[发明专利]一种大行程高精度的空间两移动一转动柔顺并联定位系统

说明书

本发明公开了一种大行程高精度的空间两移动一转动柔顺并联定位系统，属于机械结构设计与制造领域，采用4个压电致动器实现动平台两个移动(y方向和z方向)、一个转动(x方向)的3个自由度的运动，动定平台与各压电致动器之间分别由两种柔顺分支连接，两种不同的柔顺分支分别由一个桥式位移放大器和两个柔性U铰链、两个楔形块；一个位移放大器和两个柔性R铰链、两个楔形块组成，其中桥式位移放大器是柔顺分支的核心零件，它起到输出驱动器位移和放大驱动行程的作用，并在柔性U副和柔性R副作用下使动平台得以进行空间上的大行程移动和大行程转动的复合运动。

技术领域

本发明属于机械结构设计与制造领域，公开一种大行程高精度的空间两移动一转动柔顺并联定位系统

背景技术

目前，业内常有的现有技术是这样的：在工业应用中，两平移一转动的三自由度并联机器人机构具有重要的应用，然而目前对该自由度并联机构的研究相对较少。同时，随着科学技术的日益进步，传统刚性机构已经难以满足高端机械制造领域里不断提升的需求。与传统的刚性机构不同，柔顺机构是一种利用弹性变形来完成力与运动的传递和转换的新型广义机构。这类机构积极地利用杆件或弹性元件的变形来改善和提高机构的性能。由于弹性元件代替了刚性运动副，因而柔顺机构避免了因运动副间隙导致的噪音、摩擦和磨损等问题。同时，这类机构具有装配少，甚至无需装配、易于实现一体化加工、易于微型化等制造特点及具有高精度、高可靠性、低制造成本和维护成本等产品优势。凭借这些独有的优越性，在精密工程、航空航天、生物工程以及微机电系统(MEMS)等高精尖领域，柔顺机构代替了传统刚性机构被广泛地应用，但是由于柔顺铰链的结构特性，若不采用合适的方法设计柔顺机构只能实现很小的行程，尚未见到既满足精度又具有较大运动行程和小型化的两平移一转动柔顺并联机构，甚至该类自由度的柔顺机构研究也比较少。

综上所述，现有技术存在的问题是：传统的两平移一转动柔顺机构难以实现微米级精度目标；一般柔顺并联机构只能有较小的运动行程，行程大小主要取决于驱动装置的行程大小；目前对两平移一转动自由度的并联机构研究相对较少，而对该类自由度的柔顺机构机型研究的更少。同时，一般柔顺U型铰链尺寸大，精度低，难以满足柔顺并联机构高精度、小型化的特点。

解决上述技术问题的难度和意义：传统的两平移一转动机构受限于制造工艺水平，难以实现微米级运动，需要运用柔顺机构的特性，将传统机构设计方法与柔顺机构相结合，选取合适的柔顺铰链代替传统机构中的刚性铰链，以此实现微米级精度目标。通常，单靠压电致动器是难以实现柔顺并联机构的较大行程的，桥式位移放大器因其可以放大压电致动器输入位移而被采用于本机构，本发明改进后的两平移一转动三自由度机构解决了机构输出行程小的问题。机构在行程被放大的同时，柔性铰链尤其是U型铰链通常因其尺寸较大而导致转动精度低，难以达到设计要求，本发明改进的一种新型U型铰链，使得铰链具有尺寸小，结构紧凑的特点，同时它还能承受较大的集中应力，在规定行程范围内，所受应力通常小于材料的屈服极限。根据柔性铰链特性设计出两种柔性分支，将其与传统两平移一转动并联机构的分支替换之后，该定位系统可以实现两个平动，一个转动的三自由度运动和微米级精度的同时，还保留了大行程、小型化的特点，广范应用于集成电路制造、EMS、高精度定位平台等领域。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种大行程高精度的空间两移动一转动柔顺并联定位系统。

本发明是这样实现的，一种大行程高精度的空间两移动一转动柔顺并联定位系统，所述大行程高精度的空间两移动一转动柔顺并联定位系统设置有：

4个压电致动器；

上下平台与压电致动器之间由“UPU”、“RPR”柔顺分支连接；

桥式位移放大器是两种柔顺分支的核心部件，“UPU”柔顺分支由一个桥式位移放大器、两个楔形块、两个柔性U铰链组成；“RPR”柔顺分支由一个桥式位移放大器、两个楔形块、两个柔性R铰链组成；