[发明专利]一种基于柔性铰链的五自由度精密对准机构

摘要

本发明公开了一种基于柔性铰链的五自由度精密对准机构，其包括有支撑组件(1)、检测组件(2)、两二自由度XY平台(3)、Z轴直线导向平台(4)、X轴转动平台(5)、Z轴转动平台(6)和安装面板(7)。两二自由度XY平台(3)上设计两组Scott‑Russell机构和杠杆机构组合的放大机构，用来增大XY平台两个方向上的输出位移。Z轴直线导向平台(4)上设计两组平行四边形机构以增大直线平台的输出导向性能，减少寄生误差，提高运动精度。X轴转动平台(5)考虑到绕X方向的偏转运动的转动中心需要落在被测件的中心，因此，该运动的转动中心为具备远程转动特性。对Z轴转动平台(6)采用蝴蝶铰的构型，能够获得更大的输出角度和更稳定的转动输出，减少了运动误差。

主权项

一种基于柔性铰链的五自由度精密对准机构，其特征在于：对准机构包括有支撑组件(1)、检测组件(2)、两自由度XY平台(3)、Z轴直线导向平台(4)、X轴转动平台(5)、Z轴转动平台(6)和安装面板(7)；支撑组件(1)包括有AA竖直支撑板(1A)、AB竖直支撑板(1B)、AA横向支撑板(1C)和AB横向支撑板(1D)；其中，AA竖直支撑板(1A)与AB竖直支撑板(1B)结构相同；AA竖直支撑板(1A)的AA减重孔(1A1)的上端部上固定有AA横向支撑板(1C)的一端，AB竖直支撑板(1B)的AB减重孔(1B1)的上端部上固定有AA横向支撑板(1C)的另一端；AA横向支撑板(1C)的中部固定在CB支架(3‑2)上；AA竖直支撑板(1A)与AB竖直支撑板(1B)平行放置；且AA竖直支撑板(1A)的下端固定在安装面板(7)上，AA竖直支撑板(1A)的上端端部固定有AB横向支撑板(1D)的一端；AB竖直支撑板(1B)的下端固定在安装面板(7)上，AB竖直支撑板(1B)的上端端部固定有AB横向支撑板(1D)的另一端；AB横向支撑板(1D)的中部固定在CC支架(3‑3)、CA支架(3‑1)和CD支架(3‑4)上；检测组件(2)包括有三个电容传感器、BA竖直支撑板(2A)和BB竖直支撑板(2B)；其中，BA竖直支撑板(2A)与BB竖直支撑板(2B)结构相同；BA竖直支撑板(2A)的上端设有BA开口槽(2A1)，BA开口槽(2A1)上设有用于放置电容传感器探头的沿Z轴方向设置的BI通孔；BA开口槽(2A1)的两边是BA支臂(2A2)与BB支臂(2A3)；BA支臂(2A2)上设有用于安装A电容传感器探头(2D)的BA通孔(2A2A)和BB通孔(2A2B)；所述BA通孔(2A2A)沿Y轴方向设置；所述BB通孔(2A2B)沿X轴方向设置；A电容传感器探头(2D)是固定在沿Y轴方向设置的BA通孔(2A2A)中；BB竖直支撑板(2B)的上端设有BB开口槽(2B1)，BB开口槽(2B1)上设有用于放置C电容传感器探头(2F)的BJ通孔(2B1A)，BJ通孔(2B1A)沿Z轴方向设置；BB开口槽(2B1)的两边是BC支臂(2B2)与BD支臂(2B3)；BC支臂(2B2)上设有用于安装B电容传感器探头(2E)的BE通孔(2B2A)和BF通孔(2B2B)；所述BE通孔(2B2A)沿Y轴方向设置；所述BF通孔(2B2B)沿X轴方向设置；B电容传感器探头(2E)是固定在沿X轴方向设置的BF通孔(2B2B)中；两自由度XY平台(3)上设有刚性的CA固定板(3A)、CB固定板(3C)、CC固定板(3D)、CA输入板(3E)、CB输入板(3F)、输出板(3B)、CA矩形通孔(3G)和CB矩形通孔(3H)，以及柔性单元；所述柔性单元包括有X轴方向的柔性单元、Y轴方向的柔性单元和凸起柔性单元；X轴方向的柔性单元和Y轴方向的柔性单元设置在CA固定板(3A)上；凸起柔性单元设置在输出板(3B)的上下；所述CA矩形通孔(3G)用于放置CA压电陶瓷驱动器(3‑5)，CA压电陶瓷驱动器(3‑5)的输出端与CA输入板(3E)的端部接触，CA压电陶瓷驱动器(3‑5)的另一端通过CA预紧螺钉(3‑51)顶紧；所述CB矩形通孔(3H)用于放置CB压电陶瓷驱动器(3‑6)，CB压电陶瓷驱动器(3‑6)的输出端与CB输入板(3F)的端部接触，CB压电陶瓷驱动器(3‑6)的另一端通过CB预紧螺钉(3‑61)顶紧；所述X轴方向的柔性单元包括有CA杠杆放大机构(3A11)、第一Scott‑Russell机构(3A12)、CA平行四边形导向机构(3A13)、CA簧片(3A14)、CB簧片(3A15)、CC簧片(3A16)、CD簧片(3A17)和CB平行四边形导向机构(3A18)；从驱动力输入至输出顺次设置为CA杠杆放大机构(3A11)、第一Scott‑Russell机构(3A12)、CA平行四边形导向机构(3A13)、CA簧片(3A14)和CB簧片(3A15)；所述Y轴方向的柔性单元包括有CB杠杆放大机构(3A21)、第二Scott‑Russell机构(3A22)、CC平行四边形导向机构(3A23)、CE簧片(3A24)、CF簧片(3A25)、CG簧片(3A26)、CH簧片(3A27)和CD平行四边形导向机构(3A28)；从驱动力输入至输出顺次设置为CB杠杆放大机构(3A21)、第二Scott‑Russell机构(3A22)、CC平行四边形导向机构(3A23)、CE簧片(3A24)和CF簧片(3A25)；输出板(3B)的A边与平行放置的CA簧片(3A14)与CB簧片(3A15)接合，输出板(3B)的B边与平行放置的CG簧片(3A26)与CH簧片(3A27)接合，输出板(3B)的C边与平行放置的CC簧片(3A16)与CD簧片(3A17)接合，输出板(3B)的D边与平行放置的CE簧片(3A24)与CF簧片(3A25)接合；所述凸起柔性单元包括有CA双平行四边形导向机构(3A31)、CB双平行四边形导向机构(3A32)、CC双平行四边形导向机构(3A33)和CD双平行四边形导向机构(3A34)；CA双平行四边形导向机构(3A31)与CB双平行四边形导向机构(3A32)的结构相同；CC双平行四边形导向机构(3A33)与CD双平行四边形导向机构(3A34)的结构相同；两自由度XY平台(3)的CA固定板(3A)的上面板上固定有平行放置的CA支架(3‑1)的底部、CC支架(3‑3)的底部与CD支架(3‑4)的底部；CA支架(3‑1)的另一端固定在CB固定板(3C)与AB横向支撑板(1D)之间；CC支架(3‑3)的另一端与CD支架(3‑4)的另一端固定在AB横向支撑板(1D)上；两自由度XY平台(3)的CC固定板(3D)的下面板上固定有CB支架(3‑2)的底部，CB支架(3‑2)的另一端固定在AA横向支撑板(1C)上；Z轴直线导向平台(4)包括有DA导向本体(4A)、DB导向本体(4B)、DA支架(4C)和音圈电机(4D)；其中，DA导向本体(4A)与DB导向本体(4B)的结构相同；音圈电机(4D)的定子固定在DA支架(4C)上，音圈电机(4D)的动子固定在EA支架(5C)上；DA支架(4C)固定在平行放置的DA导向本体(4A)与DB导向本体(4B)之间；DA导向本体(4A)与DB导向本体(4B)的顶部固定在两自由度XY平台(3)的底部；DA导向本体(4A)上设有DA固定板(4A1)、DA输出板(4A2)、DA平行四边形导向机构(4A3)和DB平行四边形导向机构(4A4)；所述DA固定板(4A1)的一边面板上设有供DA螺钉(4E)穿过的DA通孔(4A11)，所述DA固定板(4A1)的另一边面板上设有供DB螺钉(4F)穿过的DB通孔(4A12)；穿过DA通孔(4A11)后的DA螺钉(4E)螺纹连接在DA支架(4C)一端面的螺纹孔中；穿过DB通孔(4A12)后的DB螺钉(4F)螺纹连接在DA支架(4C)一端面的螺纹孔中；通过DA螺钉(4E)和DB螺钉(4F)实现了DA导向本体(4A)的DA固定板(4A1)与DA支架(4C)一端的固定；DB导向本体(4B)上设有DB固定板(4B1)、DB输出板(4B2)、DC平行四边形导向机构(4B3)和DD平行四边形导向机构(4B4)；所述DB固定板(4B1)的一边面板上设有供DC螺钉(4G)穿过的DC通孔(4B11)，所述DB固定板(4B1)的另一边面板上设有供DD螺钉(4H)穿过的DD通孔(4B12)；穿过DC通孔(4B11)后的DC螺钉(4G)螺纹连接在DA支架(4C)另一端面的螺纹孔中；穿过DD通孔(4B12)后的DD螺钉(4H)螺纹连接在DA支架(4C)另一端面的螺纹孔中；通过DC螺钉(4G)和DD螺钉(4H)实现了DB导向本体(4B)的DB固定板(4B1)与DA支架(4C)另一端的固定；X轴转动平台(5)包括有EA运动传递机构(5A)、EB运动传递机构(5B)、EA支架(5C)、EA预紧弹簧心轴(5D)、EB预紧弹簧心轴(5E)、EA预紧弹簧(5F)、EB预紧弹簧(5G)、EA压电陶瓷驱动器(5H)和EB压电陶瓷驱动器(5I)；其中，第一X轴转动平台(5A)与第二X轴转动平台(5B)的结构相同；EA支架(5C)上设有EA支臂(5C1)、EB支臂(5C2)、EC支臂(5C3)和ED支臂(5C4)；EA支臂(5C1)上设有供EE螺钉(5C5)穿过的通孔，EB支臂(5C2)上设有供EF螺钉(5C6)穿过的通孔，EA支架(5C)的中部设有供EG螺钉(5C7)穿过的通孔；通过EE螺钉(5C5)使DA支架(5C)的EA支臂(5C1)与DA导向本体(4A)的DA输出板(4A2)的底部固定；通过EF螺钉(5C6)使DA支架5C的EB支臂(5C2)与DB导向本体(4B)的DB输出板(4B2)的底部固定；通过EG螺钉(5C7)使音圈电机(4D)固定在EA支架(5C)上；EA运动传递机构(5A)上设有多个圆弧型铰链、EA固定板(5A1)、EA输出板(5A2)、EA刚性梁(5A3)、EB刚性梁(5A6)、EC刚性梁(5A7)、ED刚性梁(5A8)、EE刚性梁(5A9)、EA矩形通孔(5A4)和EB矩形通孔(5A5)；EA矩形通孔(5A4)内安装有EA压电陶瓷驱动器(5H)，EA压电陶瓷驱动器(5H)的输出端与EA刚性梁(5A3)的端面接触；EB矩形通孔(5A5)内放置有EA预紧弹簧(5F)，且EA预紧弹簧(5F)套接在EA预紧弹簧心轴(5D)上，EA预紧弹簧心轴(5D)螺纹连接在EB刚性梁(5A6)的EA螺纹孔(5A61)中，且伸入EB矩形通孔(5A5)内；EA固定板(5A1)上设有供EA螺钉(5A‑31)穿过的通孔，通过EA螺钉(5A‑31)实现EA运动传递机构(5A)与EA支架(5C)的EC支臂(5C3)固定；EA输出板(5A2)上设有供EB螺钉(5A‑32)穿过的通孔，通过EB螺钉(5A‑32)实现EA运动传递机构(5A)与Z轴转动组件(6)中的Z轴转动平台(6A)一端固定；EB运动传递机构(5B)上的固定板上设有供EC螺钉(5B‑31)穿过的通孔，通过EC螺钉(5B‑31)实现EB运动传递机构(5B)与EA支架(5C)的ED支臂(5C4)固定；EB运动传递机构(5B)上的输出板上设有供ED螺钉(5B‑32)穿过的通孔，通过ED螺钉(5B‑32)实现EB运动传递机构(5B)与Z轴转动组件(6)中的Z轴转动平台(6A)另一端固定；Z轴转动组件(6)包括有Z轴转动平台(6A)、Z轴转动输入件(6B)、F压电陶瓷驱动器(6C)、F预紧弹簧(6D)和F预紧弹簧心轴(6E)；Z轴转动平台(6A)的中部是Z轴中心圆台(6A1)、FA动平台(6A11)和FB动平台(6A12)；沿Z轴中心圆台(6A1)的外圆周均匀分布有FA簧片(6A3)、FB簧片(6A4)、FC簧片(6A5)和FD簧片(6A6)，FA簧片(6A3)与FB簧片(6A4)的一端是FA动平台(6A11)，FC簧片(6A5)与FD簧片(6A6)的一端是FB动平台(6A12)；Z轴中心圆台(6A1)上设有放置FB螺钉(62)的FC螺纹孔(6A‑3)，以及放置BA螺钉(2C2)的FD螺纹孔(6A‑4)，Z轴转动平台(6A)的Z轴中心圆台(6A1)底部固定有被试件的连接端；Z轴转动平台(6A)上设置有FA安装台(6A2A)和FB安装台(6A2B)、FA限位台(6A2C)和FC限位台(6A2D)；FA限位台(6A2C)与FA动平台(6A11)之间设有FE簧片(6A7)和FF簧片(6A8)，且FE簧片(6A7)与FF簧片(6A8)位于FA簧片(6A3)与FB簧片(6A4)之间；FC限位台(6A2D)与FB动平台(6A12)之间设有FG簧片(6A9)和FH簧片(6A10)，且FG簧片(6A9)与FH簧片(6A10)位于FC簧片(6A5)与FD簧片(6A6)之间；Z轴转动输入件(6B)上设有Z轴转动块(6B1)和Z轴本体(6B8)；所述Z轴本体(6B8)上设有FA通孔(6B4)、FC通孔(6B6)和FA螺纹孔(6B7)，FA螺钉(61)穿过FA通孔(6B4)后螺纹连接在FA安装台(6A2A)的FA螺纹孔(6A‑1)中，FC螺钉(63)穿过FC通孔(6B6)后螺纹连接在FB安装台(6A2B)的FB螺纹孔(6A‑2)中，FA螺纹孔(6B7)用于放置预紧弹簧心轴(6E)；Z轴本体(6B8)的底部与Z轴转动平台(6A)的上部之间设有FA运动间隙(6F)；所述Z轴转动块(6B1)上设有FB通孔(6B5)、FA圆弧型铰链(6B1A)和FB圆弧型铰链(6B1B)；FB螺钉(62)穿过FB通孔(6B5)后螺纹连接在Z轴中心圆台(6A1)的FC螺纹孔(6A‑3)中；当通过FB螺钉(62)将Z轴转动输入件(6B)与Z轴转动平台(6A)固定后，使得Z轴转动块(6B1)作为了Z轴转动中心；安装面板(7)上设有多个限位安装孔(7A)，通过限位安装孔(7A)一方面实现将支撑组件(1)中的AA竖直支撑板(1A)的一端和AB竖直支撑板(1B)的一端固定在安装面板(7)上，通过限位安装孔(7A)另一方面实现将检测组件(2)中的BA竖直支撑板(2A)的一端和BB竖直支撑板(2B)的一端固定在安装面板(7)上。