CN106224713A - 一种基于桥形柔性机构的五自由度精密定位平台 - Google Patents
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Abstract
一种基于桥形柔性机构的五自由度精密定位平台，包括整体呈十字形的刚性基底，刚性基底的四个侧壁分别和菱形位移放大机构的一个刚性输出端连接，菱形位移放大机构的另一个刚性输出端和十字形的桥形位移放大机构的输入端连接，菱形位移放大机构的内部输入端之间连接有堆叠型压电陶瓷，桥形位移放大机构的四个输入端分别与两个上下并列的菱形位移放大机构单元的输出端通过螺栓刚性连接，本发明采用两级位移放大以及不同的驱动组合来实现五个自由度运动，结构简单和紧凑。
Description
技术领域
本发明属于精密定位平台技术领域，尤其涉及一种基于桥形柔性机构的五自由度精密定位平台。
背景技术
目前，公知的精密定位平台主要有三种类型，第一类是机械传动式定位平台，例如螺旋机构、杠杆机构、楔块凸轮机构等以及它们的组合机构。机械传动式定位平台最大的优点是行程大和输出刚度大，但是存在机械间隙和摩擦磨损等缺点,机构的运动灵敏度和定位精度难以大幅度提高；第二类是通过直线电机或超声马达等实现精密定位，定位精度得到一定程度的提高而且具有良好的频率响应等优点，但系统相对复杂，尤其是针对多自由度定位平台，需要设计多个体积庞大的电气拖动装置；第三类是采用压电陶瓷、磁致伸缩等智能材料来实现精密驱动与定位。
由于压电陶瓷具有高分辨率、高刚度和出力大等优点，广泛应用于精密驱动与控制，但是压电陶瓷的输出位移极小，即使是堆叠型压电陶瓷，其输出位移一般不超过自身尺寸的0.2％。因此，公知的大多数压电陶瓷驱动的精密定位平台均是采用压电陶瓷和柔性铰链来组成柔性机构，实现高精度的位移和力输出。目前公知的精密定位平台其自由度多为两自由度，通过复杂的机构设计也能实现大于两个自由度的位移输出。经典的Stewart六自由度并联机构通过六根驱动杆的协调运动，可以实现三个平动和三个转动自由度运动，但是存在奇异点和控制稳定性差等问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于桥形柔性机构的五自由度精密定位平台，具有三个平动自由度和两个转动自由度，结构简单和紧凑。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于桥形柔性机构的五自由度精密定位平台，包括整体呈十字形的刚性基底1，刚性基底1的四个侧壁分别和菱形位移放大机构2的一个刚性输出端11连接，菱形位移放大机构2的另一个刚性输出端11和十字形的桥形位移放大机构3的输入端5连接，菱形位移放大机构2的内部输入端10之间连接有堆叠型压电陶瓷4。
所述的桥形位移放大机构3是由四个柔性梁6、四个输入端5和一个输出端7连接成十字“拱桥”形柔性机构，柔性梁6组成桥形位移放大机构3的斜边，柔性梁6的末端通过柔性铰链8和输出端7连接，桥形位移放大机构3由电火花切割工艺加工初级桥形位移放大机构，两个初级桥形位移放大机构正交安装，通过螺栓或焊接工艺连接形成桥形位移放大机构3，桥形位移放大机构3在正交的四个方向分别有四个输入端5。
所述的菱形位移放大机构2为基于三角原理的柔性机构，堆叠型压电陶瓷4通过预紧力安装于菱形位移放大机构2的内部输入端10，利用逆压电效应产生横向位移和力，驱动菱形位移放大机构2的柔性臂9产生弯曲变形进而在输出端11产生放大的纵向输出位移和输出力。
所述的桥形位移放大机构3的四个输入端5分别与两个上下并列的菱形位移放大机构的输出端通过螺栓刚性连接。
所述的菱形位移放大机构2通过串联的方式将更多的菱形位移放大机构的输出端通过螺栓刚性连接起来，并将其与桥形位移放大机构3的四个输入端5分别通过螺栓刚性连接。
所述的桥形位移放大机构3中的柔性铰链8是二维圆形柔性铰链或是三维柔性铰链，二维圆形柔性铰链包括二维椭圆、直角型柔性铰链，柔性铰链8的方向为确保正交方向的刚度最小。
设桥形位移放大机构3的四个两两对称的输入端5的方向分别为X方向和Y方向，桥形位移放大机构3的输出端7的位移输出方向为Z轴方向，具体的五个自由度实现方法如下：
1)桥形位移放大机构3在X方向的两个对称输入端5的两组菱形位移放大机构2的输出端11同时按相同的方向沿着X轴向左或向右运动时，由于桥形位移放大机构3和菱形位移放大机构2在Y方向位置的柔性铰链8在X方向的柔度较大，导致桥形位移放大机构3的输出端7沿着X轴方向水平向左或向右平动，实现X方向的平动自由度；
2)桥形位移放大机构3在Y方向的两个对称输入端5的两组菱形位移放大机构2的输出端11同时按相同的方向沿着Y轴向左或向右运动时，由于桥形位移放大机构3和菱形位移放大机构2在X方向位置的柔性铰链8在Y方向的柔度较大，导致桥形位移放大机构3的输出端7沿着Y轴方向水平向左或向右平动，实现Y方向的平动自由度；
3)桥形位移放大机构3在四个输入端5的四组菱形位移放大机构2的输出端11同时向内或同时向外运动时，桥形位移放大机构3的输出端7沿着Z轴方向垂直向上或垂直向下平动，实现Z方向的平动自由度；
4)为了实现绕Y轴的转动自由度，驱动桥形位移放大机构3沿X轴方向两个对称输入端5的位于对角线位置方向的各一组菱形位移放大机构2沿着X轴按相反的方向朝内或朝外运动时，桥形位移放大机构3的输出端7将发生转动，实现绕Y轴的转动自由度；
5)为了实现绕X轴的转动自由度，驱动桥形位移放大机构3沿Y轴方向两个对称输入端5的位于对角线位置方向的各一组菱形位移放大机构2沿着Y轴按相反的方向朝内或朝外运动时，桥形位移放大机构3的输出端7将发生转动，实现绕X轴的转动自由度。
本发明的有益效果在于：
本发明采用两级位移放大以及不同的驱动组合来实现五个自由度运动，结构简单和紧凑，同时采用多个菱形位移放大机构串联和并联，输出位移大，能达到毫米量级；另一方面，由于桥形位移放大机构的结构特点，整个定位平台的固有频率高，可以实现大行程和高带宽的高精度位移输出；此外，避免了Stewart六自由度并联机构存在奇异点和控制稳定性差等问题。
附图说明
图1是本发明的三维立体图。
图2是本发明的正视图。
图3是本发明的俯视图。
图4是本发明桥形位移放大机构的正视图。
图5是本发明桥形位移放大机构的俯视图。
图6是本发明菱形位移放大机构的正视图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：如图1、图2和图3所示，一种基于桥形柔性机构的五自由度精密定位平台，包括整体呈十字形的刚性基底1，刚性基底1的四个侧壁分别和菱形位移放大机构2的一个刚性输出端11连接，菱形位移放大机构2的另一个刚性输出端11和十字形的桥形位移放大机构3的输入端5连接，菱形位移放大机构2的内部输入端10之间连接有堆叠型压电陶瓷4。
如图4和图5所示，所述的桥形位移放大机构3是由四个柔性梁6、四个输入端5和一个输出端7连接成十字“拱桥”形柔性机构，柔性梁6组成桥形位移放大机构3的斜边，柔性梁6的末端通过柔性铰链8和输出端7连接，柔性铰链8为圆形、直角形或椭圆形，柔性铰链8的功能有两个：一是弯曲变形产生输出位移；二是不阻碍正交方向的运动，桥形位移放大机构3由电火花切割工艺加工初级桥形位移放大机构，两个初级桥形位移放大机构正交安装，通过螺栓或焊接工艺连接形成桥形位移放大机构3，桥形位移放大机构3在正交的四个方向分别有四个输入端5。
如图6所示，所述的菱形位移放大机构2为基于三角原理的柔性机构，堆叠型压电陶瓷4通过预紧力安装于菱形位移放大机构2的内部输入端10，利用逆压电效应产生横向位移和力，驱动菱形位移放大机构2的柔性臂9产生弯曲变形进而在输出端11产生放大的纵向输出位移和输出力。
本实施例的工作原理为：菱形位移放大机构2的输出端11的输出力驱动桥形位移放大机构3运动，使桥形位移放大机构3的柔性臂6和柔性铰链8产生弯曲变形，进而在桥形位移放大机构3的输出端7产生输出位移和输出力。堆叠型压电陶瓷4与菱形位移放大机构2组成第一级微位移放大输出，菱形位移放大机构2的输出端11的输出位移又作为桥形位移放大机构3在其输入端5的信号输入，因此整个定位平台的输出位移为二级位移放大；另外，由于桥形位移放大机构3的结构特点，提高了整个精密定位平台的输出刚度和一阶固有频率，从而提高了平台的响应速度和频响范围。
所述的桥形位移放大机构3的四个输入端5分别与两个上下并列的菱形位移放大机构单元的输出端通过螺栓刚性连接。
所述的桥形位移放大机构3中的柔性铰链8是二维圆形柔性铰链或是三维柔性铰链，二维圆形柔性铰链包括二维椭圆、直角型柔性铰链，柔性铰链8的方向为确保正交方向的刚度最小。
设桥形位移放大机构3的四个两两对称的输入端5的方向分别为X方向和Y方向，桥形位移放大机构3的输出端7的位移输出方向为Z轴方向，具体的五个自由度实现方法如下：
1)桥形位移放大机构3在X方向的两个对称输入端5的两组菱形位移放大机构2的输出端11同时按相同的方向沿着X轴向左或向右运动时，由于桥形位移放大机构3和菱形位移放大机构2在Y方向位置的柔性铰链8在X方向的柔度较大，导致桥形位移放大机构3的输出端7沿着X轴方向水平向左或向右平动，实现X方向的平动自由度；
2)桥形位移放大机构3在Y方向的两个对称输入端5的两组菱形位移放大机构2的输出端11同时按相同的方向沿着Y轴向左或向右运动时，由于桥形位移放大机构3和菱形位移放大机构2在X方向位置的柔性铰链8在Y方向的柔度较大，导致桥形位移放大机构3的输出端7沿着Y轴方向水平向左或向右平动，实现Y方向的平动自由度；
3)桥形位移放大机构3在四个输入端5的四组菱形位移放大机构2的输出端11同时向内或同时向外运动时，桥形位移放大机构3的输出端7沿着Z轴方向垂直向上或垂直向下平动，实现Z方向的平动自由度；
4)为了实现绕Y轴的转动自由度，驱动桥形位移放大机构3沿X轴方向两个对称输入端5的位于对角线位置方向的各一组菱形位移放大机构2沿着X轴按相反的方向朝内或朝外运动时，桥形位移放大机构3的输出端7将发生转动，实现绕Y轴的转动自由度；
5)为了实现绕X轴的转动自由度，驱动桥形位移放大机构3沿Y轴方向两个对称输入端5的位于对角线位置方向的各一组菱形位移放大机构2沿着Y轴按相反的方向朝内或朝外运动时，桥形位移放大机构3的输出端7将发生转动，实现绕X轴的转动自由度。
实施例2：为了增加输出位移，通过串联的方式将更多的菱形位移放大机构单元的输出端通过螺栓刚性连接起来，并将其与桥形位移放大机构3的四个输入端5分别通过螺栓刚性连接，达到增加运动位移的目的，同时定位平台的输出刚度和固有频率均不会发生变化。
Claims (7)
1.一种基于桥形柔性机构的五自由度精密定位平台，包括整体呈十字形的刚性基底(1)，其特征在于：刚性基底(1)的四个侧壁分别和菱形位移放大机构(2)的一个刚性输出端(11)连接，菱形位移放大机构(2)的另一个刚性输出端(11)和十字形的桥形位移放大机构(3)的输入端(5)连接，菱形位移放大机构(2)的内部输入端(10)之间连接有堆叠型压电陶瓷(4)。
2.根据权利要求1所述的一种基于桥形柔性机构的五自由度精密定位平台，其特征在于：所述的桥形位移放大机构(3)是由四个柔性梁(6)、四个输入端(5)和一个输出端(7)连接成十字“拱桥”形柔性机构，柔性梁(6)组成桥形位移放大机构(3)的斜边，柔性梁(6)的末端通过柔性铰链(8)和输出端(7)连接，桥形位移放大机构(3)由电火花切割工艺加工初级桥形位移放大机构，两个初级桥形位移放大机构正交安装，通过螺栓或焊接工艺连接形成桥形位移放大机构(3)，桥形位移放大机构(3)在正交的四个方向分别有四个输入端(5)。
3.根据权利要求1所述的一种基于桥形柔性机构的五自由度精密定位平台，其特征在于：所述的菱形位移放大机构(2)为基于三角原理的柔性机构，堆叠型压电陶瓷(4)通过预紧力安装于菱形位移放大机构(2)的内部输入端10，利用逆压电效应产生横向位移和力，驱动菱形位移放大机构(2)的柔性臂(9)产生弯曲变形进而在输出端(11)产生放大的纵向输出位移和输出力。
4.根据权利要求2所述的一种基于桥形柔性机构的五自由度精密定位平台，其特征在于：所述的桥形位移放大机构(3)的四个输入端(5)分别与两个上下并列的菱形位移放大机构的输出端通过螺栓刚性连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于桥形柔性机构的五自由度精密定位平台，其特征在于：所述的菱形位移放大机构(2)通过串联的方式将更多的菱形位移放大机构的输出端通过螺栓刚性连接起来，并将其与桥形位移放大机构(3)的四个输入端(5)分别通过螺栓刚性连接。
6.根据权利要求2或3所述的一种基于桥形柔性机构的五自由度精密定位平台，其特征在于：所述的桥形位移放大机构(3)中的柔性铰链(8)是二维圆形柔性铰链或是三维柔性铰链，二维圆形柔性铰链包括二维椭圆、直角型柔性铰链，柔性铰链(8)的方向为确保正交方向的刚度最小。
7.根据权利要求4所述的一种基于桥形柔性机构的五自由度精密定位平台，其特征在于：设桥形位移放大机构(3)的四个两两对称的输入端(5)的方向分别为X方向和Y方向，桥形位移放大机构(3)的输出端(7)的位移输出方向为Z轴方向，具体的五个自由度实现方法如下：
1)桥形位移放大机构(3)在X方向的两个对称输入端(5)的两组菱形位移放大机构(2)的输出端(11)同时按相同的方向沿着X轴向左或向右运动时，由于桥形位移放大机构(3)和菱形位移放大机构(2)在Y方向位置的柔性铰链(8)在X方向的柔度较大，导致桥形位移放大机构(3)的输出端(7)沿着X轴方向水平向左或向右平动，实现X方向的平动自由度；
2)桥形位移放大机构(3)在Y方向的两个对称输入端(5)的两组菱形位移放大机构(2)的输出端(11)同时按相同的方向沿着Y轴向左或向右运动时，由于桥形位移放大机构(3)和菱形位移放大机构(2)在X方向位置的柔性铰链(8)在Y方向的柔度较大，导致桥形位移放大机构(3)的输出端(7)沿着Y轴方向水平向左或向右平动，实现Y方向的平动自由度；
3)桥形位移放大机构(3)在四个输入端(5)的四组菱形位移放大机构(2)的输出端(11)同时向内或同时向外运动时，桥形位移放大机构(3)的输出端(7)沿着Z轴方向垂直向上或垂直向下平动，实现Z方向的平动自由度；
4)为了实现绕Y轴的转动自由度，驱动桥形位移放大机构(3)沿X轴方向两个对称输入端(5)的位于对角线位置方向的各一组菱形位移放大机构(2)沿着X轴按相反的方向朝内或朝外运动时，桥形位移放大机构(3)的输出端(7)将发生转动，实现绕Y轴的转动自由度；
5)为了实现绕X轴的转动自由度，驱动桥形位移放大机构(3)沿Y轴方向两个对称输入端(5)的位于对角线位置方向的各一组菱形位移放大机构(2)沿着Y轴按相反的方向朝内或朝外运动时，桥形位移放大机构(3)的输出端(7)将发生转动，实现绕X轴的转动自由度。
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