CN107101793A - 多方向运动平台 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种多方向运动平台，包括底板，设置在底板上的X向运动机构、Y向运动机构以及旋转运动机构，X向运动机构包括安装在底板上的X向直线滑轨、套设在X向直线滑轨上的X向滑块、固定安装在X向滑块上的X向托板以及X向驱动机构；Y向运动机构包括安装在X向托板上的Y向直线滑轨、套设在Y向直线滑轨上的Y向滑块、固定安装在Y向滑块上的Y向托板以及Y向驱动机构；旋转运动机构包括旋转驱动机构，还包括设置在旋转驱动机构上的齿条，以及设置在Y向托板上的齿轮、连杆机构、旋转元件，旋转元件通过连杆机构与齿轮连接。本发明多方向运动平台柔性好、制作简单，不仅能够实现高精度、高速度运动，还能够实现变频率的插补运动。
Description
技术领域
本发明属于制造和测试领域，具体涉及一种可以多个方向运动的平台。
背景技术
多方向运动平台广泛运用于制造和测试领域。现有的多方向运动平台主要通过“旋转电机+丝杆”直线运动平台和旋转电机的叠加来实现。由于丝杆的蠕变和旋转的驱动方式的限制，同时现有的旋转电机质量/出力的值较大，使得现有的多方向运动平台响应慢，行程短，精度差，有效载荷小，极大制约了制造业以及其他行业的发展。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种可以多个方向运动的平台，可以有效解决现有运动平台响应慢、行程短、精度差、有效载荷小的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种多方向运动平台，包括底板、设置在所述底板上的X向运动机构、Y向运动机构以及旋转运动机构；所述X向运动机构包括X向运动平台和X向驱动机构，所述X向运动平台包括安装在所述底板上的X向直线滑轨、套设在所述X向直线滑轨上的X向滑块、固定安装在所述X向滑块上的X向托板；所述Y向运动机构包括Y向运动平台和Y向驱动机构，所述Y向运动平台包括安装在所述X向托板上的Y向直线滑轨、套设在所述Y向直线滑轨上的Y向滑块、固定安装在所述Y向滑块上的Y向托板；所述旋转运动机构包括旋转驱动机构，还包括设置在所述旋转驱动机构上的齿条，以及设置在所述Y向托板上的齿轮、连杆机构、旋转元件，所述旋转元件通过所述连杆机构与所述齿轮连接，其中，所述旋转驱动机构驱动所述齿条带动所述齿轮运动，从而通过所述连杆机构带动所述旋转元件旋转。
此外，本发明还提出如下附属技术方案。
优选的，所述齿轮为扇形齿轮，所述连杆机构为四连杆机构，所述旋转元件为转盘。
优选的，所述连杆机构包括第一四连杆机构、第二四连杆机构，所述旋转元件通过轴承可转动地安装在所述Y向托板上。
优选的，所述X向驱动机构包括安装在所述底板上的X向直线电机磁钢以及固定在所述X向托板上的X向直线电机线圈；所述X向直线滑轨的两端设置有X向限位件。
优选的，所述X向运动机构还包括安装在所述底板上的X向光栅尺以及安装在所述X向托板上的X向光栅尺读数头。
优选的，所述Y向驱动机构包括安装在所述底板上的Y向直线电机磁钢以及连接在Y向托板上的Y向直线电机线圈；所述Y向直线滑轨的两端设置有Y向限位件。
优选的，所述Y向运动机构还包括Y向传动装置，所述Y向传动装置包括Y向传动滑块、Y向传动直线滑轨，所述Y向传动滑块通过转接板连接到所述Y向直线电机线圈上，所述Y向传动直线滑轨安装在所述Y向托板上，所述Y向传动滑块套设在所述Y向传动直线滑轨上。
优选的，所述Y向运动机构还包括安装在底板上的Y向光栅尺，以及安装在Y向直线电机线圈上的Y向光栅尺读数头。
优选的，所述旋转驱动机构包括安装在所述Y向托板上的旋转方向直线电机磁钢以及固定在联结块上的直线电机线圈。
优选的，所述旋转运动机构还包括安装在所述旋转方向直线电机磁钢上的光栅尺以及安装在所述联结块上的光栅尺读数头。
相比于现有技术，本发明的优点在于：本发明多方向运动平台的X向运动机构和Y向运动机构，利用直线滑轨和滑块配合，通过两个直线电机分别直接驱动X向运动平台和Y向运动平台，实现X向运动平台和Y向运动平台的两个方向的运动，极大简化了机械结构。本发明旋转元件的旋转是由旋转驱动机构通过齿轮齿条来驱动一组四连杆机构，使其再带动一组四连杆机构而实现的，传动精确且效率高。
本发明多方向运动平台依托机械本体的优势，结合现有的运动控制技术，不仅能够实现高精度、高速度运动，还能够实现变频率的插补运动。
本发明多方向运动平台柔性好、制作简单，既可以用于插件、点胶、锡焊等工艺流程，也可以用于对建筑或航天等行业的模型施加受迫振动，完成模型的测力和测振实验。
附图说明
图1是本发明多方向运动平台的立体示意图。
图2是本发明多方向运动平台的底板、X向运动机构组合立体示意图。
图3是本发明多方向运动平台的底板、X向运动机构、Y向运动机构组合立体示意图。
图4是本发明多方向运动平台的Y向托板、旋转运动机构组合立体示意图。
图5是本发明多方向运动平台的旋转元件与轴承的装配示意图。
图6是本发明多方向运动平台的旋转运动机构简图。
图7是本发明多方向运动平台的控制原理图。
其中，
1.底板 2.X向滑块 3.X向直线滑轨
4.X向限位件 5.X向托板 7.X向直线电机磁钢
8.X向直线电机线圈 9.X向光栅尺读数头 10.X向光栅尺
11.Y向直线电机线圈 12.Y向直线电机磁钢 13.直线滑轨
14.Y向传动滑块 15.Y向传动直线滑轨 16.Y向光栅尺读数头
17.Y向光栅尺 18.Y向托板 19.Y向滑块
20.Y向直线滑轨 21.Y向限位件 22.旋转方向直线电机磁钢
23.直线滑轨 24.滑块 25.光栅尺
26.光栅尺读数头 27.联结块 28.直线电机线圈
29.齿条 30.齿轮 31.第一四杆机构
32.轴承 33.轴承压片 34.第二四杆机构
35.PC机 36.PAC 37.X轴电机驱动器
38.Y轴电机驱动器 39.旋转电机驱动器 40.旋转元件
41.转接板 51.方形孔 71.U形槽
122.U形槽 221.U形槽
具体实施方式
以下结合较佳实施例及其附图对本发明技术方案作进一步非限制性的详细说明。
如图1至图7所示，本发明多方向运动平台包括底板1，设置在底板1上的X向运动机构、Y向运动机构以及旋转运动机构。
如图1、图2所示，X向运动机构包括X向驱动机构、X向运动平台。X向驱动机构为X向直线电机，包括X向直线电机磁钢7以及X向直线电机线圈8。X向运动平台包括X向直线滑轨3、X向滑块2、X向托板5。
两条X向直线滑轨3分别通过螺栓固定到底板1上，为了实现X向运动机构的顺畅运动，两条X向直线滑轨3平行设置。X向滑块2可滑动地套设在X向直线滑轨3上，X向托板5通过螺栓固定到X向滑块2上。装配时，X向托板5上的定位边要紧贴X向滑块2的侧边，以确保X向托板5的侧边与X向直线滑轨3平行，进一步确保X运动方向和Y运动方向能够垂直。
X向直线电机磁钢7贴合到底板1相应的定位边上并通过螺栓固定在底板1上。X向直线电机磁钢7设置有U形槽71。X向直线电机线圈8固定安装在X向托板5的侧边，并套设入X向直线电机磁钢7的U形槽71内。优选的，X向直线电机线圈8与X向直线电机磁钢7的U形槽71两侧壁的气隙相同。
两条X向直线滑轨3的两端均设置有X向限位件4，以确保X向托板5一直在固定范围内运动。X向光栅尺10贴合安装在底板1上，优选的，X向光栅尺10和X向运动方向平行。X向托板5上成型有方形孔51，该方形孔51也可以为其他形状。X向光栅尺读数头9安装在X向托板5的方形孔51的侧边。优选的，X向光栅尺读数头9与X向光栅尺10平行设置且间隙合适。
如图1至图3所示，Y向运动机构包括Y向驱动机构、Y向传动装置、Y向运动平台。Y向驱动机构为Y向直线电机，包括Y向直线电机磁钢12以及Y向直线电机线圈11。Y向传动装置包括Y向传动滑块14以及Y向传动直线滑轨15。Y向运动平台包括Y向直线滑轨20、Y向滑块19、Y向托板18。
两条Y向直线滑轨20分别通过螺栓固定在X向托板5上，为了实现Y向运动机构的平稳运动，两条Y向直线滑轨20平行设置。两条Y向直线滑轨20的两端均设置有Y向限位件21，以确保Y向托板18一直在固定范围运动。
Y向直线电机磁钢12贴合到底板1的相应的定位边上并通过螺栓固定在底板1上。Y向直线电机磁钢12设置有U形槽122，Y向直线电机线圈11的直线滑轨13通过螺栓固定安装在Y向直线电机磁钢12的相应位置上。
装配时，将Y向直线电机线圈11装到转接板41上，并滑入Y向直线电机磁钢12的U形槽122内。优选的，Y向直线电机线圈11与Y向直线电机磁钢12的U形槽122两侧壁的气隙相同。之后，将Y向传动滑块14安装到转接板41上，将Y向传动直线滑轨15沿着定位边装配到Y向托板18上的相应位置，然后将Y向传动直线滑轨15滑入到Y向传动滑块14内。之后，将Y向托板18通过螺栓固定到Y向滑块19上。装配后，Y向滑块19可滑动地套设在Y向直线滑轨20上。
Y向光栅尺17贴合安装在底板1上，优选的，Y向光栅尺17与Y向运动方向平行。Y向光栅尺读数头16安装在Y向直线电机线圈11上，优选的，Y向光栅尺读数头16与Y向光栅尺17平行设置且气隙合适。
如图4、图5所示，旋转运动机构包括旋转驱动机构、齿条29、齿轮30、连杆机构、旋转元件40。优选的，齿轮30为扇形齿轮，当然也可以为能实现其传动功能的其他形状。优选的，连杆机构为四连杆机构，当然也可以为能实现其传动功能的其他形状。
旋转驱动机构为旋转方向直线电机，包括旋转方向直线电机磁钢22以及直线电机线圈28。旋转方向直线电机磁钢22贴合到Y向托板18的相应的定位边上并通过螺栓固定安装在Y向托板18上。直线滑轨23沿着定位边通过螺栓固定安装在旋转方向直线电机磁钢22上。
光栅尺25安装在旋转方向直线电机磁钢22上，优选的，光栅尺25与旋转方向直线电机的运动方向平行。光栅尺读数头26安装在联结块27上，直线电机线圈28安装在联结块27上。旋转方向直线电机磁钢22设置有U形槽221。装配时，将上述已经装配好的部件与直线电机线圈28一起滑入到旋转方向直线电机磁钢22的U形槽221内，并将联结块27通过螺栓固定到滑块24上，装配完成后，滑块24与直线滑轨23可滑动配接。优选的，光栅尺读数头26与光栅尺25平行设置且气隙合适。优选的，直线电机线圈28与旋转方向直线电机磁钢22的U形槽221的两侧壁的气隙合适。齿条29通过螺栓固定在直线电机线圈28上。
如图4、图5所示，旋转运动机构还包括轴承32以及轴承压片33。优选的，轴承32为深沟球轴承。装配时，将轴承32压入Y向托板18的轴承室内，轴承32与轴承室壁过盈配合，之后将轴承压片33压在轴承32的外圈上，并通过螺栓固定。
连杆机构包括第一四连杆机构31和第二四连杆机构34。优选的，第一四连杆机构31和第二四连杆机构34均为平行四连杆机构。优选的，旋转元件40为转盘，旋转元件40连接在第二四连杆机构34上。
装配时，将旋转元件40的阶梯轴的轴肩顶到轴承32的内圈上并通过螺栓固定。将齿轮30可转动地安装到Y向托板18相应的销钉上，并确保齿轮30能够和齿条29充分啮合。之后，将第一四连杆机构31和第二四连杆机构34的连杆依次联结，如图6所示。工作时，旋转驱动机构驱动齿条29带动齿轮30运动，从而通过第一四连杆机构31、第二四连杆机构34，带动旋转元件40进行旋转。
如图7所示，PC机35是本发明多方向运动平台的上位机，PAC36是本发明多方向运动平台的下位机，两者通过Modbus TCP/IP总线协议传送指令和数据。PAC36与X轴电机驱动器37、Y轴电机驱动器38以及旋转电机驱动器39通过EtherCAT总线协议传送指令和数据。其中，X轴电机驱动器37与X向直线电机(X向直线电机磁钢7和X向直线电机线圈8构成)以及X轴的光栅(X向光栅尺读数头9和X向光栅尺10构成)构成一个全闭环控制***。Y轴电机驱动器38与Y向直线电机(Y向直线电机磁钢12和Y向直线电机线圈11构成)以及Y轴的光栅(Y向光栅尺读数头16和Y向光栅尺17构成)构成一个全闭环控制***。旋转电机驱动器38与旋转方向直线电机(旋转方向直线电机磁钢22和直线电机线圈28构成)以及旋转方向直线电机的光栅(光栅尺25和光栅尺读数头26构成)构成一个全闭环控制***。
本发明多方向运动平台的工作原理如下。
由X向直线电机磁钢7和X向直线电机线圈8构成的X向直线电机，直接驱动由X向滑块2、X向直线滑轨3和X向托板5组成的X向运动平台。X向运动平台的实时位置由X向光栅尺读数头9和X向光栅尺10反馈。为了确保X向运动平台能够安全地在固定位置内运动，需要X向限位件4来约束平台的运动范围。
由Y向直线电机磁钢12和Y向直线电机线圈11构成的Y向直线电机，通过Y向传动滑块14和Y向传动直线滑轨15组成的传动装置，直接驱动由Y向托板18、Y向滑块19和Y向直线滑轨20组成的Y向运动平台。Y向运动平台的实时位置由Y向光栅尺读数头16和Y向光栅尺17反馈。为了确保Y向运动平台能够安全的在固定位置内运动，需要Y向限位件21来约束平台的运动范围。
由旋转方向直线电机磁钢22和直线电机线圈28构成的旋转方向直线电机，通过齿条29驱动齿轮30带动第一四连杆机构31，再通过第一四连杆机构31带动第二四连杆机构34，以此达到带动旋转元件40旋转的目的。旋转元件40转动的实时位置依照光栅尺25和光栅尺读数头26反馈的实时位置通过运动学解算得到。
本发明多方向运动平台的X向运动机构和Y向运动机构，利用直线滑轨和滑块配合，通过两个直线电机分别直接驱动X向运动平台和Y向运动平台，实现X向运动平台和Y向运动平台的两个方向的运动，极大简化了机械结构。本发明旋转元件的旋转是由旋转驱动机构通过齿轮齿条来驱动一组四连杆机构，使其再带动一组四连杆机构而实现的，传动精确且效率高。
本发明多方向运动平台依托机械本体的优势，结合现有的运动控制技术，不仅能够实现高精度、高速度运动，还能够实现变频率的插补运动。
本发明多方向运动平台柔性好、制作简单，既可以用于插件、点胶、锡焊等工艺流程，也可以用于对建筑或航天等行业的模型施加受迫振动，完成模型的测力和测振实验。
需要指出的是，上述较佳实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种多方向运动平台，包括底板(1)、设置在所述底板(1)上的X向运动机构、Y向运动机构以及旋转运动机构；
所述X向运动机构包括X向运动平台和X向驱动机构，所述X向运动平台包括安装在所述底板(1)上的X向直线滑轨(3)、套设在所述X向直线滑轨(3)上的X向滑块(2)、固定安装在所述X向滑块(2)上的X向托板(5)；
所述Y向运动机构包括Y向运动平台和Y向驱动机构，所述Y向运动平台包括安装在所述X向托板(5)上的Y向直线滑轨(20)、套设在所述Y向直线滑轨(20)上的Y向滑块(19)、固定安装在所述Y向滑块(19)上的Y向托板(18)；
所述旋转运动机构包括旋转驱动机构，其特征在于：所述旋转运动机构还包括设置在所述旋转驱动机构上的齿条(29)，以及设置在所述Y向托板(18)上的齿轮(30)、连杆机构、旋转元件(40)，所述旋转元件(40)通过所述连杆机构与所述齿轮(30)连接，其中，所述旋转驱动机构驱动所述齿条(29)带动所述齿轮(30)运动，从而通过所述连杆机构带动所述旋转元件(40)旋转。
2.根据权利要求1所述的多方向运动平台，其特征在于：所述齿轮(30)为扇形齿轮，所述连杆机构为四连杆机构，所述旋转元件(40)为转盘。
3.根据权利要求2所述的多方向运动平台，其特征在于：所述连杆机构包括第一四连杆机构(31)、第二四连杆机构(34)，所述旋转元件(40)通过轴承(32)可转动地安装在所述Y向托板(18)上。
4.根据权利要求1所述的多方向运动平台，其特征在于：所述X向驱动机构包括安装在所述底板(1)上的X向直线电机磁钢(7)以及固定在所述X向托板(5)上的X向直线电机线圈(8)；所述X向直线滑轨(3)的两端设置有X向限位件(4)。
5.根据权利要求1所述的多方向运动平台，其特征在于：所述X向运动机构还包括安装在所述底板(1)上的X向光栅尺(10)以及安装在所述X向托板(5)上的X向光栅尺读数头(9)。
6.根据权利要求1所述的多方向运动平台，其特征在于：所述Y向驱动机构包括安装在所述底板(1)上的Y向直线电机磁钢(12)以及连接在所述Y向托板(18)上的Y向直线电机线圈(11)；所述Y向直线滑轨(20)的两端设置有Y向限位件(21)。
7.根据权利要求6所述的多方向运动平台，其特征在于：所述Y向运动机构还包括Y向传动装置，所述Y向传动装置包括Y向传动滑块(14)、Y向传动直线滑轨(15)；所述Y向传动滑块(14)通过转接板(41)连接到所述Y向直线电机线圈(11)上，所述Y向传动直线滑轨(15)安装在所述Y向托板(18)上，所述Y向传动滑块(14)套设在所述Y向传动直线滑轨(15)上。
8.根据权利要求6所述的多方向运动平台，其特征在于：所述Y向运动机构还包括安装在所述底板(1)上的Y向光栅尺(17)，以及安装在所述Y向直线电机线圈(11)上的Y向光栅尺读数头(16)。
9.根据权利要求1所述的多方向运动平台，其特征在于：所述旋转驱动机构包括安装在所述Y向托板(18)上的旋转方向直线电机磁钢(22)以及固定在联结块(27)上的直线电机线圈(28)。
10.根据权利要求9所述的多方向运动平台，其特征在于：所述旋转运动机构还包括安装在所述旋转方向直线电机磁钢(22)上的光栅尺(25)以及安装在所述联结块(27)上的光栅尺读数头(26)。
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