CN109555812A - 一种压电驱动的各向同性多自由度隔振平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电驱动的各向同性多自由度隔振平台，包括上平台和下平台,六个支腿，每个支腿均由第一柔性铰链、第二柔性铰链、第一卡紧螺栓、第二卡紧螺栓、压电堆栈作动器、菱形位移放大环、环形安装凸台以及传感器组成，六个支腿支腿都分别由第一安装连接件和第二安装连接件连接上平台和下平台，传感器的安装采用胶接方式，固定在安装环形安装凸台上，第一柔性铰链和第二柔性铰链通过菱形位移放大环连接，压电堆栈作动器的两端通过第一卡紧螺栓和第二卡紧螺栓锁紧，本发明实现隔振平台的大行程、高精度控制。单个支腿控制器的独立解耦设计，简化了控制系统的设计难度，同时控制器的解耦设计提高了系统的容错性能力。

Description

一种压电驱动的各向同性多自由度隔振平台

技术领域

本发明涉及到一种隔振平台的构型设计方法，特别涉及一种压电 驱动的各向同性多自由度隔振平台。

背景技术

随着各种精密仪器设备的不断发展，系统精度要求的不断提高使 得微振动的影响越来越突出。为减小环境中微振动对系统的干扰，一 般采用增加主动或被动隔振平台的方式对微振动进行隔离抑制，以实 现系统的高精度性能要求。

在隔振平台的构型设计中，平台的容错能力、控制性能等都是需 要考虑的主要因素。目前工程中所采用隔振平台大多采用立方体构型 的Stewart平台，该构型的结构较为简单，但平台支腿之间存在耦合 作用，在控制器设计时需要考虑各个支腿之间的耦合关系，控制器的 设计较为复杂。同时，在平台部分支腿出现故障时，由于复杂的耦合 关系，控制器的重构较难实现，系统的容错性能受限。

为进一步提高隔振平台的容错能力，简化平台控制系统设计，本 发明提出一种各向同性构型的多自由度隔振平台设计方法。该各向同 性多自由度平台的各个支腿之间满足各向同性布局关系，每个支腿在 各个方向上具有相同的作用，在平台动力学上实现解耦，每个支腿的 控制器可独立进行设计，简化了控制系统的设计难度。在平台部分支 腿出现故障时，控制器可以进行重构设计，提高系统容错性能，保证 其可靠性。不同于六支腿立方体构型Stewart平台。

发明内容

发明的目的在于提供一种压电驱动的各向同性多自由度隔振平 台，实现隔振平台的解耦设计，提高隔振平台容错能力，同时实现隔 振平台的大行程、高精度控制，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种压电驱动的各向同性多自由度隔振平台，包括单独加工的第 一安装连接件、单独加工的第二安装连接件、上平台和下平台，所述 上平台的底部固定安装第一安装连接件，下平台的顶部固定安装第二 安装连接件，所述第一安装连接件和第二安装连接件通过支腿连接；

所述支腿分为第一支腿、第二支腿、第三支腿、第四支腿、第五 支腿以及第六支腿，第一支腿、第二支腿、第三支腿、第四支腿、第 五支腿以及第六支腿的两端分别连接单独加工的第一安装连接件、单 独加工的第二安装连接件，所述第一支腿、第二支腿、第三支腿、第 四支腿、第五支腿以及第六支腿均由第一柔性铰链、第二柔性铰链、 第一卡紧螺栓、第二卡紧螺栓、压电堆栈作动器、菱形位移放大环、 环形安装凸台以及传感器组成，第一柔性铰链安装环形安装凸台以放 置传感器，传感器的安装采用胶接方式，固定在安装环形安装凸台上， 第一柔性铰链和第二柔性铰链通过菱形位移放大环连接，菱形位移放 大环的中间设置压电堆栈作动器，压电堆栈作动器的两端通过第一卡 紧螺栓和第二卡紧螺栓锁紧。

优选的，压电堆栈作动器为主动控制单元，菱形位移放大环对压 电堆栈作动器的驱动位移进行放大，柔性铰链用来减小支腿弯曲刚度， 传感器用来测量支腿运动信息。

一种压电驱动的各向同性多自由度隔振平台，包括如下设计步骤：

步骤1)：各向同性多自由度隔振平台构型设计，首先根据隔振 平台的雅克比矩阵，推导平台支腿各向同性构型条件；选取设计变量， 根据各向同性构型条件得到设计变量需要满足的条件方程组；通过给 定自由变量的数值，得到不同的各向同性构型设计结果；在此基础上 得到标准的各向同性构型设计；

步骤2)：各向同性多自由度隔振平台尺寸设计，在确定各向同 性平台构型的基础上，根据工程需求确定平台的实际尺寸大小，各向 同性多自由度隔振平台的尺寸参数主要包括三个，即平台高度、支腿 长度以及安装点的半径，这三个参数中有两个相互独立，通过确定其 中的两个独立参数，即可确定整个隔振平台的尺寸大小；

步骤3)：单个支腿结构布局设计，平台的单个支腿第一柔性铰 链、第二柔性铰链、第一卡紧螺栓、第二卡紧螺栓、压电堆栈作动器、 菱形位移放大环、环形安装凸台以及传感器组成；

步骤4)：隔振平台整体安装，根据所设计各向同性多自由度隔 振平台构型，综合单个支腿的设计结果，确定隔振平台尺寸大小，将 上下平台与六个支腿进行组合安装，从而得到所设计六自由度压电驱 动各向同性多自由度隔振平台。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：所设计各向同性多自由 度隔振平台的各向同性构型设计可以实现单个支腿控制器的独立解 耦设计，简化了控制系统的设计难度，同时控制器的解耦设计提高了

附图说明

图1为本发明的设计方法流程图；

图2为本发明的所设计各向同性多自由度隔振平台构型俯视图。

图3为本发明的所设计各向同性多自由度隔振平台构型图

图4为本发明的组合装配图；

图5为本发明的支腿连接件示意图；

图6为本发明的各向同性多自由度隔振平台整体示意图；

图中：1、第一柔性铰链；2、第二柔性铰链；3、第一卡紧螺栓； 4、第二卡紧螺栓；5、压电堆栈作动器；6、菱形位移放大环；7、环 形安装凸台；8、传感器；9、第一安装连接件；10、第二安装连接件； 11、支腿；12、上平台；13、下平台；14、第一支腿；15、第二支腿； 16、第三支腿；17、第四支腿；18、第五支腿；19、第六支腿。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方 案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部 分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普 通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例， 都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-2，一种压电驱动的各向同性多自由度隔振平台，包 括单独加工的第一安装连接件9、单独加工的第二安装连接件10、上 平台12和下平台13，上平台12的底部固定安装第一安装连接件9， 下平台13的顶部固定安装第二安装连接件10，第一安装连接件9和 第二安装连接件10通过支腿11连接；

支腿11分为第一支腿14、第二支腿15、第三支腿16、第四支 腿17、第五支腿18以及第六支腿19，第一支腿14、第二支腿15、 第三支腿16、第四支腿17、第五支腿18以及第六支腿19的两端分 别连接第一安装连接件9、第二安装连接件10，第一支腿14、第二 支腿15、第三支腿16、第四支腿17、第五支腿18以及第六支腿19 均由第一柔性铰链1、第二柔性铰链2、第一卡紧螺栓3、第二卡紧 螺栓4、压电堆栈作动器5、菱形位移放大环6、环形安装凸台7以及传感器8组成，第一柔性铰链1安装环形安装凸台7以放置传感器 8，传感器8的安装采用胶接方式，固定在安装环形安装凸台7上， 第一柔性铰链1和第二柔性铰链2通过菱形位移放大环6连接，菱形 位移放大环6的中间设置压电堆栈作动器5，压电堆栈作动器5为主 动控制单元，菱形位移放大环6对压电堆栈作动器的驱动位移进行放 大，柔性铰链用来减小支腿弯曲刚度，实现平台的转动自由度，传感 器8用来测量支腿运动信息，实现单个支腿的闭环主动控制。

支腿11分为第一支腿14、第二支腿15、第三支腿16、第四支 腿17、第五支腿18以及第六支腿19，第一支腿14、第二支腿15、 第三支腿16、第四支腿17、第五支腿18以及第六支腿19的两端分 别连接第一安装连接件9、第二安装连接件10，第一支腿14、第二 支腿15、第三支腿16、第四支腿17、第五支腿18以及第六支腿19 倾斜交错设置。

请参阅图3-6，其设计方法步骤如下：

步骤一：各向同性多自由度隔振平台构型设计，首先根据隔振平 台的雅克比矩阵，推导平台支腿各向同性构型条件；选取设计变量， 根据各向同性构型条件得到设计变量需要满足的条件方程组；通过给 定自由变量的数值，得到不同的各向同性构型设计结果；在此基础上 得到标准的各向同性构型设计，针对平台的雅克比矩阵J，平台为各 向同性构型的条件为

其中，K_t和K_r为3×3的对角阵，分别表示平动方向和转动方向 的运动可操作性，同时满足K_t＝k_tE，K_r＝k_rE，E为单位矩阵。雅克 比矩阵J如下式所示

其中u_i代表第i个支腿方向的单位向量，p_i代表第i个支腿和上 平台交点在上平台坐标系中的坐标。针对偶数根2n(n>2)支腿数目的 平台，先设计两个相邻的支腿构型，包括支腿和上平台的交点以及空 间中的方位角，然后利用旋转方式生成其他支腿的布局形式。以下以 六支腿各向同性六自由度隔振平台为例，给出具体的设计过程。

针对6支腿隔振平台的设计，选取相邻两个支腿的设计参数作为 设计变量，即设计变量选为两个支腿和上平台的交点坐标以及两个支 腿方向的单位矢量方向角

u₁＝[sin(φ₁)cos(β₁) sin(φ₁)sin(β₁) cos(φ₁)]^T

u₂＝[sin(φ₂)cos(β₂) sin(φ₂)sin(β₂) cos(φ₂)]^T

p1＝[r₁cos(α₁) r₁sin(α₁) 0]^T

p₂＝[r₂cos(α₂) r₂sin(α₂) 0]^T

式中，φ₁和φ₂分别为1杆和2杆与z方向的夹角，β₁和β₂分别为 1杆和2杆在水平面投影与x方向的夹角，r₁,r₂,α₁和α₂分别为1杆和 2杆与上平台的交点坐标在上平台的极坐标参数。

选取8个设计变量，分别为r₁,r₂,α₁,α₂,φ₁,φ₂,β₁,β₂，按照旋转规律， 六支腿平台布局可将1杆和2杆沿z轴旋转120°和240°得到。考虑 各向同性构型条件，将方程进行无量纲化处理，并考虑设计参数关于 z轴的对称性，推导可得设计变量需满足的条件方程组如下所示

r₁＝1

α₂＝-α₁

α₂-β₂＝π+α₁-β₁

m_t＝1

m_r＝1

其中，m_r，m_t是设计推导过程中引入的中间量，分别代表了平动 方向的可操纵性差异性和转动方向的可操纵性差异性。从上式可以看 出，各向同性构型设计的自由设计变量只有α₁和φ₁，设计过程中只需 要改变α₁和φ₁即可得到不同的各向同性构型设计结果。特殊的，令 φ₂＝φ₁，即可以得到标准的各向同性构型；

步骤二：各向同性多自由度隔振平台尺寸设计，在确定各向同性 平台构型的基础上，根据工程需求确定平台的实际尺寸大小，各向同 性多自由度隔振平台的尺寸参数主要包括三个，即平台高度、支腿长 度以及安装点的半径，这三个参数中有两个相互独立，通过确定其中 的两个独立参数，即可确定整个隔振平台的尺寸大小；平台高度与支 腿长度的关系式如下：

式中L表示支腿长度，H表示平台高度。

步骤三：单个支腿结构布局设计，平台的单个支腿第一柔性铰链 1、第二柔性铰链2、第一卡紧螺栓3、第二卡紧螺栓4、压电堆栈作 动器5、菱形位移放大环6、环形安装凸台7以及传感器8组成；压 电堆栈作动器5安装于菱形位移放大环6内，沿菱形位移放大环6的长边放置，两端通过第一卡紧螺栓3、第二卡紧螺栓4进行卡紧固定； 菱形位移放大环6的短边的两端分别通过螺栓与两个柔性铰链进行 连接；在支腿上安装环形凸台7以放置传感器8，传感器8的安装采 用胶接方式，固定在安装环形安装凸台7上。

步骤四：隔振平台整体安装，六支腿各向同性多自由度平台的每 个支腿采用相同结构设计，在确定了各向同性构型和平台尺寸的技术 上，对上平台、支腿、下平台进行组合安装调试。根据各向同性构型 中每个支腿与平台之间的角度关系，设计不同倾斜角度的安装连接件， 通过安装连接件对支腿和上下平台之间进行连接，连接方式采用螺栓 连接，从而得到所设计压电驱动的各向同性多自由度隔振平台。

在振动隔离抑制过程中，通过传感器8测量每个支腿的运动信息 以实现支腿的闭环主动控制，压电堆栈作动器5通过主动控制实现支 腿长度的调节，从而实现上平台的六自由度运动，以抵消微振动对上 平台的扰动影响。

综上所述，本发明提出的压电驱动的各向同性多自由度隔振平台， 实现隔振平台动力学的解耦设计，提高隔振平台的容错性能。所设计 各向同性多自由度隔振平台采用压电堆栈作动器5作为主动控制单 元，同时利用位移放大装置对压电堆栈作动器5的驱动位移进行放大， 在充分利用压电作动器高精度、高带宽特性的基础上，补偿压电堆栈 作动器5行程小的问题，满足隔振平台要求，实现隔振平台的大行程、 高精度控制。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范 围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技 术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种压电驱动的各向同性多自由度隔振平台，包括的第一安装连接件(9)第二安装连接件(10)、上平台(12)和下平台(13)，其特征在于：所述上平台(12)的底部固定安装第一安装连接件(9)，下平台(13)的顶部固定安装第二安装连接件(10)，所述第一安装连接件(9)和第二安装连接件(10)通过支腿(11)连接；所述每个支腿与上下平台之间的安装角度不一样，每个支腿的连接件需要根据安装角度单独加工。

所述支腿(11)分为第一支腿(14)、第二支腿(15)、第三支腿(16)、第四支腿(17)、第五支腿(18)以及第六支腿(19)，第一支腿(14)、第二支腿(15)、第三支腿(16)、第四支腿(17)、第五支腿(18)以及第六支腿(19)每个支腿都与上下平台之间的安装角度不同，两端分别连接第一安装连接件(9)、第二安装连接件(10)，所述第一支腿(14)、第二支腿(15)、第三支腿(16)、第四支腿(17)、第五支腿(18)以及第六支腿(19)均由第一柔性铰链(1)、第二柔性铰链(2)、第一卡紧螺栓(3)、第二卡紧螺栓(4)、压电堆栈作动器(5)、菱形位移放大环(6)、环形安装凸台(7)以及传感器(8)组成，第一柔性铰链(1)上套有环形安装凸台(7)，第一柔性铰链(1)的侧面设置传感器(8)，第一柔性铰链(1)和第二柔性铰链(2)通过菱形位移放大环(6)连接，菱形位移放大环(6)的中间设置压电堆栈作动器(5)，压电堆栈作动器(5)的两端通过第一卡紧螺栓(3)和第二卡紧螺栓(4)锁紧。

2.根据权利要求1所述的一种压电驱动的各向同性多自由度隔振平台，其特征在于：所述压电堆栈作动器(5)为主动控制单元，菱形位移放大环(6)对压电堆栈作动器的驱动位移进行放大，柔性铰链用来减小支腿弯曲刚度，传感器(8)用来测量支腿运动信息。

3.根据权利要求1所述的一种压电驱动的各向同性多自由度隔振平台,每个支腿都与上下平台之间的安装角度不同,由单独加工的第一安装连接件(9)和第二安装连接件(10)连接上平台和下平台。

4.一种根据权利要求1所述的压电驱动的各向同性多自由度隔振平台，其特征在于：包括如下设计步骤：

步骤1)：各向同性多自由度隔振平台构型设计，首先根据隔振平台的雅克比矩阵，推导平台支腿各向同性构型条件；选取设计变量，根据各向同性构型条件得到设计变量需要满足的条件方程组；通过给定自由变量的数值，得到不同的各向同性构型设计结果；在此基础上得到标准的各向同性构型设计；

步骤2)：各向同性多自由度隔振平台尺寸设计，在确定各向同性平台构型的基础上，根据工程需求确定平台的实际尺寸大小，各向同性多自由度隔振平台的尺寸参数主要包括三个，即平台高度、支腿长度以及安装点的半径，这三个参数中有两个相互独立，通过确定其中的两个独立参数，即可确定整个隔振平台的尺寸大小；

步骤3)：单个支腿结构布局设计，平台的单个支腿第一柔性铰链(1)、第二柔性铰链(2)、第一卡紧螺栓(3)、第二卡紧螺栓(4)、压电堆栈作动器(5)、菱形位移放大环(6)、环形安装凸台(7)以及传感器(8)组成；

步骤4)：隔振平台整体安装，根据所设计各向同性多自由度隔振平台构型，综合单个支腿的设计结果，确定隔振平台尺寸大小，将上下平台与六个支腿进行组合安装，从而得到所设计六自由度压电驱动各向同性多自由度隔振平台。