CN208913591U - 一种五自由度协调的宏微双解耦运动平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种五自由度协调的宏微双解耦运动平台，运动精度高。本实用新型实施例一种五自由度协调的宏微双解耦运动平台的技术方案包括：五个单自由度驱动装置，其中三个围成工字形，另外两个沿工字形对称设置；围成工字形的每一所述单自由驱动装置上均设有转动部件和移动部件，另外两个所述单自由度驱动装置均设有楔形块，每一所述楔形块上均设有相对其上下滑动的滑块，每一滑块上设有相对其滑动的边柱，两个所述边柱之间设有动平台。通过各驱动装置的协调配合及宏微驱动切换，动平台可实现五个自由度的宏微运动。

Description

一种五自由度协调的宏微双解耦运动平台

技术领域

本实用新型实施例涉及多自由度高速精密运动平台领域，尤其是五自由度高精并联运动平台，具体涉及一种五自由度协调的宏微双解耦运动平台。

背景技术

现今，随着精密数控加工、集成电路制造、微机电系统加工制造、生物工程等产业日新月异的发展，制造业装备研发迫在眉睫。例如在微电子制造行业中，其产品在体积方面一直朝着小、轻、薄等方向发展，但功能上却日益强大、多元化。解决这样两个发展方向之间矛盾的最佳途径就是采用更精细的制造装备进行特征尺寸的加工，提高封装的密度。这样一来，就对制造装备的运动精度、行程、速度、加速度、自由度等指标提出了更高的要求。此外，例如数控加工、生物工程等领域对具有多自由度的高速精密运动平台也具有广泛需求。由此可以看出多自由度高速精密运动平台的重要性以及其愈发紧迫的研发要求。

运动平台作为制造装备的核心部件需突破多自由度、高速、高加速度、大行程运动与精密定位等重要技术瓶颈。人们对于精密运动平台的要求越来越高，传统的运动平台大多为串联机构形式的少自由的运动平台，即多是数个单轴平台简单叠加，具有较多的连带环节及运动组件，运动误差积累严重，大部分难以同时满足多自由度和高精度。

实用新型内容

本实用新型提供一种五自由度协调的宏微双解耦运动平台，运动精度高。

本实用新型实施例一种五自由度协调的宏微双解耦运动平台的技术方案包括：

五个单自由度驱动装置，其中三个围成工字形，另外两个沿工字形对称设置；围成工字形的每一所述单自由驱动装置上均设有转动部件和移动部件，另外两个所述单自由度驱动装置均设有楔形块，每一所述楔形块上均设有相对其上下滑动的滑块，每一滑块上设有相对其滑动的边柱，两个所述边柱之间设有动平台。

优选的，各所述单自由度驱动装置均包括直线导轨、直线电机和核心运动平台，所述直线电机内置于所述直线导轨，且所述核心运动平台沿所述直线导轨滑动。

优选的，所述核心运动平台由宏运动件和宏微运动件组成，所述宏运动件和所述宏微运动件均嵌入所述直线导轨。

优选的，所述连杆一端通过扭簧安装在所述铰臂上。

优选的，所述宏微运动件上具有一缺口，所述缺口上设有凸起，所述宏运动件上设有与所述缺口等长的延伸件，所述延伸件上具有容纳所述凸起的空槽，所述空槽的长度大于所述凸起的长度，所述空槽与所述凸起之间的剩余区域内用于放置高钢弹簧和压电陶瓷微位移驱动器。

优选的，三个所述转动部件分别垂直于与其对应的所述单自由度驱动装置，且所述三个转动部件上设有悬梁。

优选的，所述悬梁上还设有两个可沿其上下滑动的移动部件，位于所述悬梁上的两个所述移动部件上各设有一根轴。

优选的，其中一根轴上用于伸入导杆，另一根轴上用于伸入导柱，所述导杆、所述导柱与两个所述边柱之间设置所述动平台。

优选的，每一所述楔形块上具有倾斜面，所述滑块设置在所述倾斜面上并垂直于与其对应的所述单自由度驱动装置。

本实用新型中的五个单自由度驱动装置分别定义为单自由度驱动装置一、单自由度驱动装置二、单自由度驱动装置三、单自由度驱动装置四、单自由度驱动装置五，单自由度驱动装置一、单自由度驱动装置二和单自由度驱动装置三构成一工字形。通过各驱动装置的协调配合及宏微驱动切换，动平台可实现五个自由度的宏微运动。当单自由度驱动装置一、单自由度驱动装置三、单自由度驱动装置四和单自由度驱动装置五的核心运动平台同向滑动时，动平台实现X自由度。当单自由度驱动装置二的核心运动平台滑动时，动平台可实现Y自由度。当单自由度驱动装置一和单自由度驱动装置三的核心运动平台反向滑动时，单自由度驱动装置四和单自由度驱动装置五也需要有一定的配合运动，动平台可实现绕Z轴旋转，即实现γ自由度。当单自由度驱动装置四和单自由度驱动装置五同向运动时，带动楔形块一和楔形块二同向运动，动平台实现α自由度；反向运动时，能使动平台沿Z轴上下平移。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本实用新型一种五自由度协调的宏微双解耦运动平台的整体结构图；

图2为本实用新型一种五自由度协调的宏微双解耦运动平台的爆炸图；

图3为本实用新型一种五自由度协调的宏微双解耦运动平台的单自由度驱动装置的爆炸图。

具体实施方式

本实用新型提供一种五自由度协调的宏微双解耦运动平台，运动精度高。

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型为一种五自由度协调的宏微双解耦运动平台，包括五个单自由度驱动装置，其中三个单自由度驱动装置围成“工”字形，另外两个单自由驱动装置位于处于上述三个中的中间的单自由度驱动装置的两侧。

为了便于说明，五个单自由度驱动装置分别定义为单自由度驱动装置一1、单自由度驱动装置二2、单自由度驱动装置三3、单自由度驱动装置四4、单自由度驱动装置五5。单自由度驱动装置一1、单自由度驱动装置二2、单自由度驱动装置三3构成一工字形，单自由度驱动装置四4和单自由度驱动装置五5位于单自由度驱动装置二2的两侧并沿其对称设置。

如图3所示，任一单自由度驱动装置，均包括直线导轨A1、直线电机A2、核心运动平台和压电陶瓷微位移驱动器A6。其中直线导轨A1作为本实用新型运动平台的基座。直线电机A2内置于直线导轨A1中如胶合于直线导轨A1内侧。核心运动平台由宏运动件A3和宏微运动件A4组成，宏运动件A3和宏微运动件A4均嵌入直线导轨A1，使得核心运动平台沿直线导轨A1移动，该直线导轨A1限定了核心运动平台的运动轨迹。

由于每个单自由度驱动装置均包括宏运动件和宏微运动件，每个驱动装置均采用宏微共轨的复合驱动形式，可实现宏运动与微运动的即时动态切换。其中高性能直线电机驱动的宏运动使机构具有高速，高加速；压电陶瓷驱动的微运动，可有效弥补传动环节带来的误差，相互抑制振动产生，显著提升平台的定位精度，最终实现高速运动环境下的精密生成。

本实用新型运动平台通过宏驱动和微驱动共十个驱动源协调运动，可实现五自由度的任意组合及其宏微切换。

此外，宏微运动件A4上具有一缺口，该缺口上设有凸起，与此相对应的是，宏运动件A3上设有与该缺口等长的延伸件，延伸件上具有容纳该凸起的空槽，该空槽的长度大于凸起的长度，空槽与凸起之间的剩余区域内用于放置高钢弹簧A5和压电陶瓷微位移驱动器A6。高钢弹簧A5起阻尼作用，减少平台震动，增强稳定性，而压电陶瓷微位移驱动器A6可以显著提高运动平台的位移精度。

除了包括五个单自由度驱动装置外，还包括三个转动部件(分别定义为转动部件一6、转动部件二7、转动部件三8)、五个移动部件(分别定义为移动部件一9、移动部件二10、移动部件三11、移动部件四12、移动部件五13)、一个动平台14和一个悬梁15。

上述三个转动部件与构成“工”字形的单自由度驱动装置一一对应，且转动部件的设置位置垂直于与其对应的单自由度驱动装置。具体的，转动部件一6设置在单自由度驱动装置一1上，假设单自由度驱动装置一1横向设置，则转动部件一6纵向设置并与单自由度驱动装置二2平行。转动部件二7设置在单自由度驱动装置二2上，假设单自由度驱动装置二2纵向设置，则转动部件二横向设置并与单自由度驱动装置一1和单自由度驱动装置三3平行。转动部件三8设置在单自由度驱动装置三3上，假设单自由度驱动装置三3横向设置，则转动部件三8纵向设置并与单自由度驱动装置二2平行。

上述三个转动部件还各对应一移动部件，即三个移动部件可一一设置在构成工字形的三个单自由度驱动装置的核心运动平台上，三个转动部件(转动部件一6、转动部件二7、转动部件三8)和三个移动部件(移动部件一9、移动部件二10、移动部件三11)构成三组转动移动运动副，并分别与单自由度驱动装置一1、单自由度驱动装置二2、单自由度驱动装置三3刚性连接。优选地，上述移动部件均为短直线导轨平台。

单自由度驱动装置一1、单自由度驱动装置二2、单自由度驱动装置三3和上述三组转动移动运动副组成的三组连接体作为支撑悬梁15的基座(定平台)。每个单自由度驱动装置直接连接动平台与定平台(基座)，最终运动误差无串联机构中的误差积累，同样运动条件下，将有较高的运动精度。

上述五自由度协调的宏微双解耦运动平台还包括一对楔形块一B1和楔形块二B2、一对滑块一B3和滑块二B4、一对边柱一B5和边柱二B6、一根导杆B7、一根导柱B8、两根轴(轴一B9和轴二B10)。

另外两个移动部件四12和移动部件五13设置在悬梁15上如嵌入在悬梁15上，移动部件四12和移动部件五13可沿悬梁15上下移动。上述两个移动部件上均设有一轴，具体的，轴一B9设置在移动部件四12上并与其刚性连接，轴二B10设置在移动部件五13上并与其刚性连接。

导杆B7穿过轴一B9，导柱B8穿过轴二B10。

楔形块一B1和楔形块二B2分别一一设置在非构成工字形的单自由度驱动装置的核心运动平台上，如楔形块一B1设置在单自由度驱动装置四4上，楔形块二B2设置在单自由度驱动装置五5上。

楔形块一B1固定在单自由度驱动装置四4的核心运动平台上，楔形块一B1与核心运动平台同步滑动。具体的，楔形块一B1与单自由度驱动装置四4的宏运动件和宏微运动件之间均为胶合。同理，楔形块二B2固定在单自由度驱动装置五5的核心运动平台上，楔形块二B2与单自由度驱动装置五5的宏运动件和宏微运动件之间也均为胶合，楔形块二B2与核心运动平台同步滑动楔形。

楔形块一B1和楔形块二B2均具有一倾斜面，各倾斜面上均设有一滑块，滑块平行于单自由度驱动装置二2，假设单自由度驱动装置二2纵向设置，则滑块纵向设置，滑块与其对应的单自由度驱动装置相垂直。此外，滑块相对于该倾斜面可上下移动。

具体的，滑块一B3固定在楔形块一B1上并可沿楔形块一B1的倾斜面运动，滑块一B3上嵌套有边柱一B5，边柱一B5除与滑块一B3同步沿楔形块一B1同步运动外，还可相对于滑块一B3滑动，假设滑块一B3纵向设置，则边柱一B5可相对于滑块一B3纵向(沿Y轴)滑动。

滑块二B4固定在楔形块二B2上并可沿楔形块二B2的倾斜面运动，滑块二B4上嵌套有边柱二B6，边柱二B6除与滑块二B4同步沿楔形块二B2运动外，还可相对于滑块二B4滑动，假设滑块二B4纵向设置，则边柱二B6可相对于滑块二B4纵向(沿Y轴)滑动。

动平台(14)和边柱一B5和边柱二B6之间设有动平台14，与动平台14为对齐约束。单自由度驱动装置对称布置在基座上接近动平台的位置，重心位置好，避免了驱动器本身重量所引起的惯性矩，整个机构具有较好的各向同性和良好的运动轨迹规划特性。由于动平台分别与各驱动形成封闭回路，机构刚度有很大提高，从而具有较高推力、响应速度、承载能力。

如上所述的五自由度协调的宏微双解耦运动平台，当单自由度驱动装置一1、单自由度驱动装置三3、单自由度驱动装置四4和单自由度驱动装置五5的核心运动平台同向滑动时，动平台14可实现X自由度。当单自由度驱动装置二的核心运动平台2滑动时，动平台14可实现Y自由度。当单自由度驱动装置一1和单自由度驱动装置三3的核心运动平台反向滑动时，动平台可实现绕Z轴旋转，即实现γ自由度。当单自由度驱动装置四4和单自由度驱动装置5同向运动时，带动楔形块一B1和楔形块二B2同向运动，动平台14实现α自由度；反向运动时，能使动平台14沿Z轴上下平移。

综上所述，通过不同单自由度驱动装置直线电机的驱动，能够让动平台完成五自由度运动，而压电陶瓷微位移驱动器驱动则能显著提高动平台的位移精度。

本实用新型五自由度协调的宏微双解耦运动平台突破传统的串联机构形式，结构简单对称、质心位置好，具有推力大、承载能力强、刚度高、动态响应性好、运动精度高、误差小等优点，可广泛应用于新型机床研制、航天器交会对接、微电子制造、医疗仪器及飞行模拟等众多领域。

以上对本实用新型进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (9)

1.一种五自由度协调的宏微双解耦运动平台，其特征在于，包括五个单自由度驱动装置，其中三个围成工字形，另外两个沿工字形对称设置；围成工字形的每一所述单自由驱动装置上均设有转动部件和移动部件，另外两个所述单自由度驱动装置均设有楔形块，每一所述楔形块上均设有相对其上下滑动的滑块，每一滑块上设有相对其滑动的边柱，两个所述边柱之间设有动平台。

2.根据权利要求1所述的五自由度协调的宏微双解耦运动平台，其特征在于，各所述单自由度驱动装置均包括直线导轨、直线电机和核心运动平台，所述直线电机内置于所述直线导轨，且所述核心运动平台沿所述直线导轨滑动。

3.根据权利要求2所述的五自由度协调的宏微双解耦运动平台，其特征在于，所述核心运动平台由宏运动件和宏微运动件组成，所述宏运动件和所述宏微运动件均嵌入所述直线导轨。

4.根据权利要求3所述的五自由度协调的宏微双解耦运动平台，其特征在于，连杆一端通过扭簧安装在铰臂上。

5.根据权利要求4所述的五自由度协调的宏微双解耦运动平台，其特征在于，所述宏微运动件上具有一缺口，所述缺口上设有凸起，所述宏运动件上设有与所述缺口等长的延伸件，所述延伸件上具有容纳所述凸起的空槽，所述空槽的长度大于所述凸起的长度，所述空槽与所述凸起之间的剩余区域内用于放置高钢弹簧和压电陶瓷微位移驱动器。

6.根据权利要求1所述的五自由度协调的宏微双解耦运动平台，其特征在于，三个所述转动部件分别垂直于与其对应的所述单自由度驱动装置，且所述三个转动部件上设有悬梁。

7.根据权利要求6所述的五自由度协调的宏微双解耦运动平台，其特征在于，所述悬梁上还设有两个可沿其上下滑动的移动部件，位于所述悬梁上的两个所述移动部件上各设有一根轴。

8.根据权利要求7所述的五自由度协调的宏微双解耦运动平台，其特征在于，其中一根轴上用于伸入导杆，另一根轴上用于伸入导柱，所述导杆、所述导柱与两个所述边柱之间设置所述动平台。

9.根据权利要求1所述的五自由度协调的宏微双解耦运动平台，其特征在于，每一所述楔形块上具有倾斜面，所述滑块设置在所述倾斜面上并垂直于与其对应的所述单自由度驱动装置。