CN111075831B - 一种滚珠丝杠驱动的一体式多自由度刚柔耦合运动平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种滚珠丝杠驱动的一体式多自由度刚柔耦合运动平台，包括X轴框架和第一柔性铰链平台，X轴框架外接Y轴框架的Y轴驱动装置的动力输出端连接，第一柔性铰链平台的X轴方向的侧面通过柔性铰链连接于框架上，第一柔性铰链平台的Y轴方向的侧面通过弹簧片式柔性铰链安装于X轴框架上；第一柔性铰链平台设于Y轴的每一条导轨上，隔离导轨摩擦的影响。本发明的X轴框架与X方向平台基座采用一体式加工制造，其余的平台组件直接安装在X方向平台基座上，采用一体式二自由度平台结构，避免了两层叠加的结构，不仅节省了材料成本，还降低了整个平台的重心。
Description
技术领域
本发明涉及一种运动平台，尤其是指一种滚珠丝杠驱动的一体式多自由度刚柔耦合运动平台。
背景技术
现有的滚珠丝杠驱动平台大部分为高刚性平台，在最终定位的时候因为摩擦死区的存在会导致其精度受限。然而，随着科技发展，平台设备的精度要求越来越高，要求达到亚微米级甚至纳米级，传统的滚珠丝杠驱动的高刚性平台难以实现。
图1为现有平台基座，如图1所示，刚性框架(105)与第一柔性铰链平台(106)通过复合柔性铰链(107)共同构成了刚柔耦合运动平台。伺服电机(101)连接驱动滚珠丝杠(103)。滚珠丝杠(103)通过螺母与刚柔耦合运动平台中第一柔性铰链平台(106)相连，刚柔耦合运动平台中的刚性框架(105)通过滑块与直线导轨(104)相连，与平台基座(102)构成滑动副连接。
图2为现有的滚珠丝杠驱动的二自由度刚柔耦合运动平台，XY方向的运动通过两个可单轴运动的平台上下叠加实现。如图2所示，Y方向的运动平台基座(204)与X方向的第一柔性铰链平台(206)连接。X方向的伺服电机(201)通过滚珠丝杠(205)传动带动X方向的第一柔性铰链平台(206)产生X方向的运动，而X方向的第一柔性铰链平台(206)将带动Y方向的运动平台基座(204)一起产生X方向的运动。Y方向的伺服电机(203)通过滚珠丝杠(207)传动带动Y方向的第一柔性铰链平台(208)产生Y方向的运动，以此完成XY方向的二自由度运动。这种两层叠加的结构存在以下缺点：1、耗材大，成本高。Y方向的运动平台基座会产生多余的耗材，额外的成本，不利于产业化。2、重心高。Y方向的运动平台基座将Y方向的刚柔耦合平台在Z轴方向提升了一定高度，其重心被提高了，工作过程中容易导致倾翻。3、X方向的第一柔性铰链平台作为承重部件，需要承受Y方向的运动平台基座的质量，因此X方向的第一柔性铰链平台承载刚度的要求非常高，其柔性铰链会产生非工作方向的变形，极其容易产生疲劳寿命问题，工作可靠度不高。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供滚珠丝杠驱动的一体式多自由度刚柔耦合运动平台。本结构的第一柔性铰链平台采用一体式柔性铰链和弹簧片式柔性铰链与X轴框架相连，既保证了无装配误差，又保证了疲劳寿命，且柔性铰链的弹簧片的刚度可通过弹簧片的有效长度来调节，增大了平台的应用范围。
本发明的目的可采用以下技术方案来达到：
一种滚珠丝杠驱动的一体式多自由度刚柔耦合运动平台，包括X轴框架和第一柔性铰链平台，所述X轴框架外接Y轴框架的Y轴驱动装置的动力输出端，Y轴驱动装置驱动X轴框架沿Y轴方向滑动，所述第一柔性铰链平台的X轴方向的侧面通过柔性铰链连接于X轴框架上，所述第一柔性铰链平台的Y轴方向的侧面通过弹簧片式柔性铰链安装于X轴框架上；所述第一柔性铰链平台设于Y轴方向的每一条导轨上，隔离导轨摩擦的影响；所述第一柔性铰链平台通过导向机构安装于Y轴框架上。
作为一优选的方案，所述弹簧片式柔性铰链的两端固定安装于X轴框架上，所述第一柔性铰链平台的Y轴方向的侧面与弹簧片式柔性铰链的中部连接。
作为一优选的方案，所述第一柔性铰链平台的Y轴方向的侧面通过压块与弹簧片式柔性铰链连接。
作为一优选的方案，所述导向机构包括直线导轨和可滑动安装于直线导轨上的滑块，所述直线导轨固定安装于Y轴框架上，所述滑块与所述第一柔性铰链平台固定连接。
作为一优选的方案，所述Y轴驱动装置包括伺服电机、滚珠丝杠和传动连接于滚珠丝杠上的螺母，所述滚珠丝杠可旋转安装于Y轴框架上，所述螺母与所述X轴框架固定连接，所述伺服电机固定安装于Y轴框架上，且伺服电机的转轴与滚珠丝杠固定连接。
进一步地，所述X轴框架上设有Y轴刚柔耦合运动平台，Y轴刚柔耦合运动平台包括X轴驱动装置、基架、第二柔性铰链平台和至少两组第二弹簧片式柔性铰链，每组第二弹簧片式柔性铰链分别设于基架的两个相对的侧面上；所述第二柔性铰链平台套设于基架的凹槽内，且第二柔性铰链平台不与基架接触；所述第二柔性铰链平台的两侧面与第二弹簧片式柔性铰链固定连接，所述第二柔性铰链平台与X轴驱动装置的动力输出端连接，所述第二弹簧片式柔性铰链的主工作方向为第二柔性铰链平台的位移方向。
作为一优选的方案，所述基架的侧面上开有切口，所述第二弹簧片式柔性铰链覆盖且固定在切口上，所述第二柔性铰链平台的侧面上设有凸起，所述凸起伸入切口内且与第二弹簧片式柔性铰链固定连接。
作为一优选的方案，所述第二弹簧片式柔性铰链的上表面通过上压块和下压块连接于基架上，所述第二柔性铰链平台通过中压块连接于第二弹簧片式柔性铰链，所述中压块设于上压块和下压块之间。
作为一优选的方案，所述基架的内底面开有开口，所述X轴驱动装置的动力输出端通过开口与所述第二柔性铰链平台的底面固定连接。
作为一优选的方案，所述X轴驱动装置包括滚珠丝杠、螺母和固定安装于X轴框架上的伺服电机，所述滚珠丝杠可旋转安装于X轴框架上，所述螺母与滚珠丝杠传动连接，伺服电机的转轴与滚珠丝杠固定连接；
作为一优选的方案，所述基架的底端固定安装有滑块，所述X轴框架上设有直线导轨，所述滑块可滑动安装于直线导轨上。
实施本发明，具有如下有益效果：
1、本发明的第一柔性铰链平台的X轴方向的两侧面采用一体式柔性铰链与X轴框架相连，而第一柔性铰链的Y轴方向的两侧面则采用弹簧片式柔性铰链与X轴框架相连，形面夹心式柔性铰链结构。该结构既保证了无装配误差，又保证了疲劳寿命，且弹簧片式柔性铰链的刚度可通过弹簧片的有效长度调节，增大了平台的应用范围。
2、本发明在平台运动过程中，滚珠Y轴驱动装置带动X轴框架产生运动，使一体式柔性铰链和弹簧片式柔性铰链产生弹性形变，进而带动第一柔性铰链平台与滑块在直线导轨上做大行程直线运动。并且可以通过更换不同长度的压块调节第一柔性铰链平台的有效长度进而调节弹簧片式柔性铰链的刚度，使平台可以满足不同工况下的使用要求。
3、本发明的Y轴方向平台基座，采用新的刚柔耦合运动平台结构，将Y轴框架变为承重部件，保证第一柔性铰链平台的承载刚度不会超过其极限，防止柔性铰链产生非工作方向变形，增加其工作可靠度。
4、本发明的X方向平台基座，其X轴框架与X方向平台基座采用一体式加工制造，其余的平台组件直接安装在X方向平台基座上，采用一体式二自由度平台结构，避免了两层叠加的结构，不仅节省了材料成本，还降低了整个平台的重心。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有平台基座图，
图2为现有的滚珠丝杠驱动的二自由度刚柔耦合运动平台图，
图3为X方向的刚柔耦合运动平台整体示意图，
图4为X方向的刚柔耦合运动平台的轴侧剖视图及局部放大图，
图5为X方向的刚柔耦合运动平台的装配体正视图及仰视图，
图6为图5的仰视图。
图7为新型平台基座示意图，
图8为新型平台基座***示意图，
图9为新型的滚珠丝杠驱动的二自由度刚柔耦合运动平台示意图，
图10为新型的滚珠丝杠驱动的二自由度刚柔耦合运动平台***示意图。
图11为Y轴刚柔耦合运动平台的结构示意图。
图12为Y轴刚柔耦合运动平台的***示意图。
图13为Y轴刚柔耦合运动平台的轴侧剖视图及局部放大图。
图14为Y轴刚柔耦合运动平台的装配体前剖视图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
实施例
参照图3至图10，本实施例涉及滚珠丝杠驱动的一体式多自由度刚柔耦合运动平台，包括X轴框架1和第一柔性铰链平台2，所述X轴框架1外接Y轴框架3的Y轴驱动装置31的动力输出端，Y轴驱动装置31驱动X轴框架1沿Y轴方向滑动，所述第一柔性铰链平台2的X轴方向的侧面通过柔性铰链4连接于X轴框架1上，所述第一柔性铰链平台2的Y轴方向的侧面通过弹簧片式柔性铰链5安装于X轴框架1上；所述第一柔性铰链平台2设于Y轴的导向机构的每一条导轨上，隔离导轨摩擦的影响；所述第一柔性铰链平台2通过导向机构6安装于Y轴框架3上。
第一柔性铰链平台2同时采用一体式柔性铰链4与弹簧片式柔性铰链。一体式柔性铰链4由对称布置在第一柔性铰链平台2两侧的柔性铰链4阵列组成。弹簧片式柔性铰链通过螺钉等装配在第一柔性铰链平台2与X轴框架1之间。第一柔性铰链平台2分成两个单独的部分，且对称布置在Y轴框架3两端的导向机构6上，从左至右形成“X轴框架1-第一柔性铰链平台2-X轴框架1-第一柔性铰链平台2-X轴框架1”的结构。
本发明的第一柔性铰链平台2的X轴方向的两侧面采用一体式柔性铰链4与X轴框架1相连，而第一柔性铰链的Y轴方向的两侧面则采用弹簧片式柔性铰链5与X轴框架1相连，形成夹心式柔性铰链结构。该结构既保证了无装配误差，又保证了疲劳寿命，且弹簧片式柔性铰链5的刚度可通过弹簧片的有效长度调节，增大了平台的应用范围。
所述弹簧片式柔性铰链5的两端固定安装于X轴框架1上，所述第一柔性铰链平台2的Y轴方向的侧面与弹簧片式柔性铰链5的中部连接。所述导向机构6包括直线导轨61和可滑动安装于直线导轨61上的滑块62，所述直线导轨61固定安装于Y轴框架3上，所述滑块62与所述第一柔性铰链平台2固定连接。在平台运动过程中，滚珠Y轴驱动装置31带动X轴框架1产生运动，使一体式柔性铰链4和弹簧片式柔性铰链5产生弹性形变，进而带动第一柔性铰链平台2与滑块在直线导轨61上做大行程直线运动。
所述第一柔性铰链平台2的Y轴方向的侧面通过压块7与弹簧片式柔性铰链5连接。本结构可以通过更换不同长度的压块7调节第一柔性铰链平台2的有效长度进而调节弹簧片式柔性铰链5的刚度，使平台可以满足不同工况下的使用要求。
所述Y轴驱动装置31包括伺服电机311、滚珠丝杠312和传动连接于滚珠丝杠上的螺母313，所述滚珠丝杠312可旋转安装于Y轴框架3上，所述螺母313与所述X轴框架1固定连接，所述伺服电机311固定安装于Y轴框架3上，且伺服电机311的转轴通过联轴器310与滚珠丝杠312固定连接。伺服电机311驱动滚珠丝杠312而带动螺母313滑动，进而在导向机构6的导向作用下驱动X轴框架1滑动。
如图11至图14所示，所述X轴框架1上设有Y轴刚柔耦合运动平台8，Y轴刚柔耦合运动平台8包括X轴驱动装置81、基架82、第二柔性铰链平台83和至少两组长寿命第二弹簧片式柔性铰链84，每组长寿命第二弹簧片式柔性铰链84分别设于基架82的两个相对的侧面上；所述第二柔性铰链平台83套设于基架82的凹槽821内，且第二柔性铰链平台83不与基架82接触；所述第二柔性铰链平台83的两侧面与长寿命第二弹簧片式柔性铰链84固定连接，所述第二柔性铰链平台83与X轴驱动装置81的动力输出端连接，所述长寿命第二弹簧片式柔性铰链84的主工作方向为第二柔性铰链平台83的位移方向。
本实施例的长寿命第二弹簧片式柔性铰链84设置为三组。三组长寿命第二弹簧片式柔性铰链84分别被安装在基架82的侧面上，而第二柔性铰链平台83的侧面与长寿命第二弹簧片式柔性铰链84连接，使第二柔性铰链平台83被悬空套设于基架82内，实现基架82与第二柔性铰链平台83的装配。在需要调节柔性铰链刚度时，只需要将设于基架82外部的长寿命第二弹簧片式柔性铰链84更换成不同厚度即可，无需拆卸下整个平台，更换简单、方便、快速和灵活，巧妙地解决了这个调节刚度较繁琐的问题。此外，将长寿命第二弹簧片式柔性铰链84设为三组且设置在框架的外部，这样的结构有以下3个优点：
1.在调节柔性铰链的刚度时，一组一组更换，可以保证原本的装配关系。如果只有一组，更换的时候原本的装配关系就被破坏了。
2.这三组可以分别采用不同厚度的弹簧片，通过不同厚度的弹簧片排列组合可以适应多种多样的工作场合。如果只有一组，则需要配备大量不同厚度的弹簧片，不仅增加成本，而且难以适应各种各样的工况。
3.此外，当三组弹簧片分别采用不同厚度的弹簧片，可以根据需要改变弹簧力的分布，以实现最佳的工作装配情况。如果只有一组，则无法实现。
本发明的基架82与第二柔性铰链平台83分别加工，不采用一体式加工的柔性铰链结构，这样既保证了柔性铰链的疲劳寿命，又增大了第二柔性铰链平台83的可工作面积。且两端的长寿命第二弹簧片式柔性铰链84的刚度可通过更换不同厚度的外部弹簧片进行调节，不仅增大了平台的应用范围，而且调节时十分便捷，提高了工业生产的效率。
所述基架82的侧面上开有切口822，所述长寿命第垢弹簧片式柔性铰链84覆盖且固定在切口822上，所述第二柔性铰链平台83的侧面上设有凸起831，所述凸起831伸入切口822内且与长寿命第二弹簧片式柔性铰链84固定连接。
凸起831穿过切口822后既能与长寿命第二弹簧片式柔性铰链84连接，实现第二柔性铰链平台83与长寿命第二弹簧片式柔性铰链84的连接，保证第二柔性铰链平台83被悬空套设在基架82内，同时又能实现将长寿命第二弹簧片式柔性铰链84安装到基架82上，方便长寿命第二弹簧片式柔性铰链84的更换，无需拆卸下整个平台，更换简单、方便、快速和灵活。
所述长寿命第二弹簧片式柔性铰链84的上表面通过上压块841和下压块843连接于基架82上，所述第二柔性铰链平台83通过中压块842连接于长寿命第二弹簧片式柔性铰链84，所述中压块842设于上压块841和下压块843之间。
在安装时，通过上、中和下三组弹簧片压块，将长寿命第二弹簧片式柔性铰链84分为左、中和右三组安装在基架82的两个相对侧面上并将第二柔性铰链平台83连接。上、下两组弹簧片压块将弹簧片固定在基架82两端外部，中间的一组弹簧片压块将长寿命第二弹簧片式柔性铰链84、第二柔性铰链平台83与基架82连接在一起，实现装配关系，方便长寿命第二弹簧片式柔性铰链84的安装、更换和调节。
所述切口822的上端固定安装有压边封条板823，所述长寿命第二弹簧片式柔性铰链84的上部通过上压块841与压边封条板823固定连接，长寿命第二弹簧片式柔性铰链84的下部通过下压块843与基架82固定连接，长寿命第二弹簧片式柔性铰链84的中部通过中压块842与第二柔性铰链平台83的凸起831固定连接。
所述基架82的内底面开有开口824，所述X轴驱动装置81的动力输出端通过开口824与所述第二柔性铰链平台83的底面固定连接。所述X轴驱动装置81包括滚珠丝杠811、螺母812和固定安装于X轴框架1上的伺服电机813，所述滚珠丝杠811可旋转安装于X轴框架1上，所述螺母812与滚珠丝杠811传动连接，伺服电机813的转轴通过联轴器810与滚珠丝杠811固定连接；所述基架82的底端固定安装有滑块814，所述X轴框架1上设有直线导轨815，所述滑块814可滑动安装于直线导轨815上。
基架82的底端通过滑块814与直线导轨815连接，并与X轴框架1一起构成滑动副连接。所述直线导轨815与所述X轴框架1通过螺纹连接等刚性连接方式相互固定。所述第二柔性铰链平台83通过所述开口824与滚珠丝杠811的螺母812连接。螺母812由所述伺服电机813带动所述滚珠丝杠811进行驱动，施加驱动力作用于所述第二柔性铰链平台83，带动所述长寿命第二弹簧片式柔性铰链84发生弹性变形，实现所述基架82与所述滑块814在所述直线导轨815上的定向位移。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。
综上所述，本发明所提出的一种滚珠丝杠驱动的一体式多自由度刚柔耦合运动平台的主要优点有：
1.各个滚珠丝杠驱动的单自由度刚柔耦合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。
2.底层的平台，Y轴方向平台基座，采用新的刚柔耦合运动平台结构，将Y轴框架3变为承重部件，保证第一柔性铰链平台2的承载刚度不会超过其极限，防止柔性铰链产生非工作方向变形，增加其工作可靠度。
3.上层的平台，X方向平台基座，其X轴框架1与X方向平台基座采用一体式加工制造，其余的平台组件直接安装在X方向平台基座上，采用一体式二自由度平台结构，避免了两层叠加的结构，不仅节省了材料成本，还降低了整个平台的重心。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (8)
1.一种滚珠丝杠驱动的一体式多自由度刚柔耦合运动平台，其特征在于，包括X轴框架和第一柔性铰链平台，所述X轴框架外接Y轴框架的Y轴驱动装置的动力输出端，Y轴驱动装置驱动X轴框架沿Y轴方向滑动，所述第一柔性铰链平台的X轴方向的侧面通过柔性铰链连接于X轴框架上，所述第一柔性铰链平台的Y轴方向的侧面通过弹簧片式柔性铰链安装于X轴框架上；所述第一柔性铰链平台设于Y轴方向的每一条导轨上，隔离导轨摩擦的影响；所述第一柔性铰链平台通过导向机构安装于Y轴框架上；
所述X轴框架上设有Y轴刚柔耦合运动平台，Y轴刚柔耦合运动平台包括X轴驱动装置、基架、第二柔性铰链平台和至少两组第二弹簧片式柔性铰链，每组第二弹簧片式柔性铰链分别设于基架的两个相对的侧面上；所述第二柔性铰链平台套设于基架的凹槽内，且第二柔性铰链平台不与基架接触；所述第二柔性铰链平台的两侧面与第二弹簧片式柔性铰链固定连接，所述第二柔性铰链平台与X轴驱动装置的动力输出端连接，所述第二弹簧片式柔性铰链的主工作方向为第二柔性铰链平台的位移方向；
所述基架的侧面上开有切口，所述第二弹簧片式柔性铰链覆盖且固定在切口上，所述第二柔性铰链平台的侧面上设有凸起，所述凸起伸入切口内且与第二弹簧片式柔性铰链固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种滚珠丝杠驱动的一体式多自由度刚柔耦合运动平台，其特征在于，所述弹簧片式柔性铰链的两端固定安装于X轴框架上，所述第一柔性铰链平台的Y轴方向的侧面与弹簧片式柔性铰链的中部连接。
3.根据权利要求2所述的一种滚珠丝杠驱动的一体式多自由度刚柔耦合运动平台，其特征在于，所述第一柔性铰链平台的Y轴方向的侧面通过压块与弹簧片式柔性铰链连接。
4.根据权利要求1所述的一种滚珠丝杠驱动的一体式多自由度刚柔耦合运动平台，其特征在于，所述导向机构包括直线导轨和可滑动安装于直线导轨上的滑块，所述直线导轨固定安装于Y轴框架上，所述滑块与所述第一柔性铰链平台固定连接。
5.根据权利要求1所述的一种滚珠丝杠驱动的一体式多自由度刚柔耦合运动平台，其特征在于，所述Y轴驱动装置包括伺服电机、滚珠丝杠和传动连接于滚珠丝杠上的螺母，所述滚珠丝杠可旋转安装于Y轴框架上，所述螺母与所述X轴框架固定连接，所述伺服电机固定安装于Y轴框架上，且伺服电机的转轴与滚珠丝杠固定连接。
6.根据权利要求1所述的一种滚珠丝杠驱动的一体式多自由度刚柔耦合运动平台，其特征在于，所述第二弹簧片式柔性铰链的上表面通过上压块和下压块连接于基架上，所述第二柔性铰链平台通过中压块连接于第二弹簧片式柔性铰链，所述中压块设于上压块和下压块之间。
7.根据权利要求1所述的一种滚珠丝杠驱动的一体式多自由度刚柔耦合运动平台，其特征在于，所述基架的内底面开有开口，所述X轴驱动装置的动力输出端通过开口与所述第二柔性铰链平台的底面固定连接。
8.根据权利要求1所述的一种滚珠丝杠驱动的一体式多自由度刚柔耦合运动平台，其特征在于，所述X轴驱动装置包括滚珠丝杠、螺母和固定安装于X轴框架上的伺服电机，所述滚珠丝杠可旋转安装于X轴框架上，所述螺母与滚珠丝杠传动连接，伺服电机的转轴与滚珠丝杠固定连接；所述基架的底端固定安装有滑块，所述X轴框架上设有直线导轨，所述滑块可滑动安装于直线导轨上。
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