CN115070712A - 一种单自由度末端恒力机构 - Google Patents

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李研彪
韩迎鸽
张明坤
孙伦业
王成军
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Abstract

本发明公开一种单自由度末端恒力机构，包括动平台以及定平台，定平台与动平台之间通过第一线形弹簧以及多个双摇杆滑块机构连接，动平台的中轴线与定平台的中轴线重合；双摇杆滑块机构包括上杆、下杆、斜杆以及滑块，上杆与下杆之间转动连接，并且上杆远离下杆的一端与动平台转动连接，下杆远离上杆的一端与定平台转动连接，斜杆的一端与下杆的中部转动连接，斜杆的另一端与滑块铰接，滑块滑动连接在定平台中，并且滑块与定平台之间还通过第二线形弹簧连接，第二线形弹簧的伸缩方向与滑块的滑动方向一致。本发明通过双摇杆滑块机构以及第一线性弹簧的配合，能够简单的实现恒力特性，并通过恒力来满足精密加工的使用需求。

Description

一种单自由度末端恒力机构
技术领域
本发明涉及一种精密设备技术，特别涉及一种单自由度末端恒力机构。
背景技术
随着高分辨率观测、激光加工、精密仪器使用等技术的广泛应用，对高精度、高可靠性稳定平台的需求得到进一步的扩大,为了避免由工作中基座产生的扰动会影响这些设备的正常工作，因此针对低频恒力研发适合的平台成为亟待解决的问题。
目前恒力平台大多采用六杆Stewart并联机构，它具有精度高、刚度大、结构稳定、承载能力强、动态特性好等优点，特别是其六自由度运动能力为精密设备的全方位振动控制提供了很好的解决方案，但是六杆Stewart并联机构的设计中多采用液压或电动滚珠丝杆式，其零件较多，在驱动中存在着摩擦磨损现象，并需要一定的相应控制时间。
发明内容
为了解决上述现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种单自由度末端恒力机构，该机构通过双摇杆滑块机构以及第一线性弹簧的配合，能够简单的实现恒力特性，并通过恒力来满足精密加工的使用需求。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：一种单自由度末端恒力机构，包括动平台以及定平台，所述定平台与动平台之间通过第一线形弹簧以及多个双摇杆滑块机构连接，所述动平台的中轴线与定平台的中轴线重合；
所述双摇杆滑块机构包括上杆、下杆、斜杆以及滑块，所述上杆与下杆之间转动连接，并且所述上杆远离下杆的一端与动平台转动连接，所述下杆远离上杆的一端与定平台转动连接，所述斜杆的一端与所述下杆的中部转动连接，斜杆的另一端与滑块铰接，所述滑块滑动连接在定平台中，并且所述滑块与定平台之间还通过第二线形弹簧连接，所述第二线形弹簧的伸缩方向与滑块的滑动方向一致；
所述定平台的下部连接有基座。
可选的，所述动平台是正方形板，定平台是与动平台适配的正方形板；
所述定平台的四边分别具有向外延伸的滑道板，所述滑道板上设有用于滑动连接所述滑块的滑道，所述滑块滑动连接在滑道中。
可选的，所述滑道板的外端固定连接有挡板，所述第二线形弹簧的一端与挡板连接，另一端与滑块连接。
可选的，所述动平台的底部固定连接有胶垫，所述第一线形弹簧设于胶垫与定平台的顶面之间。
可选的，所述动平台在每个边的侧下部固定安装有第一连接耳板，所述上杆的端部与第一连接耳板转动连接，所述第一连接耳板与动平台的底面之间具有110～135°的夹角。
可选的，所述定平台在每个边的侧上部固定安装有第二连接耳板，所述下杆的端部与第二连接耳板转动连接；
所述第二连接耳板与定平台顶面之间的夹角和第一连接耳板与动平台的底面之间的夹角一致。
可选的，所述上杆的摆动浮动角度为15～30°
采用上述技术方案，本发明与现有技术相比，具有结构简单、方便操作、装配容易的特点，并且本发明通过双摇杆滑块机构，能够减少摩擦磨损，具备免润滑的优点。本发明具有恒力特性，使得动平台能够实现在一个平动方向的自由运动，运动情况简单，具有良好的精度以及可靠性而且操作简单。
附图说明
图1是本发明的俯视图；
图2是本发明的主视图；
图3是本发明的右视图；
图4是本发明的动平台的结构示意图；
图5是本发明的定平台的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
如图1、图2和图3所示，本发明公开了一种单自由度末端恒力机构，其包括动平台1以及定平台2，动平台1用于承载被操作的物体或者是需要隔振的设备，定平台2则作为动平台1的底座，对动平台1形成支撑。在本发明中，定平台2与动平台1之间通过第一线形弹簧3以及多个双摇杆滑块机构连接，动平台1通过第一线性弹簧3和多个双摇杆滑块机构支撑在定平台2的顶面，此外，定平台2的底部还连接有基座，基座用于承载定平台2。在本发明中，为了保证动平台1的中轴线与定平台2的中轴线重合，将多个双摇杆滑块机构均匀的布置在动平台1和定平台2的周边，以便于使多个双摇杆滑块机构产生的合力方向与动平台1和定平台2的轴线重合。
在本发明中，双摇杆滑块机构包括上杆4、下杆5、斜杆6以及滑块7，其中，上杆4与下杆5之间通过销子转动连接，并且上杆4远离下杆5的一端通过销子与动平台1转动连接，下杆5远离上杆4的一端通过销子与定平台2转动连接，斜杆6的一端通过销子与下杆5的中部转动连接，斜杆6的另一端与滑块7铰接，滑块7则滑动连接在定平台2中，并可沿定平台2滑动，滑块7与定平台2之间还通过第二线形弹簧8进行连接，第二线形弹簧8的伸缩方向与滑块7的滑动方向保持一致。
在使用时，将定平台2固定在基座上，被操作的物体或者需要隔振的设备放在动平台1上，动平台1和物体的自重使上杆4绕销子转动向下偏斜，使动平台1向下移动，同时也带动下杆5转动，下杆5在转动时带动斜杆6向外移动，斜杆6向外移动时推动滑块7在沿定平台2滑动，同时滑块7压缩第二线性弹簧8，使得第二线性弹簧8储存能量，与此同时，随着动平台1向下移动，第一线性弹簧3也同时受到压缩，在储存能量同时支撑动平台1，使动平台1的位置达到可以实现恒力的位置区域内，即在动平台1在第一线形弹簧3和第二线形弹簧8的共同作用下，保持恒力状态，且整个动平台1可以在单个自由度中进行运动。当在恒力位置上的工件被加工时，工件在上下移动时，会导致动平台1上下振动，但动平台1的位置依旧处于有效的恒力范围内，因此由基座传递给定平台2的力的大小处于一个恒定不变的力，在动平台1上工件加工受到的力也处于一个恒定不变的力，由此也保护了工件的加工，提高了精度。
实施例1
如图1～5所示，本实施例公开了一种单自由度末端恒力机构，该恒力机构包括动平台1以及定平台2，动平台1用于承载被操作的物体或者是需要隔振的设备，定平台2则作为动平台1的底座，对动平台1形成支撑。在本发明中，定平台2与动平台1之间通过第一线形弹簧3以及多个双摇杆滑块机构连接，动平台1通过第一线性弹簧3和多个双摇杆滑块机构支撑在定平台2的顶面，此外，定平台2的底部还连接有基座，基座用于承载定平台2。在本发明中，为了保证动平台1的中轴线与定平台2的中轴线重合，将多个双摇杆滑块机构均匀的布置在动平台1和定平台2的周边，以便于使多个双摇杆滑块机构产生的合力方向与动平台1和定平台2的轴线重合。
在本实施例中，双摇杆滑块机构包括上杆4、下杆5、斜杆6以及滑块7，其中，上杆4与下杆5之间通过销子转动连接，并且上杆4远离下杆5的一端通过销子与动平台1转动连接，下杆5远离上杆4的一端通过销子与定平台2转动连接，斜杆6的一端通过销子与下杆5的中部转动连接，斜杆6的另一端与滑块7铰接，滑块7则滑动连接在定平台2中，并可沿定平台2滑动，滑块7与定平台2之间还通过第二线形弹簧8进行连接，第二线形弹簧8的伸缩方向与滑块7的滑动方向保持一致。
其中，动平台1是正方形板，定平台2则是与动平台适配的正方形板。同时，在定平台2的四边分别具有向外延伸的滑道板9，滑道板9上设有用于滑动连接滑块7的滑道10，滑块7则滑动连接在滑道10中。此外，滑道板9的外端固定连接有挡板11，第二线形弹簧8的一端与挡板11连接，另一端与滑块7连接。
在本实施例中，在动平台2的底部固定连接有胶垫，第一线形弹簧3设于胶垫与定平台2的顶面之间。同时，动平台1在每个边的侧下部固定安装有第一连接耳板12，上杆4的端部与第一连接耳板12转动连接，第一连接耳板12与动平台1的底面之间具有110～135°的夹角。定平台2在每个边的侧上部固定安装有第二连接耳板13，下杆9的端部与第二连接耳板13转动连接，第二连接耳板13与定平台2顶面之间的夹角和第一连接耳板12与动平台1的底面之间的夹角保持一致，以便于保证第一连接耳板12与第二连接耳板13是对称的，此外，四个双摇杆滑块机构在定平台2和动平台1中也是对称且均匀分布的。
采用上述方案后，上杆4的摆动浮动角度为15～30°之间，也就是说，当上杆4与水平面之间的夹角在15～30°的范围内时，本实施例的恒力机构可处于恒力状态。
实施例2
本实施例与实施例1的技术方案一致，两者的不同之处在于，本实施例采用了正五边形板作为动平台1，因此，定平台2也是个正五边形板，同时，双摇杆滑块机构具有五个。
实施例3
本实施例与实施例1、实施例2的不同之处在于，本实施例采用正六边形板作为动平台1，因此，定平台2也是个正六边形板，同时，双摇杆滑块机构具有六个。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
除说明书所述的技术特征外，其余技术特征为本领域技术人员的已知技术，为突出本发明的创新特点，其余技术特征在此不再赘述。

Claims (7)

1.一种单自由度末端恒力机构，其特征在于，包括动平台以及定平台，所述定平台与动平台之间通过第一线形弹簧以及多个双摇杆滑块机构连接，所述动平台的中轴线与定平台的中轴线重合；
所述双摇杆滑块机构包括上杆、下杆、斜杆以及滑块，所述上杆与下杆之间转动连接，并且所述上杆远离下杆的一端与动平台转动连接，所述下杆远离上杆的一端与定平台转动连接，所述斜杆的一端与所述下杆的中部转动连接，斜杆的另一端与滑块铰接，所述滑块滑动连接在定平台中，并且所述滑块与定平台之间还通过第二线形弹簧连接，所述第二线形弹簧的伸缩方向与滑块的滑动方向一致；
所述定平台的下部连接有基座。
2.根据权利要求1所述的单自由度末端恒力机构，其特征在于，所述动平台是正方形板，定平台是与动平台适配的正方形板；
所述定平台的四边分别具有向外延伸的滑道板，所述滑道板上设有用于滑动连接所述滑块的滑道，所述滑块滑动连接在滑道中。
3.根据权利要求2所述的单自由度末端恒力机构，其特征在于，所述滑道板的外端固定连接有挡板，所述第二线形弹簧的一端与挡板连接，另一端与滑块连接。
4.根据权利要求3所述的单自由度末端恒力机构，其特征在于，所述动平台的底部固定连接有胶垫，所述第一线形弹簧设于胶垫与定平台的顶面之间。
5.根据权利要求4所述的单自由度末端恒力机构，其特征在于，所述动平台在每个边的侧下部固定安装有第一连接耳板，所述上杆的端部与第一连接耳板转动连接，所述第一连接耳板与动平台的底面之间具有110～135°的夹角。
6.根据权利要求5所述的单自由度末端恒力机构，其特征在于，所述定平台在每个边的侧上部固定安装有第二连接耳板，所述下杆的端部与第二连接耳板转动连接；
所述第二连接耳板与定平台顶面之间的夹角和第一连接耳板与动平台的底面之间的夹角一致。
7.根据权利要求6所述的单自由度末端恒力机构，其特征在于，所述上杆的摆动浮动角度为15～30°。
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