一種四自由度微動(dòng)精密定位系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種四自由度微動(dòng)精密定位系統(tǒng)，其動(dòng)平臺(tái)具有四個(gè)自由度，可應(yīng)用在微機(jī)電系統(tǒng)、超精密加工與制造、航空航天等具體領(lǐng)域。其具體結(jié)構(gòu)包括具有繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng)和繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)兩自由度柔順模塊和能夠?qū)崿F(xiàn)繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng)和繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)兩平動(dòng)自由度的柔順平臺(tái)；兩轉(zhuǎn)自由度柔順模塊由柔順滑移鉸、柔順虎克鉸及驅(qū)動(dòng)元件等組成，搭載在機(jī)構(gòu)的中間平臺(tái)上；平臺(tái)通過并聯(lián)的柔順滑移鉸提供DxDy兩個(gè)自由度的平動(dòng)。本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了平動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)的完全解耦，可分別進(jìn)行單獨(dú)驅(qū)動(dòng)；兩轉(zhuǎn)動(dòng)自由度柔順模塊的周邊四個(gè)支腿中用了一種柔性滑移鉸，可以實(shí)現(xiàn)較大軸向變化，其中相鄰的兩個(gè)作為主動(dòng)支腿，裝有驅(qū)動(dòng)元件來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。
【專利說明】
一種四自由度微動(dòng)精密定位系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型屬于微機(jī)電系統(tǒng)、超精密加工與制造、航空航天等技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種四自由度微動(dòng)精密定位系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科技的發(fā)展，在諸多領(lǐng)域如微機(jī)電系統(tǒng)、超精密加工和制造、醫(yī)療器械，光學(xué)工程、航空航天以及生物工程，微納相關(guān)技術(shù)已經(jīng)得到了非常廣泛的應(yīng)用，其中少自由度精密微定位和調(diào)整裝置是一個(gè)重要研究方向。目前研究人員已經(jīng)開發(fā)出越來越多的滿足不同需求的具有微納米級(jí)定位和調(diào)整功能的系統(tǒng)，有些已經(jīng)被應(yīng)用于微機(jī)電系統(tǒng)、大規(guī)模集成電路和生物與顯微醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中并發(fā)揮著重要的作用。但是還沒有兩轉(zhuǎn)動(dòng)、兩平動(dòng)四自由度精密定位裝置的成熟構(gòu)型和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。傳統(tǒng)剛性機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)副中存在的摩擦和間隙因素，使得微納量級(jí)精度的操作無法有效地實(shí)現(xiàn)，而且諸多零部件裝配后不僅使得機(jī)構(gòu)復(fù)雜不便于維護(hù)，同時(shí)使得體積較為龐大而不便于往小型化方向發(fā)展。柔順機(jī)構(gòu)作為一種利用材料形變產(chǎn)生微位移的結(jié)構(gòu)，具有可一體成型、免裝配，鉸鏈無摩擦和磨損，無沖擊、振動(dòng)和噪聲，少維護(hù)、高精度等優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)在實(shí)際工程應(yīng)用中可以提高精度和工作效率，結(jié)合壓電陶瓷等高精度驅(qū)動(dòng)技術(shù)以及新材料的應(yīng)用，可使得四自由度精密定位和調(diào)整裝置的精度達(dá)到納米量級(jí)。目前，在國內(nèi)外公開的4自由度微動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的形式主要有如下幾種:張江波，朱濤，王越超，.一種具有納米定位精度的四自由度微動(dòng)平臺(tái)的研制.機(jī)器人，2003，25
[3]:213?216.介紹了一種新型的四自由度納米微動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)，它采用壓電元件驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了X，Y，Z三個(gè)平動(dòng)和Θ(繞水平軸)轉(zhuǎn)動(dòng)共四個(gè)自由度。段建國，郭宗和，王克杰.新型四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)分析.山東理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008，22(I): 23?27.提出了一種四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)X，Y，Z三個(gè)方向平動(dòng)和γ (繞水平軸)方向轉(zhuǎn)動(dòng)共四個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。趙然.四自由度4-RRUR并聯(lián)微動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)與基礎(chǔ)性能研究.燕山大學(xué)碩士論文，2010.提出了能夠?qū)崿F(xiàn)X，Y，Z三個(gè)方向平動(dòng)和繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)構(gòu)型。Zhenyu H,Zhixu Z,Zhihua X.Dimens1nal Synthesis of a 4-DOF Hybrid DrivingPlatform.Applied Mechanics and Materials,2014,441:543?547.進(jìn)行了氣動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)的四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的尺寸綜合，Caixia F1Hongzhao L1Gexia Y,et al.A Novel 2T2R4-DOF Parallel Manipulator.201IFourth Internat1nal Symposium on KnowledgeAcquisit1n and Modeling,8-90ct.2011[C].Los Alamitos,CA,USA:1EEE ComputerSociety ,2011.5?8.提出了一種能夠?qū)崿F(xiàn)兩轉(zhuǎn)動(dòng)兩平動(dòng)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)構(gòu)型，但是每條驅(qū)動(dòng)分支的鉸鏈過多，不能實(shí)現(xiàn)精密微動(dòng)操作。Qinchuan L1Zhen H.Type synthesis of 4-DOFparallel manipulators[A].1EEE Internat1nal Conference on Robotics andAutomat1n.1EEE ICRA 2003Conference Proceedings,14-19Sept.2003[C].Piscataway,NJ,USA:1EEE，2003.755?760.對(duì)四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的構(gòu)型進(jìn)行了綜合，但未包含本實(shí)用新型所提出的構(gòu)型。
[0003]上面文獻(xiàn)提出的4自由度機(jī)構(gòu)存在以下不足:1)不能實(shí)現(xiàn)X、Y兩平動(dòng)并同時(shí)實(shí)現(xiàn)繞Χ、γ兩轉(zhuǎn)動(dòng);2)每條驅(qū)動(dòng)分支的鉸鏈過多，難以實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的超高精密微動(dòng)操作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實(shí)用新型的目的在于提供一種四自由度微動(dòng)精密定位系統(tǒng)，旨在解決由于數(shù)控機(jī)床等傳統(tǒng)剛性機(jī)構(gòu)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)副中摩擦和間隙的存在，使得微納量級(jí)精度的操作無法有效地實(shí)現(xiàn)，而且諸多零部件裝配后不僅使得機(jī)構(gòu)復(fù)雜不便于維護(hù)，同時(shí)使得體積較為龐大而不便于小型化應(yīng)用的問題。
[0005]本實(shí)用新型是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種四自由度微動(dòng)精密定位系統(tǒng)，所述四自由度微動(dòng)精密定位系統(tǒng)包括柔順平臺(tái)和具有繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)和繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)兩自由度柔順模塊，其連接方式為柔順平臺(tái)在下，具有繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)和繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)兩自由度柔順模塊在上，為串聯(lián)連接；
[0006]所述具有繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)和繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)兩自由度柔順模塊由柔順滑移鉸、柔順虎克鉸及驅(qū)動(dòng)元件組成。
[0007]進(jìn)一步，所述具有繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)和繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)兩自由度柔順模塊是由與基座相固連的五個(gè)分支及所支撐的剛體動(dòng)平臺(tái)構(gòu)成的，每個(gè)分支的上端與剛體動(dòng)平臺(tái)相固連;基座與柔順平臺(tái)相固連，由柔順平臺(tái)驅(qū)動(dòng)整個(gè)微轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)在X與Y向作平移運(yùn)動(dòng);各分支的上段都是柔順虎克鉸并且柔順虎克鉸的中心在初始位置時(shí)均處于同一水平面上;周圍四個(gè)支腿下段是柔順滑移鉸。
[0008]進(jìn)一步，所述具有具有繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)和繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)兩自由度柔順模塊搭載在柔順平臺(tái)的中間平臺(tái)上，具有繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)和繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)兩自由度柔順模塊的底座與柔順平臺(tái)中間的動(dòng)平臺(tái)相固連，在柔順平臺(tái)的基座空間內(nèi)裝入音圈電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器，具有繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)和繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)兩自由度柔順模塊的底座開有槽，便于安裝用于檢測(cè)中間動(dòng)平臺(tái)實(shí)際平動(dòng)位移量的傳感器裝置。
[0009]進(jìn)一步，所述驅(qū)動(dòng)元件為壓電陶瓷或音圈電機(jī)。
[0010]本實(shí)用新型提供的四自由度微動(dòng)精密定位系統(tǒng)，將具有繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)和繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)兩自由度柔順模塊搭載在機(jī)構(gòu)的中間平臺(tái)上，可以分別進(jìn)行獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)并實(shí)現(xiàn)四自由度微動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)微納級(jí)定位及調(diào)整的效果。本實(shí)用新型利用柔順虎克鉸鏈和柔順滑移鉸鏈作為柔順單元設(shè)計(jì)了柔順轉(zhuǎn)動(dòng)模塊的柔順結(jié)構(gòu)構(gòu)型，并與柔順平臺(tái)組合得到整個(gè)四自由度柔順平臺(tái)；在實(shí)際工程應(yīng)用中可實(shí)現(xiàn)4個(gè)自由度的微納定位和調(diào)整;利用柔性單元設(shè)計(jì)的此平臺(tái)避免了傳統(tǒng)剛性機(jī)構(gòu)的諸多零件裝配復(fù)雜性，便于維護(hù)，體積較小及便于小型化應(yīng)用。
【附圖說明】
[0011]圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的四自由度微動(dòng)精密定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0012]圖中:1、柔順平臺(tái)；2、柔順滑移鉸;3、柔順虎克鉸。
[0013]圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的柔性微動(dòng)四自由度平臺(tái)的裝配圖。
[0014]圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的柔性平臺(tái)的三維圖。
[0015]圖4是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的具有兩轉(zhuǎn)自由度柔性平臺(tái)的裝配圖。
[0016]圖5是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的柔性滑移鉸三維圖。
[0017]圖6是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的柔性虎克鉸三維圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。
[0019]下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的應(yīng)用原理作進(jìn)一步描述。
[0020]如圖1所示，本實(shí)用新型實(shí)施例的四自由度微動(dòng)精密定位系統(tǒng)包括柔順平臺(tái)I和具有繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)和繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)兩自由度柔順模塊;具有繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)和繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)兩自由度柔順模塊由柔順滑移鉸2、柔順虎克鉸3及驅(qū)動(dòng)元件等組成。圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的柔性微動(dòng)四自由度平臺(tái)的裝配圖；圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的柔性平臺(tái)的三維圖；圖4是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的具有兩轉(zhuǎn)自由度柔性平臺(tái)的裝配圖；圖5是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的柔性滑移鉸三維圖；圖6是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的柔性虎克鉸三維圖。
[0021]所述的具有繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)和繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)兩自由度柔順模塊是由與基座相固連的五個(gè)分支及其所支撐的剛體動(dòng)平臺(tái)構(gòu)成的，每個(gè)分支的上端與剛體動(dòng)平臺(tái)相固連;基座與柔順平臺(tái)I相固連，由柔順平臺(tái)I驅(qū)動(dòng)整個(gè)微轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)在X與Y向作平移運(yùn)動(dòng)。各分支的上段都是柔順虎克鉸3并且柔順虎克鉸3的中心在初始位置時(shí)均處于同一水平面上;周圍四個(gè)支腿下段是柔順滑移鉸2，能夠在垂直于基座的方向上產(chǎn)生伸縮運(yùn)動(dòng)，其中X向的一個(gè)邊緣支腿和Y向上的一個(gè)邊緣支腿是主動(dòng)支腿，而另外兩個(gè)邊緣支腿是被動(dòng)支腿。
[0022]具有繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)和繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)兩自由度柔順模塊搭載在柔順平臺(tái)I的中間平臺(tái)上，具有繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)和繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)兩自由度柔順模塊的底座與柔順平臺(tái)I中間的動(dòng)平臺(tái)相固連，這樣DxDy平移自由度與繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)和繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)微轉(zhuǎn)動(dòng)自由度實(shí)現(xiàn)了完全解耦，可以分別進(jìn)行獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)。具有繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)和繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)兩自由度柔順模塊周邊四個(gè)支腿中用了一種柔順滑移鉸鏈，它能夠提供較大行程的軸向形變。在主動(dòng)支腿的柔順滑移鉸鏈的中部空間中裝入壓電陶瓷或音圈電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置，在柔順平臺(tái)I的基座空間內(nèi)裝入音圈電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器，而且具有繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)和繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)兩自由度柔順模塊的底座開有槽，為柔順平臺(tái)I上安裝用于檢測(cè)中間動(dòng)平臺(tái)實(shí)際平動(dòng)位移量的傳感器裝置留出空間。
[0023]附圖1中，具有繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)和繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)兩自由度柔順模塊搭載在機(jī)構(gòu)的中間平臺(tái)上。平臺(tái)實(shí)現(xiàn)DxDy兩個(gè)自由度的平動(dòng)，上平臺(tái)實(shí)現(xiàn)繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)和繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)兩個(gè)自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)，這種布置可實(shí)現(xiàn)平動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)完全解耦，可分別進(jìn)行單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。上平臺(tái)的周邊四個(gè)支腿中用了一種柔性滑移鉸，其可以實(shí)現(xiàn)較大軸向變化，相鄰的兩個(gè)作為主動(dòng)支腿，裝有驅(qū)動(dòng)元件來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0024]對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，可以根據(jù)以上的技術(shù)方案和構(gòu)思，作出各種相應(yīng)的改變和變形，而所有的這些改變和變形都應(yīng)該包括在本實(shí)用新型權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種四自由度微動(dòng)精密定位系統(tǒng)，其特征在于，所述四自由度微動(dòng)精密定位系統(tǒng)包括柔順平臺(tái)和具有繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)和繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)兩自由度柔順模塊； 所述柔順平臺(tái)在四自由度微動(dòng)精密定位系統(tǒng)的底部，具有繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)和繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)兩自由度柔順模塊搭載在柔順平臺(tái)的中間平臺(tái)上，具有繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)和繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)兩自由度柔順模塊為串聯(lián)連接； 所述具有繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)和繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)兩自由度柔順模塊由柔順滑移鉸、柔順虎克鉸及驅(qū)動(dòng)元件組成。2.如權(quán)利要求1所述的四自由度微動(dòng)精密定位系統(tǒng)，其特征在于，所述具有繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)和繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)兩自由度柔順模塊是由與基座相固連的五個(gè)分支及所支撐的剛體動(dòng)平臺(tái)構(gòu)成的，每個(gè)分支的上端與剛體動(dòng)平臺(tái)相固連;基座與柔順平臺(tái)相固連，由柔順平臺(tái)驅(qū)動(dòng)整個(gè)微轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)在X與Y向作平移運(yùn)動(dòng);各分支的上段都是柔順虎克鉸并且柔順虎克鉸的中心在初始位置時(shí)均處于同一水平面上;周圍四個(gè)支腿下段是柔順滑移鉸。3.如權(quán)利要求1所述的四自由度微動(dòng)精密定位系統(tǒng)，其特征在于，具有繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)和繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)兩自由度柔順模塊的底座與柔順平臺(tái)中間的動(dòng)平臺(tái)相固連，在柔順平臺(tái)的基座空間內(nèi)裝入音圈電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器，具有繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)和繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)兩自由度柔順模塊的底座開有槽，便于安裝用于檢測(cè)中間動(dòng)平臺(tái)實(shí)際平動(dòng)位移量的傳感器裝置。4.如權(quán)利要求1所述的四自由度微動(dòng)精密定位系統(tǒng)，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)元件為壓電陶瓷或音圈電機(jī)。
【文檔編號(hào)】B25J9/00GK205614644SQ201620239640
【公開日】2016年10月5日
【申請(qǐng)日】2016年3月25日
【發(fā)明人】葛世濱, 薛超, 段學(xué)超, 米建偉, 杜敬利, 保宏, 韓旺
【申請(qǐng)人】西安電子科技大學(xué)