实现动平台在Z轴方向的运动；
当位于X轴上的音圈电机带动动力头沿着固定底座上的导轨朝向远离原点O做直线运动，同时另外两个音圈电机带动动力头沿着固定底座上的导轨同时远离朝向原点O做直线运动时，可推动动平台沿X轴前进或后退，从而实现动平台在X轴方向的运动；
当两个音圈电机分别带动动力头沿着固定底座上的导轨朝向远离原点O做适当的直线运动，而一个音圈电机带动动力头沿着固定底座上的导轨远离原点朝向原点做直线运动，通过运动的合成可推动动平台沿Y轴前进或后退，从而实现动平台在Y轴方向的运动。
本发明与现有技术相比较的优点：
1、该装置实现了动平台具有在空间内前后、左右和上下运动的三个自由度。
2、该装置的支链作动器使用平面副并联作用于动平台，支链运动环节的零件少、刚度高，装置的承载能力强。
3、该装置零件结构简单，整体结构紧凑，减轻了整个装置的重量，并且减少了该装置所占用的体积。
4、该装置使用压簧增加动力头与动平台之间的内力，有效减少了直线电机的推力和功率。
由于本发明具有上述的优点，因此具有广泛的推广应用价值。在工业上，可以应用于精密测试平台的微位移调整以及主动减震控制等领域。
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是本发明实施例整体装配剖面示意图；
图2是图1的俯视示意图；
图3是动平台剖面示意图；
图4动平台俯视示意图；
图5固定底座局部侧视示意图；
图6是固定底座俯视示意图；
图7是动力头主视示意图；
图8动力头剖面示意图。
图中，1、固定底座；2、拉簧螺钉；3、拉簧；4、拉簧挂棒；5、动平台；6、动力头；7、音圈电机；8、螺钉。
具体实施方式
参照图1和图2，具有空间三自由度的平动装置及方法，至少包括：固定底座1、动平台5、动力头6、音圈电机7；三个音圈电机7通过螺钉8固定在固定底座1上，三个音圈电机7的轴运动方向与固定底座1的底面平行；三个音圈电机7以固定底座1的中心为中心互成120度；固定底座1通过三组弹性连接件与动平台5连接，使固定底座1的平面与动平台5的平面平行；分别驱动三个音圈电机7，通过三个音圈电机7连接的动力头6带动动平台5在固定底座1上端移动。
弹性连接件包括拉簧螺钉2、拉簧3、拉簧挂棒4和螺钉8；动平台5呈三角形，三角下部与动平台5平面呈斜角；拉簧3的顶部通过拉簧挂棒4与动平台5在其斜角处连接，拉簧3的底部通过拉簧螺钉2与固定底座1连接。
参照图2，它是本发明实施例1的俯视示意图。三个音圈电机7通过螺钉8固定在固定底座1上，以固定底座1的中心为中心互成120度，三个音圈电机7轴的延长线汇焦在动平台5和固定底座1的中心位置；三个音圈电机7的运动方向与固定底座1的底面平行。
图3是本发明的动平台的剖面示意图；图4是本发明的动平台俯视示意图。动平台5是一个底面为正三角形、倒置的三棱台，其底面三角形的高为36mm，棱台的高度为5mm，锥面倾角为45度，材料选用铝。
参照图5，它是本发明的固定底座的局部侧视示意图，图6是本发明的固定底座的俯视示意图。固定底座1是对称六边形，其三个短边上分别固定三个互成120度的直线电机，中心部分有与动力头6形成平面移动副的导轨。
参照图7，它是本发明的动力头的主视示意图。图8是本发明的动力头的剖面示意图。动力头6的材料选用铝。
本发明的工作过程如下：
以固定底座1的中心为原点O，以一个音圈电机7的运动方向为X轴方向，以该音圈电机运动方向的垂直方向为Y方向，使得XOY平面与固定底座1的底面平行，建立空间坐标系(X、Y、Z)。
当三个音圈电机7带动三个动力头6沿着固定底座1上的导轨同时朝向原点O或远离原点O做直线运动时，可推动动平台5沿Z轴方向上升或下降，从而实现动平台5在Z轴方向的运动。
当位于X轴上的音圈电机7带动动力头6沿着固定底座1上的导轨朝向(远离)原点O做直线运动，同时另外两个音圈电机7带动动力头6沿着固定底座1上的导轨同时远离(朝向)原点O做直线运动时，可推动动平台5沿X轴前进(后退)，从而实现动平台5在X轴方向的运动。
当两个音圈电机7分别带动动力头6沿着固定底座1上的导轨朝向(远离)原点O做适当的直线运动，而一个音圈电机7带动动力头6沿着固定底座1上的导轨远离原点(朝向原点)做直线运动，通过运动的合成可推动动平台5沿Y轴前进(后退)，从而实现动平台5在Y轴方向的运动。
Claims (4)
1.具有空间三自由度的平动装置，其特征是：至少包括：固定底座（1）、动平台（5）、动力头（6）、音圈电机（7）；三个音圈电机（7）通过螺钉（8）固定在固定底座（1）上，三个音圈电机（7）的轴运动方向与固定底座（1）的底面平行；三个音圈电机（7）以固定底座（1）的中心为中心互成120度；固定底座（1）通过三组弹性连接件与动平台（5）连接，使固定底座（1）的平面与动平台（5）的平面平行；分别驱动三个音圈电机（7），通过三个音圈电机（7）连接的动力头（6）带动动平台（5）在固定底座（1）上端移动；所述的弹性连接件包括拉簧螺钉（2）、拉簧（3）、拉簧挂棒（4）和螺钉（8）；动平台（5）是一个底面为正三角形、倒置的三棱台，其底面三角形的高为36mm，棱台的高度为5mm，锥面倾角为45度，材料选用铝；拉簧（3）的顶部通过拉簧挂棒（4）与动平台（5）在其斜角处连接，拉簧（3）的底部通过拉簧螺钉（2）与固定底座（1）连接。
2.根据权利要求1所述的具有空间三自由度的平动装置，其特征是：所述的三个音圈电机（7）通过螺钉（8）固定在后立板上，后立板垂直与固定底座（1）固定，三个音圈电机（7）以固定底座（1）的中心为中心互成120度，三个音圈电机（7）轴的延长线汇焦在动平台（5）和固定底座（1）的中心位置；三个音圈电机（7）的运动方向与固定底座（1）的底面平行。
3.根据权利要求1所述的具有空间三自由度的平动装置，其特征是：所述的固定底座（1）是对称六边形，其三个短边上分别固定三个互成120度的直线电机，中心部分有与动力头（6）形成平面移动副的导轨。
4.具有空间三自由度的平动方法,其特征是：
以固定底座（1）的中心为原点O，以一个音圈电机（7）的运动方向为X轴方向，以该音圈电机运动方向的垂直方向为Y方向，使得XOY平面与固定底座（1）的底面平行，建立空间坐标系（X、Y、Z）；
当三个音圈电机（7）带动三个动力头（6）沿着固定底座（1）上的导轨同时朝向原点O或远离原点O做直线运动时，可推动动平台（5）沿Z轴方向上升或下降，从而实现动平台（5）在Z轴方向的运动；
当位于X轴上的音圈电机（7）带动动力头（6）沿着固定底座（1）上的导轨朝向远离原点O做直线运动，同时另外两个音圈电机（7）带动动力头（6）沿着固定底座（1）上的导轨同时远离朝向原点O做直线运动时，可推动动平台（5）沿X轴前进或后退，从而实现动平台（5）在X轴方向的运动；
当两个音圈电机（7）分别带动动力头（6）沿着固定底座（1）上的导轨朝向远离原点O做适当的直线运动，而一个音圈电机（7）带动动力头（6）沿着固定底座（1）上的导轨远离原点朝向原点做直线运动，通过运动的合成可推动动平台（5）沿Y轴前进或后退，从而实现动平台（5）在Y轴方向的运动。
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