CN109531184B - 一种两边调节刚度的刚柔耦合平台及运动平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种两边调节刚度的刚柔耦合平台，所述刚柔耦合平台包括：刚度支撑平台、核心运动平台和连接柔性铰链组；所述刚度支撑平台通过所述连接柔性铰链组与所述核心运动平台连接；所述刚柔耦合运动平台还包括刚度调节机构；所述刚度调节机构包括调节支架、弹簧片和刚度调节件；所述调节支架将所述弹簧片保持在核心运动平台的运动方向上的所述刚度支撑平台与所述核心运动平台之间的空隙中；所述刚度调节件用于改变所述调节支架的位置以所述弹簧片的刚度。本发明能够柔性铰链的刚度，实现了采用一个平台即可适应不同工况。
Description
技术领域
本发明涉及电机驱动技术，更具体的涉及一种两边调节刚度的刚柔耦合平台及运动平台。
背景技术
基于柔性铰链可以有效的解决摩擦死区问题，在不提高成本的前提下，从而大幅度提高定位精度的优点，因此在精密运动平台设计中的应用越来越广泛。其中，在专利《基于应力刚化原理的刚度频率可调一维微动平台》(CN201410214605.0)、专利《一种单驱动刚柔耦合精密运动平台及其实现方法及应用》(CN201610508540.X)及专利《直线电机共定子双驱动宏微一体化高速精密运动一维平台》(CN201410696217.0)等文献中都提到了柔性铰链。但上述柔性铰链平台由于两端悬空，只靠平台两侧的柔性铰链作用，其所能承载的载荷都普遍比较偏小，无法应用于较大载荷的场合。在专利《一种大承载柔性铰链导向机构》(CN20170883865.0)对通常的柔性铰链做了进一步的改进，提出了主柔性铰链组和次柔性铰链组。其分别通过一体化加工出柔性铰链阵列或通过采用高弹性弹簧片作为柔性铰链本体，并进行装配的方式实现柔性铰链的作用。此方法大大增加了柔性铰链平台所能承载的载荷强度，但其缺点也是显而易见的。首先，通过一体化加工的主次柔性铰链组，柔性铰链部分与平台采用相同的材料，一般为铝合金或其它不锈钢材料，由于其材料特性缺陷，无论如何降低应力集中，在高频工作时都将产生疲劳断裂。其次，如果采用高弹性的弹簧片作为柔性铰链主体，并通过装配的方式将核心平台与刚性支撑平台进行连接，虽然解决了疲劳断裂的问题，但由于装配误差不可避免的存在，定会降低平台的整体精度。再者，无论是一体加工柔性铰链组或通过高弹性弹簧片装配成柔性铰链主体都不能调节柔性铰链的刚度，因此不能实现应用一个平台来适应不同工况，这样就无形中增加了成本。
发明内容
本发明提出了一种长寿命无装配误差刚度可调空间柔性铰链，对目前精密运动平台中柔性铰链中存在的一体化加工柔性铰链容易疲劳断裂、采用高弹性弹簧片装配成柔性铰链主体存在装配误差以及不能调节柔性铰链刚度的问题都进行了有效的解决。
本发明结合一体化加工免装配误差和弹片式柔性铰链疲劳寿命长的特点，连接柔性铰链组即次柔性铰链采用一体化加工方法，保证刚性支撑平台与核心运动平台之间无装配误差。端部采用高弹性弹簧片进行装配，提高柔性铰链的刚度和抗非工作方向变形的能力。为了适应不同工作平台对柔性铰链刚度的需求，采用移动支撑进行弹簧片有效长度的调节，从而改变柔性铰链的刚度。具体技术方案如下。
一种两边调节刚度的刚柔耦合平台，所述刚柔耦合平台包括：刚度支撑平台、核心运动平台和连接柔性铰链组；所述刚度支撑平台通过所述连接柔性铰链组与所述核心运动平台连接；所述刚柔耦合运动平台还包括刚度调节机构；所述刚度调节机构包括调节支架、弹簧片和刚度调节件；所述调节支架将所述弹簧片保持在核心运动平台的运动方向上的所述刚度支撑平台与所述核心运动平台之间的空隙中；所述刚度调节件用于改变所述弹簧片的刚度。
进一步，所述刚度调节件包括：支架调节压块和螺杆；所述支架调节压块将所述调节支架压在所述刚度支撑平台；所述螺杆连接所述支架调节压块、所述调节支架压和所述刚度支撑平台；调节所述螺杆的松紧能够调节所述支架调节压块压紧所述调节支架的程度。
进一步，所述调节支架包括上调节支架和下调节支架，所述弹簧片夹持在所述上调节支架和下调节支架之间；所述支架调节压块包括上支架调节压块和下支架调节压块；所述螺杆包括上螺杆和下螺杆；所述上螺杆连接所述上支架调节压块、所述上调节支架和所述刚度支撑平台；通过所述上螺杆的连接，所述上支架调节压块将所述调节支架压于所述刚度支撑平台；所述下螺杆连接所述下支架调节压块、所述下调节支架和所述刚度支撑平台；通过所述下螺杆的连接，所述下支架调节压块将所述下调节支架压于所述刚度支撑平台。
进一步，所述刚度调节件还包括弹簧片压块，所述弹簧片压块将所述弹簧片压在所述核心运动平台上。
进一步，所述刚度调节件还包括：设置在所述核心运动平台侧方的凸台和螺钉；所述螺钉连接所述弹簧片和所述凸台。
进一步，所述刚度调节件包括支架压块、螺母和螺杆；所述支架压块将所述调节支架压在所述刚度支撑平台上；所述螺母与所述调节支架连接；所述螺杆连接螺母与所述核心运动平台；调节所述螺杆的松紧能够改变所述螺母的位置从而带动调节所述调节支架的位置。
进一步，所述调节支架包括上调节支架和下调节支架，所述弹簧片夹持在所述上调节支架和下调节支架之间；所述支架压块包括上支架压块和下支架压块；所述上支架压块将所述上调节支架压在所述刚度支撑平台上，所述下支架压块将所述下调节支架压在所述刚度支撑平台上；所述螺母包括上螺母和下螺母，所述上螺母位于所述核心运动平台的上方，所述下螺母位于所述核心运动平台的下方；所述上螺母与所述上调节支架连接，所述下螺母与所述下调节支架连接；所述上螺母为左旋螺母，所述下螺母为右旋螺母；所述螺杆为双向螺杆；所述螺杆穿过所述核心运动平台连接所述上螺母和下螺母。
进一步，所述刚度调节件还包括：设置在所述核心运动平台侧方的凸台和螺钉；所述螺钉连接所述弹簧片和所述凸台。
进一步，所述刚度调节件还包括弹簧片压块，所述弹簧片压块将所述弹簧片压在所述核心运动平台上。
进一步，所述刚度调节机构在所述刚柔耦合运动平台前后端对称布置。
一种精密运动平台，其特征在于，所述精密运动平台包括机座、固定在所述机座上的直线导轨、导轨滑块、前述的刚柔耦合运动平台、直线驱动器、位移传感器；所述刚柔耦合运动平台中的核心运动平台与所述直线驱动器连接，所述刚性框架通过所述导轨滑块与所述直线导轨连接；所述位移传感器与所述核心运动平台连接，用于测量所述核心运动平台在运动方向上的位移。
与现有技术相比，有益效果是：
1.平台主体是一体化加工完成，由连接柔性铰链组连接核心运动平台和刚性支撑平台，避免了核心运动平台与刚性支撑平台之间因装配产生的误差。
2.平台端部采用高弹性弹簧片组成主柔性铰链，提高柔性铰链的刚度和抗非工作方向变形的能力。有效解决了因平台材料特性限制，所产生的疲劳断裂问题。
3.通过改变调节机构中调节支架的支撑位置从而改变由弹簧片构成的主柔性铰链的有效工作长度，进而改变主柔性铰链的刚度，实现了采用一个平台即可适应不同工况。
附图说明
图1是实施例一整体示意图。
图2是实施例一中平台主体示意图。
图3是实施例一***示意图。
图4是实施例一中平台主体与刚度调节机构安装处的轴测图。
图5是图4的局部放大图
图6是实施例一的精密运动平台示意图。
图7是实施例二整体示意图。
图8实施例二中平台主体示意图。
图9是实施例二***示意图。
图10是实施例二中平台主体与刚度调节机构安装处的剖视图。
图11是图10的局部放大图。
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。
实施例一
如图1所示，其中A1为刚柔耦合运动平台，A2为刚度调节机构，在平台前后端对称布置。其中平台主体A1为一体式加工，平台主体A1是由图2中核心运动平台A101，刚度支撑平台A102，连接柔性铰链组A103组成。刚度调节机构A2是由图3-5中调节支架A201、支架调节压块A202、高弹性弹簧片A203、弹簧片压块A204组成。高弹性弹簧片A203放置在调节支架A201中，调节支架A201通过支架调节压块A202与螺杆的配合可调节地固定于刚度支撑平台A102上，弹簧片压块A204将高弹性弹簧片A203压紧在核心运动平台A101上。
如图3-5所示，刚度调节机构A2安装在核心运动平台A101和刚度支撑平台A102之间一起组成了主柔性铰链即刚度可调的空间柔性铰链。通过改变刚度调节机构A2中调节支架A201的位置，来改变高弹性弹簧片A203的有效长度，即改变了作为主柔性铰链的高弹性弹簧片A203的刚度。连接柔性铰链组A103起到连接核心运动平台A101与刚度支撑平台A102的作用，保证二者一体式加工完成，避免核心运动平台A101与刚度支撑平台A102之间产生装配误差。主柔性铰工作部分采用高弹性弹簧片A203，避免因平台材料本身疲劳寿命短而产生的疲劳断裂问题。驱动器安装在核心运动平台A101底部，驱动整个平台运动。
当然，附图中调节支架A201呈上下对称设计是最佳的实施方式，而在实际的工作中，只要能够实现改变高弹性弹簧片A203的长度，可以根据实际需要设置调节支架A201的数量与位置，例如只设置一个上调节支架或下调节支架。
如图6所示，可以将上述刚柔耦合运动平台设置在精密运动平台上，该精密运动平台包括机座A05、固定在所述机座上的直线导轨A04、导轨滑块A06、直线驱动器和位移传感器；上述刚柔耦合运动平台中的核心运动平台A101与直线驱动器连接，刚度支撑平台A102通过导轨滑块A06与直线导轨A04连接；所述位移传感器与核心运动平台A101连接，用于测量所述核心运动平台在运动方向上的位移。
实施例二
如图7所示，其中B1为刚柔耦合平台，B2为刚度调节机构，在平台前后端对称布置。其中平台主体B1为一体式加工，平台主体B1是由图10中核心运动平台B101，刚度支撑平台B102，连接柔性铰链组B103组成。刚度调节机构B2是由图11中调节支架B201、支架调节压块B202、高弹性弹簧片B203、弹簧片压块B204、双向螺杆B205、左旋螺母B206、右旋螺母B207组成。
如图9-11所示，高弹性弹簧片B203被夹在调节支架B201中，弹簧片压块B204将高弹性弹簧片B203固定在核心运动平台B101的侧边的凸台上。支架调节压块B202将调节支架B201压紧在刚度支撑平台B102。左旋螺母B206和右旋螺母B207分别安装在上下两个调节支架B201中。双向螺杆B205与左旋螺母B206和右旋螺母B207配合。
刚度调节机构B2安装在核心运动平台B101和刚度支撑平台B102之间一起组成了主柔性铰链即刚度可调的空间柔性铰链。左旋螺母B206和右旋螺母B207分别安装在上下两个调节支架B201中。当调节双向螺杆B205时，通过左旋螺母B206和右旋螺母B207即调节上下两个调节支架B201同向靠近或异向远离。通过改变刚度调节机构B2中调节支架B201的位置，来改变高弹性弹簧片B203的有效长度，即改变了主柔性铰链的刚度。连接柔性铰链组B103起到连接核心运动平台B101与刚度支撑平台B102的作用，保证二者一体式加工完成，避免了核心运动平台B101与刚度支撑平台B102之间产生装配误差。主柔性铰工作部分采用高弹性弹簧片B203，避免因平台材料本身疲劳寿命短而产生的疲劳断裂问题。驱动器安装在核心运动平台B101底部，驱动整个平台运动。
当然，附图中调节支架B201呈上下对称设计是最佳的实施方式，而在实际的工作中，只要能够实现改变高弹性弹簧片A203的长度，可以根据实际需要设置调节支架B201的数量与位置，例如只设置一个上调节支架或下调节支架。此时，螺杆只连接上螺母与核心运动平台，调节旋转螺杆也能够改变螺母的位置，从而带动改变调节支架的位置。
实施例二与实施例一的区别在于刚度调节支架A2与B2调节方式的不同。其中A2是通过手动改变调节支架A201的位置，从而改变主柔性铰链的刚度。B2是通过旋转双向螺杆B205，来改变调节支架B201的位置，从而改变主柔性铰链的刚度。实施例一的优点在于加工安装简单，可用于对于刚度调节不频繁的场合。实施例二的优点在于调节方便，但加工安装比实施例一略微复杂，可用于经常需要刚度调节的场合。
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 (8)
1.一种两边调节刚度的刚柔耦合平台，所述刚柔耦合平台包括：刚度支撑平台、核心运动平台和连接柔性铰链组；
所述刚度支撑平台通过所述连接柔性铰链组与所述核心运动平台连接；
其特征在于，所述刚柔耦合平台还包括刚度调节机构；
所述刚度调节机构包括调节支架、弹簧片和刚度调节件；
所述调节支架将所述弹簧片保持在核心运动平台的运动方向上的所述刚度支撑平台与所述核心运动平台之间的空隙中；
所述刚度调节件用于改变所述调节支架的位置从而改变所述弹簧片的刚度；
所述刚度调节件包括：支架调节压块和螺杆；
所述螺杆连接所述支架调节压块、所述调节支架和所述刚度支撑平台；
通过所述螺杆的连接，所述支架调节压块将所述调节支架压于所述刚度支撑平台；
调节所述螺杆的松紧能够调节所述支架调节压块压紧所述调节支架的程度；
所述调节支架包括上调节支架和下调节支架，所述弹簧片夹持在所述上调节支架和下调节支架之间；
所述支架调节压块包括上支架调节压块和下支架调节压块；
所述螺杆包括上螺杆和下螺杆；
所述上螺杆连接所述上支架调节压块、所述上调节支架和所述刚度支撑平台；
通过所述上螺杆的连接，所述上支架调节压块将所述调节支架压于所述刚度支撑平台；
所述下螺杆连接所述下支架调节压块、所述下调节支架和所述刚度支撑平台；
通过所述下螺杆的连接，所述下支架调节压块将所述下调节支架压于所述刚度支撑平台。
2.根据权利要求1所述的刚柔耦合平台，其特征在于，所述刚度调节件还包括弹簧片压块，所述弹簧片压块将所述弹簧片压在所述核心运动平台上。
3.根据权利要求1或2所述的刚柔耦合平台，其特征在于，所述刚度调节机构在所述刚柔耦合运动前后端对称布置。
4.一种两边调节刚度的刚柔耦合平台，所述刚柔耦合平台包括：刚度支撑平台、核心运动平台和连接柔性铰链组；
所述刚度支撑平台通过所述连接柔性铰链组与所述核心运动平台连接；
其特征在于，所述刚柔耦合平台还包括刚度调节机构；
所述刚度调节机构包括调节支架、弹簧片和刚度调节件；
所述调节支架将所述弹簧片保持在核心运动平台的运动方向上的所述刚度支撑平台与所述核心运动平台之间的空隙中；
所述刚度调节件用于改变所述调节支架的位置从而改变所述弹簧片的刚度；
所述刚度调节件包括支架压块、螺母和螺杆；
所述支架压块将所述调节支架压在所述刚度支撑平台上；
所述螺母与所述调节支架连接；
所述螺杆连接螺母与所述核心运动平台；
转动所述螺杆能够改变所述螺母的位置从而带动调节所述调节支架的位置；
所述调节支架包括上调节支架和下调节支架，所述弹簧片夹持在所述上调节支架和下调节支架之间；
所述支架压块包括上支架压块和下支架压块；
所述上支架压块将所述上调节支架压在所述刚度支撑平台上，所述下支架压块将所述下调节支架压在所述刚度支撑平台上；
所述螺母包括上螺母和下螺母，所述上螺母位于所述核心运动平台的上方，所述下螺母位于所述核心运动平台的下方；
所述上螺母与所述上调节支架连接，所述下螺母与所述下调节支架连接；
所述上螺母为左旋螺母，所述下螺母为右旋螺母；
所述螺杆为双向螺杆；
所述螺杆穿过所述核心运动平台连接所述上螺母和下螺母。
5.根据权利要求4的刚柔耦合运动平台，其特征在于，所述刚度调节件还包括：设置在所述核心运动平台侧方的凸台和螺钉；
所述螺钉连接所述弹簧片和所述凸台。
6.根据权利要求4所述的刚柔耦合平台，其特征在于，所述刚度调节件还包括弹簧片压块，所述弹簧片压块将所述弹簧片压在所述核心运动平台上。
7.根据权利要求4-6中任一项所述的刚柔耦合平台，其特征在于，所述刚度调节机构在所述刚柔耦合运动前后端对称布置。
8.一种精密运动平台，其特征在于，所述精密运动平台包括机座、固定在所述机座上的直线导轨、导轨滑块、权利要求1-7任一项所述的刚柔耦合平台、直线驱动器、位移传感器；
所述刚柔耦合平台中的核心运动平台与所述直线驱动器连接，所述刚度支撑平台通过所述导轨滑块与所述直线导轨连接；
所述位移传感器与所述核心运动平台连接，用于测量所述核心运动平台在运动方向上的位移。
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