CN107627292B - 一种多自由度大行程高精度运动平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多自由度大行程高精度运动平台，包括：三个单自由度运动平台、两个转动部件和滑动部件；一个转动部件与滑动部件构成转动滑动运动副，另一个转动部件构成转动副；转动滑动运动副和转动副分别设置在两个单自由度运动平台上；第三个单自由度运动平台分别固定在转动滑动运动副和转动副上。因而使用者可以根据具体要求灵活地构建出所需自由度的多自由度大行程高精度运动平台。

Description

一种多自由度大行程高精度运动平台

技术领域

本发明涉及精密运动平台的技术领域，更具体地，涉及一种多自由度大行程高精度运动平台。

背景技术

随着科技的进步，人们对产品的要求越来越高，促使生产商对产品的加工精度要求也越来越高，现有设备中高精度进给运动平台的行程普遍较短，而大行程的普通宏运动设备的精度又无法满足实际需求，如果采用专用的大行程高精度运动设备，产品的制造成本将大幅增加。针对上述现状，一种能将大行程一般精度的宏运动和高精度小行程的微运动相复合的可以实现大行程高精度进给，且具有多方向的运动平台越来越受到行业的青睐。

发明内容

现有技术中，根据平台的固有运动模式，构建出的平台一般只是一维或二维，自由度较少，不能满足使用者的实际需要。基于现有技术的缺陷，本发明提供一种多自由度大行程高精度运动平台，本发明的技术方案如下。

一种多自由度大行程高精度运动平台，其特征在于，包括：三个单自由度运动平台、第一转动部件(C401)、第二转动部件(C401)和滑动部件(C402)；

每个所述单自由度运动平台均包括：基座(C101、C201、C301)和导向机构；所述导向机构包括：刚性支撑平台(C102、C202、C302)和核心运动平台(C103、C203、C303)；

第一转动部件(C401)与滑动部件(C402)构成转动滑动运动副；所述转动滑动运动副与第一单自由度运动平台中的核心运动平台(C103)刚性连接，并与第三单自由度运动平台中的基座(C301)刚性连接；

第二转动部件(C401)与第二单自由度运动平台中的核心运动平台(C203)刚性连接，并与第三单自由度运动平台中的基座(C301)刚性连接。

优选地，所述多自由度大行程高精度运动平台还包括：第一连接件(C403)和第二连接件(C404)；

所述转动滑动运动副通过第一连接件(C403)与第三单自由度运动平台中的基座(C301)刚性连接；

所述第二转动部件(C401)通过第二连接件(C404)与第三单自由度运动平台中的基座(C301)刚性连接。

优选地，所述第一转动部件(C401)、第二转动部件(C401)均为交叉滚柱轴环。

优选地，所述滑动部件(C402)为短直线导轨平台。

优选地，每个所述单自由度运动平台均还包括：直线导轨(A3)和直线驱动器(A4)；刚性支撑平台(A201)通过直线导轨(A3)与基座(A1)构成滑动副连接，核心运动平台(A203)与直线驱动器(A4)的动子连接，所述直线驱动器(A4)的定子部分与所述基座(A1)刚性连接。

优选地，导向机构还包括：主柔性铰链组(A202)；所述主柔性铰链组(A202)设置在刚性支撑平台(A201)和核心运动平台(A203)之间；直线驱动器(A4)带动所述核心运动平台(A203)在主柔性铰链组(A202)的刚度约束下产生位移。

优选地，第一单自由度运动平台和第二单自由度运动平台都设置在底座(C5)上。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.可以根据具体要求灵活地构建出所需自由度的多自由度大行程高精度运动平台；

2.各个单自由度大行程高精运动平台组件均采用通用机加工方式进行加工制造，不采用气浮、磁悬浮等特殊部件，成本较低。

附图说明

图1为单自由度运动平台示意图。

图2为单自由度运动平台***示意图

图3为三自由度运动平台的整体示意图。

图4为三自由度运动平台的***示意图。

图5为导向机构的实施例1的包含刚度加强结构的柔性铰链导向机构的示意图。

图6为导向机构的实施例1的导向机构的轴侧剖视图及局部放大图。

图7为导向机构的实施例1的前剖视图及局部放大图。

图8为导向机构的实施例1导向机构的装配体轴侧剖视图。

图9为导向机构的实施例1导向机构的装配体轴侧前剖视图及局部放大图。

图10为导向机构的实施例2整体示意图。

图11为导向机构的实施例2导向机构的装配体轴侧剖视图及局部放大图。

图12为导向机构的实施例2导向机构装配体前剖视图及局部放大图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

单自由度运动平台如图1、2所示，包括：导向机构、直线导轨(A3)、基座(A1)和核心运动平台(A203)。其中，导向机构包括：刚性支撑平台(A201)、主柔性铰链组(A202)和直线驱动器(A4)。刚性支撑平台(A201)通过直线导轨(A3)与基座(A1)构成滑动副连接，大承载柔性铰链导向机构内的核心运动平台(A203)与直线驱动器(A4)的动子连接，可以带动所述核心运动平台(A203)在主柔性铰链组(A202)的刚度约束下产生位移。所述直线驱动器(A4)的定子部分与所述基座(A1)刚性连接。

多自由度大行程高精度运动平台的一种三由度运动平台，如图3和图4所示。图3与4所示的三自由度运动平台采用了三组单自由度运动平台设计方案，分别为单自由度运动平台α、β和θ。其中，上述单自由度运动平台α主要由基座(C101)和导向机构组成。其中，导向机构包括：刚性支撑平台(C102)、核心运动平台(C103)等部件。上述单自由度运动平台β主要由基座(C201)、刚性支撑平台(C202)、核心运动平台(C203)等部件组成，上述单自由度运动平台θ主要由基座(C301)、刚性支撑平台(C302)、核心运动平台(C303)等部件组成。本实施例中利用交叉滚柱轴环(C401)与短直线导轨平台(C402)构成转动滑动运动副，同时利用另一个交叉滚柱轴环(C401)构成转动副。上述转动滑动运动副与单自由度运动平台α中的核心运动平台(C103)刚性连接，并通过连接件(C403)与单自由度运动平台θ中的基座(C301)刚性连接。上述转动副与单自由度运动平台β中的核心运动平台(C203)刚性连接，并通过连接件(C404)与单自由度运动平台θ中的基座(C301)刚性连接。所述单自由度运动平台α与β均设置在底座C5上。

所述单自由度运动平台α与β中的核心运动平台(C103)与(C203)通过差动运动方式可以实现所述单自由度运动平台θ中的基座的单向直线运动与偏转运动等两个自由度方向的运动。所述单自由度运动平台θ中核心运动平台(C303)沿基座(301)上固定的直线导轨***可以实现第三自由度方向的运动。通过上述方式，本发明所述的三自由度运动平台可以实现x-y-θ三自由度运动。

本发明的导向机构的包括两个实施例。实施例1如图5所示。实施例1所示导向机构与现有柔性铰链导向机构的主要区别处在于增加了用于承载大负荷和抵抗非工作方向变形所用的次柔性铰链(401)。实施例1导向机构的工作原理为：如图6和图7所示，所述核心运动平台(3)分别通过主柔性铰链组(2)和次柔性铰链组(401)与所述刚性支撑平台(1)连接。所述主柔性铰链组(2)与次柔性铰链组(401)内的柔性铰链与所述刚性支撑平台(1)为一体式加工制造，所述次柔性铰链组(401)通过刚性连接部(402)与所述核心运动平台(3)连接。所述主柔性铰链组(2)与次柔性铰链组(401)内的柔性铰链的主工作方向均为所述核心运动平台(3)的位移方向。所述主柔性铰链组(2)与所述次柔性铰链组(401)的柔性铰链的布局方向在所述核心运动平台(3)运动方向的方向平面内相互垂直，且均相对于所述核心运动平台(3)对称布置，如图7所示。在三维空间中相互垂直布置的主柔性铰链组(2)和所述次柔性铰链组(401)内的柔性铰链可以相互加强彼此的承受大载荷和抵抗非工作方向变形的能力。

实施例1所述柔性铰链导向结构在运动平台上的应用如图8和图9所示。所述核心运动平台(3)由所述直线驱动器(5)带动，所述核心运动平台(3)的工作位移由光栅位移传感器(6)测量获取。直线所述驱动器(5)作用与所述核心运动平台(3)上的力矩所导致的偏转位移由与所述核心运动平台(3)对称布置的次柔性铰链组抵消。所述核心运动平台(3)承载大载荷时，由于主柔性铰链组(2)在垂向负载方向刚度偏低导致的所述运动平台(3)下沉位移由所述次柔性铰链组(401)内相对所述核心运动平台(3)水平中心面对称布置的柔性铰链抵消。通过上述工作原理，所述核心运动平台(3)利用所述次柔性铰链组的刚度增强方式可以大大提高承受大载荷抵抗非工作方向变形的能力。

特别的，实施例1中由于加工次柔性铰链组(401)所导致的刚性支撑平台(3)薄弱局部可以通过嵌入一刚性块(403)并用螺栓组A(404)进行刚性连接的方式来增加刚性支撑平台(3)的刚度。

导向机构的实施例2如图10至图12所示。实施例2导向机构与实施例1导向机构的主要差异点在于：实施例1的次柔性铰链组(401)采用与所述刚性支撑平台一体加工方式进行制造，实施例2所述的次柔性铰链组采用部件装配的方式进行制造。

如图11和图12所示，次柔性铰链组包含有弹簧片(401a)、螺栓组B(405)、螺栓组C(406)、连接块A(407)、连接块B(408)等。其中，所述弹簧片(401a)通过螺栓组B(405)与所述刚性支撑平台(1)刚性连接，所述核心运动平台(3)通过连接块B(408)、连接块A(407)及螺栓组C(406)等部件与所述弹簧片(401a)中部刚性连接。通过上述刚性连接装配，所述弹簧片(401a)可以实现与实施例1中所述次柔性铰链组(401)的同样功能。所述弹簧片(401a)装配体所构成的次柔性铰链装配体可以用于增加所述核心运动平台(3)承受大载荷和抵抗非工作方向变形的能力。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种多自由度大行程高精度运动平台，其特征在于，包括：三个单自由度运动平台、第一转动部件、第二转动部件和滑动部件；

每个所述单自由度运动平台均包括：基座和导向机构；

所述导向机构包括：刚性支撑平台、核心运动平台、主柔性铰链组和次柔性铰链组；

所述核心运动平台分别通过主柔性铰链组和次柔性铰链组与所述刚性支撑平台连接；

所述次柔性铰链组包括：柔性铰链和刚性连接部；

所述主柔性铰链组、次柔性铰链组的柔性铰链均与所述刚性支撑平台一体式加工制造；

所述次柔性铰链组的柔性铰链通过所述刚性连接部与所述核心运动平台连接；

所述主柔性铰链组与次柔性铰链组的柔性铰链的主工作方向均为所述核心运动平台的位移方向；

所述主柔性铰链组与所述次柔性铰链组的柔性铰链的布局方向在所述核心运动平台的运动方向的平面内相互垂直，且均相对于所述核心运动平台对称布置；

所述导向机构还包括：刚性块；

所述刚性块被嵌入到所述刚性支撑平台内，并与所述刚性支撑平台连接，用于增加所述刚性支撑平台的薄弱局部的刚度，所述薄弱局部是因加工所述次柔性铰链组而产生的；

第一转动部件与滑动部件构成转动滑动运动副；

所述转动滑动运动副与第一单自由度运动平台中的核心运动平台刚性连接，并与第三单自由度运动平台中的基座刚性连接；

第二转动部件与第二单自由度运动平台中的核心运动平台刚性连接，并与第三单自由度运动平台中的基座刚性连接。

2.根据权利要求1所述的多自由度大行程高精度运动平台，其特征在于：所述多自由度大行程高精度运动平台还包括：第一连接件和第二连接件；

所述转动滑动运动副通过第一连接件与第三单自由度运动平台中的基座刚性连接；

所述第二转动部件通过第二连接件与第三单自由度运动平台中的基座刚性连接。

3.根据权利要求1或2所述的多自由度大行程高精度运动平台，其特征在于：所述第一转动部件、第二转动部件均为交叉滚柱轴环。

4.根据权利要求3所述的多自由度大行程高精度运动平台，其特征在于：所述滑动部件为短直线导轨平台。

5.根据权利要求1所述的多自由度大行程高精度运动平台，其特征在于：每个所述单自由度运动平台均还包括：直线导轨和直线驱动器；刚性支撑平台通过直线导轨与基座构成滑动副连接，核心运动平台与直线驱动器的动子连接，所述直线驱动器的定子部分与所述基座刚性连接；直线驱动器带动所述核心运动平台在主柔性铰链组的刚度约束下产生位移。

6.根据权利要求1或2或4或5所述的多自由度大行程高精度运动平台，其特征在于：第一单自由度运动平台和第二单自由度运动平台都设置在底座上。

7.根据权利要求3所述的多自由度大行程高精度运动平台，其特征在于：第一单自由度运动平台和第二单自由度运动平台都设置在底座上。