一種高精度柔性冗余平臺(tái)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及一種柔性平臺(tái)，具體涉及一種高精度柔性冗余平臺(tái)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著微電子制造技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)工程、光學(xué)技術(shù)、航空航天技術(shù)的深入發(fā)展，對(duì)高精度的指向系統(tǒng)提出了更高的要求。傳統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)大多由剛性運(yùn)動(dòng)構(gòu)建通過運(yùn)動(dòng)副的形式組建而成，不可避免的存在著摩擦、磨損、蠕變等缺點(diǎn)。為了解決這些問題，在現(xiàn)代高精度指向系統(tǒng)中，多采用柔性關(guān)節(jié)來替代剛性運(yùn)動(dòng)副。柔性關(guān)節(jié)依靠材料自身的彈性變形來傳遞運(yùn)動(dòng)，一體化的結(jié)構(gòu)可以消除間隙，因而可以達(dá)到很高的運(yùn)動(dòng)精度和分辨率。壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)分辨率可達(dá)納米甚至亞納米級(jí)，并且具有響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、無機(jī)械摩擦、無間隙、出力大、剛度大、控制方便等優(yōu)點(diǎn)，并可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)置微位移傳感器，從而完成驅(qū)動(dòng)端的閉環(huán)控制，是微動(dòng)機(jī)構(gòu)的理想驅(qū)動(dòng)元件。由于柔性關(guān)節(jié)的剛度較低，因而采用這類關(guān)節(jié)搭建的柔性平臺(tái)的抗干擾能力較差(如發(fā)明專利CN 103343867公布的一種二維柔性平臺(tái))。冗余機(jī)構(gòu)是一種驅(qū)動(dòng)器的數(shù)目多于機(jī)構(gòu)所具有的自由度的數(shù)目的機(jī)構(gòu)。冗余機(jī)構(gòu)具有提高機(jī)構(gòu)剛度、避免奇異、擴(kuò)大工作空間、承載能力強(qiáng)以及較優(yōu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)性能等優(yōu)點(diǎn)。采用柔性關(guān)節(jié)構(gòu)建冗余機(jī)構(gòu)并采用壓電陶瓷來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)高精度、高剛度、高響應(yīng)速度和高可靠性的運(yùn)動(dòng)，獲得較優(yōu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種高精度柔性冗余平臺(tái)。解決傳統(tǒng)剛性偏轉(zhuǎn)平臺(tái)存在間隙以及柔性平臺(tái)抗干擾能力差等問題，保證運(yùn)動(dòng)的精度和可靠性。
[0004]本發(fā)明為解決上述問題而采用的技術(shù)方案是:它包括機(jī)構(gòu)主體、一組壓電陶瓷組件和底座，所述機(jī)構(gòu)主體包括主體端板、主體框體和主體筒體，一組壓電陶瓷組件包括四個(gè)壓電陶瓷件，主體端板為正方體，主體框體為正方形框體，主體筒體為圓形筒體，底座為圓柱體，每個(gè)壓電陶瓷件的外殼體為圓形，且壓電陶瓷件的外殼的底端加工有螺紋孔，主體框體固定套裝在主體筒體上，主體端板的下端面固定安裝在主體筒體的上端面上，位于主體端板和主體框體之間主體筒體的側(cè)壁上沿徑向加工有兩組通孔，且兩組通孔由上至下交錯(cuò)設(shè)置，主體筒體靠近底端的內(nèi)側(cè)壁加工有環(huán)形固定板，且環(huán)形固定板沿徑向均布加工有四個(gè)螺紋孔，底座的上端面由上至下依次加工有第一凸臺(tái)和第二凸臺(tái)，第一凸臺(tái)的上端面上沿徑向加工四個(gè)圓形凹槽，且四個(gè)圓形凹槽連通，每個(gè)圓形凹槽的底端加工有螺紋孔，每個(gè)圓形凹槽內(nèi)豎直固定安裝有一個(gè)壓電陶瓷件，每個(gè)圓形凹槽底端的螺紋孔內(nèi)設(shè)有一個(gè)螺栓，且每個(gè)壓電陶瓷件通過螺栓螺紋連接安裝在底座上，第二凸臺(tái)沿徑向均布加工有與環(huán)形固定板上四個(gè)螺紋孔對(duì)應(yīng)的四個(gè)螺紋孔，且第二凸臺(tái)上每個(gè)螺紋孔內(nèi)均設(shè)有一個(gè)螺栓，環(huán)形固定板通過螺栓螺紋連接安裝在底座上，每個(gè)壓電陶瓷件的頂端均頂在主體端板的下端面上。
[0005]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、高剛度、高響應(yīng)速度和高可靠性的運(yùn)動(dòng)。在本發(fā)明中四個(gè)壓電陶瓷件4分別對(duì)稱設(shè)置在兩條互相垂直的兩條軸線上，且四個(gè)壓電陶瓷件4到兩條互相垂直的兩條軸線交點(diǎn)的距離相等。本發(fā)明的四個(gè)壓電陶瓷件4采用四電驅(qū)動(dòng)的方式，分布半徑和壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器位移相同的情況下因?yàn)閷?duì)角之間的跨距更大，分辨率更高，每個(gè)壓電陶瓷件4頂部加工有一個(gè)半球形體，同一軸線的兩個(gè)壓電陶瓷件4分別采用推和拉的工作方式使主體端板1-1繞另一個(gè)軸線偏轉(zhuǎn)，這種差動(dòng)設(shè)計(jì)保證了轉(zhuǎn)角穩(wěn)定性，同時(shí)有助于提高機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能。通過壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)柔性關(guān)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了工作臺(tái)的偏轉(zhuǎn)，并保證了運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、無間隙、無機(jī)械摩擦、高位移分辨率。
【附圖說明】
[0006]圖1是本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是本發(fā)明整體機(jī)構(gòu)俯視圖，圖3是本發(fā)明機(jī)構(gòu)主體I的結(jié)構(gòu)示意圖，圖4是本發(fā)明機(jī)構(gòu)主體I的主視圖，圖5是一組壓電陶瓷組件2的示意圖，圖6是底座3的結(jié)構(gòu)示意圖，圖7是機(jī)構(gòu)主體1、一組壓電陶瓷組件2和底座3安裝在一起的剖視圖，圖8是四個(gè)壓電陶瓷件4分別設(shè)置在兩條互相垂直的X軸線和Y軸線上的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0007]【具體實(shí)施方式】一:結(jié)合圖1-圖7說明本實(shí)施方式，一種高精度柔性冗余平臺(tái)，它包括機(jī)構(gòu)主體1、一組壓電陶瓷組件2和底座3，所述機(jī)構(gòu)主體I包括主體端板1-1、主體框體1-2和主體筒體1-3，一組壓電陶瓷組件2包括四個(gè)壓電陶瓷件4，主體端板1-1為正方體，主體框體1-2為正方形框體，主體筒體1-3為圓形筒體，底座3為圓柱體，每個(gè)壓電陶瓷件4的外殼體為圓形，且壓電陶瓷件4的外殼的底端加工有螺紋孔，主體框體1-2固定套裝在主體筒體1-3上，主體端板1-1的下端面固定安裝在主體筒體1-3的上端面上，位于主體端板1-1和主體框體1-2之間主體筒體1-3的側(cè)壁上沿徑向加工有兩組通孔1-4，且兩組通孔1-4由上至下交錯(cuò)設(shè)置，主體筒體1-3靠近底端的內(nèi)側(cè)壁加工有環(huán)形固定板1-5，且環(huán)形固定板1-5沿徑向均布加工有四個(gè)螺紋孔，底座3的上端面由上至下依次加工有第一凸臺(tái)3-1和第二凸臺(tái)3-3，第一凸臺(tái)3-1的上端面上沿徑向加工四個(gè)圓形凹槽3-2，且四個(gè)圓形凹槽3-2連通，每個(gè)圓形凹槽3-2的底端加工有螺紋孔，每個(gè)圓形凹槽3-2內(nèi)豎直固定安裝有一個(gè)壓電陶瓷件4，每個(gè)圓形凹槽3-2底端的螺紋孔內(nèi)設(shè)有一個(gè)螺栓，且每個(gè)壓電陶瓷件4通過螺栓螺紋連接安裝在底座3上，第二凸臺(tái)3-3沿徑向均布加工有與環(huán)形固定板1-5上四個(gè)螺紋孔對(duì)應(yīng)的四個(gè)螺紋孔，且第二凸臺(tái)3-3上每個(gè)螺紋孔內(nèi)均設(shè)有一個(gè)螺栓，環(huán)形固定板1-5通過螺栓螺紋連接安裝在底座3上，每個(gè)壓電陶瓷件4的頂端均頂在主體端板1-1的下端面上。
[0008]本實(shí)施方式中壓電陶瓷件4主要的性能指標(biāo)為:壓電陶瓷件4的工作電壓:0?150V(直流)；位移行程:0?40μπι;最大推力和最大拉力分別為1800N和300N;壓電陶瓷總長(zhǎng)度為46mm,內(nèi)部集成的電阻應(yīng)變式傳感器閉環(huán)最小分辨率為0.4nm;空載諧振頻率:20kHz。根據(jù)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的對(duì)角跨距d = 25mm，壓電陶瓷件4在最大驅(qū)動(dòng)行程和最小分辨率下的輸入時(shí)，根據(jù)公式:0=atan(s/d)，其中s分別代表最大行程和最小分辨率?？梢苑謩e求出對(duì)應(yīng)的平臺(tái)行程為± 0.09°和平臺(tái)分辨率為0.016yrad。
[0009]【具體實(shí)施方式】二:結(jié)合圖5和圖8說明本實(shí)施方式，一種高精度柔性冗余平臺(tái)，所述每個(gè)壓電陶瓷件4的頂端加工有半球形體，半球形體的頂端頂在主體端板1-1的下端面上，壓電陶瓷件4頂部是一個(gè)精制的球頭，位于同一軸線上的一對(duì)壓電陶瓷件4 一個(gè)采用推另一個(gè)采用拉的工作方式使上平面繞另一軸線偏轉(zhuǎn)，這種差動(dòng)結(jié)構(gòu)保證了轉(zhuǎn)角穩(wěn)定性，同時(shí)有助于提高機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能。其它與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0010]【具體實(shí)施方式】三:結(jié)合圖7說明本實(shí)施方式，一種高精度柔性冗余平臺(tái)，所述每個(gè)壓電陶瓷件4均靠近主體筒體1-3的內(nèi)側(cè)壁設(shè)置，其它與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0011]【具體實(shí)施方式】四:結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，一種高精度柔性冗余平臺(tái)，所述主體端板1-1的上端面加工有凹槽1-6，其它與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0012]【具體實(shí)施方式】五:結(jié)合圖4說明本實(shí)施方式，一種高精度柔性冗余平臺(tái)，所述兩組通孔1-4中的每組通孔1-4均是由多個(gè)條形通孔組成，多個(gè)條形通孔沿徑向均布設(shè)置在主體筒體1-3的側(cè)壁上，所述每組通孔1-4中相鄰兩個(gè)通孔之間寬度的距離為W，兩組通孔1-4之間高度的距離為L(zhǎng)，W為L(zhǎng)的二倍，可以使機(jī)構(gòu)主體的主體端板1-1在外力的作用下可以繞空間任意軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)，其它與【具體實(shí)施方式】一相同。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種高精度柔性冗余平臺(tái)，其特征在于:它包括機(jī)構(gòu)主體(I)、一組壓電陶瓷組件(2)和底座(3)，所述機(jī)構(gòu)主體(I)包括主體端板(1-1)、主體框體(1-2)和主體筒體(1-3)，一組壓電陶瓷組件(2)包括四個(gè)壓電陶瓷件(4)，主體端板(1-1)為正方體，主體框體(1-2)為正方形框體，主體筒體(1-3)為圓形筒體，底座(3)為圓柱體，每個(gè)壓電陶瓷件(4)的外殼體為圓形，且壓電陶瓷件(4)的外殼的底端加工有螺紋孔，主體框體(1-2)固定套裝在主體筒體(1-3)上，主體端板(1-1)的下端面固定安裝在主體筒體(1-3)的上端面上，位于主體端板(1-1)和主體框體(1-2)之間主體筒體(1-3)的側(cè)壁上沿徑向加工有兩組通孔(1-4)，且兩組通孔(1-4)由上至下交錯(cuò)設(shè)置，主體筒體(1-3)靠近底端的內(nèi)側(cè)壁加工有環(huán)形固定板(1-5)，且環(huán)形固定板(1-5)沿徑向均布加工有四個(gè)螺紋孔，底座(3)的上端面由上至下依次加工有第一凸臺(tái)(3-1)和第二凸臺(tái)(3-3)，第一凸臺(tái)(3-1)的上端面上沿徑向加工四個(gè)圓形凹槽(3-2)，且四個(gè)圓形凹槽(3-2)連通，每個(gè)圓形凹槽(3-2)的底端加工有螺紋孔，每個(gè)圓形凹槽(3-2)內(nèi)豎直固定安裝有一個(gè)壓電陶瓷件(4)，每個(gè)圓形凹槽(3-2)底端的螺紋孔內(nèi)設(shè)有一個(gè)螺栓，且每個(gè)壓電陶瓷件(4)通過螺栓螺紋連接安裝在底座(3)上，第二凸臺(tái)(3-3)沿徑向均布加工有與環(huán)形固定板(1-5)上四個(gè)螺紋孔對(duì)應(yīng)的四個(gè)螺紋孔，且第二凸臺(tái)(3-3)上每個(gè)螺紋孔內(nèi)均設(shè)有一個(gè)螺栓，環(huán)形固定板(1-5)通過螺栓螺紋連接安裝在底座(3)上，每個(gè)壓電陶瓷件(4)的頂端均頂在主體端板(1-1)的下端面上。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種高精度柔性冗余平臺(tái)，其特征在于:所述每個(gè)壓電陶瓷件(4)的頂端加工有半球形體，半球形體的頂端頂在主體端板(1-1)的下端面上。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述一種高精度柔性冗余平臺(tái)，其特征在于:所述每個(gè)壓電陶瓷件(4)均靠近主體筒體(1-3)的內(nèi)側(cè)壁設(shè)置。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種高精度柔性冗余平臺(tái)，其特征在于:所述主體端板(1-1)的上端面加工有凹槽(1-6)。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種高精度柔性冗余平臺(tái)，其特征在于:所述兩組通孔(1-4)中的每組通孔(1-4)均是由多個(gè)條形通孔組成，多個(gè)條形通孔沿徑向均布設(shè)置在主體筒體(1-3)的側(cè)壁上，所述每組通孔(1-4)中相鄰兩個(gè)通孔之間寬度的距離為W，兩組通孔(1-4)之間高度的距離為L(zhǎng)，W為L(zhǎng)的二倍。
【專利摘要】一種高精度柔性冗余平臺(tái)，本發(fā)明涉及一種柔性平臺(tái)，本發(fā)明為了解決解決傳統(tǒng)剛性偏轉(zhuǎn)平臺(tái)存在間隙以及柔性平臺(tái)抗干擾能力差等問題，它包括機(jī)構(gòu)主體、一組壓電陶瓷組件和底座，所述機(jī)構(gòu)主體包括主體端板、主體框體和主體筒體，一組壓電陶瓷組件包括四個(gè)壓電陶瓷件，主體框體固定套裝在主體筒體上，主體端板的下端面固定安裝在主體筒體的上端面上，位于主體端板和主體框體之間主體筒體的側(cè)壁上沿徑向加工有兩組通孔，且兩組通孔由上至下交錯(cuò)設(shè)置，主體筒體靠近底端的內(nèi)側(cè)壁加工有環(huán)形固定板，環(huán)形固定板通過螺栓螺紋連接安裝在底座上，每個(gè)壓電陶瓷件的頂端均頂在主體端板的下端面上，本發(fā)明適用于機(jī)器人精密操作領(lǐng)域。
【IPC分類】B23Q1/34
【公開號(hào)】CN105537980
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510955391
【發(fā)明人】董為, 杜志江, 楊淼
【申請(qǐng)人】哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【公開日】2016年5月4日
【申請(qǐng)日】2015年12月16日