CN114992453A - 一种具有高负载、大行程的可控平面高精度柔性位移平台 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有高负载、大行程的可控平面高精度柔性位移平台，包括：一个刚性运动平台，一个刚性基座和四个支腿，称为支腿Ⅰ至支腿Ⅳ。其中每个支腿包括一个刚性连杆和两个柔性曲梁。支腿Ⅰ和支腿Ⅳ倒置分布，支腿Ⅱ和支腿Ⅲ非倒置分布，这样可以给该高精度柔性位移平台提供一种双向抗屈曲和高负载的能力。通过对刚性运动平台施加平面上的驱动力以及驱动力矩可以实现运动平台的高精度和大行程运动。该高精度柔性位移平台具有结构简单、加工制造方便、小型化、行程大、高精度(微米级)、高负载(承载上百千克)以及在尺寸给定情况下通过数学建模对机构实现精确控制的优点。

Description

一种具有高负载、大行程的可控平面高精度柔性位移平台
技术领域
本发明涉及平面柔顺机构领域，具体涉及一种具有高负载、大行程的可控平面高精度柔性位移平台。
背景技术
近年来，随着航空航天、国防工业和微电子工程等领域的高速发展，精密位移技术起着越来越重要的作用。例如在航空航天光学仪器中需要通过高精度的定位来实现成像质量的提高，从而获得更好的观察效果；精密位移平台也常被用来高精度仪器的精密对准和精密装调。
位移平台按照导轨形式可分为有导轨和无导轨位移平台，目前常用位移平台多采用导轨式，通过滑动或滚动实现移动，这样不仅增加了摩擦，而且会因为低速爬行和润滑不足等原因导致运动精度降低。多年来，许多学者致力于提高导轨式位移平台的精度，虽然取得了一定的研究成果，然而该类平台对使用环境要求极高且平台结构复杂，这大大限制了其应用范围。无导轨位移平台是一种新型柔性位移平台，它通过机构内置的基本柔性杆件的变形来实现平台的高精度移动。该类机构提高了运动精度，减轻了重量，简化了制造过程和方便小型化。然而现有无导轨位移平台受限于平台安装空间，因此多为小行程位移机构。现有的大位移平台研究较少，且往往通过增大柔性结构的尺寸来增加机构的行程，这使得这类结构使用范围减小。相比于有导轨位移平台，柔性位移平台虽然优势明显，但它也往往会因为受载而产生屈曲或柔性件变形不一致，从而引起运动的不精确。
鉴于上述问题，如何设计一种兼具轻量化、小型化、高负载、双向抗屈曲和大行程优势的高精度柔性位移平台，是一项重要研究内容。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种具有高负载、大行程的可控平面高精度柔性位移平台来解决导轨位移平台结构复杂、加工精度要求高、使用范围受限以及无导轨位移平台承载能力低、受载屈曲和行程小的问题。
本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
一种具有高负载、大行程的可控平面高精度柔性位移平台，包括一个刚性运动平台，一个刚性基座和四个支腿(称为支腿Ⅰ至支腿Ⅳ)，四个支腿包含四个刚性连杆和八根柔性初始曲率梁(分别命名为1#到8#)。
所述具有高负载、大行程的可控平面高精度柔性位移平台整体结构关于平面坐标轴(XY轴)完全对称。
在高精度柔性位移平台工作时，所述刚性基座保持不动，所述刚性运动平台运动。
所述支腿Ⅰ和支腿Ⅳ倒置分布，支腿Ⅱ和支腿Ⅲ非倒置分布，当给刚性运动平台在Y轴正向和负向加载时，总有四根柔性初始曲率梁受拉，四根柔性初始曲率梁受压，这使得该高精度柔性位移平台具有双向抗屈曲和高承载的能力。通过对刚性运动平台施加平面上的驱动力以及驱动力矩可以实现运动平台的高精度和大行程运动。
所述每个支腿包括一个刚性连杆和两个柔性初始曲率梁(四分之一圆形梁)，其中一个柔性初始曲率梁一端与刚性连杆以45°方向连接，另一端与刚性运动平台225°方向连接，另一个柔性初始曲率梁一端与刚性连杆以45°方向连接，另一端与刚性基座以225°方向连接。
所述支腿中的刚性连杆横截面积尺寸/柔性初始曲率梁横截面积尺寸≥10，这使得该高精度柔性位移平台在受载时，刚性连杆的变形相对于柔性初始曲率梁可忽略不计。
所述刚性运动平台在工作过程中，在X轴方向上，为避免在运动时，支腿Ⅱ产和支腿Ⅲ产生干涉，所述柔性初始曲率梁2#，3#和6#，7#圆心的距离Wa应大于支腿Ⅱ或支腿Ⅲ中连杆的横截面尺寸；
在Y轴方向上，为避免在运动时，刚性运动平台和基座产生干涉，所述柔性初始曲率梁1#，5#和4#，8#圆心的距离Rb应大于
Figure BDA0003682263530000031
其中rb表示柔性初始曲率梁1#的半径，wid表示与柔性初始曲率梁1#相连接的刚性运动平台一端的横截面宽度。
八根所述柔性初始曲率梁不限于四分之一圆形梁，可以是任意弧度梁。
该位移平台可以负载数百千克，实现机构在X轴方向尺寸20％的大行程，运动精度达到微米级以及在尺寸给定情况下对机构数学建模，给定输入可直接预测输出，实现对机构实现精确控制。
高负载、大行程的可控平面高精度柔性位移平台的工作原理是通过该机构内置的8根基本柔性杆件的变形来实现的。使用前，将刚性基座固定在使用所需位置，刚性运动平台复位。当刚性运动平台需要在X轴正向上的位移时，首先在Y轴方向上给刚性运动平台施加所需负载，当高精度柔性位移平台稳定时，给与刚性运动平台Y轴正向的驱动力以及驱动力矩(用来补偿平台所受额外力矩)，这时8根柔性初始曲率梁在平面上发生XY轴方向上的移动以及Z轴方向上的转动，从而促使刚性运动平台在X轴正方向精密运动。同理，当刚性运动平台需要在X轴负向上的位移时，其它步骤一致，在刚性运动平台Y轴负向施加驱动力以及驱动力矩可实现X轴负向上的精密运动。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1.相比于现有有导轨位移平台，本发明结构极为简单，简化了制造过程，便于小型化和轻量化，提高了运动精度且使用范围限制小。
2.相比于现有无导轨位移平台，本发明设计的结构兼具高负载，双向抗屈曲和大行程的优势。
3.本发明在结构几何尺寸确定后可对机构进行理论建模，给定输入，可以直接预测输出，实现高精度位移平台的实时控制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提出的一种具有高负载、大行程的可控平面高精度柔性位移平台的整体结构示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1-柔性初始曲率梁1#，2-柔性初始曲率梁2#，3-柔性初始曲率梁3#，4-柔性初始曲率梁4#，5-柔性初始曲率梁5#，6-柔性初始曲率梁6#，7-柔性初始曲率梁7#，8-柔性初始曲率梁8#，9-刚性连杆1，10-刚性连杆2，11-刚性连杆3，12-刚性连杆4，13-刚性运动平台，14-刚性基座。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“上”、“下”、“水平”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述本实用和简化描述，而不是指示或者暗示所指的装置或者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。此外，“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或者暗示相对重要性。
本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限制，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，一种具有高负载、大行程的可控平面高精度柔性位移平台包括一个刚性运动平台13，一个刚性基座14，四个刚性连杆9-12，八根柔性初始曲率梁1-8，刚性连杆9与相邻的两个柔性初始曲率梁1/5构成支腿Ⅰ，刚性连杆10与相邻的两个柔性初始曲率梁2/6构成支腿Ⅱ，刚性连杆11与相邻的两个柔性初始曲率梁3/7构成支腿Ⅲ，刚性连杆12与相邻的两个柔性初始曲率梁4/8构成支腿Ⅳ。
柔性位移平台的整体结构关于平面坐标轴(XY轴)完全对称。
在支腿Ⅰ-Ⅳ中，柔性初始曲率梁1-4(四分之一圆形梁)一端分别与刚性连杆9-12以45°方向连接，另一端与刚性运动平台13以225°方向连接，柔性初始曲率梁5-8一端分别与刚性连杆9-12以45°方向连接，另一端与刚性基座14以225°方向连接。
支腿Ⅰ和支腿Ⅳ倒置分布，支腿Ⅱ和支腿Ⅲ非倒置分布，当给刚性运动平台在Y轴正向或负向加载时，总有四个柔性初始曲率梁受拉，四个柔性初始曲率梁受压，这使得该高精度柔性位移平台具有双向抗屈曲和高承载地能力。
在支腿Ⅰ-Ⅳ中，刚性连杆9-12横截面积尺寸/柔性初始曲率梁1-8横截面积尺寸≥10，这使得该高精度柔性位移平台在受载时，刚性连杆的变形相对于柔性初始曲率梁的变形可忽略不计。
所述刚性运动平台在工作过程中，在X轴方向上，为避免在运动时，支腿Ⅱ产和支腿Ⅲ产生干涉，所述柔性初始曲率梁2#，3#和6#，7#圆心的距离Wa应大于支腿Ⅱ或支腿Ⅲ中连杆的横截面尺寸；
在Y轴方向上，为避免在运动时，刚性运动平台和基座产生干涉，所述柔性初始曲率梁1#，5#和4#，8#圆心的距离Rb应大于
Figure BDA0003682263530000061
其中rb表示柔性初始曲率梁1#的半径，wid表示与柔性初始曲率梁1#相连接的刚性运动平台一端的横截面宽度。
在工作时，图1所示的高负载、大行程的可控平面高精度柔性位移平台通过该机构内置的8根柔性初始曲率梁1-8的变形来实现运动平台13的大行程、可控的高精度运动。
使用前，将刚性基座14固定在使用所需位置，刚性运动平台13复位。当刚性运动平台13需要在X轴正向上的位移时，首先在Y轴方向上给刚性运动平台13施加所需负载，当高精度柔性位移平台稳定时，在Y轴给与刚性运动平台施加正向的驱动力以及驱动力矩(用来补偿平台所受额外力矩)，这时，8根柔性初始曲率梁1-8在平面上发生XY轴方向上的移动以及Z轴方向上的转动，从而促使刚性运动平台在X轴正方向精密运动。同理，当刚性运动平台需要在X轴负向上的位移时，除了在刚性运动平台Y轴负向施加驱动力以及驱动力矩外，其它步骤一致。
该高精度柔性位移平台具有结构简单、加工制造方便、小型化、行程大、高精度(微米级)、高负载(承载上百千克)以及在尺寸给定情况下通过数学建模对机构实现精确控制的优点，在航空航天、国防工业和微电子工程等领域可发挥重要作用。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (5)

1.一种具有高负载、大行程的可控平面高精度柔性位移平台，其特征在于：包括一个刚性运动平台，一个刚性基座，四根刚性连杆和八根柔性初始曲率梁1#到8#；
所述刚性连杆与相邻的两个柔性初始曲率梁分别构成支腿Ⅰ至支腿Ⅳ；
所述八根柔性初始曲率梁一端与刚性连杆连接，另一端与刚性运动平台或刚性基座连接；
所述具有高负载、大行程的可控平面高精度柔性位移平台整体结构关于平面坐标轴(XY轴)对称；
工作时，所述刚性基座保持不动，所述刚性运动平台运动。
2.根据权利要求1所述的一种具有高负载、大行程的可控平面高精度柔性位移平台，其特征在于：所述支腿Ⅰ和支腿Ⅳ倒置分布，支腿Ⅱ和支腿Ⅲ非倒置分布，在每个支腿中，刚性连杆横截面积尺寸/柔性初始曲率梁横截面积尺寸≥10，柔性初始曲率梁一端与刚性连杆以45°方向连接，另一端与刚性运动平台以225°方向连接，另一个柔性初始曲率梁一端与刚性连杆以45°方向连接，另一端与刚性基座以225°方向连接。
3.根据权利要求1所述的一种具有高负载、大行程的可控平面高精度柔性位移平台，其特征在于：所述刚性运动平台在工作过程中，在X轴方向上，所述柔性初始曲率梁2#，3#和6#，7#圆心的距离Wa大于支腿2或支腿3中连杆的横截面尺寸；
在Y轴方向上，所述柔性初始曲率梁1#，5#和4#，8#圆心的距离Rb大于
Figure FDA0003682263520000011
其中rb表示柔性初始曲率梁1#的半径，wid表示与柔性初始曲率梁1#相连接的刚性运动平台一端的横截面宽度。
4.根据权利要求1所述的一种具有高负载、大行程的可控平面高精度柔性位移平台，其特征在于：八根所述柔性初始曲率梁不限于四分之一圆形梁，可以是任意弧度梁。
5.根据权利要求1所述的一种具有高负载、大行程的可控平面高精度柔性位移平台，其特征在于：所述具有高负载、大行程的可控平面高精度柔性位移平台可以负载数百千克，实现机构在X轴方向尺寸20％的大行程，运动精度达到微米级以及在尺寸给定情况下对机构数学建模，给定输入可直接预测输出，实现对机构实现精确控制。
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