CN111216108A - 一种基于压电驱动的多状态并联多自由度运动平台 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于压电驱动的多状态并联多自由度运动平台，属于运动机构学技术领域，具有步进和扫描两种运动状态。本发明包括：静平台；与所述静平台同轴平行放置的动平台；以及设置在静平台和动平台之间的六个直线驱动组件，每个直线驱动组件两端通过球面轴承分别与动平台下端面和静平台上端面链接；所述直线驱动组件包括端盖、作动器防护壳、压电尺蠖式作动器、联轴器、轴承、输出轴、输出轴外壳以及轴承端盖。所述压电尺蠖式作动器包括轨道、柔性部件、衔铁、电磁铁、伸长压电堆、应变片、轴套及作动轴，箝位机构包括电磁铁、衔铁和柔性部件，所述应变片粘贴于伸长压电堆上，作动轴一端固定于其中一个箝位机构背面，另一端由轴套进行支撑。

Description

一种基于压电驱动的多状态并联多自由度运动平台
技术领域
本发明属于机构学技术领域，具体涉及一种基于压电驱动的多状态并联多自由度运动平台。
背景技术
近年来实现精密光学设备精准且稳定的跟踪已成为当前航天领域的研究热点。六自由度并联平台具有振动控制效果好、指向控制精度高、容错能力强、结构稳定紧凑、承载力大等特点，在隔振、空间指向跟踪等方面应用广泛。六自由度并联平台的作动方式有很多种，如直线电机驱动、滚珠丝杠驱动、音圈电机及压电材料作动器等，但是由于六自由度并联平台作动器类型的限制，该类平台不能同时具有大行程范围、高定位精度、高动态响应的性能，导致其不能应用于大范围精密跟踪的场合。因此急需研制一种行程大、精度高、动态性能好的多自由度并联平台。
发明内容
本发明主要在于提供一种基于压电驱动的多状态并联多自由度运动平台，该平台结构紧凑、断电自锁、定位精度高、行程范围大、动态性能好，具有步进和扫描两种运动状态。
为实现上述目的，本发明的一种基于压电驱动的多状态并联多自由度运动平台，包括：静平台；与所述静平台同轴平行设置的动平台；以及设置在静平台和动平台之间的六个直线驱动组件，每个直线驱动组件两端通过球面轴承分别与动平台下端面和静平台上端面链接；所述直线驱动组件包括端盖、作动器防护壳，压电尺蠖式作动器，输出轴外壳，联轴器，输出轴，轴承，轴承端盖，所述压电尺蠖式作动器的位置由端盖和输出轴外壳进行固定，所述作动器作动轴通过联轴器与输出轴连接，输出轴的另一端由轴承进行支撑，所述轴承端盖固定在轴承外侧，对轴承进行限位固定。所述作动器防护壳套在作动器外面，一端和端盖通过紧定螺钉连接固定，另一端和输出轴外壳通过紧定螺钉连接固定。所述输出轴外壳与轴承端盖通过紧定螺钉进行连接固定。
进一步地，所述压电尺蠖式作动器的柔性部件位于轨道内，柔性部件上安装有衔铁和电磁铁，此三者组成箝位机构，箝位机构共有两个，对称放置，中间安装有压电伸长堆，应变片粘贴于压电伸长堆上，作动器作动轴安装于其中一个箝位机构的背面，延伸到作动器外部，由轴套进行支撑。所述轨道一端封闭具有限位作用，另一端与轴套连接用于固定作动器作动轴的位置。
每个直线驱动组件两端通过球面轴承分别与动平台下端面和静平台上端面连接，具体为：每个直线驱动组件的端盖外侧中心位置加工有螺纹孔，输出轴伸出的一端端部加工有外螺纹，分别通过螺纹孔和外螺纹与静平台和动平台上的球面轴承连接。球面轴承通过紧定螺钉固定在静平台上。
本发明的有益效果为：
(1)本发明的一种基于压电驱动的多状态并联多自由度运动平台采用了尺蠖式步进作动器，具有作动行程大、位移分辨率高、响应速度快、结构紧凑、体积小、重量轻的特点，整个多自由度并联平台具有大行程范围，高定位精度，高动态性能，结构紧凑体积小的优点，适用于指向精密跟踪的应用场合。
(2)本发明所述的压电尺蠖式作动器由电磁铁、衔铁、柔性部件作为箝位机构，衔铁与柔性部件固连，柔性部件位于轨道内，可实现断电箝位，此设计可实现多自由度并联平台的断电自锁功能。
(3)本发明所述的压电尺蠖式作动器其伸长压电堆上粘贴有应变片，可感应压电堆的伸长量，对压电堆的运动情况进行实时反馈，不需要外加传感器进行监测，整个作动器结构紧凑体积小。
(4)本发明所述的球面轴承，有三个自由度，摩擦抵抗力小、零间隙、精度高、振动减衰性能优异，适用于超精密定位或隔振场合下的多自由度并联平台。
附图说明
图1为本发明的一种基于压电驱动的多状态并联多自由度运动平台的整体结构示意图；
图2为本发明的一种基于压电驱动的多状态并联多自由度运动平台中的直线驱动组件结构示意图；
图3为本发明的一种基于压电驱动的多状态并联多自由度运动平台中的作动器结构示意图；
其中：1动平台，2直线驱动组件，3球面轴承，4静平台，2-1端盖，2-2作动器防护壳，2-3压电尺蠖式作动器，2-4输出轴外壳，2-5联轴器，2-6输出轴，2-7轴承，2-8轴承端盖，2-3-1作动器轨道，2-3-2柔性部件，2-3-3衔铁，2-3-4应变片，2-3-5电磁铁，2-3-6伸长压电堆，2-3-7轴套，2-3-8作动轴。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。
实施案例一：
参见附图1-3，本发明的一种基于压电驱动的多状态并联多自由度运动平台包括：
静平台4；与所述静平台4同轴平行设置的动平台1；设置在静平台4和动平台1之间的六个直线驱动组件2，每个直线驱动组件2两端通过球面轴承3分别与动平台1下端面和静平台4上端面连接；所述直线驱动组件2包括端盖2-1、作动器防护壳2-2，压电尺蠖式作动器2-3，输出轴外壳2-4，联轴器2-5，输出轴2-6，轴承2-7，轴承端盖2-8，所述压电尺蠖式作动器2-3的位置由端盖2-1和输出轴外壳2-4进行固定，作动器作动轴2-3-8通过联轴器2-5与输出轴2-6连接，输出轴2-6的另一端由2-7进行支撑，轴承端盖2-8对轴承进行限位固定。所述作动器防护壳2-2套在作动器外面，端盖2-1、作动器防护壳2-2、输出轴外壳2-3以及轴承端盖2-8均通过紧定螺钉进行连接固定。
所述压电尺蠖式作动器的柔性部件2-3-2位于轨道2-3-1内，柔性部件上安装有衔铁2-3-3和电磁铁2-3-5，此三者组成箝位机构，箝位机构有两个对称放置，中间安装有压电伸长堆2-3-6，应变片2-3-4粘贴于压电伸长堆2-3-6上，作动器作动轴2-3-8安装于其中一个箝位机构的背面，一直伸出到作动器外部，由轴套2-3-7进行支撑。将没有与作动轴连接的箝位机构称为第一箝位机构，将与作动轴连接的箝位机构称为第二箝位机构。通电时，电磁铁2-3-5带上磁性，将衔铁2-3-3紧紧吸住，衔铁2-3-3带动柔性部件2-3-2脱离轨道，解除箝位状态，断电时，电磁铁2-3-5无磁力，衔铁2-3-3和柔性部件2-3-2恢复原来箝位状态，实现断电箝位。所述压电伸长堆2-3-6上粘接有应变片2-3-4，可实时对压电伸长堆的运动伸长状况进行记录反馈。
本发明的多自由度并联运动平台中，两个球面轴承3和一个直线驱动组件2构成一条支腿，一共六条支腿，整个多自由度并联平台由六条支腿和动、静平台组成的，每条支腿在作动器的作动下可进行直线运动，一个直线运动为一个自由度，六条支腿组成了多自由度并联运动平台的六个自由度。本发明采用的球面轴承具体结构形式和球铰相似，凸球面和内球面之间为微预压的滚珠，具有三个自由度，相比于普通球铰具有摩擦小、零间隙、精度高、振动衰减性能好的优点。
作为本发明的优选实施方式，具体如下：
第一步，第二箝位机构电磁铁2-3-5通电，带上磁力，吸住衔铁2-3-3，衔铁带动柔性部件2-3-2与轨道2-3-1脱离，第二箝位机构解除箝位状态；
第二步，伸长压电堆2-3-6通电伸长，输出位移，作动轴2-3-8朝外进给一步；
第三步，伸长压电堆2-3-6伸长完毕后，第二箝位电磁铁2-3-5断电失掉磁力，衔铁2-3-3和柔性部件2-3-2恢复原位，第二箝位机构恢复箝位；
第四步，第一箝位电磁铁2-3-5通电吸引衔铁2-3-3，柔性部件2-3-2脱离轨道2-3-1，第一箝位结构解除箝位；
第五步，伸长压电堆2-3-6恢复原长，作动器完成一次步进。
通过重复以上步骤，作动器可通过连续进给实现大行程位移输出，多自由度并联运动平台可实现大范围精密跟踪功能。
实施案例二：
本实施案例和实施案例一的区别在于作动器的运动形式不同，具体如下：
第一箝位机构始终处于箝位状态，第二箝位机构始终处于解除箝位状态，此时作动器为扫描状态也称线性状态，伸长压电堆2-3-6是否通电由外部控制器决定，此时作动器位移微小、响应快、精度高，可实现多自由度并联运动平台的隔振定位功能。

Claims (2)

1.一种基于压电驱动的多状态并联多自由度运动平台，包括：静平台(4)；与所述静平台同轴平行设置的动平台(1)；以及设置在静平台和动平台之间的六个直线驱动组件(2)，每个直线驱动组件(2)两端通过球面轴承(3)分别与动平台(1)下端面和静平台(4)上端面链接；其特征在于：所述直线驱动组件(2)包括端盖(2-1)、作动器防护壳(2-2)，压电尺蠖式作动器(2-3)，输出轴外壳(2-4)，联轴器(2-5)，输出轴(2-6)，轴承(2-7)，轴承端盖(2-8)，所述压电尺蠖式作动器(2-3)的位置由端盖(2-1)和输出轴外壳(2-4)进行固定，所述作动器作动轴(2-3-8)通过联轴器(2-5)与输出轴(2-6)连接，输出轴(2-6)的另一端由轴承(2-7)进行支撑，所述轴承端盖(2-8)固定在轴承(2-7)外侧，对轴承(2-7)进行限位固定；所述作动器防护壳(2-2)套在作动器外面，一端和端盖(2-1)通过紧定螺钉连接固定，另一端和输出轴外壳(2-4)通过紧定螺钉连接固定；所述输出轴外壳(2-4)与轴承端盖(2-8)通过紧定螺钉进行连接固定。
2.根据权利要求1所述的一种基于压电驱动的多状态并联多自由度运动平台，其特征在于：所述压电尺蠖式作动器(2-3)的柔性部件(2-3-2)位于轨道(2-3-1)内，柔性部件上安装有衔铁(2-3-3)和电磁铁(2-3-5)，此三者组成箝位机构，箝位机构共有两个，对称放置，中间安装有压电伸长堆(2-3-6)，应变片(2-3-4)粘贴于压电伸长堆(2-3-6)上，作动器作动轴(2-3-8)安装于其中一个箝位机构的背面，延伸到作动器外部，由轴套(2-3-7)进行支撑，所述轨道(2-3-1)一端封闭具有限位作用，另一端与轴套(2-3-7)连接用于固定作动器作动轴(2-3-8)的位置。
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