鬼佬大哥大
  • / 12
  • 下載費用:30 金幣  

兩自由度運動解耦柔性鉸鏈機構.pdf

關 鍵 詞:
自由度 運動 柔性 鉸鏈 機構
  專利查詢網所有資源均是用戶自行上傳分享,僅供網友學習交流,未經上傳用戶書面授權,請勿作他用。
摘要
申請專利號:

CN201510223680.8

申請日:

2015.05.04

公開號:

CN104895913A

公開日:

2015.09.09

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):F16C 11/12申請日:20150504|||公開
IPC分類號: F16C11/12; H02N2/02 主分類號: F16C11/12
申請人: 清華大學
發明人: 李鐵民; 姜峣; 杜云松; 張京雷
地址: 100084北京市海淀區北京100084-82信箱
優先權:
專利代理機構: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司11246 代理人: 張文寶
PDF完整版下載: PDF下載
法律狀態
申請(專利)號:

CN201510223680.8

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2017.11.14|||2015.10.07|||2015.09.09

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

一種兩自由度運動解耦柔性鉸鏈機構,所述機構包括柔性鉸鏈基體和驅動支鏈,其中柔性鉸鏈基體包括柔性鉸鏈支鏈和剛性連接件,剛性連接件包括位于柔性鉸鏈基體中間部分的終端剛性輸出平臺和分別位于柔性鉸鏈基體上、下、左、右部分的上端、下端、左端、右端剛性平臺;所述上端、下端、左端、右端剛性平臺分別通過柔性鉸鏈支鏈與終端剛性輸出平臺連接,且上端、下端、左端、右端剛性平臺分別通過柔性鉸鏈支鏈與柔性鉸鏈基體的剛性基體連接。通過本發明的兩自由度運動解耦柔性鉸鏈機構可以實現終端各向運動和力之間的解耦,從而有助于提高兩自由度運動解耦柔性鉸鏈機構的運動精度。

權利要求書

權利要求書
1.  一種兩自由度運動解耦柔性鉸鏈機構,所述機構包括柔性鉸鏈基體和驅動支鏈,其中柔性鉸鏈基體包括柔性鉸鏈支鏈和剛性連接件,
剛性連接件包括位于柔性鉸鏈基體中間部分的終端剛性輸出平臺和分別位于柔性鉸鏈基體上、下、左、右部分的上端、下端、左端、右端剛性平臺;
所述上端、下端、左端、右端剛性平臺分別通過柔性鉸鏈支鏈與終端剛性輸出平臺連接,且上端、下端、左端、右端剛性平臺分別通過柔性鉸鏈支鏈與柔性鉸鏈基體的剛性基體連接。

2.  根據權利要求1中所述的兩自由度運動解耦柔性鉸鏈機構,其特征在于,所述柔性鉸鏈支鏈包括多個相互平行布置的柔性鉸鏈單元。

3.  根據權利要求2中所述的兩自由度運動解耦柔性鉸鏈機構,其特征在于,所述連接終端剛性輸出平臺和上端、下端、左端、右端剛性平臺的柔性鉸鏈支鏈包括3個相互平行布置的柔性鉸鏈單元;所述連接上端、下端、左端、右端剛性平臺和柔性鉸鏈基體的剛性基體的柔性鉸鏈支鏈包括2個相互平行布置的柔性鉸鏈單元。

4.  根據權利要求2中所述的兩自由度運動解耦柔性鉸鏈機構,其特征在于,所述柔性鉸鏈單元為矩形柔性鉸鏈單元。

5.  根據權利要求1中所述的兩自由度運動解耦柔性鉸鏈機構,其特征在于,所 述驅動支鏈包括相互垂直方向驅動的第一驅動支鏈和第二驅動支鏈,第一驅動支鏈包括第一壓電陶瓷致動器和第一致動器連接頭,第二驅動支鏈包括第二壓電陶瓷致動器和第二致動器連接頭,其中,
第一驅動支鏈的第一壓電陶瓷致動器通過第一致動器連接頭連接至上端、下端、左端、右端剛性平臺中的一個;
第二驅動支鏈的第二壓電陶瓷致動器通過第二致動器連接頭連接至與第一致動器連接頭連接的剛性平臺相正交方向的另一剛性平臺。

6.  根據權利要求5中所述的兩自由度運動解耦柔性鉸鏈機構,其特征在于,所述第一驅動支鏈還包括第一法蘭盤、第一拉壓力傳感器和第一壓緊蓋,第二驅動支鏈還包括第二法蘭盤、第二拉壓力傳感器和第二壓緊蓋,其中,
第一拉壓力傳感器與第一壓電陶瓷致動器同軸,通過第一法蘭盤連接至第一壓電陶瓷致動器的尾端,第一拉壓力傳感器的另一端與第一壓緊蓋固定連接,第一壓緊蓋用螺栓連接至柔性鉸鏈基體的一端;
第二拉壓力傳感器與第二壓電陶瓷致動器同軸,通過第二法蘭盤連接至第二壓電陶瓷致動器的尾端,第二拉壓力傳感器的另一端與第二壓緊蓋固定連接,第二壓緊蓋用螺栓連接至柔性鉸鏈基體的另一端。

7.  根據權利要求6中所述的兩自由度運動解耦柔性鉸鏈機構,其特征在于,第一壓緊蓋或第二壓緊蓋和與之相連的柔性鉸鏈基體的端部間具有間隙,用于通 過所述螺栓對第一壓電陶瓷致動器或第二壓電陶瓷致動器施加軸向預緊載荷。

8.  根據權利要求5中所述的兩自由度運動解耦柔性鉸鏈機構,其特征在于,所述兩自由度運動解耦柔性鉸鏈機構還包括位移測量系統和測量基準,所述位移測量系統包括分別測量兩個正交方向上的位移的第一位移測量系統和第二位移測量系統,其中,
第一位移測量系統固定于所述柔性鉸鏈基體的一端,包括第一位移傳感器和第一安裝座,所述第一位移傳感器的測量方向與所述第一壓電陶瓷致動器的軸線方向平行;
第二位移測量系統固定于所述柔性鉸鏈基體的與第一位移測量系統安裝端相垂直方向的一端,包括第二位移傳感器和第二安裝座,所述第二位移傳感器的測量方向與所述第二壓電陶瓷致動器的軸線方向平行;
測量基準固定連接至所述柔性鉸鏈基體的終端剛性輸出平臺,具有兩個端面,第一端面與第一位移傳感器的測量方向垂直,第二端面與第二位移傳感器的測量方向垂直。

9.  根據權利要求8中所述的兩自由度運動解耦柔性鉸鏈機構,其特征在于,所述位移傳感器為激光位移傳感器。

說明書

說明書兩自由度運動解耦柔性鉸鏈機構
技術領域
本發明涉及機械設計與制造技術領域,尤其涉及到高精度傳動機構的設計技術。
背景技術
微動機構具有運動精度、分辨率高,結構緊湊,運動范圍小等特點,被廣泛應用于微納米操作領域,如原子力顯微鏡、光刻掩膜平臺、精鋼石車削、精密運動平臺等。一種經常使用到的微動機構是柔性鉸鏈,柔性鉸鏈利用了彈性材料微小變形及其自回復的特性,消除了傳動過程中的空程和機械摩擦,能獲得高位移分辨率。考慮到柔性鉸鏈具有運動無摩擦、磨損,無需潤滑,而且具有結構緊湊、輕巧,制造裝配方便等優點,因此被廣泛應用于微動機構的設計中,稱為柔性鉸鏈機構。
柔性鉸鏈機構根據其結構組成特點可以分為串聯式和并聯式,串聯式柔性鉸鏈機構由柔性鉸鏈和剛性連接部分依次串聯而成,并聯式柔性鉸鏈機構則由多個串聯支鏈與終端平臺并聯構成,至少存在兩個或兩個以上的閉環結構。相比于串聯式柔性鉸鏈機構,并聯式柔性鉸鏈機構具有更高的剛度、固有頻率。更為重要的是,串聯式柔性鉸鏈機構在運動過程中,除了運動方向的自由度外, 因為鉸鏈的變形還會產生其他非運動方向的耦合誤差,從而影響機構的輸出運動精度,另外,由于柔性鉸鏈機構大多采用壓電陶瓷致動器進行驅動,該致動器只能承受軸向載荷,不能承受橫向載荷彎矩,否則會對致動器造成損害,因此由于各向運動和載荷的耦合,會在壓電陶瓷致動器終端產生非軸向載荷,造成致動器的破壞。并聯式柔性鉸鏈機構通過結構的設計,可以實現各向運動近乎解耦,這給機構的運動控制帶來了極大的便利,而且可以實現更為高精度的運動,因此現有的柔性鉸鏈機構都采用并聯形式實現。在并聯式柔性鉸鏈機構中,有空間和平面并聯柔性鉸鏈機構兩種形式,由于控制柔性鉸鏈機構需要使用二維、三維柔性鉸鏈,加工困難,精度難以保證,因此目前使用較多的是平面柔性鉸鏈機構。
實現柔性鉸鏈微動機構的運動解耦是該類機構設計的重點和難點,目前采取手段是添加解耦結構,但現有的解耦結構形式較為復雜,這增加了機構加工裝配的難度,對機構的運動精度帶來了一定的影響,而且會增加機構運動部件的質量,降低其動態運行性能。結構較為簡單的解耦結構的解耦性能又難以達到要求,因此如何設計結構簡單、緊湊,解耦性能優異的柔性鉸鏈機構是一項具有挑戰和急需解決的任務。
發明內容
鑒于此,本發明的目的在于克服現有技術的缺點,提供了一種具有高精度 的平面兩自由度運動解耦柔性鉸鏈微動機構,該機構具有解耦緊湊,各向運動解耦、運動精度高的特點。
為了實現此目的,本發明采取的技術方案為如下。
一種兩自由度運動解耦柔性鉸鏈機構,所述機構包括柔性鉸鏈基體和驅動支鏈,其中柔性鉸鏈基體包括柔性鉸鏈支鏈和剛性連接件,
剛性連接件包括位于柔性鉸鏈基體中間部分的終端剛性輸出平臺和分別位于柔性鉸鏈基體上、下、左、右部分的上端、下端、左端、右端剛性平臺;
所述上端、下端、左端、右端剛性平臺分別通過柔性鉸鏈支鏈與終端剛性輸出平臺連接,且上端、下端、左端、右端剛性平臺分別通過柔性鉸鏈支鏈與柔性鉸鏈基體的剛性基體連接。
特別地,所述柔性鉸鏈支鏈包括多個相互平行布置的柔性鉸鏈單元。
所述連接終端剛性輸出平臺和上端、下端、左端、右端剛性平臺的柔性鉸鏈支鏈包括3個相互平行布置的柔性鉸鏈單元;所述連接上端、下端、左端、右端剛性平臺和柔性鉸鏈基體的剛性基體的柔性鉸鏈支鏈包括2個相互平行布置的柔性鉸鏈單元。
其中,所述柔性鉸鏈單元為矩形柔性鉸鏈單元。
所述驅動支鏈包括相互垂直方向驅動的第一驅動支鏈和第二驅動支鏈,第一驅動支鏈包括第一壓電陶瓷致動器和第一致動器連接頭,第二驅動支鏈包括 第二壓電陶瓷致動器和第二致動器連接頭,其中,
第一驅動支鏈的第一壓電陶瓷致動器通過第一致動器連接頭連接至上端、下端、左端、右端剛性平臺中的一個;
第二驅動支鏈的第二壓電陶瓷致動器通過第二致動器連接頭連接至與第一致動器連接頭連接的剛性平臺相正交方向的另一剛性平臺。
特別地,所述第一驅動支鏈還包括第一法蘭盤、第一拉壓力傳感器和第一壓緊蓋,第二驅動支鏈還包括第二法蘭盤、第二拉壓力傳感器和第二壓緊蓋,其中,
第一拉壓力傳感器與第一壓電陶瓷致動器同軸,通過第一法蘭盤連接至第一壓電陶瓷致動器的尾端,第一拉壓力傳感器的另一端與第一壓緊蓋固定連接,第一壓緊蓋用螺栓連接至柔性鉸鏈基體的一端;
第二拉壓力傳感器與第二壓電陶瓷致動器同軸,通過第二法蘭盤連接至第二壓電陶瓷致動器的尾端,第二拉壓力傳感器的另一端與第二壓緊蓋固定連接,第二壓緊蓋用螺栓連接至柔性鉸鏈基體的另一端。
另外,第一壓緊蓋或第二壓緊蓋和與之相連的柔性鉸鏈基體的端部間具有間隙,用于通過所述螺栓對第一壓電陶瓷致動器或第二壓電陶瓷致動器施加軸向預緊載荷。
所述兩自由度運動解耦柔性鉸鏈機構還包括位移測量系統和測量基準,所 述位移測量系統包括分別測量兩個正交方向上的位移的第一位移測量系統和第二位移測量系統,其中,
第一位移測量系統固定于所述柔性鉸鏈基體的一端,包括第一位移傳感器和第一安裝座,所述第一位移傳感器的測量方向與所述第一壓電陶瓷致動器的軸線方向平行;
第二位移測量系統固定于所述柔性鉸鏈基體的與第一位移測量系統安裝端相垂直方向的一端,包括第二位移傳感器和第二安裝座,所述第二位移傳感器的測量方向與所述第二壓電陶瓷致動器的軸線方向平行;
測量基準固定連接至所述柔性鉸鏈基體的終端剛性輸出平臺,具有兩個端面,第一端面與第一位移傳感器的測量方向垂直,第二端面與第二位移傳感器的測量方向垂直。
本發明的兩自由度運動解耦柔性鉸鏈機構中所述位移傳感器為激光位移傳感器。
通過采用本發明的兩自由度運動解耦柔性鉸鏈機構,能夠獲得以下有益技術效果。
1、本發明的兩自由度運動解耦柔性鉸鏈機構柔性鉸鏈基體的運動部分采取了對稱的并聯結構形式,具有結構緊湊,剛度高的優點,而且這種結構形式可以保證終端各向運動和力之間的解耦,從而有助于提高兩自由度運動解耦柔性 鉸鏈機構的運動精度。
2.本發明采取了矩形柔性鉸鏈單元作為整體機構的變形單元,矩形柔性鉸鏈單元加工容易,加工精度高,而且可以實現比其他形式柔性鉸鏈單元更為緊湊的結構。
3.本發明兩自由度運動解耦柔性鉸鏈機構中,與柔性鉸鏈基體終端平臺固接的柔性鉸鏈支鏈采用的是多個矩形柔性鉸鏈單元組合,與輸入端剛性平臺固接的柔性鉸鏈支鏈采用的是多個矩形柔性鉸鏈單元組合,這種多個鉸鏈單元平行布置所形成的支鏈比采取單個柔性鉸鏈單元具有更大的彎曲剛度以及更大的橫向柔度,這樣可以增加機構運動方向的行程,同時增加非運動方向的剛度,有助于提高機構抵抗外載荷擾動的影響,保證高的運動精度。
4.本發明兩自由度運動解耦柔性鉸鏈機構中,將拉壓力傳感器固定安裝于壓電陶瓷致動器的尾端,這樣可以避免因將拉壓力傳感器固定安裝于致動器前端增加運動部件質量,從而降低機構的動態運行性能,同時可以實時監測致動器的軸向受載,為預緊力施加的監測及動力學控制提供了便利。
附圖說明
圖1為本發明具體實施方式中兩自由度運動解耦柔性鉸鏈機構的透視圖。
圖2為本發明具體實施方式中兩自由度運動解耦柔性鉸鏈機構的柔性鉸鏈基體的透視圖。
具體實施方式
下面結合附圖,對本發明作詳細說明。
首先說明附圖標記中的零部件名稱。
1 柔性鉸鏈基體;
2 第一壓電陶瓷致動器;
3 第一致動器連接頭;
4 第一拉壓力傳感器;
5 第一法蘭盤;
6 第一壓緊蓋;
7 第二壓電陶瓷致動器;
8 第二致動器連接頭;
9 第二拉壓力傳感器;
10 第二法蘭盤;
11 第二壓緊蓋;
12 第一安裝座;
13 第一激光位移傳感器;
14 測量基座;
15 第二安裝座;
16 第二激光位移傳感器;
1-1 終端剛性輸出平臺;
1-2 柔性鉸鏈支鏈;
1-3 柔性鉸鏈支鏈;
1-4 柔性鉸鏈支鏈;
1-5 柔性鉸鏈支鏈;
1-6 上端剛性平臺;
1-7 柔性鉸鏈支鏈;
1-8 柔性鉸鏈支鏈;
1-9 左端剛性平臺;
1-10 柔性鉸鏈支鏈;
1-11 柔性鉸鏈支鏈;
1-12 右端剛性平臺;
1-13 柔性鉸鏈支鏈;
1-14 柔性鉸鏈支鏈;
1-15 下端剛性平臺;
1-16 柔性鉸鏈支鏈;
1-17 柔性鉸鏈支鏈;
1-18 剛性基體。
以下公開詳細的示范實施例。然而,此處公開的具體結構和功能細節僅僅是出于描述示范實施例的目的。
然而,應該理解,本發明不局限于公開的具體示范實施例,而是覆蓋落入本公開范圍內的所有修改、等同物和替換物。在對全部附圖的描述中,相同的附圖標記表示相同的元件。
同時應該理解,如在此所用的術語“和/或”包括一個或多個相關的列出項的任意和所有組合。另外應該理解,當部件或單元被稱為“連接”或“耦接”到另一部件或單元時,它可以直接連接或耦接到其他部件或單元,或者也可以存在中間部件或單元。此外,用來描述部件或單元之間關系的其他詞語應該按照相同的方式理解(例如,“之間”對“直接之間”、“相鄰”對“直接相鄰”等)。
如圖1所示,本發明的兩自由度運動解耦柔性鉸鏈機構,所述機構包括柔性鉸鏈基體1和驅動支鏈,其中柔性鉸鏈基體1包括多個柔性鉸鏈支鏈和剛性連接件,
剛性連接件包括位于柔性鉸鏈基體1中間部分的終端剛性輸出平臺1-1和分別位于柔性鉸鏈基體上、下、左、右部分的上端剛性平臺1-6、下端剛性平臺1-15、左端剛性平臺1-9和右端剛性平臺1-12;
所述上端剛性平臺1-6、下端剛性平臺1-15、左端剛性平臺1-9和右端剛性 平臺1-12分別通過柔性鉸鏈支鏈與終端剛性輸出平臺1-1連接,且上端剛性平臺1-6、下端剛性平臺1-15、左端剛性平臺1-9和右端剛性平臺1-12分別通過柔性鉸鏈支鏈與柔性鉸鏈基體的剛性基體1-18連接。
因此,本發明的兩自由度運動解耦柔性鉸鏈機構柔性鉸鏈基體的運動部分采取了對稱的并聯結構形式,具有結構緊湊,剛度高的優點,而且這種結構形式可以保證終端各向運動和力之間的解耦,從而有助于提高兩自由度運動解耦柔性鉸鏈機構的運動精度。
在本發明的具體實施方式中,所述柔性鉸鏈支鏈包括多個相互平行布置的柔性鉸鏈單元。
特別地,所述連接終端剛性輸出平臺和上端、下端、左端、右端剛性平臺的柔性鉸鏈支鏈包括三個相互平行布置的柔性鉸鏈單元;所述連接上端、下端、左端、右端剛性平臺和柔性鉸鏈基體的剛性基體的柔性鉸鏈支鏈包括三個相互平行布置的柔性鉸鏈單元。
另一方面,本發明的兩自由度運動解耦柔性鉸鏈機構采取了矩形柔性鉸鏈單元作為整體機構的變形單元,矩形柔性鉸鏈單元加工容易,加工精度高,而且可以實現比其他形式柔性鉸鏈單元更為緊湊的結構。
另外,與柔性鉸鏈基體終端剛性輸出平臺固接的柔性鉸鏈支鏈采用的是多個矩形柔性鉸鏈單元的組合,與上端、下端、左端、右端剛性平臺固接的柔性 鉸鏈支鏈采用的也是多個矩形柔性鉸鏈單元組合,這種多個鉸鏈單元平行布置所形成的支鏈比采取單個柔性鉸鏈單元具有更大的彎曲剛度以及更大的橫向柔度,這樣可以增加機構運動方向的行程,同時增加非運動方向的剛度,有助于提高機構抵抗外載荷擾動的影響,保證高的運動精度。
具體而言,如圖2所示,柔性鉸鏈基體1的主要部分由柔性鉸鏈支鏈和剛性連接件所組成,呈現關于XY軸對稱的結構形式。柔性鉸鏈基體1的中間部分為終端剛性輸出平臺1-1,在終端剛性輸出平臺1-1的上、下、左和右部分分別連接有相同的柔性鉸鏈支鏈1-2、1-3、1-4和1-5。柔性鉸鏈支鏈1-2由三個豎直平行且等間距布置的相同矩形柔性鉸鏈單元所組成,在柔性鉸鏈支鏈1-2的上端固接有上端剛性平臺1-6,上端剛性平臺1-6的左右兩端分別對稱固接有柔性鉸鏈支鏈1-7和1-8,柔性鉸鏈支鏈1-7和1-8都是由兩個相同且水平平行布置的矩形柔性鉸鏈單元所組成,它們的另一端分別固接于剛性基體1-18上;柔性鉸鏈支鏈1-3由三個水平平行且等間距布置的相同矩形柔性鉸鏈單元所組成,在柔性鉸鏈支鏈1-3的左端固接有左端剛性平臺1-9,左端剛性平臺1-9的上下兩端分別對稱固接有柔性鉸鏈支鏈1-10和1-11,柔性鉸鏈支鏈1-10和1-11都是由兩個相同且豎直平行布置的矩形柔性鉸鏈單元所組成,它們的另一端分別固接于剛性基體1-18上;柔性鉸鏈支鏈1-4由三個水平平行且等間距布置的相同矩形柔性鉸鏈單元所組成,在柔性鉸鏈支鏈1-4的右端固接有右端剛性平臺 1-12,右端剛性平臺1-12的上下兩端分別對稱固接有柔性鉸鏈支鏈1-13和1-14,柔性鉸鏈支鏈1-13和1-14都是由兩個相同且豎直平行布置的矩形柔性鉸鏈單元所組成,它們的另一端分別固接于剛性基體1-18上;柔性鉸鏈支鏈1-5由三個豎直平行且等間距布置的相同矩形柔性鉸鏈單元所組成,在柔性鉸鏈支鏈1-5的下端固接有下端剛性平臺1-15,下端剛性平臺1-15的左右兩端分別對稱固接有柔性鉸鏈支鏈1-16和1-17,柔性鉸鏈支鏈1-16和1-17都是由兩個相同且水平平行布置的矩形柔性鉸鏈單元所組成,它們的另一端分別固接于剛性基體1-18上。
本領域內技術人員應當明白,以上實施方式中,連接上端、下端、左端和右端剛性平臺和終端輸出剛性平臺的柔性鉸鏈支鏈包括三個相互平行布置的柔性鉸鏈單元;以及連接上端、下端、左端、右端剛性平臺和柔性鉸鏈基體的剛性基體的柔性鉸鏈支鏈包括兩個相互平行布置的柔性鉸鏈單元,這僅僅只是一個示例,本領域內技術人員在本發明技術方案的啟示下,可以使用其他數量的柔性鉸鏈單元,來實現接近的技術效果。
如圖1所示,所述驅動支鏈包括相互垂直方向驅動的第一驅動支鏈和第二驅動支鏈,第一驅動支鏈包括第一壓電陶瓷致動器2和第一致動器連接頭3,第二驅動支鏈包括第二壓電陶瓷致動器7和第二致動器連接頭8。
另外,在本發明具體實施方式中,所述第一驅動支鏈還包括第一法蘭盤5、 第一拉壓力傳感器4和第一壓緊蓋6,第二驅動支鏈還包括第二法蘭盤10、第二拉壓力傳感器9和第二壓緊蓋11。
具體而言,第一壓電陶瓷致動器2通過第一致動器連接頭3與柔性鉸鏈基體1的左端剛性平臺1-9固定連接,第一拉壓力傳感器4通過第一法蘭盤5與第一壓電陶瓷致動器2的尾端固定連接,第一拉壓力傳感器4的軸線與第一壓電陶瓷致動器2的軸線保持共線,第一拉壓力傳感器4的另一端與第一壓緊蓋6固定連接,第一壓緊蓋6的兩端通過螺栓連接于柔性鉸鏈基體1的左側端部,第一壓緊蓋6與柔性鉸鏈基體1左側端部之間必須留有一定的間隙,以便通過螺栓預緊對第一壓電陶瓷致動器2施加一定的軸向預緊載荷。
第二壓電陶瓷致動器7通過第二致動器連接頭8與柔性鉸鏈基體1的下端剛性平臺1-15固定連接,第二拉壓力傳感器9通過第二法蘭盤10與第二壓電陶瓷致動器7的尾端固定連接,第二拉壓力傳感器9的軸線與第二壓電陶瓷致動器7的軸線保持共線,第二拉壓力傳感器9的另一端與第二壓緊蓋11固定連接,第二壓緊蓋11的兩端通過螺栓連接于柔性鉸鏈基體1的下側端部,第二壓緊蓋11與柔性鉸鏈基體1下側端部之間必須留有一定的間隙,以便通過螺栓預緊對第二壓電陶瓷致動器7施加一定的軸向預緊載荷。
另外,在本發明一具體實施方式中,所述兩自由度運動解耦柔性鉸鏈機構還包括位移測量系統和測量基準,所述位移測量系統包括分別測量兩個正交方 向上的位移的第一位移測量系統和第二位移測量系統,其中,
第一位移測量系統固定于所述柔性鉸鏈基體的一端,包括第一位移傳感器13和第一安裝座12,所述第一位移傳感器13的測量方向與所述第一壓電陶瓷致動器2的軸線方向平行;
第二位移測量系統固定于所述柔性鉸鏈基體的與第一位移測量系統安裝端相垂直方向的一端,包括第二位移傳感器16和第二安裝座15,所述第二位移傳感器16的測量方向與所述第二壓電陶瓷致動器7的軸線方向平行;
測量基準14固定連接至所述柔性鉸鏈基體的終端剛性輸出平臺,具有兩個端面,第一端面與第一位移傳感器13的測量方向垂直,第二端面與第二位移傳感器16的測量方向垂直。
特別地,所述位移傳感器為激光位移傳感器。
具體而言,如圖2所示,第一安裝座12通過螺栓固定于柔性鉸鏈基體1的右端部,在第一安裝座12上固定安裝有第一激光位移傳感器13,第一激光位移傳感器13的測量方向與第一壓電陶瓷致動器2的軸線方向保持平行,測量基準14固定安裝于柔性鉸鏈基體1的終端剛性輸出平臺1-1上,測量基座14的右端面與所述第一激光位移傳感器13的測量方向保持垂直。第二安裝座15通過螺栓固定安裝于柔性鉸鏈基體1的上端部,在第二安裝座15上固定安裝有第二激光位移傳感器16,第二激光位移傳感器16的測量方向與第二壓電陶瓷致動器7 的軸線方向保持平行,測量基座14的上端面與所述第二激光位移傳感器16的測量方向保持垂直。
因此,本發明的兩自由度運動解耦柔性鉸鏈機構的工作原理為:所述機構可以實現XY平面內的兩自由度運動,為了說明其工作方式,令柔性鉸鏈基體1終端剛性輸出平臺1-1的中心點為坐標原點,第一壓電陶瓷致動器2的軸向方向為X軸,第二壓電陶瓷致動器7的軸線方向為Y軸。由于機構X和Y軸運動的過程和控制原理完全相同,這里以X軸運動為例說明機構的工作原理。
首先為了保證第一壓電陶瓷致動器2工作過程中的輸出位移精度和運動的可靠性,需要對第一壓電陶瓷致動器2施加一定的軸向預緊載荷,該軸向預緊載荷是通過第一壓緊蓋6兩端的螺栓預緊實現,根據所需施加的預緊載荷大小,同時通過觀測第一拉壓力傳感器4測得的軸向載荷大小,擰緊或松開第一預緊蓋6兩端的螺栓,不斷調節第一壓電陶瓷致動器2的軸向預緊載荷大小,直至達到所需預緊載荷值。
在完成機構的設計后,通過對機構的有限元分析可以獲得機構柔性鉸鏈基體1的左端剛性平臺1-9與終端剛性輸出平臺1-1之間的位移關系,從而可以根據機構終端剛性輸出平臺1-1所需實現的X軸向位移,得到左端剛性平臺1-9所需提供的X向輸入位移,該位移量即為第一壓電陶瓷致動器2所需實現位移輸出值。
接下來,根據該位移輸出值,第一壓電陶瓷致動器2通過其驅動器控制以及內部位移傳感器閉環測量下,精確輸出所需的位移量。當第一壓電陶瓷致動器2伸長后,推動柔性鉸鏈基體1左端剛性平臺1-9沿著X方向運動,由于柔性鉸鏈支鏈1-10和1-11在X向柔度很大,因此會隨著左端剛性平臺1-9發生沿著X方向的彈性變形,而柔性鉸鏈支鏈1-3在X向的剛度很大,因此幾乎不會發生變形,因此可以將左端剛性平臺1-3的運動近乎完全傳遞到終端剛性輸出平臺1-1,與終端剛性輸出平臺1-1相固接的柔性鉸鏈支鏈1-2和1-5在X方向的柔度很大,因此會隨著終端剛性輸出平臺1-1發生X方向的彈性變形,與終端剛性輸出平臺1-1相固接的柔性鉸鏈支鏈1-4的X向剛度很大,因此幾乎不發生變形,柔性鉸鏈支鏈1-4將終端剛性輸出平臺1-1的運動幾乎完全傳遞到右端剛性平臺1-12,與右端剛性平臺1-12固接的柔性鉸鏈支鏈1-13和1-14在X向的柔度很大,因此會隨著右端剛性平臺1-12發生沿著X方向的彈性變形。柔性鉸鏈支鏈1-5沿著X向彈性變形后,會在下端剛性平臺1-15上產生X向的載荷,但由于柔性鉸鏈支鏈1-5在X向的剛度很小,柔性鉸鏈支鏈1-16和1-17在X向的剛度很大,因此下端剛性平臺1-15幾乎不會發生沿著X向的變形,因此機構在X向的運動,對第二壓電陶瓷驅動器7影響非常小,也即可以實現機構優異的運動解耦性能。
當柔性鉸鏈基體1終端剛性輸出平臺1-1發生X向位移后,會帶動其上的 測量基準14一起運動,此時通過第一激光位移傳感器13就可以精確測量出終端剛性輸出平臺1-1沿著X向運動位移量,將該位移量與預期的位移量進行對比,并將位移量的差值作為反饋量用于對第一壓電陶瓷致動器2驅動器的輸入位移修正量,從而實現整體機構運動的全閉環控制,可以保證機構實現所需的運動位移量。
需要說明的是,上述實施方式僅為本發明較佳的實施方案,不能將其理解為對本發明保護范圍的限制,在未脫離本發明構思前提下,對本發明所做的任何微小變化與修飾均屬于本發明的保護范圍。

關于本文
本文標題:兩自由度運動解耦柔性鉸鏈機構.pdf
鏈接地址:http://www.wwszu.club/p-6369763.html
關于我們 - 網站聲明 - 網站地圖 - 資源地圖 - 友情鏈接 - 網站客服 - 聯系我們

[email protected] 2017-2018 zhuanlichaxun.net網站版權所有
經營許可證編號:粵ICP備17046363號-1 
 


收起
展開
鬼佬大哥大