一种抗振动冲击过载的二维全柔顺动质量补偿微定位装置

本发明属于精密微定位，具体涉及一种用于超精密定位平台的抗振动冲击过载的二维全柔顺动质量补偿微定位装置。

背景技术：

1、随着精密加工、空间通讯、光学工程及航空航天等领域学科的不断拓展，精密微定位技术得到广泛的应用，其应用的场合和环境也变得越来越多样和复杂。精密微定位技术作为微作动、微测量和微制造的基础性关键技术之一，在能满足高定位精度，高动态性能、高分辨率及强稳定性的同时，能在复杂、极端或恶劣环境条件下正常工作成为其得到更加广泛和深入应用的关键因素。如在航空航天领域，微定位平台的工作环境通常为强振动、大冲击过载、高低温、真空高低压等诸多物理场耦合。

2、在微定位平台中，为实现亚毫米级或毫米级工作行程，作动器只能采用非接触式电磁作动器，如音圈电机；但音圈电机的电磁驱动能力和驱动带宽有限，要抵抗振动冲击过载环境条件引起的惯性力，通常需要数倍甚至十倍的正常工作驱动力，因此作动器的承载电流和磁极面积均要扩大，这将导致系统体积重量加大；另外，如果系统长时间工作在上述复杂力学环境中，作动器则需要持续以大电流模式工作，系统大功率输出导致系统发热严重功耗增加。

3、此外，微定位平台中采用接触式作动器，如压电陶瓷等高刚度的驱动传动结构，可以有效抵抗振动冲击过载环境条件引起的惯性力。该类微定位平台在工作行程上只能达到数百个纳米量级，因此需要搭配放大机构将位移进行放大，但工作行程放大后也只能达到数十或数百微米，无法实现毫米级范围内的精确定位。

4、综上可知，在现有技术中，通常采用大出力的驱动装置或高刚度的支承传动结构来抵抗强振动及大冲击过载，但是带来的问题是大出力的驱动装置长时间大功率输出，使得系统发热严重、功耗大、定位精度无法同时兼顾，而采用高刚度的支撑传动结构限制了微定位运动平台的工作行程，使得系统只能在纳米或亚微米级范围内实现准确定位，在复杂、极端或恶劣环境条件下控制性能迅速劣化。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是针对现有非接触式作动微定位过程中强振动大冲击过载等复杂力学环境下超精密微定位平台无法正常工作的问题，提供一种结构紧凑、操作简单、定位精度高、运动范围大的抗振动冲击过载的二维全柔顺动质量补偿微定位装置。

2、为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

3、一种抗振动冲击过载的二维全柔顺动质量补偿微定位装置，包括：运动平台、基座、质量配重平台、导轨滑块组、柔顺杠杆机构、传感器和驱动器；多个所述柔顺杠杆机构以两两为一组对称设置在基座四周；所述运动平台和质量配重平台分别通过多套导轨滑块组与基座两侧连接，并保留两个方向的平移自由度；所述柔顺杠杆机构的左右两端分别与运动平台和质量配重平台连接，在基座四周形成二维全柔顺动质量补偿定位系统；多个所述驱动器均布在运动平台或质量配重平台四周，所述传感器用于实时监测运动平台相对基座的二维位移，使驱动器完成伺服驱动动作。

4、作为本发明的进一步改进，所述基座包括：定位孔、安装面和定位面；所述定位面对称设置在安装面两侧，所述安装面上设有用于安装导轨滑块组的安装孔，所述定位面上设有用于安装传感器和驱动器的安装孔；所述定位面中部以及相邻定位面之间设有定位孔，所述定位孔用于固定柔顺杠杆机构。

5、作为本发明的进一步改进，所述导轨滑块组包括：上滑轨、支座和下滑轨；所述上滑轨和下滑轨分别设置在支座上部和下部，且上滑轨与下滑轨相互垂直；所述上滑轨与运动平台或质量配重平台连接，下滑轨与安装面连接。

6、作为本发明的进一步改进，所述柔顺杠杆机构包括：刚性支点横梁、柔顺偏摆扭转梁、刚性保持架、柔顺矫正梁和刚性连接块；所述刚性支点横梁与定位孔固连，所述刚性支点横梁的中部和刚性保持架的中部通过柔顺偏摆扭转梁连接，所述刚性保持架分别两端连接两根柔顺矫正梁，所述柔顺矫正梁的端部与连接运动平台和质量配重平台的刚性连接块连接。

7、作为本发明的进一步改进，所述柔顺偏摆扭转梁侧部对称设有缺口。

8、作为本发明的进一步改进，所述柔顺矫正梁侧部对称设有缺口，所述缺口靠近刚性连接块。

9、作为本发明的进一步改进，所述运动平台上下左右均设置有运动平台安装孔，所述运动平台安装孔用于安装刚性连接块，所述质量配重平台上下左右均设置有配重平台安装孔，所述配重平台安装孔用于安装刚性连接块；多个所述柔顺杠杆机构呈上下左右对称布置在基座四周。

10、作为本发明的进一步改进，当处于z轴方向的力学环境时，所述运动平台和质量配重平台所受的惯性载荷通过导轨滑块组传递至基座，使得运动平台相对基座保持静止；当处于x轴或y轴方向的力学环境时，所述运动平台和质量配重平台所受的惯性载荷通过柔顺杠杆机构传递至基座。

11、作为本发明的进一步改进，当在工作方向上需要完成伺服定位时，所述驱动器分别在运动平台和质量配重平台输出相反的驱动力，并产生不平衡力矩，使得柔顺杠杆机构发生弹性形变，运动平台和质量配重平台相对基座产生位移，从而实现伺服定位。

12、作为本发明的进一步改进，当处于力学环境模式时，柔顺杠杆机构的抗拉压刚度为ka、抗倾覆刚度为kq；当处于伺服定位模式时，柔顺杠杆机构的抗弯曲刚度为kw、抗扭转刚度为kn；所述ka与kq处于同一数量级，所述kw与kn处于同一数量级，所述ka和kq与所述kw和kn相差三个数量级以上。

13、与现有技术相比，本发明的优点在于：

14、本发明的抗振动冲击过载的二维全柔顺动质量补偿微定位装置，通过将柔顺杠杆机构以两两为一组对称设置在基座四周，柔顺杠杆机构的左右两端分别与运动平台和质量配重平台连接，并且运动平台和质量配重平台分别通过多套导轨滑块组与基座的两侧连接，同时仅保留了两个方向的平移自由度，在基座四周形成了二维全柔顺动质量补偿定位系统；将驱动器均布在运动平台和质量配重平台四周，传感器用于实时监测运动平台相对基座的二维位移，使驱动器完成伺服驱动动作，利用了柔顺梁在梁的轴线方向上抗拉伸变形的能力强、在梁的径向上抗弯挠曲变形的能力弱的特点，同时结合了动质量补偿方法，本发明的二维全柔顺动质量补偿装置可以有效抵抗在微定位平台工作方向上的环境振动、冲击与过载，同时不影响系统定位精度和作动器作动性能，实现了非接触式直接驱动微定位系统在强振动大冲击过载等力学环境下仍能正常工作。

技术特征：

1.一种抗振动冲击过载的二维全柔顺动质量补偿微定位装置，其特征在于，包括：运动平台(1)、基座(2)、质量配重平台(3)、导轨滑块组(4)、柔顺杠杆机构(5)、传感器(6)和驱动器(7)；多个所述柔顺杠杆机构(5)以两两为一组对称设置在基座(2)四周；所述运动平台(1)和质量配重平台(3)分别通过多套导轨滑块组(4)与基座(2)两侧连接，并保留两个方向的平移自由度；所述柔顺杠杆机构(5)的左右两端分别与运动平台(1)和质量配重平台(3)连接，在基座(2)四周形成二维全柔顺动质量补偿定位系统；多个所述驱动器(7)均布在运动平台(1)或质量配重平台(3)四周，所述传感器(6)用于实时监测运动平台(1)相对基座(2)的二维位移，使驱动器(7)完成伺服驱动动作。

2.根据权利要求1所述的抗振动冲击过载的二维全柔顺动质量补偿微定位装置，其特征在于，所述基座(2)包括：定位孔(201)、安装面(202)和定位面(203)；所述定位面(203)对称设置在安装面(202)两侧，所述安装面(202)上设有用于安装导轨滑块组(4)的安装孔，所述定位面(203)上设有用于安装传感器(6)和驱动器(7)的安装孔；所述定位面(203)中部以及相邻定位面(203)之间设有定位孔(201)，所述定位孔(201)用于固定柔顺杠杆机构(5)。

3.根据权利要求2所述的抗振动冲击过载的二维全柔顺动质量补偿微定位装置，其特征在于，所述导轨滑块组(4)包括：上滑轨(401)、支座(402)和下滑轨(403)；所述上滑轨(401)和下滑轨(403)分别设置在支座(402)上部和下部，且上滑轨(401)与下滑轨(403)相互垂直；所述上滑轨(401)与运动平台(1)或质量配重平台(3)连接，下滑轨(403)与安装面(202)连接。

4.根据权利要求2所述的抗振动冲击过载的二维全柔顺动质量补偿微定位装置，其特征在于，所述柔顺杠杆机构(5)包括：刚性支点横梁(501)、柔顺偏摆扭转梁(502)、刚性保持架(504)、柔顺矫正梁(505)和刚性连接块(506)；所述刚性支点横梁(501)与定位孔(201)固连，所述刚性支点横梁(501)的中部和刚性保持架(504)的中部通过柔顺偏摆扭转梁(502)连接，所述刚性保持架(504)分别两端连接两根柔顺矫正梁(505)，所述柔顺矫正梁(505)的端部与连接运动平台(1)和质量配重平台(3)的刚性连接块(506)连接。

5.根据权利要求4所述的抗振动冲击过载的二维全柔顺动质量补偿微定位装置，其特征在于，所述柔顺偏摆扭转梁(502)侧部对称设有缺口(503)。

6.根据权利要求4所述的抗振动冲击过载的二维全柔顺动质量补偿微定位装置，其特征在于，所述柔顺矫正梁(505)侧部对称设有缺口(503)，所述缺口(503)靠近刚性连接块(506)。

7.根据权利要求4所述的抗振动冲击过载的二维全柔顺动质量补偿微定位装置，其特征在于，所述运动平台(1)上下左右均设置有运动平台安装孔(101)，所述运动平台安装孔(101)用于安装刚性连接块(506)，所述质量配重平台(3)上下左右均设置有配重平台安装孔(301)，所述配重平台安装孔(301)用于安装刚性连接块(506)；多个所述柔顺杠杆机构(5)呈上下左右对称布置在基座(2)四周。

8.根据权利要求1至7中任意一项所述的抗振动冲击过载的二维全柔顺动质量补偿微定位装置，其特征在于，当处于z轴方向的力学环境时，所述运动平台(1)和质量配重平台(3)所受的惯性载荷通过导轨滑块组(4)传递至基座(2)，使得运动平台(1)相对基座(2)保持静止；当处于x轴或y轴方向的力学环境时，所述运动平台(1)和质量配重平台(3)所受的惯性载荷通过柔顺杠杆机构(5)传递至基座(2)。

9.根据权利要求8所述的抗振动冲击过载的二维全柔顺动质量补偿微定位装置，其特征在于，当在工作方向上需要完成伺服定位时，所述驱动器(7)分别在运动平台(1)和质量配重平台(3)输出相反的驱动力，并产生不平衡力矩，使得柔顺杠杆机构(5)发生弹性形变，运动平台(1)和质量配重平台(3)相对基座(2)产生位移，从而实现伺服定位。

10.根据权利要求9所述的抗振动冲击过载的二维全柔顺动质量补偿微定位装置，其特征在于，当处于力学环境模式时，柔顺杠杆机构(5)的抗拉压刚度为ka、抗倾覆刚度为kq；当处于伺服定位模式时，柔顺杠杆机构(5)的抗弯曲刚度为kw、抗扭转刚度为kn；所述ka与kq处于同一数量级，所述kw与kn处于同一数量级，所述ka和kq与所述kw和kn相差三个数量级以上。

技术总结
本发明公开一种抗振动冲击过载的二维全柔顺动质量补偿微定位装置，包括：运动平台、基座、质量配重平台、导轨滑块组、柔顺杠杆机构、传感器和驱动器；多个所述柔顺杠杆机构以两两为一组对称设置在基座四周；运动平台和质量配重平台分别通过多套导轨滑块组与基座两侧连接，并保留两个方向的平移自由度；柔顺杠杆机构的左右两端分别与运动平台和质量配重平台连接，在基座四周形成二维全柔顺动质量补偿微定位系统；多个驱动器均布在运动平台或质量配重平台四周，传感器用于实时监测运动平台相对基座的二维位移，使驱动器完成伺服驱动动作。本发明具有结构紧凑、操作简单、定位精度高、运动范围大等优点。

技术研发人员：范世珣,羊鹏,温志杰,温滨正,任白若城,陈宁,范大鹏
受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/22