CN105834584A - 具有运动解耦机构的二自由度定位平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有运动解耦机构的二自由度平台，属于精密定位平台领域。包括定位平台、平动机构、运动解耦机构和旋转机构；所述平动机构包括第一驱动机构和推杆，第一驱动机构与推杆之间连接运动解耦机构，推杆的一端贯穿旋转机构后与定位平台固连；所述第一驱动机构可驱动推杆相对于旋转机构进行轴向移动，所述推杆与旋转机构间同步转动。通过运动解耦机构解除平动与转动两自由度耦合，使两个自由度既可实现联合运动，也可实现独立运动；本发明大大提高了平台的响应速度和定位精度。为了承受平移往复运动导致的沿Z轴正负两个方向的力，保证平台的稳定性和延长平台使用寿命，运动解耦机构内的两个角接触球轴承采用面对面安装设置。

Description

具有运动解耦机构的二自由度定位平台

技术领域

本发明涉及一种二自由度定位平台，具体讲是一种具有运动解耦机构的二自由度平台，属于精密定位平台领域。

背景技术

精密定位平台在现代机械制造业中具有举足轻重的作用，定位平台可为数控机床、光纤对接、激光切割等实现准确定位功能。传统意义上，定位平台分为串联平台和并联平台。

串联平台的组合形式是每个自由度的运动分别由一个定位台导向和一个作动器。因此，该平台每个自由度的运动独立解耦，工作行程较大，对不同场合的适应性较好。这也使每个自由度定位台的质量各不相同，尤其是各自由度的惯性相差较大。这种形式下每个自由度作动器的连接线路随定位台一起运动，影响其运动精度。

并联平台的组合形式只有一个定位台，这个定位台同时由多个作动器作动，多个作动器同时协调运作推动运动台输出所需运动，相对串联组合形式，并联形式的运动台惯性小得多，因而响应速度较快，同时作动器不随运动台一起运动，连接线路不影响运动台的精度。但该种形式平动自由度的行程一般小于单个作动器的作动行程，无法满足实际使用需要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术缺陷，提供一种能够实现Z轴方向平动和绕Z轴转动，工作行程大、惯性小、响应速度快和精度高的具有运动解耦机构的二自由度平台。

为了解决上述技术问题，本发明提供的具有运动解耦机构的二自由度定位平台，包括定位平台、平动机构、运动解耦机构和旋转机构；

所述平动机构包括第一驱动机构和推杆，第一驱动机构与推杆之间连接运动解耦机构，推杆的一端贯穿旋转机构后与定位平台固连；

所述第一驱动机构可驱动推杆相对于旋转机构进行轴向移动，所述推杆与旋转机构同步转动。

本发明中，所述运动解耦机构包括回转轴承座、回转轴承盖和两个角接触球轴承，所述两个角接触球轴承的内圈固定安装在推杆上，外圈安装在回转轴承座内并通过回转轴承盖固定。

本发明中，所述两个角接触球轴承采用面对面安装。

本发明中，所述旋转机构包括第一齿轮轴系和第二齿轮轴系，所述第一齿轮轴系和第二齿轮轴系之间联动，所述第二齿轮轴系连接第二驱动机构；所述推杆的一端贯穿第一齿轮轴系并连接定位平台，相对第一齿轮轴系轴向移动，推杆与第一齿轮轴系同步转动。

本发明中，所述第一齿轮轴系包括大齿轮轴和大齿轮，所述大齿轮轴的内部轴向贯通并设有花键孔；所述大齿轮固定安装在大齿轮轴上，大齿轮轴的两端安装角接触球轴承；所述推杆上设有与花键孔相配合的花键。

本发明中，所述第二齿轮轴系包括小齿轮轴和小齿轮，所述小齿轮固定安装在小齿轮轴上，小齿轮轴的两端安装角接触球轴承；所述小齿轮与大齿轮啮合。

本发明中，所述第一驱动机构为液压油缸。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：（1）、通过运动解耦机构解除平动与转动两自由度耦合，使两个自由度既可实现联合运动，也可实现独立运动；（2）、相比现有串联平台，只有一个定位平台，无质量叠加，各自由度惯性小，响应速度快；相比现有并联平台，无需建立复杂运动学、动力学模型，各驱动机构只驱动一个自由度运动，互不影响，运动行程大；（3）、由于各自由度惯性小加之各驱动机构之间互不影响，大大提高了平台的响应速度和定位精度；（4）、为了承受平移往复运动导致的沿Z轴正负两个方向的力，保证平台的稳定性和延长平台的使用寿命，运动解耦机构内的两个角接触球轴承采用面对面安装设置。

附图说明

图1为本发明具有运动解耦机构的二自由度平台的结构示意图；

图2为图1俯视图；

图3为座体结构示意图；

图4为旋转机构结构示意图；

图5为大齿轮轴系装配示意图；

图6为小齿轮轴系装配示意图；

图7为平动机构与解耦机构结构示意图；

图8为解耦机构结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

如图1至8所示，本发明提供的一种具有运动解耦机构的二自由度平台，包括座体a、定位平台b、旋转机构c(包括大齿轮轴系c1与小齿轮轴系c2)、平动机构d和解耦机构e。

如图3所示，座体a呈箱式结构，包括上表面a1、下表面a2和设置在中部的肋板a3。座体a的上表面a1、下表面a2和肋板a3有两列同心圆孔，分别为第一上孔11、第一中孔12、第一下孔13和第二上孔21、第二中孔22、第二下孔23。座体a上下表面的外侧均设有凸台，用于安装大端盖c17和小端盖c27。

旋转机构c中的大齿轮轴系c1安装在第一上孔11与第一中孔12之间；小齿轮轴系c2安装在第二上孔21与第二下孔23之间，穿过第二中孔22。大齿轮轴系c1与小齿轮轴c2系之间通过大齿轮c12与小齿轮c22啮合传动。

如图4和5所示，大齿轮轴系c1包括大齿轮轴c11、大齿轮c12、两个角接触球轴承c13、两个轴用弹性挡圈c14、键c15、圆螺母c16、两个大端盖c17和螺钉c18。大齿轮c12通过键c15和轴用弹性挡圈c14安装在大齿轮轴c11上，大齿轮轴c11两端安装角接触球轴承c13，角接触球轴承c13通过圆螺母c16和大端盖c17固定。大齿轮轴c11两端角接触球轴承c13分别安装在座体a的第一上孔11与第一中孔12内。大齿轮轴c11为中空结构，其内部贯通设有花键孔1，轴身上加工有键槽与两个环槽。

如图4和6所示，小齿轮轴系c2包括小齿轮轴c21、小齿轮c22、两个角接触球轴承c23、两个轴用弹性挡圈c24、键c25、圆螺母c26、两个小端盖c27和螺钉c28。小齿轮c22通过键c25和轴用弹性挡圈c24安装在小齿轮轴c21上，小齿轮轴c21两端安装角接触球轴承c23，角接触球轴承c23通过圆螺母c26和端盖c27固定。小齿轮轴c21两端角接触球轴承c23分别安装在座体第二上孔21与第二下孔23内。小齿轮轴c21一端设计有键槽2和螺纹孔3，以便安装带轮与外部旋转驱动器（如电磁电机，液压马达等）连接传动（图中未显示）。

如图1、2和7所示，平动机构d有液压油缸d1和推杆d2，液压油缸d1和推杆d2之间通过解耦机构e相连接。液压油缸d1通过螺钉d3安装在座体a上的第一下孔13上。推杆d2中部加工有成花键4，推杆d2穿过大齿轮轴c11，花键4与大齿轮轴c11内部的花键孔1配合，推杆d3端部通过螺钉与圆柱销安装定位平台b。液压油缸d1可驱动推杆d3沿大齿轮轴c11大进行轴向移动。通过花键4与花键孔1可实现推杆d3与大齿轮轴c11间的同步转动。

如图8所示，运动解耦机构e包括回转轴承座e1、回转轴承盖e2、两个角接触球轴承e3、圆螺母e4、圆柱销e5和螺钉e6。两个角接触球轴承e3采用面对面方式安装。角接触球轴承e3的内圈安装在推杆d2轴端，用圆螺母e4固定；角接触球轴承e3的外圈安装在回转轴承座e1内，用回转轴承盖e2与螺钉e6进行固定。液压油缸d1活塞杆通过圆柱销e5与回转轴承盖e2固定连接。

解耦机构e中的两个角接触球轴承e3面对面方式安装设置，是为了承受平移往复运动导致的沿Z轴正负两个方向的力，提升平台的稳定性，延长平台的使用寿命。

解耦机构e中角接触球轴承e3内圈安装在推杆d2轴端，外圈安装在回转轴承座e1内。推杆d2旋转的同时，角接触球轴承e3内圈随推杆d2旋转，安装在回转轴承座e1内的外圈相对于轴承座仍然静止，其不干涉与回转轴承盖e2固定的液压油缸d1活塞杆的平移运动。液压油缸d1活塞杆平动时，带动解耦机构e整体运动，解耦机构e推动推杆d2平移运动，由于角接触球轴承e3，不干涉推杆d2旋转运动，Z轴平动、绕Z轴转动两个自由度耦合解除。

下面结合附图1和2，说明本发明实现Z轴平动、绕Z轴转动的运动方案。Z轴沿竖直方向，如图2所示。

（1）Z轴平动

液压油缸d1的活塞杆沿Z轴往复直线驱动，推动解耦机构e带动推杆d2以及定位平台b沿Z轴平动。

（2）绕Z轴转动

外部旋转驱动器（如电磁电机，液压马达等）输出转矩，带动小齿轮轴c21旋转，小齿轮轴c21上的小齿轮c22，将转矩传递给大齿轮c12及大齿轮轴c11，大齿轮轴c11通过花键副（花键与花键孔1配合）将转矩传递给推杆d2，推杆d2带动定位平台b绕Z轴转动。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将本说明书看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种具有运动解耦机构的二自由度定位平台，其特征在于：包括定位平台、平动机构、运动解耦机构和旋转机构；

所述平动机构包括第一驱动机构和推杆，第一驱动机构与推杆之间连接运动解耦机构，推杆的一端贯穿旋转机构后与定位平台固连；

所述第一驱动机构可驱动推杆相对于旋转机构进行轴向移动，所述推杆与旋转机构同步转动。

2.根据权利要求1所述的具有运动解耦机构的二自由度定位平台，其特征在于：所述运动解耦机构包括回转轴承座、回转轴承盖和两个角接触球轴承，所述两个角接触球轴承的内圈固定安装在推杆上，外圈安装在回转轴承座内并通过回转轴承盖固定。

3.根据权利要求2所述的具有运动解耦机构的二自由度定位平台，其特征在于：所述两个角接触球轴承采用面对面安装。

4.根据权利要求1至3任一项所述的具有运动解耦机构的二自由度定位平台，其特征在于：所述旋转机构包括第一齿轮轴系和第二齿轮轴系，所述第一齿轮轴系和第二齿轮轴系之间联动，所述第二齿轮轴系连接第二驱动机构；所述推杆的一端贯穿第一齿轮轴系并连接定位平台，相对第一齿轮轴系轴向移动，推杆与第一齿轮轴系同步转动。

5.根据权利要求4所述的具有运动解耦机构的二自由度定位平台，其特征在于：所述第一齿轮轴系包括大齿轮轴和大齿轮，所述大齿轮轴的内部轴向贯通并设有花键孔；所述大齿轮固定安装在大齿轮轴上，大齿轮轴的两端安装角接触球轴承；所述推杆上设有与花键孔相配合的花键。

6.根据权利要求5所述的具有运动解耦机构的二自由度定位平台，其特征在于：所述第二齿轮轴系包括小齿轮轴和小齿轮，所述小齿轮固定安装在小齿轮轴上，小齿轮轴的两端安装角接触球轴承；所述小齿轮与大齿轮啮合。

7.根据权利要求6所述的具有运动解耦机构的二自由度定位平台，其特征在于：所述第一驱动机构为液压油缸。