CN112904551A - 一种基于宏微运动方式的三自由度高精度运动机构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于宏微运动方式的三自由度高精度运动机构，包括静平台、3条可伸缩的运动支链、动平台、以及3个相同的压电惯性驱动器。静平台和动平台之间通过柔性球副以及柔性虎克铰来连接，运动支链采用具有位移感知功能的直线式惯性压电作动器。作动器包括比例式线性霍尔传感器、作动体、运动单元、圆柱形外壳、永磁体、底座。该三维平台采用柔性铰链替代传统运动副，具有易于实现装备的小型化，提高重复定位精度，高运动灵敏度等优点，同时使平台达到静稳定状态，避免运输过程中发生的振动和碰撞问题。宏微复合运动平台是通过宏运动实现平台的大行程进给运动，借助微运动实现精密定位。本发明赋予平台大行程，高精度的宏微运动能力。

Description

一种基于宏微运动方式的三自由度高精度运动机构
技术领域
本发明涉及一种三维并联运动平台，具体涉及一种基于宏微运动方式的三自由度高精度运动机构，其为采用柔性铰链以压电惯性作动器驱动的三维并联运动平台。
背景技术
光学系统在工作过程中会受到重力、温度、气压以及震动等的影响，往往需要通过多自由度运动平台调整次镜位姿，来达到光学成像系统次镜的调整和校正任务，实现光学系统的稳定，以确保光束质量。然而研究国内外现状，调整机构大多采用基于六自由度的stewart并联平台(采用六条可伸缩的支杆的形式)作为调整机构。但是支杆数量越多，系统的质量就会越大，对于一些不需要六自由度运动的光学调节需求，严重限制了其应用范围。
传统运动副中构件数目多，重量大，装配时间要长，存在机构间的摩擦、磨损，以及润滑等问题。柔性铰链本身具有体积小、无机械摩擦、无间隙、运动灵敏度高等特点，用柔性铰链代替传统刚性运动副，可有助于提高机构精度和可靠性；另一方面利用了柔性铰链自身具有一定刚度。
压电陶瓷材料(PZT)作动器根据其原理可在电场作用下实现高精度位移输出，具有响应速度快，空间适应性强等特点，其技术特征与当前空间应用需求相吻合。对比压电驱动类型，惯性压电驱动器是采用非对称的驱动信号、以及非对称的机械夹持结构或非对称的摩擦力为控制方式，通过惯性冲击运动形成驱动，结构简单，行程大，成本低，可在实现大行程的同时兼具纳米级定位精度。基于此，本发明提出了一种基于宏微运动方式的三自由度高精度运动机构。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种采用柔性铰链以压电惯性作动器驱动的三维并联运动平台。该三维平台通过结构设计与控制方式来实现光学系统中次镜的调整任务，具有宏微调控，空间适应性强，无耦合，静平衡稳定等特点。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于宏微运动方式的三自由度高精度运动机构，包括静平台1、3条可伸缩的支链2、动平台3。
参照图1，静平台1和动平台3之间通过柔性球副以及柔性虎克铰来连接，且伸缩支链通过压电惯性驱动器进行位移变化。
参照图3，三维运动平台的伸缩运动支链3利用具有位移感知功能的直线式惯性压电作动器驱动，包括比例式线性霍尔传感器2-1-1、作动体2-1-2、运动单元2-1-3、圆柱形外壳2-1-4、永磁体2-1-5、底座2-1-6。圆柱形外壳2-1-4与运动支链为一体(及运动支链为内空的形式)，圆柱形外壳2-1-4内部从上到下顺序依次为：与内部轨道贴合的运动单元2-1-3包括调节螺钉2-1-3-1，楔块2-1-3-2，运动块2-1-3-3，运动块2-1-3-3左右两端设有S形弹性体，中心为菱形空腔，调节螺钉2-1-3-1穿过楔块2-1-3-2的中心的光孔，旋转进入运动块下方的作动体2-1-2；与运动单元连接的作动体2-1-2包括压电堆2-1-2-1以及相连的惯性质量块2-1-2-2；粘结在质量块2-1-2-2下边的永磁体2-1-5与底部相连的比例式线性霍尔传感器2-1-1。通过依靠压电堆2-1-2-1的变化来带动运动单元2-1-3的运动，并实时通过比例式线性霍尔传感器2-1-1感知位移。
所述的三可伸缩的支链，所采用的驱动形式为压电驱动，其工作模式分为以下两种：
宏运动(即连续伸长或缩短)：第一步，对压电堆2-1-2-1缓慢充电，其轴向伸长，带动质量块2-1-2-2远离运动单元2-1-3，此时运动单元2-1-3所受静摩擦力大于作动体2-1-2中质量块2-1-2-2施加的惯性力，运动单元保持静止；第二步，对压电堆2-1-2-1快速放电，压电堆轴向迅速伸缩，带动惯性质量块2-1-2-2朝向运动单元，此时运动单元2-1-3所受静摩擦力远小于质量块2-1-2-2施加的惯性力，运动单元2-1-3迅速沿轨道下滑，产生步距；重复一、二动作，就能使运动单元2-1-3带动三维运动平台运动支链连续缩短，反之，带动运动支链连续伸长，实现平台的宏调控；
微运动(即单步伸长或缩短)：第一步，对压电堆2-1-2-1缓慢充电，其轴向伸长，带动质量块2-1-2-2远离运动单元2-1-3，此时运动单元3所受静摩擦力大于作动体2-1-2中质量块2-1-2-2施加的惯性力，运动单元保持静止；第二步，对压电堆2-1-2-1快速放电，压电堆轴向迅速伸缩，带动惯性质量块2-1-2-2朝向运动单元，此时运动单元2-1-3所受静摩擦力远小于质量块2-1-2-2施加的惯性力，运动单元2-1-3迅速沿轨道下滑，产生步距；至此平台支链实现微小位移；
可伸缩的支链采用其压电作动器，实现了三维运动平台宏调控(即连续步进)—以及微调控(即单步范围内扫描)，被赋予了大行程、高精度的宏微运动能力。
所述的基于宏微运动方式的三自由度高精度运动机构，其是基于宏微运动方式的三自由度高精度运动机构，其工作模式主要具有如下三种：
工作模式一(即沿X移动)：作动器2-1伸长，作动器2-2伸长，作动器2-3缩短；
工作模式二(即沿Y移动)：作动器2-1缩短，作动器2-2伸长，作动器2-3伸长；
工作模式三(即沿Z移动)：作动器2-1伸长，作动器2-2伸长，作动器2-3伸长；
可伸缩的支链间通过一定的函数关系伸长缩短，即可达到指定方向运动的目的，可将其应用于满足自由度需求的应用场合中。
本发明和现有技术相比，具有如下优点：
1、本三维平台采用3条支链的形式，相比于stewart平台减少支链数量，从而可以大大的减少光学系统的重量。
2、本发明采用柔性铰链的形式，相比于传统的铰链，易于实现装备的小型化，提高重复定位精度，具有灵敏度高、无润滑需求等特点。更为重要的是，本发明本身采用三支链驱动形式，该形式的运动平台虽然极大减少了运动支链数量，可以使机构构成形式及质量相比六自由度机构大大简化，但也使结构组成形式变为静不定，从而不具备静平衡特性。为了解决这一问题，本发明创新的提出使用柔性铰链代替传统运动副，从而使原来的非静平衡机构转化为静平衡机构，解决了机构静不定的问题。
3、本运动平台采用具有位移感知功能的直线式惯性压电作动器，利用非对称的锯齿波驱动压电堆通过惯性冲击作动，比例式线性霍尔传感器实时感知位移，结构紧凑，易于安装，响应速度快，位移分辨率高，断电锁止等特点。
附图说明
图1为三维运动平台的右视图，其中，1为静平台，2为可伸缩的支链，3为动平台；
图2为三维运动平台的俯视图，其中，2-1为第一作动器，2-2为第二作动器，2-3为第三作动器；
图3为三维运动平台支腿的1/4剖视图，其中，2-1-1为比例式线性霍尔传感器，2-1-2为作动体，2-1-2-1为压电堆，2-1-2-2为质量块，2-1-3为运动单元，2-1-3-1为调节螺钉，2-1-3-2为楔块，2-1-3-3为运动块，2-1-4为圆柱形外壳，2-1-5为永磁体，2-1-6为底座。
具体实施方式
以下结合附图及具体实例对本发明作进一步的详细描述。
一种采用柔性铰链以压电惯性作动器驱动的三维并联运动平台，包括静平台1、3条可伸缩的支链2、动平台3。
参照图1，静平台和动平台之间通过柔性球副以及柔性虎克铰来连接，且伸缩支链通过压电惯性驱动器进行位移变化。
参照图3，三维运动平台的伸缩支链利用具有位移感知功能的直线式惯性压电作动器驱动，作动器包括比例式线性霍尔传感器2-1-1、作动体2-1-2、运动单元2-1-3、圆柱形外壳2-1-4、永磁体2-1-5、底座2-1-6。圆柱形外壳2-1-4与运动支链为一体(及运动支链为内空的形式)，圆柱形外壳2-1-4内部从上到下顺序依次为：与内部轨道贴合的运动单元2-1-3包括调节螺钉2-1-3-1，楔块2-1-3-2，运动块2-1-3-3，运动块2-1-3-3左右两端设有S形弹性体，中心为菱形空腔，调节螺钉2-1-3-1穿过楔块2-1-3-2的中心的光孔，旋转进入运动块下方的作动体2-1-2。与运动单元连接的作动体2-1-2包括压电堆2-1-2-1以及相连的惯性质量块2-1-2-2；粘结在质量块2-1-2-2下边的永磁体2-1-5与底部相连的比例式线性霍尔传感器2-1-1。通过依靠压电堆2-1-2-1的变化来带动运动单元2-1-3的运动，并实时通过比例式线性霍尔传感器2-1-1感知位移。
作动原理：
1、运动支链工作模式可分为以下两种：
宏运动(连续步进)：第一步，对压电堆2-1-2-1缓慢充电，其轴向伸长，带动质量块2-1-2-2远离运动单元2-1-3，此时运动单元2-1-3所受静摩擦力大于作动体2-1-2中质量块2-1-2-2施加的惯性力，运动单元2-1-3保持静止。第二步，对压电堆2-1-2-1快速放电，压电堆轴向迅速伸缩，带动惯性质量块2-1-2-2朝向运动单元，此时运动单元2-1-3所受静摩擦力远小于质量块2-1-2-2施加的惯性力，运动单元2-1-3迅速沿轨道下滑，产生步距。重复一、二动作，就能使运动单元2-1-3带动三维运动平台运动支链连续缩短，反之，带动运动支链连续伸长，实现平台的宏调控。
微运动(单步位移)：第一步，对压电堆2-1-2-1缓慢充电，其轴向伸长，带动质量块2-1-2-2远离运动单元2-1-3，因此时运动单元2-1-3所受静摩擦力大于作动体2-1-2中质量块2-1-2-2施加的惯性力，故保持静止。第二步，对压电堆2-1-2-1快速放电，压电堆轴向迅速伸缩，带动惯性质量块2-1-2-2朝向运动单元，此时运动单元2-1-3所受静摩擦力远小于质量块2-1-2-2施加的惯性力，运动单元2-1-3迅速沿轨道下滑，产生步距。至此平台支链实现微小位移。反之，带动运动支链伸长，实现平台的微调控。采用其压电作动器，实现了三维运动平台宏调控(连续步进)—以及微调控(单步范围内扫描)，被赋予了大行程、高精度的宏微运动能力。
2、三维运动平台的运动原理：
三维运动平台其主要工作方式包括：①沿X移动：第一作动器2-1伸长，第二作动器2-2伸长，第三作动器2-3缩短；②沿Y移动：第一作动器2-1缩短，第二作动器2-2伸长，第三作动器2-3伸长；③沿Z移动：第一作动器2-1伸长，第二作动器2-2伸长，第三作动器2-3伸长。支链间通过运动解耦关系配合，来达到指定方向运动的目的，可应用于满足自由度需求的应用场合中。

Claims (3)

1.一种基于宏微运动方式的三自由度高精度运动机构，其特征在于：包括静平台(1)、3条两两对应可伸缩的支链(2)、动平台(3)，其中，
静平台(1)和动平台(3)之间通过3条两两对应可伸缩的支链(2)连接，可伸缩的支链(2)包括柔性球副以及柔性虎克铰，并通过柔性球运动副解决了三运动支链平台静不定问题；
可伸缩的支链(2)利用具有位移感知功能的直线式惯性压电作动器驱动，作动器包括比例式线性霍尔传感器(2-1-1)、作动体(2-1-2)、运动单元(2-1-3)、圆柱形外壳(2-1-4)、永磁体(2-1-5)、底座(2-1-6)；圆柱形外壳(2-1-4)与运动支链为一体(及运动支链为内空的形式)，圆柱形外壳(2-1-4)内部从上到下顺序依次为：与内部轨道贴合的运动单元(2-1-3)包括调节螺钉(2-1-3-1)，楔块(2-1-3-2)，运动块(2-1-3-3)，运动块(2-1-3-3)左右两端设有S形弹性体，中心为菱形空腔，调节螺钉(2-1-3-1)穿过楔块(2-1-3-2)的中心的光孔，旋转进入运动块下方的作动体(2-1-2)；与运动单元连接的作动体(2-1-2)包括压电堆(2-1-2-1)以及相连的惯性质量块(2-1-2-2)；粘结在质量块(2-1-2-2)下边的永磁体(2-1-5)与底部相连的比例式线性霍尔传感器(2-1-1)；通过依靠压电堆(2-1-2-1)的变化来带动运动单元(2-1-3)的运动，并实时通过比例式线性霍尔传感器(2-1-1)感知位移。
所述的三可伸缩的支链，所采用的驱动形式为压电驱动，其工作模式分为以下两种：
宏运动(即连续伸长或缩短)：第一步，对压电堆(2-1-2-1)缓慢充电，其轴向伸长，带动质量块(2-1-2-2)远离运动单元(2-1-3)，此时运动单元(2-1-3)所受静摩擦力大于作动体(2-1-2)中质量块(2-1-2-2)施加的惯性力，运动单元保持静止；第二步，对压电堆(2-1-2-1)快速放电，压电堆轴向迅速伸缩，带动惯性质量块(2-1-2-2)朝向运动单元，此时运动单元(2-1-3)所受静摩擦力远小于质量块(2-1-2-2)施加的惯性力，运动单元(2-1-3)迅速沿轨道下滑，产生步距；重复一、二动作，就能使运动单元(2-1-3)带动三维运动平台运动支链连续缩短，反之，带动运动支链连续伸长，实现平台的宏调控；
微运动(即单步伸长或缩短)：第一步，对压电堆(2-1-2-1)缓慢充电，其轴向伸长，带动质量块(2-1-2-2)远离运动单元(2-1-3)，此时运动单元3所受静摩擦力大于作动体(2-1-2)中质量块(2-1-2-2)施加的惯性力，运动单元保持静止；第二步，对压电堆(2-1-2-1)快速放电，压电堆轴向迅速伸缩，带动惯性质量块(2-1-2-2)朝向运动单元，此时运动单元(2-1-3)所受静摩擦力远小于质量块(2-1-2-2)施加的惯性力，运动单元(2-1-3)迅速沿轨道下滑，产生步距；至此平台支链实现微小位移；
可伸缩的支链采用其压电作动器，实现了三维运动平台宏调控(即连续步进)—以及微调控(即单步范围内扫描)，被赋予了大行程、高精度的宏微运动能力。
2.根据权利要求1所述的基于宏微运动方式的三自由度高精度运动机构，其特征在于：其是基于宏微运动方式的三自由度高精度运动机构，其工作模式主要具有如下三种：
工作模式一(即沿X移动)：作动器(2-1)伸长，作动器(2-2)伸长，作动器(2-3)缩短；
工作模式二(即沿Y移动)：作动器(2-1)缩短，作动器(2-2)伸长，作动器(2-3)伸长；
工作模式三(即沿Z移动)：作动器(2-1)伸长,作动器(2-2)伸长，作动器(2-3)伸长；
可伸缩的支链间通过一定的函数关系伸长缩短，即可达到指定方向运动的目的，可将其应用于满足自由度需求的应用场合中。
3.根据权利要求1所述的基于宏微运动方式的三自由度高精度运动机构，其特征在于：该结构采用柔性铰链的形式，相比于传统的铰链，易于实现装备的小型化，提高重复定位精度，具有灵敏度高、无润滑需求的特点；更为重要的是，该结构本身采用三支链驱动形式，该形式的运动平台虽然极大减少了运动支链数量，可以使机构构成形式及质量相比六自由度机构大大简化，但也使结构组成形式变为静不定，从而不具备静平衡特性；该机构使用柔性铰链代替传统运动副，从而使原来的非静平衡机构转化为静平衡机构，解决了机构静不定的问题。
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