CN105953039B - 一种新型大行程柔顺并联微定位平台 - Google Patents

一种新型大行程柔顺并联微定位平台 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种新型大行程柔顺并联微定位平台，包括动平台、定平台、设置在定平台上的驱动装置和若干条用于连接定平台和动平台的运动支链；所述动平台位于定平台上方；若干条所述运动支链均匀分布在动平台侧部，每条运动支链的一端与驱动装置连接，另一端与动平台连接；每条所述运动支链由刚性构件和柔顺关节连接组成。本发明新型大行程柔顺并联微定位平台结构简单以及可实现操作空间转动和上下移动；该柔顺并联微定位平台解决了现有并联微定位平台由于自身变形量小导致工作空间受限的问题，从而有效提高微定位平台的变形量以获得尽量大的行程，使得该动平台的行程能达到mm(立方毫米)级别。

Description

一种新型大行程柔顺并联微定位平台
技术领域
本发明涉及微定位平台装置，更具体地说，涉及一种大行程柔顺并联微定位平台。
背景技术
在目前在许多机械设计系统中，刚性结构是必要的，但是为了获得在生物中所见到的如延长构件寿命和减少装配等优点，许多设备设计得既柔又刚，因此，采用柔顺关节是机械设计中利用柔性获得某些优越性的一种途径。在另一方面，并联机构因其拥有多支机构和固定驱动而在高刚度、高精度或者大载荷而无须很大工作空间的领域内得到了广泛应用。
随着柔顺并联机构在微电子学、微型机械和超精密加工领域有着越来越重要的应用，柔顺并联机构是实现精密定位和微位移的关键技术之一，高性能的柔顺并联机构能够提供精确的定位和精细的运动，精密定位技术已引起世界上许多国家的重视。
然而柔顺并联机构技术也面临诸多挑战，一方面柔顺关节由于自身变形限制导致工作空间局限，限制在立方微米级的空间范围内，同时又涉及到柔顺关节的合理设计和柔顺并联机构的合理布局等问题。因此，当前在微机电系统和精密机械领域中，迫切需要新型柔顺结构来提高其运动精度和行程，代替传统柔顺机构的局限性，提高工作精度和行程。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种结构简单以及可实现操作空间转动和上下移动的新型大行程柔顺并联微定位平台；该柔顺并联微定位平台解决了现有并联微定位平台由于自身变形量小导致工作空间受限的问题，从而有效提高微定位平台的变形量以获得尽量大的行程。
为了达到上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现：一种新型大行程柔顺并联微定位平台，其特征在于：包括动平台、定平台、设置在定平台上的驱动装置和若干条用于连接定平台和动平台的运动支链；所述动平台位于定平台上方；若干条所述运动支链均匀分布在动平台侧部，每条运动支链的一端与驱动装置连接，另一端与动平台连接；每条所述运动支链由刚性构件和柔顺关节连接组成。
在上述方案中，本发明通过定平台上的驱动装置驱动运动支链，实现定平台与动平台之间的传递，从而使得在定平台上方的动平台实现转动和上下移动。由于每条运动支链由刚性构件和柔顺关节连接组成，可大大增加变形量以解决工作空间受限的问题，从而有效提高微定位平台的变形量以获得尽量大的行程，使得该动平台的行程能达到mm(立方毫米)级别。
每条所述运动支链由刚性构件和柔顺关节连接组成是指：每条所述运动支链包括若干个刚性构件，每个刚性构件之间通过柔顺关节连接；
所述运动支链两端的刚性构件分别连接有柔顺关节，运动支链两端的刚性构件分别通过柔顺关节与动平台和驱动装置连接。本发明每条运动支链的移动副是动平台的主动输入。
每条运动支链中相邻柔顺关节的开口朝向相反。若相邻的柔顺关节开口朝向一致，容易发生变形耦合的状况，因此，该设计可有效避免与相邻的柔顺关节发生变形耦合，来获得较大的变形量。
每条所述运动支链中刚性构件的倾斜部均与定平台的平面呈60°。本发明刚性构件的倾斜部与定平台的平面呈60°不仅使得该微定位平台布置更合理，而且可进一步得到较大的变形量，使得该微动平台有更佳的传动性能。
本发明包括三条用于连接定平台和动平台的运动支链，每条运动支链包括刚性构件一、刚性构件二和刚性构件三；刚性构件一和刚性构件二之间通过柔性关节二连接，刚性构件二和刚性构件三之间通过柔性关节三连接；
所述运动支链两端的刚性构件一和刚性构件三分别连接有柔顺关节一和柔顺关节四，运动支链两端的刚性构件一和刚性构件三分别通过柔顺关节一和柔顺关节四与动平台和驱动装置连接。
本发明的微定位平台采用三条运动支链可实现动平台X、Y轴的转动以及Z轴的上下移动，以实现动平台的三自由度运动。而每条运动支链的三个刚性构件作为三个移动副，三个移动副作为动平台的主动输入。当对一条运动支链或两条运动支链通过驱动装置施加微位移时，能够实现动平台X、Y轴的转动；对三条运动支链同时施加微位移时，能够实现动平台Z轴的上下移动，即整体来说可以实现动平台的三自由度的运动。
当驱动装置施加微位移时，所产生的力将传递到柔顺关节四处，利用其大变形的特性，从而通过刚体构件三、刚体构件二和刚体构件一，最后由柔顺关节一传递到动平台，引起动平台的运动。动平台X、Y轴的转动以及Z轴的上下移动均是由于各运动支链的柔顺关节与刚体构件的组合布局以通过力或位移的传递而产生的。
所述柔顺关节一的开口朝向与柔顺关节二的开口朝向相反；所述柔顺关节二的开口朝向与柔顺关节三的开口朝向相反；所述柔顺关节三的开口朝向与柔顺关节四的开口朝向相反。
所述柔顺关节一和柔顺关节三的开口朝向区域内部；所述柔顺关节二和柔顺关节四的开口朝向区域外部；所述区域是指定平台、动平台和运动支链围起形成的区域。
所述柔顺关节一和柔顺关节二为拱形的片状结构且拱形两端设置有安装部；所述柔顺关节三和柔顺关节四为带有弧形的片状结构。本发明柔顺关节一和柔顺关节二设置有安装部便于两个同一水平线相对的刚性构件连接，和便于与刚性构件相对的动平台相连接。
所述柔顺关节与刚性构件可拆卸连接；每条所述运动支链两端的刚性构件通过柔顺关节分别与驱动装置和动平台可拆卸连接。本发明采用可拆卸的连接方式可方便单个运动支链、柔顺关节或刚性构件的更换或维修，而且可连接更加牢固。
所述驱动装置包括设置在定平台上的导轨、滑动座和驱动器；所述驱动器与滑动座连接，滑动座与导轨可滑动连接。本发明的驱动器通过滑动座与导轨滑动连接，可提高位移传递或力传递的平稳性、可靠性和均匀性。滑动座上设置有用于固定柔顺关节的凹槽和固定孔。该设计使得驱动装置与运动支链可拆卸连接。
与现有技术相比，本发明具有如下优点与有益效果：本发明新型大行程柔顺并联微定位平台结构简单以及可实现操作空间转动和上下移动；该柔顺并联微定位平台解决了现有并联微定位平台由于自身变形量小导致工作空间受限的问题，从而有效提高微定位平台的变形量以获得尽量大的行程，使得该动平台的行程能达到mm(立方毫米)级别。
附图说明
图1是本发明新型大行程柔顺并联微定位平台的结构示意图；
图2是图1中A处放大图；
图3是图1中B处放大图；
图4是图1中C处放大图；
其中，1为动平台、2为定平台、3为刚性构件一、4为刚性构件二、5为刚性构件三、6为柔顺关节一、6.1为安装部一、7为柔顺关节二、7.1为安装部二、8为柔顺关节三、9为柔顺关节四、10为凹槽、11为导轨、12为滑动座、13为驱动器。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。
实施例一
如图1至图4所示，一种新型大行程柔顺并联微定位平台，包括动平台1、定平台2、设置在定平台2上的驱动装置和三条用于连接定平台2和动平台1的运动支链，其中，动平台1位于定平台2上方，三条运动支链均匀分布在动平台1侧部，每条运动支链的一端与驱动装置连接，另一端与动平台1连接，而每条运动支链由刚性构件和柔顺关节连接组成。
本发明每条运动支链由刚性构件和柔顺关节连接组成是指：每条运动支链包括刚性构件一3、刚性构件二4和刚性构件三5；刚性构件一3和刚性构件二4之间通过柔性关节二7连接，刚性构件二4和刚性构件三5之间通过柔性关节三8连接。而运动支链两端的刚性构件一3和刚性构件三5分别连接有柔顺关节一6和柔顺关节四9，运动支链两端的刚性构件一3和刚性构件三5分别通过柔顺关节一6和柔顺关节四9与动平台1和驱动装置连接。
本发明的微定位平台采用三条运动支链可实现动平台X、Y轴的转动以及Z轴的上下移动，以实现动平台的三自由度运动。而每条运动支链的三个刚性构件作为三个移动副，三个移动副作为动平台1的主动输入。当对一条运动支链或两条运动支链通过驱动装置施加微位移时，能够实现动平台1X、Y轴的转动；对三条运动支链同时施加微位移时，能够实现动平台1Z轴的上下移动，即整体来说可以实现动平台的三自由度的运动。当驱动装置施加微位移时，所产生的力将传递到柔顺关节四9处，利用其大变形的特性，从而通过刚体构件三5、刚体构件二4和刚体构件一3，最后由柔顺关节一6传递到动平台1，引起动平台1的运动。动平台1X、Y轴的转动以及Z轴的上下移动均是由于各运动支链的柔顺关节与刚体构件的组合布局以通过力或位移的传递而产生的。
本发明所述柔顺关节一6的开口朝向与柔顺关节二7的开口朝向相反，柔顺关节二7的开口朝向与柔顺关节三8的开口朝向相反，柔顺关节三8的开口朝向与柔顺关节四9的开口朝向相反。具体地说，柔顺关节一6和柔顺关节三8的开口朝向区域内部，柔顺关节二7和柔顺关节四9的开口朝向区域外部，其中，区域是指定平台2、动平台1和运动支链围起形成的区域。
为了进一步提高微定位平台的变形量，本发明的运动支链中刚性构件一3、刚性构件二4和刚性构件三5的倾斜部均与定平台2的平面呈60°。该设计不仅使得该微定位平台布置更合理，而且可进一步得到较大的变形量，使得该微动平台有更佳的传动性能。
本发明的柔顺关节与刚性构件之间为可拆卸连接结构，每条运动支链两端的刚性构件通过柔顺关节分别与驱动装置和动平台1可拆卸连接。本发明柔顺关节一6为拱形的片状结构且拱形两端设置有安装部一6.1，柔顺关节二7为拱形的片状结构且拱形两端设置有安装部二7.1。相应地，刚性构件一3的两端、刚性构件二4与刚性构件一3连接的一端以及动平台1与刚性构件一3的连接处均设置有凹槽10，柔顺关节一6的安装部6.1插设在凹槽10后通过螺钉等固定件来实现动平台1和刚性构件一3的连接，柔顺关节二7的安装部7.1插设在凹槽10后通过螺钉等固定件来实现刚性构件一3与刚性构件二4的连接。而柔顺关节三8和柔顺关节四9为带有弧形的片状结构，刚性构件三5与刚性构件二4之间也是通过螺钉将柔顺关节三8固定实现连接的。
本发明驱动装置包括设置在定平台2上的导轨11、滑动座12和驱动器13；其中，驱动器13与滑动座12连接，滑动座12与导轨11可滑动连接。本发明的驱动器13通过滑动座12与导轨11滑动连接，可提高位移传递或力传递的平稳性、可靠性和均匀性。而滑动座12上设置有用于固定柔顺关节四9的凹槽10，刚性构件三5与滑动座12连接的一端也设置有凹槽10，柔顺关节四9的两端插设在凹槽10后通过螺钉等固定件来实现滑动座12与刚性构件三5连接。
实施例二
本实施例与实施例一不同之处仅在于：该柔顺并联微定位平台可包括两条或四条以上用于连接定平台和动平台的运动支链，其中，每条运动支链由刚性构件和柔顺关节连接组成。每条运动支链包括若干个刚性构件，每个刚性构件之间通过柔顺关节连接。每条运动支链两端的刚性构件分别连接有柔顺关节，运动支链两端的刚性构件分别通过柔顺关节与动平台和驱动装置连接。而每条运动支链中相邻柔顺关节的开口朝向相反。
本实施例的微定位平台采用两条或四条以上运动支链可实现动平台两自由度运动或多自由度运动。
本实施例的其它结构与实施例一一致。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种新型大行程柔顺并联微定位平台，其特征在于：包括动平台、定平台、设置在定平台上的驱动装置和若干条用于连接定平台和动平台的运动支链；所述动平台位于定平台上方；若干条所述运动支链均匀分布在动平台侧部，每条运动支链的一端与驱动装置连接，另一端与动平台连接；每条所述运动支链由刚性构件和柔顺关节连接组成；
每条所述运动支链由刚性构件和柔顺关节连接组成是指：每条所述运动支链包括若干个刚性构件，每个刚性构件之间通过柔顺关节连接；
所述运动支链两端的刚性构件分别连接有柔顺关节，运动支链两端的刚性构件分别通过柔顺关节与动平台和驱动装置连接；
每条运动支链中相邻柔顺关节的开口朝向相反。
2.根据权利要求1所述的新型大行程柔顺并联微定位平台，其特征在于：每条所述运动支链中刚性构件的倾斜部均与定平台的平面呈60°。
3.根据权利要求2所述的新型大行程柔顺并联微定位平台，其特征在于：包括三条用于连接定平台和动平台的运动支链，每条运动支链包括刚性构件一、刚性构件二和刚性构件三；刚性构件一和刚性构件二之间通过柔性关节二连接，刚性构件二和刚性构件三之间通过柔性关节三连接；
所述运动支链两端的刚性构件一和刚性构件三分别连接有柔顺关节一和柔顺关节四，运动支链两端的刚性构件一和刚性构件三分别通过柔顺关节一和柔顺关节四与动平台和驱动装置连接。
4.根据权利要求3所述的新型大行程柔顺并联微定位平台，其特征在于：所述柔顺关节一的开口朝向与柔顺关节二的开口朝向相反；所述柔顺关节二的开口朝向与柔顺关节三的开口朝向相反；所述柔顺关节三的开口朝向与柔顺关节四的开口朝向相反。
5.根据权利要求4所述的新型大行程柔顺并联微定位平台，其特征在于：所述柔顺关节一和柔顺关节三的开口朝向区域内部；所述柔顺关节二和柔顺关节四的开口朝向区域外部；所述区域是指定平台、动平台和运动支链围起形成的区域。
6.根据权利要求3所述的新型大行程柔顺并联微定位平台，其特征在于：所述柔顺关节一和柔顺关节二为拱形的片状结构且拱形两端设置有安装部；所述柔顺关节三和柔顺关节四为带有弧形的片状结构。
7.根据权利要求1所述的新型大行程柔顺并联微定位平台，其特征在于：所述柔顺关节与刚性构件可拆卸连接；每条所述运动支链两端的刚性构件通过柔顺关节分别与驱动装置和动平台可拆卸连接。
8.根据权利要求1所述的新型大行程柔顺并联微定位平台，其特征在于：所述驱动装置包括设置在定平台上的导轨、滑动座和驱动器；所述驱动器与滑动座连接，滑动座与导轨可滑动连接。
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