CN107984443B - 一种交叉曲梁六自由度并联柔顺机构 - Google Patents

一种交叉曲梁六自由度并联柔顺机构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种交叉曲梁六自由度并联柔顺机构，包括基座和工作台；柔顺元件A位于工作台的下方，柔顺元件B位于工作台的左侧，柔顺元件C位于工作台右侧；压电陶瓷驱动器A、压电陶瓷驱动器E和压电陶瓷驱动器I均位于工作台左右中心面上，压电陶瓷驱动器C和压电陶瓷驱动器J均位于工作台前后中心面上，压电陶瓷驱动器B、压电陶瓷驱动器D、压电陶瓷驱动器F、压电陶瓷驱动器G和压电陶瓷驱动器H均位于工作台的上下中心面上。本发明采用爪型曲梁柔顺元件连接在工作台和基座之间，结构简单而紧凑，在受力时使得受力更均匀，有效的避免了应力集中，而且能够实现大变形满足大行程的要求。本发明柔顺元件采用矩形，对动态力的承载能力更强。

Description

一种交叉曲梁六自由度并联柔顺机构
技术领域
本发明涉及精密定位技术领域，特别是一种交叉曲梁六自由度并联柔顺机构。
背景技术
柔顺机构因其结构简单而紧凑、免于摩擦磨损、便于能量储存转化、抵抗冲击和适应恶劣环境等优点，广泛应用于精密工程、仿生机械、生物医疗和航空航天等科研前沿领域。如精密运动定位平台、新型柔顺关节及驱动器、消抖显微外科手术刀、柔性变形机翼以及卫星中的光学器件姿态调整等。新的应用领域对空间柔顺机构的工作空间和多种性能指标提出了新的要求，现有柔顺机构多以直梁作为柔顺单元，直梁在大变形情况下会出现应力集中，导致变形范围相对较小，难以满足一些领域对大行程的要求；若采用直梁串并联组合得到空间柔顺机构，结构过于臃肿，且过多的组合环节导致固有频率等性能指标降低。
现有技术中也有采用人字梁代替直梁的柔顺单元，但人字梁没有足够的强度和刚度，导致工作台承重有限。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种既能避免应力集中、实现大变形的要求，又能提高承重量的交叉曲梁六自由度并联柔顺机构。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种交叉曲梁六自由度并联柔顺机构，包括基座、柔顺元件、压电陶瓷驱动器、L型驱动架和工作台；所述的柔顺元件包括柔顺元件A、柔顺元件B和柔顺元件C；所述的压电陶瓷驱动器包括压电陶瓷驱动器A、压电陶瓷驱动器B、压电陶瓷驱动器C、压电陶瓷驱动器D、压电陶瓷驱动器E、压电陶瓷驱动器F、压电陶瓷驱动器G、压电陶瓷驱动器H、压电陶瓷驱动器I和压电陶瓷驱动器J；所述的L型驱动架包括L型驱动架A、L型驱动架B和L型驱动架C；所述的基座上设置左支架和后支架，所述的左支架和后支架构成直角支架；
所述的柔顺元件A上端固定在工作台底面、下端固定在基座上；所述的柔顺元件B的左端固定在左支架上、右端固定在工作台的左侧面上；所述的柔顺元件C的后端固定在后支架上、前端固定在工作台的后侧面上；
所述的L型驱动架A固定在左支架上，L型驱动架A的长边位于工作台的上方；所述的L型驱动架B固定在后支架上，L型驱动架B的长边位于工作台的上方；所述的L型驱动架C安装在工作台的右方基座上，L型驱动架C的长边位于工作台的右方；
所述的压电陶瓷驱动器A、压电陶瓷驱动器J和压电陶瓷驱动器I分别安装在工作台下方的基座上，分别位于基座中心的前侧、右侧和后侧，压电陶瓷驱动器H安装在工作台右方的L型驱动架C上，压电陶瓷驱动器F和压电陶瓷驱动器G分别安装在工作台后方的后侧壁上，压电陶瓷驱动器E安装在工作台上方的L型驱动架B上，压电陶瓷驱动器B和压电陶瓷驱动器D分别安装在工作台左方的左侧壁上，压电陶瓷驱动器C安装在工作台上方的L型驱动架A上；
所述的压电陶瓷驱动器A、压电陶瓷驱动器B、压电陶瓷驱动器C、压电陶瓷驱动器D、压电陶瓷驱动器E、压电陶瓷驱动器F、压电陶瓷驱动器G、压电陶瓷驱动器H、压电陶瓷驱动器I和压电陶瓷驱动器J的轴线分别与工作台对应的面垂直，其驱动端均与对应的面接触；
所述的压电陶瓷驱动器A、压电陶瓷驱动器E和压电陶瓷驱动器I均位于工作台左右中心面上，即与X轴和Z轴共面；压电陶瓷驱动器C和压电陶瓷驱动器J均位于工作台前后中心面上，即与Y轴和Z轴共面；压电陶瓷驱动器B、压电陶瓷驱动器D、压电陶瓷驱动器F、压电陶瓷驱动器G和压电陶瓷驱动器H均位于工作台的上下中心面上，即与X轴和Y轴共面；
所述的柔顺元件A、柔顺元件B和柔顺元件C结构相同；所述的柔顺元件由两个相同的“爪型”曲梁结构背靠背组成，其中“爪型”曲梁结构是由两段半圆弧曲梁以十字相交的方式组成；所述的柔顺元件两端的四个爪分别固定对应的平面上；
半圆弧曲梁的横截面为矩形；
进一步地，所述的柔顺元件A、柔顺元件B和柔顺元件C的中心分别与工作台的底面、左侧面和后侧面的中心对应。
进一步地，所述的矩形的长宽比为2-3。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明采用柔顺元件连接在工作台和支架或者基座之间，结构简单而紧凑，在受力时使得受力更均匀，有效的避免了应力集中，而且能够实现大变形满足大行程的要求。
2、本发明柔顺元件采用矩形，当半圆弧曲梁的横截面一定时，采用矩形时因为其长边可以形成柔顺元件更长的接触周长，因此相对于正方形或圆形截面的柔顺单元，矩形截面承载能力更强而且更加稳定。
3、与已有的人字形的曲梁柔顺元件相比，本发明采用的爪型曲梁柔顺元件是一个中心对称的一体元件，无论放在工作台上的工件或重物是不是放在工作台的中央位置，柔顺机构都能最大限度的使自身受力均匀，而且在工作台左方和后方都有柔顺元件与支架相连，因此即使工件放在工作台的最前方或者最右侧这种极端情况时，左方和后方的柔顺元件会帮助地面的柔顺元件分担一部分力，起到辅助作用，进而提高承载力。
4、本发明的曲梁柔顺元件是由两个相同的“爪型”曲梁结构背靠背组成，在受到力的作用时，相比于人字形结构，这种元件会有一定的缓冲作用，对动态力的承载能力更强。
附图说明
图1为本发明结构主视图；
图2为图1的右视图；
图3为图1的俯视图；
图4为图1的立体图；
图5为柔顺元件立体图。
图中：1、基座，2、压电陶瓷驱动器A，3、柔顺元件A，4、工作台，5、柔顺元件B，6、压电陶瓷驱动器B，7、L型驱动架A，8、压电陶瓷驱动器C，9、压电陶瓷驱动器D，10、L型驱动架B，11、压电陶瓷驱动器E，12、压电陶瓷驱动器F，13、压电陶瓷驱动器G，14、柔顺元件C，15、压电陶瓷驱动器H，16、L型驱动架C，17、压电陶瓷驱动器I，18、压电陶瓷驱动器J。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步地描述。如图1-5所示，一种微定位工作台，包括基座1、柔顺元件、压电陶瓷驱动器、L型驱动架和工作台4；所述的柔顺元件包括柔顺元件A3、柔顺元件B5和柔顺元件C14；所述的压电陶瓷驱动器包括压电陶瓷驱动器A2、压电陶瓷驱动器B6、压电陶瓷驱动器C8、压电陶瓷驱动器D9、压电陶瓷驱动器E11、压电陶瓷驱动器F12、压电陶瓷驱动器G13、压电陶瓷驱动器H15、压电陶瓷驱动器I17和压电陶瓷驱动器J18；所述的L型驱动架包括L型驱动架A7、L型驱动架B10和L型驱动架C16；所述的基座1上设置左支架和后支架，所述的左支架和后支架构成直角支架；
所述的柔顺元件A3上端固定在工作台底面、下端固定在基座上；所述的柔顺元件B5的左端固定在左支架上、右端固定在工作台的左侧面上；所述的柔顺元件C14的后端固定在后支架上、前端固定在工作台的后侧面上；
所述的L型驱动架A7固定在左支架上，L型驱动架A7的长边位于工作台4的上方；所述的L型驱动架B10固定在后支架上，L型驱动架B10的长边位于工作台4的上方；所述的L型驱动架C16安装在工作台4的右方基座1上，L型驱动架C16的长边位于工作台4的右方；
所述的压电陶瓷驱动器A2、压电陶瓷驱动器J18和压电陶瓷驱动器I17分别安装在工作台18下方的基座1上，分别位于基座1中心的前侧、右侧和后侧，压电陶瓷驱动器H15安装在工作台4右方的L型驱动架C16上，压电陶瓷驱动器F12和压电陶瓷驱动器G13分别安装在工作台4后方的后侧壁上，压电陶瓷驱动器E11安装在工作台4上方的L型驱动架B10上，压电陶瓷驱动器B6和压电陶瓷驱动器D9分别安装在工作台4左方的左侧壁上，压电陶瓷驱动器C8安装在工作台4上方的L型驱动架A7上；
所述的压电陶瓷驱动器A2、压电陶瓷驱动器B6、压电陶瓷驱动器C8、压电陶瓷驱动器D9、压电陶瓷驱动器E11、压电陶瓷驱动器F12、压电陶瓷驱动器G13、压电陶瓷驱动器H15、压电陶瓷驱动器I17和压电陶瓷驱动器J18的轴线分别与工作台18对应的面垂直，其驱动端均与对应的面接触；
所述的压电陶瓷驱动器A2、压电陶瓷驱动器E11和压电陶瓷驱动器I17位于工作台左右中心面上，即与X轴和Z轴共面；压电陶瓷驱动器C8和压电陶瓷驱动器J18均位于工作台前后中心面上，即与Y轴和Z轴共面；压电陶瓷驱动器B6、压电陶瓷驱动器D9、压电陶瓷驱动器F12、压电陶瓷驱动器G13和压电陶瓷驱动器H15均位于工作台的上下中心面上，即与X轴和Y轴共面；
所述的柔顺元件A3、柔顺元件B5和柔顺元件C14结构相同；所述的柔顺元件由两个相同的“爪型”曲梁结构背靠背组成，其中“爪型”曲梁结构是由两段半圆弧曲梁以十字相交的方式组成；所述的柔顺元件两端的四个爪分别固定对应的平面上；
半圆弧曲梁的横截面为矩形；
进一步地，所述的柔顺元件A3、柔顺元件B5和柔顺元件C14的中心分别与工作台4的底面、左侧面和后侧面的中心对应。
进一步地，所述的矩形的长宽比为2-3。
如图1-5所示，本发明的工作方法如下：压电陶瓷驱动器F12和压电陶瓷驱动器G13输入位移，工作台4受到驱动力作用，从而产生沿X轴方向的移动；压电陶瓷驱动器J18和压电陶瓷驱动器C8输入大小相同位移时，工作台4受到两个大小相等、方向相反的驱动力作用，从而产生绕X轴方向的转动；压电陶瓷驱动器B6和压电陶瓷驱动器D9输入位移，工作台4受到驱动力作用，从而产生沿Y轴方向的移动；压电陶瓷驱动器A2和压电陶瓷驱动器E11输入大小相同位移时，工作台4受到两个大小相等、方向相反的驱动力作用，从而产生绕Y轴方向的转动；压电陶瓷驱动器A2和压电陶瓷驱动器J18输入位移，工作台4受到驱动力作用，从而产生沿Z轴方向的移动；压电陶瓷驱动器B6和压电陶瓷驱动器H15输入大小相同位移时，工作台4受到两个大小相等、方向相反的驱动力作用，从而产生绕Z轴方向的转动。
本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种交叉曲梁六自由度并联柔顺机构，其特征在于：包括基座(1)、柔顺元件、压电陶瓷驱动器、L型驱动架和工作台(4)；所述的柔顺元件包括柔顺元件A(3)、柔顺元件B(5)和柔顺元件C(14)；所述的压电陶瓷驱动器包括压电陶瓷驱动器A(2)、压电陶瓷驱动器B(6)、压电陶瓷驱动器C(8)、压电陶瓷驱动器D(9)、压电陶瓷驱动器E(11)、压电陶瓷驱动器F(12)、压电陶瓷驱动器G(13)、压电陶瓷驱动器H(15)、压电陶瓷驱动器I(17)和压电陶瓷驱动器J(18)；所述的L型驱动架包括L型驱动架A(7)、L型驱动架B(10)和L型驱动架C(16)；所述的基座(1)上设置左支架和后支架，所述的左支架和后支架构成直角支架；
所述的柔顺元件A(3)上端固定在工作台(4)底面、下端固定在基座(1)上；所述的柔顺元件B(5)的左端固定在左支架上、右端固定在工作台(4)的左侧面上；所述的柔顺元件C(14)的后端固定在后支架上、前端固定在工作台(4)的后侧面上；
所述的L型驱动架A(7)固定在左支架上，L型驱动架A(7)的长边位于工作台(4)的上方；所述的L型驱动架B(10)固定在后支架上，L型驱动架B(10)的长边位于工作台(4)的上方；所述的L型驱动架C(16)安装在工作台(4)的右方基座(1)上，L型驱动架C(16)的长边位于工作台(4)的右方；
所述的压电陶瓷驱动器A(2)、压电陶瓷驱动器J(18)和压电陶瓷驱动器I(17)分别安装在工作台(4)下方的基座(1)上，分别位于基座(1)中心的前侧、右侧和后侧，压电陶瓷驱动器H(15)安装在工作台(4)右方的L型驱动架C(16)上，压电陶瓷驱动器F(12)和压电陶瓷驱动器G(13)分别安装在工作台(4)后方的后侧壁上，压电陶瓷驱动器E(11)安装在工作台(4)上方的L型驱动架B(10)上，压电陶瓷驱动器B(6)和压电陶瓷驱动器D(9)分别安装在工作台(4)左方的左侧壁上，压电陶瓷驱动器C(8)安装在工作台(4)上方的L型驱动架A(7)上；
所述的压电陶瓷驱动器A(2)、压电陶瓷驱动器B(6)、压电陶瓷驱动器C(8)、压电陶瓷驱动器D(9)、压电陶瓷驱动器E(11)、压电陶瓷驱动器F(12)、压电陶瓷驱动器G(13)、压电陶瓷驱动器H(15)、压电陶瓷驱动器I(17)和压电陶瓷驱动器J(18)的轴线分别与工作台(4)对应的面垂直，其驱动端均与对应的面接触；
所述的压电陶瓷驱动器B(6)、压电陶瓷驱动器D(9)和压电陶瓷驱动器H(15)位于工作台(4)左右中心面上，即与X轴和Z轴共面；压电陶瓷驱动器F(12)和压电陶瓷驱动器G(13)均位于工作台(4)前后中心面上，即与Y轴和Z轴共面；压电陶瓷驱动器A(2)、压电陶瓷驱动器C(8)、压电陶瓷驱动器E(11)、压电陶瓷驱动器I(17)和压电陶瓷驱动器J(18)均位于工作台(4)的上下中心面上，即与X轴和Y轴共面；
所述的柔顺元件A(3)、柔顺元件B(5)和柔顺元件C(14)结构相同；所述的柔顺元件由两个相同的“爪型”曲梁结构背靠背组成，其中“爪型”曲梁结构是由两段半圆弧曲梁以十字相交的方式组成；所述的柔顺元件两端的四个爪分别固定对应的平面上；
半圆弧曲梁的横截面为矩形。
2.根据权利要求1所述的一种交叉曲梁六自由度并联柔顺机构，其特征在于：所述的柔顺元件A(3)、柔顺元件B(5)和柔顺元件C(14)的中心分别与工作台(4)的底面、左侧面和后侧面的中心对应。
3.根据权利要求1所述的一种交叉曲梁六自由度并联柔顺机构，其特征在于：所述的矩形的长宽比为2-3。
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