CN105537980A - 一种高精度柔性冗余平台 - Google Patents

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    • B23Q1/00—Members which are comprised in the general build-up of a form of machine, particularly relatively large fixed members
    • B23Q1/25—Movable or adjustable work or tool supports
    • B23Q1/26—Movable or adjustable work or tool supports characterised by constructional features relating to the co-operation of relatively movable members; Means for preventing relative movement of such members
    • B23Q1/34—Relative movement obtained by use of deformable elements, e.g. piezoelectric, magnetostrictive, elastic or thermally-dilatable elements

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Abstract

一种高精度柔性冗余平台，本发明涉及一种柔性平台，本发明为了解决解决传统刚性偏转平台存在间隙以及柔性平台抗干扰能力差等问题，它包括机构主体、一组压电陶瓷组件和底座，所述机构主体包括主体端板、主体框体和主体筒体，一组压电陶瓷组件包括四个压电陶瓷件，主体框体固定套装在主体筒体上，主体端板的下端面固定安装在主体筒体的上端面上，位于主体端板和主体框体之间主体筒体的侧壁上沿径向加工有两组通孔，且两组通孔由上至下交错设置，主体筒体靠近底端的内侧壁加工有环形固定板，环形固定板通过螺栓螺纹连接安装在底座上，每个压电陶瓷件的顶端均顶在主体端板的下端面上，本发明适用于机器人精密操作领域。

Description

一种高精度柔性冗余平台
技术领域
本发明涉及一种柔性平台，具体涉及一种高精度柔性冗余平台。
背景技术
随着微电子制造技术、生物医学工程、光学技术、航空航天技术的深入发展，对高精度的指向系统提出了更高的要求。传统的机械系统大多由刚性运动构建通过运动副的形式组建而成，不可避免的存在着摩擦、磨损、蠕变等缺点。为了解决这些问题，在现代高精度指向系统中，多采用柔性关节来替代刚性运动副。柔性关节依靠材料自身的弹性变形来传递运动，一体化的结构可以消除间隙，因而可以达到很高的运动精度和分辨率。压电陶瓷驱动器的运动分辨率可达纳米甚至亚纳米级，并且具有响应速度快、结构紧凑、体积小、无机械摩擦、无间隙、出力大、刚度大、控制方便等优点，并可以实现内置微位移传感器，从而完成驱动端的闭环控制，是微动机构的理想驱动元件。由于柔性关节的刚度较低，因而采用这类关节搭建的柔性平台的抗干扰能力较差(如发明专利CN103343867公布的一种二维柔性平台)。冗余机构是一种驱动器的数目多于机构所具有的自由度的数目的机构。冗余机构具有提高机构刚度、避免奇异、扩大工作空间、承载能力强以及较优的运动学和动力学性能等优点。采用柔性关节构建冗余机构并采用压电陶瓷来进行驱动可以实现高精度、高刚度、高响应速度和高可靠性的运动，获得较优的运动学和动力学性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高精度柔性冗余平台。解决传统刚性偏转平台存在间隙以及柔性平台抗干扰能力差等问题，保证运动的精度和可靠性。
本发明为解决上述问题而采用的技术方案是：它包括机构主体、一组压电陶瓷组件和底座，所述机构主体包括主体端板、主体框体和主体筒体，一组压电陶瓷组件包括四个压电陶瓷件，主体端板为正方体，主体框体为正方形框体，主体筒体为圆形筒体，底座为圆柱体，每个压电陶瓷件的外壳体为圆形，且压电陶瓷件的外壳的底端加工有螺纹孔，主体框体固定套装在主体筒体上，主体端板的下端面固定安装在主体筒体的上端面上，位于主体端板和主体框体之间主体筒体的侧壁上沿径向加工有两组通孔，且两组通孔由上至下交错设置，主体筒体靠近底端的内侧壁加工有环形固定板，且环形固定板沿径向均布加工有四个螺纹孔，底座的上端面由上至下依次加工有第一凸台和第二凸台，第一凸台的上端面上沿径向加工四个圆形凹槽，且四个圆形凹槽连通，每个圆形凹槽的底端加工有螺纹孔，每个圆形凹槽内竖直固定安装有一个压电陶瓷件，每个圆形凹槽底端的螺纹孔内设有一个螺栓，且每个压电陶瓷件通过螺栓螺纹连接安装在底座上，第二凸台沿径向均布加工有与环形固定板上四个螺纹孔对应的四个螺纹孔，且第二凸台上每个螺纹孔内均设有一个螺栓，环形固定板通过螺栓螺纹连接安装在底座上，每个压电陶瓷件的顶端均顶在主体端板的下端面上。
本发明的有益效果是：本发明能够实现高精度、高刚度、高响应速度和高可靠性的运动。在本发明中四个压电陶瓷件4分别对称设置在两条互相垂直的两条轴线上，且四个压电陶瓷件4到两条互相垂直的两条轴线交点的距离相等。本发明的四个压电陶瓷件4采用四电驱动的方式，分布半径和压电陶瓷驱动器位移相同的情况下因为对角之间的跨距更大，分辨率更高，每个压电陶瓷件4顶部加工有一个半球形体，同一轴线的两个压电陶瓷件4分别采用推和拉的工作方式使主体端板1-1绕另一个轴线偏转，这种差动设计保证了转角稳定性，同时有助于提高机构的动态性能。通过压电陶瓷驱动柔性关节，实现了工作台的偏转，并保证了运动平稳、无间隙、无机械摩擦、高位移分辨率。
附图说明
图1是本发明整体结构示意图，图2是本发明整体机构俯视图，图3是本发明机构主体1的结构示意图，图4是本发明机构主体1的主视图，图5是一组压电陶瓷组件2的示意图，图6是底座3的结构示意图，图7是机构主体1、一组压电陶瓷组件2和底座3安装在一起的剖视图，图8是四个压电陶瓷件4分别设置在两条互相垂直的X轴线和Y轴线上的示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1-图7说明本实施方式，一种高精度柔性冗余平台，它包括机构主体1、一组压电陶瓷组件2和底座3，所述机构主体1包括主体端板1-1、主体框体1-2和主体筒体1-3，一组压电陶瓷组件2包括四个压电陶瓷件4，主体端板1-1为正方体，主体框体1-2为正方形框体，主体筒体1-3为圆形筒体，底座3为圆柱体，每个压电陶瓷件4的外壳体为圆形，且压电陶瓷件4的外壳的底端加工有螺纹孔，主体框体1-2固定套装在主体筒体1-3上，主体端板1-1的下端面固定安装在主体筒体1-3的上端面上，位于主体端板1-1和主体框体1-2之间主体筒体1-3的侧壁上沿径向加工有两组通孔1-4，且两组通孔1-4由上至下交错设置，主体筒体1-3靠近底端的内侧壁加工有环形固定板1-5，且环形固定板1-5沿径向均布加工有四个螺纹孔，底座3的上端面由上至下依次加工有第一凸台3-1和第二凸台3-3，第一凸台3-1的上端面上沿径向加工四个圆形凹槽3-2，且四个圆形凹槽3-2连通，每个圆形凹槽3-2的底端加工有螺纹孔，每个圆形凹槽3-2内竖直固定安装有一个压电陶瓷件4，每个圆形凹槽3-2底端的螺纹孔内设有一个螺栓，且每个压电陶瓷件4通过螺栓螺纹连接安装在底座3上，第二凸台3-3沿径向均布加工有与环形固定板1-5上四个螺纹孔对应的四个螺纹孔，且第二凸台3-3上每个螺纹孔内均设有一个螺栓，环形固定板1-5通过螺栓螺纹连接安装在底座3上，每个压电陶瓷件4的顶端均顶在主体端板1-1的下端面上。
本实施方式中压电陶瓷件4主要的性能指标为：压电陶瓷件4的工作电压：0～150V(直流)；位移行程：0～40μm；最大推力和最大拉力分别为1800N和300N；压电陶瓷总长度为46mm，内部集成的电阻应变式传感器闭环最小分辨率为0.4nm；空载谐振频率：20kHz。根据压电陶瓷驱动器的对角跨距d＝25mm，压电陶瓷件4在最大驱动行程和最小分辨率下的输入时，根据公式：θ＝atan(s/d)，其中s分别代表最大行程和最小分辨率。可以分别求出对应的平台行程为±0.09°和平台分辨率为0.016μrad。
具体实施方式二：结合图5和图8说明本实施方式，一种高精度柔性冗余平台，所述每个压电陶瓷件4的顶端加工有半球形体，半球形体的顶端顶在主体端板1-1的下端面上，压电陶瓷件4顶部是一个精制的球头，位于同一轴线上的一对压电陶瓷件4一个采用推另一个采用拉的工作方式使上平面绕另一轴线偏转，这种差动结构保证了转角稳定性，同时有助于提高机构的动态性能。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图7说明本实施方式，一种高精度柔性冗余平台，所述每个压电陶瓷件4均靠近主体筒体1-3的内侧壁设置，其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，一种高精度柔性冗余平台，所述主体端板1-1的上端面加工有凹槽1-6，其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：结合图4说明本实施方式，一种高精度柔性冗余平台，所述两组通孔1-4中的每组通孔1-4均是由多个条形通孔组成，多个条形通孔沿径向均布设置在主体筒体1-3的侧壁上，所述每组通孔1-4中相邻两个通孔之间宽度的距离为W,两组通孔1-4之间高度的距离为L，W为L的二倍，可以使机构主体的主体端板1-1在外力的作用下可以绕空间任意轴线的转动，其它与具体实施方式一相同。

Claims (5)

1.一种高精度柔性冗余平台，其特征在于：它包括机构主体(1)、一组压电陶瓷组件(2)和底座(3)，所述机构主体(1)包括主体端板(1-1)、主体框体(1-2)和主体筒体(1-3)，一组压电陶瓷组件(2)包括四个压电陶瓷件(4)，主体端板(1-1)为正方体，主体框体(1-2)为正方形框体，主体筒体(1-3)为圆形筒体，底座(3)为圆柱体，每个压电陶瓷件(4)的外壳体为圆形，且压电陶瓷件(4)的外壳的底端加工有螺纹孔，主体框体(1-2)固定套装在主体筒体(1-3)上，主体端板(1-1)的下端面固定安装在主体筒体(1-3)的上端面上，位于主体端板(1-1)和主体框体(1-2)之间主体筒体(1-3)的侧壁上沿径向加工有两组通孔(1-4)，且两组通孔(1-4)由上至下交错设置，主体筒体(1-3)靠近底端的内侧壁加工有环形固定板(1-5)，且环形固定板(1-5)沿径向均布加工有四个螺纹孔，底座(3)的上端面由上至下依次加工有第一凸台(3-1)和第二凸台(3-3)，第一凸台(3-1)的上端面上沿径向加工四个圆形凹槽(3-2)，且四个圆形凹槽(3-2)连通，每个圆形凹槽(3-2)的底端加工有螺纹孔，每个圆形凹槽(3-2)内竖直固定安装有一个压电陶瓷件(4)，每个圆形凹槽(3-2)底端的螺纹孔内设有一个螺栓，且每个压电陶瓷件(4)通过螺栓螺纹连接安装在底座(3)上，第二凸台(3-3)沿径向均布加工有与环形固定板(1-5)上四个螺纹孔对应的四个螺纹孔，且第二凸台(3-3)上每个螺纹孔内均设有一个螺栓，环形固定板(1-5)通过螺栓螺纹连接安装在底座(3)上，每个压电陶瓷件(4)的顶端均顶在主体端板(1-1)的下端面上。
2.根据权利要求1所述一种高精度柔性冗余平台，其特征在于：所述每个压电陶瓷件(4)的顶端加工有半球形体，半球形体的顶端顶在主体端板(1-1)的下端面上。
3.根据权利要求1或2所述一种高精度柔性冗余平台，其特征在于：所述每个压电陶瓷件(4)均靠近主体筒体(1-3)的内侧壁设置。
4.根据权利要求1所述一种高精度柔性冗余平台，其特征在于：所述主体端板(1-1)的上端面加工有凹槽(1-6)。
5.根据权利要求1所述一种高精度柔性冗余平台，其特征在于：所述两组通孔(1-4)中的每组通孔(1-4)均是由多个条形通孔组成，多个条形通孔沿径向均布设置在主体筒体(1-3)的侧壁上，所述每组通孔(1-4)中相邻两个通孔之间宽度的距离为W,两组通孔(1-4)之间高度的距离为L，W为L的二倍。
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