CN209774584U - 一种平面三自由度全柔性并联定位平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种平面三自由度全柔性并联定位平台，包括柔性并联机构和音圈电机。柔性并联机构包括通过线切割一体化加工的外固定框、三个呈正三角形排列布置的柔性支链和位于中心的正三角形动平台。每个柔性支链的下方设有一个音圈电机，每个音圈电机的电机动子通过对应的柔性支链与正三角形动平台的顶点柔性连接，各个音圈电机输入电流，可实现正三角形动平台在XOY平面内沿X向、Y向的平动以及绕Z向的转动。本实用新型的优点在于：高分辨率、结构紧凑、低惯量、无误差累积、无磨损、无机械间隙、无需装配，在实现大行程定位的同时具有高的定位精度与高的固有频率；可作为超精密加工、微电子集成制造等微/纳米操作系统的辅助定位平台。

Description

一种平面三自由度全柔性并联定位平台

技术领域

本实用新型涉及精密定位、精密操作领域，特别涉及一种可实现两平动一转动的平面三自由度全柔性并联定位平台。

背景技术

随着超精密定位技术在高精度和高效率方向的发展，基于柔性铰链的柔性机构得到更广泛的应用。柔性机构利用材料的弹性变形来传递运动和力，具有高分辨率、无机械间隙，低摩擦，无间隙和无润滑，同时结构简单，成本低等优点。这使得这类机构可以提供亚微米级甚至纳米级的运动精度，特别是柔性并联机构。目前微纳米级精密定位机构主要以量自由度平动居多，相比于二自由度，三自由度平台增加了Z轴的转动用于增强工件的定向。通常情况下，柔顺机构设计较多采用的集中式柔铰及压电堆叠驱动的方式，这样的结构行程小(多为微米级)、应力集中且由于压电陶瓷的蠕变等非线性特性导致不便于控制。为了克服压电陶瓷驱动器输出位移小的缺点，专利公开号为CN103021472B中采用放大机构增大系统的输出位移，然而放大机构结构复杂，常常会产生寄生旋转运动，降低系统承载能力，并带来额外的机械装配及加工误差。

实用新型内容

本实用新型的目的在于解决上述问题，提供一种具有高分辨率、结构紧凑、低惯量、无误差累积、无磨损、无机械间隙、无需装配的平面三自由度全柔性并联定位平台，采用分布式柔性铰链可以提供较大的行程，并使用音圈电机作为驱动输入，实现三自由度全柔性并联控制。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种平面三自由度全柔性并联定位平台，包括柔性并联机构和音圈电机。柔性并联机构包括通过线切割一体化加工的外固定框、三个呈正三角形排列布置的柔性支链和位于中心的正三角形动平台。每个柔性支链的下方设有一个音圈电机，每个音圈电机的电机动子通过对应的柔性支链与正三角形动平台的顶点柔性连接，通过控制各个音圈电机的输入电流实现正三角形动平台在XOY平面内沿X向、Y向的平动以及绕Z向的转动。

作为优选地方案，各个柔性支链呈旋转对称分布，互相间隔120°，且每个柔性支链的结构相同；柔性支链的初始位置轴线分别与正三角形动平台三个角平分线重合。

作为进一步的改进方案，外固定框通过连接件与隔震台固定连接，外固定框的内侧制有三个旋转对称布置的U型槽，柔性支链位于U型槽内。

作为进一步的改进方案，柔性支链包括两组并联排列的第一复合平行四杆机构、位于两组第一复合平行四杆机构之间的第二复合平行四杆机构、以及用于连接正三角形动平台顶点的旋转铰链；第二复合平行四杆机构连接在第一复合平行四杆机构与旋转铰链之间，且第二复合平行四杆机构的位移方向与第一复合平行四杆机构的位移方向垂直。

作为进一步的改进方案，每组第一复合平行四杆机构包括与外固定框连接的定连接块、两个第一中间连杆、八个分布柔度式第一柔性铰链、以及与电机动子相连接的第一动连接块；音圈电机的输入力方向与第一复合平行四杆机构的位移方向一致。

作为进一步的改进方案，第一动连接块与第二复合平行四杆机构的连接端下方设有定位槽，定位槽与电机动子相连接；音圈电机的电机定子与隔震台固定连接，并与电机动子形成一定气隙，通过电磁作用使得音圈电机动子输入力驱动柔性铰链发生弹性形变。

作为进一步的改进方案，八个分布柔度式第一柔性铰链在两个第一中间连杆之间构成并联的复合平行结构，第一中间连杆消除第一柔性铰链弹性变形时产生的径向寄生位移，提高机构运动精度。

作为进一步的改进方案，第二复合平行四杆机构为对称结构，包括外框架、第二动连接块、两个第二中间连杆和八个分布柔度式第二柔性铰链；八个分布柔度式第二柔性铰链可等分为两组，其中一组并联于第二动连接块柔性和两个第二中间连杆之间，另外一组并联于两个第二中间连杆与外框架之间；两组第二柔性铰链之间存在串联关系，增大机构行程。

作为进一步的改进方案，旋转铰链包括四个第三柔性铰链和一个第四柔性铰链；其中两个第三柔性铰链与正三角形动平台顶点柔性连接、另两个第三柔性铰链与第二动连接块柔性连接；第四柔性铰链的两端分别与两组第三柔性铰链连接，上下对称呈双‘Y’型结构布置，‘Y’型结构的两条支腿间隔0度至180度度且左右对称。

作为进一步的改进方案，上述的柔性支链采用相互平行的矩形截面悬臂梁式柔性铰链，包括恒厚度矩形截面或变厚度矩形截面。

与传统三自由度定位机构相比，本实用新型的平面三自由度全柔性并联定位平台利用音圈电机驱动分布柔度式铰链进行位移和力的传递，可实现大行程的两平动一转动。三条柔性支链基于分布柔度式铰链设计，具有工作行程大且应力集中小的特点；采用复合对称方式减小了柔性机构的寄生位移，且输入力与动平台输出位移基本成正比，提高了机构的精度；采用串联方式增大了工作行程，采用并联方式提高了结构刚度并使得结构更加紧凑。本实用新型的优点在于：高分辨率、结构紧凑、低惯量、无误差累积、无磨损、无机械间隙、无需装配，在实现大行程定位的同时具有高的定位精度与高的固有频率；可作为超精密加工、微电子集成制造等微/纳米操作系统的辅助定位平台。

附图说明

图1是本实施例中平面三自由度全柔性并联定位平台的整体装配结构示意图。

图2是本实施例中柔性支链的分布结构示意图。

图3是本实施例中柔性支链的结构示意图。

图1至图3中的附图标记为：外固定框1、柔性支链2、正三角形动平台3、U型槽4、电机动子5、电机定子6、第一复合平行四杆机构7、定连接块71、第一中间连杆72、第一柔性铰链73、第一动连接块74、第二复合平行四杆机构8、外框架81、第二中间连杆82、第二柔性铰链83、第二动连接块84、旋转铰链9、第三柔性铰链91、第四柔性铰链92。

具体实施方式

下面结合实施例与附图对本实用新型作进一步详细描述，需要指出的是，以下实施例旨在便于对本实用新型的理解，而对其不起任何限定作用。

如图1和图2所示，本实用新型的平面三自由度全柔性并联定位平台，为X轴、Y轴轴对称结构，包括柔性并联机构和音圈电机。

柔性并联机构包括通过线切割一体化加工的外固定框1、三个呈正三角形排列布置的柔性支链2和位于中心的正三角形动平台3。每个柔性支链2的下方设有一个所述的音圈电机，每个音圈电机的电机动子5通过对应的柔性支链2与正三角形动平台3的顶点柔性连接，通过控制各个音圈电机的输入电流实现正三角形动平台3在XOY平面内沿X向、Y向的平动以及绕Z向的转动。

外固定框1通过连接件与隔震台固定连接，外固定框1的内侧制有三个旋转对称布置的U型槽4，柔性支链2位于U型槽4内。

三个柔性支链2互相间隔120°，且结构相同，均包括两组并联排列的第一复合平行四杆机构7、位于两组第一复合平行四杆机构7之间的第二复合平行四杆机构8、以及用于连接正三角形动平台3顶点的旋转铰链9。第二复合平行四杆机构8连接在第一复合平行四杆机构7与旋转铰链9之间，且第二复合平行四杆机构8的位移方向与第一复合平行四杆机构7的位移方向垂直。

每组第一复合平行四杆机构7包括与外固定框1连接的定连接块71、两个第一中间连杆72、八个分布柔度式第一柔性铰链73、以及与电机动子5相连接的第一动连接块74。音圈电机的输入力方向与第一复合平行四杆机构7的位移方向一致。

第一动连接块74与第二复合平行四杆机构8的连接端下方设有定位槽，定位槽与音圈电机动子5相连接。电机定子6与隔震台固定连接，并与电机动子5形成一定气隙，通过电磁作用使得音圈电机动子5输入力驱动柔性铰链发生弹性形变。

音圈电机可为动磁式或者动圈式，音圈电机可布置于第一复合平行四杆机构7左侧或右侧，使得电机出力与第一复合平行四杆机构7位移方向共线。

如图3所示，第一复合平行四杆机构7包括两个并联的双复合平行机构，每个双复合平行机构为对称结构，由两个复合平行机构并联而成，第一中间连杆72消除了各个第一柔性铰链73弹性变形时产生的径向寄生位移，提高了机构的运动精度。两个双复合平行机构的定连接块71与外固定框1的U型槽4内侧面固定连接，第一动连接块74与第二复合平行四杆机构8外框架81固定连接。两个双复合平行机构通过支链轴线对称分布于第二复合平行四杆机构8的两侧。

第二复合平行四杆机构8为对称结构，包括外框架81、第二动连接块84、两个第二中间连杆82和八个分布柔度式第二柔性铰链83。八个分布柔度式第二柔性铰链83可等分为两组，其中一组并联于第二动连接块84柔性和两个第二中间连杆82之间，另外一组并联于两个第二中间连杆82与外框架81之间。两组第二柔性铰链83之间存在串联关系，增大机构行程。

旋转铰链9包括四个第三柔性铰链91和一个第四柔性铰链92；其中两个第三柔性铰链91与正三角形动平台3顶点柔性连接、另两个第三柔性铰链91与第二动连接块84柔性连接。第四柔性铰链92的两端分别与两组第三柔性铰链91连接，上下对称呈双‘Y’型结构布置。‘Y’型结构的两条支腿成一定夹角，夹角范围可以是0度至180度之间，在优选实施例中，两条支腿间隔90度且左右对称。

本实用新型的工作过程为：由计算机输出需要的控制电流信号施加于音圈电机的电机定子6上，通过电磁作用驱使电机动子5按照指定的运动轨迹产生输入位移，经过柔性支链2传递力和位移后，达到使正三角形动平台3产生位移输出的效果。通过三个并联柔性支链2的运动学关系，当给定三个音圈电机不同输入位移时，可实现正三角形动平台3不同位姿的控制。

柔性支链2采用相互平行的矩形截面悬臂梁式柔性铰链，包括恒厚度矩形截面或变厚度矩形截面。优选采用直梁、过渡圆角式直梁等柔性铰链。

柔性并联机构为一体化的整体式结构，采用电火花线切割技术进行加工，减少了机械上的装配误差。

本实用新型的技术方案不限于上述具体实施案例的限制，凡是在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，根据本实用新型的技术方案做出的技术变形，均落于本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种平面三自由度全柔性并联定位平台，包括柔性并联机构和音圈电机；其特征在于：所述的柔性并联机构包括通过线切割一体化加工的外固定框(1)、三个呈正三角形排列布置的柔性支链(2)和位于中心的正三角形动平台(3)；每个柔性支链(2)的下方设有一个所述的音圈电机，每个音圈电机的电机动子(5)通过对应的柔性支链(2)与正三角形动平台(3)的顶点柔性连接，各个音圈电机输入电流，正三角形动平台(3)在XOY平面内可沿X向、Y向平动以及绕Z向的转动。

2.根据权利要求1所述的平面三自由度全柔性并联定位平台，其特征在于：各个所述的柔性支链(2)呈旋转对称分布，互相间隔120°，且每个柔性支链(2)的结构相同；柔性支链(2)的初始位置轴线分别与所述正三角形动平台(3)三个角平分线重合。

3.根据权利要求1所述的平面三自由度全柔性并联定位平台，其特征在于：所述的外固定框(1)通过连接件与隔震台固定连接，外固定框(1)的内侧制有三个旋转对称布置的U型槽(4)，所述的柔性支链(2)位于U型槽(4)内。

4.根据权利要求1所述的平面三自由度全柔性并联定位平台，其特征在于：所述的柔性支链(2)包括两组并联排列的第一复合平行四杆机构(7)、位于两组第一复合平行四杆机构(7)之间的第二复合平行四杆机构(8)、以及用于连接正三角形动平台(3)顶点的旋转铰链(9)；所述的第二复合平行四杆机构(8)连接在第一复合平行四杆机构(7)与旋转铰链(9)之间，且第二复合平行四杆机构(8)的位移方向与所述第一复合平行四杆机构(7)的位移方向垂直。

5.根据权利要求4所述的平面三自由度全柔性并联定位平台，其特征在于：每组第一复合平行四杆机构(7)包括与外固定框(1)连接的定连接块(71)、两个第一中间连杆(72)、八个分布柔度式第一柔性铰链(73)、以及与电机动子(5)相连接的第一动连接块(74)；所述音圈电机的输入力方向与第一复合平行四杆机构(7)的位移方向一致。

6.根据权利要求5所述的平面三自由度全柔性并联定位平台，其特征在于：第一动连接块(74)与第二复合平行四杆机构(8)的连接端下方设有定位槽，所述的定位槽与电机动子(5)相连接；所述音圈电机的电机定子(6)与隔震台固定连接，并与电机动子(5)形成一定气隙，在电磁作用下电机动子(5)输入力驱动柔性铰链发生弹性形变。

7.根据权利要求6所述的平面三自由度全柔性并联定位平台，其特征在于：所述的八个分布柔度式第一柔性铰链(73)在两个第一中间连杆(72)之间构成并联的复合平行结构。

8.根据权利要求4所述的平面三自由度全柔性并联定位平台，其特征在于：所述第二复合平行四杆机构(8)为对称结构，包括外框架(81)、第二动连接块(84)、两个第二中间连杆(82)和八个分布柔度式第二柔性铰链(83)；所述八个分布柔度式第二柔性铰链(83)可等分为两组，其中一组并联于第二动连接块(84)柔性和两个第二中间连杆(82)之间，另外一组并联于两个第二中间连杆(82)与外框架(81)之间；两组第二柔性铰链(83)之间存在串联关系。

9.根据权利要求4所述的平面三自由度全柔性并联定位平台，其特征在于：所述旋转铰链(9)包括四个第三柔性铰链(91)和一个第四柔性铰链(92)；其中两个第三柔性铰链(91)与正三角形动平台(3)顶点柔性连接、另两个第三柔性铰链(91)与第二动连接块(84)柔性连接；所述第四柔性铰链(92)的两端分别与两组第三柔性铰链(91)连接，上下对称呈双‘Y’型结构布置，‘Y’型结构的两条支腿间隔0度至180度且左右对称。

10.根据权利要求1所述的平面三自由度全柔性并联定位平台，其特征在于：所述的柔性支链(2)采用相互平行的矩形截面悬臂梁式柔性铰链，包括恒厚度矩形截面或变厚度矩形截面。