CN110660447A - 一种可装配式空间三平移柔顺精密定位平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可装配式空间三平移柔顺精密定位平台，其包括定平台、动平台、三条驱动支链，由于没有传统的运动副连接，消除了积累误差及磨损，抗干扰性强，定位精度高；采用螺栓连接或者焊接的装配式连接，结构简单、易于加工，而且相对于传统的同构型并联机构，具有相同运动特性，但是达到同样精度的加工成本大大降低；拓展性较好，若想对其进行优化，直接替换驱动支链部分即可，方便简单，而且还可以用于简单的位移输出装置，功用性强。此发明用于精密定位技术领域。

Description

一种可装配式空间三平移柔顺精密定位平台

技术领域

本发明涉及精密定位技术领域，特别是涉及一种可装配式空间三平移柔顺精密定位平台。

背景技术

随着精密加工、微纳米技术、微电子技术、生物工程等微观领域学科的不断扩展，精密定位技术作为微操作、微测量、微制造的基础性关键技术之一，近年来也得到了迅速发展和广泛应用。精密定位平台的设计是实现精密定位技术的重要保障。

柔顺机构是利用自生弹性形变来完成力、运动和能量传递与转换的新型机构。由于其免装配、无摩擦磨损和降低振动等优点，受到许多专家学者的关注和研究。把柔顺机构应用于精密定位平台的设计也成为了精密定位技术领域的研究热点。

目前，基于柔顺拓扑优化技术的精密定位平台设计大多停留在理论设计阶段，设计出来的精密定位平台多采用一体式加工，这就给加工上造成难度，使得制造成本上升，且定位精度上只能达到同一微米级，不能实现准确定位。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可装配式空间三平移柔顺精密定位平台。

本发明所采取的技术方案是：

一种可装配式空间三平移柔顺精密定位平台，其包括

定平台，所述定平台呈三角形结构，所述定平台上固定有工作台；

动平台，所述动平台呈三角形结构，所述定平台和动平台间隔设置；

三条驱动支链，所述定平台和动平台的三个顶点均通过驱动支链连接，三所述驱动支链包括驱动源结构、固定连接结构、柔顺拓扑优化结构，所述驱动源结构、固定连接结构、柔顺拓扑优化结构一体成型，所述固定连接结构包括与定平台固定连接的第一固定连接结构和与动平台固定连接的第二固定连接结构，所述驱动源结构安装在第一固定连接结构的上方，所述第二固定连接结构的连接柔顺拓扑优化结构的一端，所述柔顺拓扑优化结构的另一端固定在驱动源结构上；

所述驱动源结构的输入端连接驱动源控制器，所述驱动源控制器向三条所述驱动支链输入位移信号，所述位移信号经过柔顺拓扑优化结构传达至动平台，所述动平台的输出端与驱动源结构的输入端为同构映射关系。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述动平台上设置有三条从动平台中心向顶点延伸的指示线。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述驱动源结构均采用压电陶瓷。

进一步作为本发明技术方案的改进，三条所述压电陶瓷的输入位移为ΔI₁，ΔI₂，ΔI₃，所述动平台的中心处为坐标原点，以所述坐标原点建立x,y,z坐标系，x轴负方向设置在动平台表面且指向驱动支链的一指示线，y轴为设置在动平台平面且垂直于x轴，z轴垂直动平台向上设置，所述动平台的输出端沿x,y,z方向的输出位移为dx，dy，dz，所述动平台的输出位移和三条压电陶瓷的输入位移之间满足以下关系[dx dy dz]^T＝J[Δl₁ Δl₂ Δl₃]^T，其中，

进一步作为本发明技术方案的改进，所述第一固定连接结构与定平台通过螺栓连接或者焊接固定，所述第二固定连接结构与动平台通过螺栓连接或者焊接固定。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述定平台的三个顶点处均设置有第一固定块，所述第一固定连接结构为凹槽结构，所述第一固定块固定在第一固定连接结构内，并通过螺栓螺母固定。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述动平台的三个顶点处均设置有第二固定块，所述第二固定连接结构为凹槽结构，所述第二固定块固定在第二固定连接结构内，并通过螺栓螺母固定。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述定平台上设置有若干用于固定工作台的螺栓孔。

本发明的有益效果：此可装配式空间三平移柔顺精密定位平台，其包括定平台、动平台、三条驱动支链，由于没有传统的运动副连接，消除了积累误差及磨损，抗干扰性强，定位精度高；采用螺栓连接或者焊接的装配式连接，结构简单、易于加工，而且相对于传统的同构型并联机构，具有相同运动特性，但是达到同样精度的加工成本大大降低；拓展性较好，若想对其进行优化，直接替换驱动支链部分即可，方便简单，而且还可以用于简单的位移输出装置，功用性强。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1为本发明实施例可装配式空间三平移柔顺精密定位平台立体图；

图2为本发明实施例可装配式空间三平移柔顺精密定位平台定平台立体图；

图3为本发明实施例可装配式空间三平移柔顺精密定位平台动平台立体图；

图4为本发明实施例可装配式空间三平移柔顺精密定位平台驱动支链立体图。

其中：

定平台10，第一固定块11、螺栓孔12；

动平台20，指示线21、第二固定块22；

驱动支链30，驱动源结构31、固定连接结构32、第一固定连接结构32a、第二固定连接结构32b、柔顺拓扑优化结构33；

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

参照图1-图4，其为一种可装配式空间三平移柔顺精密定位平台的实施例，其中，定平台10，定平台10呈三角形结构，定平台10的中心处设置有5个螺栓孔12，工作台通过这5个螺栓孔12固定在定平台10上。其中，定平台10的三个顶点处均设置有第一固定块11，第一固定连接结构32a为凹槽结构，第一固定块11固定在第一固定连接结构32a内，并通过螺栓螺母固定。

动平台20，动平台20呈三角形结构，定平台10和动平台20上下间隔设置，定平台10和动平台20的三个顶点朝向均相同，动平台20的三个顶点处均设置有第二固定块22，第二固定连接结构32b为凹槽结构，第二固定块22固定在第二固定连接结构32b内，并通过螺栓螺母固定。

三条驱动支链30，定平台10和动平台20的三个顶点均通过驱动支链30连接，三驱动支链30包括驱动源结构31、固定连接结构32、柔顺拓扑优化结构33，驱动源结构31、固定连接结构32、柔顺拓扑优化结构33一体成型，固定连接结构32包括与定平台10固定连接的第一固定连接结构32a和与动平台20固定连接的第二固定连接结构32b，驱动源结构31安装在第一固定连接结构32a的上方，第二固定连接结构32b的连接柔顺拓扑优化结构33的一端，柔顺拓扑优化结构33的另一端固定在驱动源结构31上。由于柔顺拓扑优化结构33的存在，使得动平台20的输出端与驱动源结构31的输入端形成同构映射关系，即两者存在固定的函数关联，实现定位平台的精确定位。柔顺拓扑优化结构33经有限元仿真及实验分析，都能达到良好的运动效果，运动性良好。

驱动源结构31的输入端连接驱动源控制器，驱动源控制器向三驱动支链30输入位移信号，位移信号经过柔顺拓扑优化结构33传达至动平台20，动平台20的输出端与驱动源结构31的输入端为同构映射关系。

动平台20上设置有三条从动平台20中心向顶点延伸的指示线21。驱动源结构31均采用压电陶瓷。

本发明的工作过程和原理：将三个压电陶瓷安装在三条驱动支链30上，压电陶瓷与压电陶瓷控制器相连接，动平台20与工作台采用螺栓进行固定连接，由于三条驱动支链30完全相同，所以选定动平台20坐标为动平台20中心处，动平台20的中心处为坐标原点，以坐标原点建立x,y,z坐标系，x轴负方向设置在动平台20表面且指向驱动支链30的一指示线21，y轴为设置在动平台20平面且垂直于x轴，z轴垂直动平台20向上设置。三个压电陶瓷经过控制器输入的位移信号作用在空间三平移柔顺精密定位平台上，通过函数关系转换，动平台的x,y,z方向输出位移。三条压电陶瓷的输入位移为ΔI₁，ΔI₂，ΔI₃，动平台20的输出端沿x,y,z方向的输出位移为dx，dy，dz，动平台20的输出位移和三条压电陶瓷的输入位移之间满足以下关系[dx dy dz]^T＝J[Δl₁ Δl₂ Δl₃]^T，根据空间3-PUU型并联机构的同构映射雅克比矩阵建立的相应的拓扑优化SIMP模型，并应用Hyperworks软件的Optistruct模块对设计的模型进行拓扑优化计算，得出拓扑优化后的模型，并经由三维软件进行光顺处理，并对优化后的模型二次建模得到。其中，

其中，为了特别说明，以压电陶瓷三条支链分别输入0.003mm，0.006mm，0.007mm为例，验证模型的有效性，对打印出的空间三平移柔顺精密定位平台实验分析，实验采用的是压电陶瓷、压电陶瓷控制器、计算机、雷尼绍双频激光干涉仪、气浮隔振平台等设备搭建的柔顺机构实验平台。为了确保实验数据的有效性，等压电陶瓷输入端输出的正弦位移波动较稳定时再采集数据，并保证持续时间大于20s，由实验测得模型在三个方向上的位移。

理论值为x方向位移0.0012mm，y方向位移0.004mm，z方向位移0.0053mm，实验值为0.001mm，0.0041mm，0.0052mm，精确度非常高。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (8)

1.一种可装配式空间三平移柔顺精密定位平台，其特征在于：包括

定平台(10)，所述定平台(10)呈三角形结构，所述定平台(10)上固定有工作台；

动平台(20)，所述动平台(20)呈三角形结构，所述定平台(10)和动平台(20)间隔设置；

三条驱动支链(30)，所述定平台(10)和动平台(20)的三个顶点均通过驱动支链(30)连接，三所述驱动支链(30)包括驱动源结构(31)、固定连接结构(32)、柔顺拓扑优化结构(33)，所述驱动源结构(31)、固定连接结构(32)、柔顺拓扑优化结构(33)一体成型，所述固定连接结构(32)包括与定平台(10)固定连接的第一固定连接结构(32a)和与动平台(20)固定连接的第二固定连接结构(32b)，所述驱动源结构(31)安装在第一固定连接结构(32a)的上方，所述第二固定连接结构(32b)的连接柔顺拓扑优化结构(33)的一端，所述柔顺拓扑优化结构(33)的另一端固定在驱动源结构(31)上；

所述驱动源结构(31)的输入端连接驱动源控制器，所述驱动源控制器向三条所述驱动支链(30)输入位移信号，所述位移信号经过柔顺拓扑优化结构(33)传达至动平台(20)，所述动平台(20)的输出端与驱动源结构(31)的输入端为同构映射关系。

2.根据权利要求1所述的可装配式空间三平移柔顺精密定位平台，其特征在于：所述动平台(20)上设置有三条从动平台(20)中心向顶点延伸的指示线(21)。

3.根据权利要求2所述的可装配式空间三平移柔顺精密定位平台，其特征在于：所述驱动源结构(31)均采用压电陶瓷。

4.根据权利要求3所述的可装配式空间三平移柔顺精密定位平台，其特征在于：三条所述压电陶瓷的输入位移为ΔI₁，ΔI₂，ΔI₃，所述动平台(20)的中心处为坐标原点，以所述坐标原点建立x,y,z坐标系，x轴负方向设置在动平台(20)表面且指向驱动支链(30)的一指示线(21)，y轴为设置在动平台(20)平面且垂直于x轴，z轴垂直动平台(20)向上设置，所述动平台(20)的输出端沿x,y,z方向的输出位移为dx，dy，dz，所述动平台(20)的输出位移和三条压电陶瓷的输入位移之间满足以下关系[dx dy dz]^T＝J[Δl₁ Δl₂ Δl₃]^T，其中，

5.根据权利要求1所述的可装配式空间三平移柔顺精密定位平台，其特征在于：所述第一固定连接结构(32a)与定平台(10)通过螺栓连接或者焊接固定，所述第二固定连接结构(32b)与动平台(20)通过螺栓连接或者焊接固定。

6.根据权利要求5所述的可装配式空间三平移柔顺精密定位平台，其特征在于：所述定平台(10)的三个顶点处均设置有第一固定块(11)，所述第一固定连接结构(32a)为凹槽结构，所述第一固定块(11)固定在第一固定连接结构(32a)内，并通过螺栓螺母固定。

7.根据权利要求5所述的可装配式空间三平移柔顺精密定位平台，其特征在于：所述动平台(20)的三个顶点处均设置有第二固定块(22)，所述第二固定连接结构(32b)为凹槽结构，所述第二固定块(22)固定在第二固定连接结构(32b)内，并通过螺栓螺母固定。

8.根据权利要求1-7任一项所述的可装配式空间三平移柔顺精密定位平台，其特征在于：所述定平台(10)上设置有若干用于固定工作台的螺栓孔(12)。

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