三自由度解耦超精密大行程定位及激振装置的制作方法

本发明涉及一种三自由度解耦超精密大行程定位及激振装置，属于超精密定位指向与振动激励装置技术领域。

背景技术：

超精密定位装置能够使目标载荷按照期望轨迹进行精密作动，被广泛应用于基因工程、光学工程、精密制造及机加工、航空航天等领域。激振装置则应用于振动测试领域，用来为机械零部件的振动响应测试提供振动干扰。传统的伺服驱动三自由度定位平台不仅结构尺寸庞大，同时存在耦合，且受制于驱动机理，运动精度有限，难以满足超精密应用；同样，面向微振动测试需求，传统电磁激振器不仅难以实现低频、超低频的微纳级别的振动干扰输出，而且难以承载具有较大负荷的目标，因而限制了其进一步的应用。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：现有伺服驱动三自由度定位平台尺寸庞大，运动精度有限，难以实现低频、超低频的微纳级别的振动干扰输出等问题。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种三自由度解耦超精密大行程定位及激振装置，其特征在于，包括上负载盘及下安装盘，上负载盘与下安装盘之间通过中间的磁悬浮负载部件及周围的三个相同的作动元件连接；所述磁悬浮负载部件包括下卸载套筒，下卸载套筒内设有相互排斥的上永磁体及下永磁体，上永磁体与其上方的上滑动槽连接，上滑动槽通过超精密直线轴承固定于下卸载套筒内，上滑动槽的顶部与外螺纹万向球相配合；所述作动元件包括带环形隔断的驱动器外壳，驱动器外壳内设有包裹有励磁线圈的超磁致伸缩棒，超磁致伸缩棒的两端通过磁轭端盖与驱动器外壳连接固定，超磁致伸缩棒的一端连接驱动器输入杆，另一端连接驱动器输出杆，驱动器输出杆与两级柔顺杠杆放大机构的输入端连接；两级柔顺杠杆放大机构的第二级输出梁中部和驱动器外壳底部各设有一个柔顺圆柱球铰，两个柔顺圆柱球铰的外侧设有连接螺栓。

优选地，所述相邻作动元件之间呈90°直角。

优选地，所述上滑动槽的材质为铜。

优选地，所述上负载盘上设有用于与外螺纹万向球连接的螺纹孔、用于与连接螺柱连接的连接孔及用于与其它设备连接的设备固定孔。

优选地，所述作动元件通过固定底盘与下安装盘连接；固定底盘上设有用于与连接螺栓连接的螺纹连接孔；固定底盘底部设有用于与下安装盘固定的定位凸台。

更优选地，所述固定底盘的螺纹连接孔的一侧连通有微动间隙，微动间隙的两侧设有止动螺钉孔。

优选地，所述超磁致伸缩棒上端的磁轭端盖设有外螺纹预紧端盖。

优选地，所述柔顺圆柱球铰的材质为铍青铜。

优选地，所述两级柔顺杠杆放大机构的下部设有用于支撑的安全拱架。

优选地，所述两级柔顺杠杆放大机构的输入端与驱动器输出杆通过销连接。

本发明将三自由度精密定位指向与激振功能同时考虑，通过一套系统可以实现多种功能，方案结构紧凑，定位指向功能解耦，可单独实现所需平动自由度上的微纳尺度运动；由于采用了嵌入式柔顺放大机构，定位指向行程得以放大。同时，通过磁悬浮卸载装置设计，在激振时能够对较大负荷进行卸载处理，从而能够实现振动干扰的准确加载。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明呈直角三棱锥布局，各作动元件分处于棱锥各棱边上，从而使得各作动元件两两垂直，有效实现了结构解耦，降低了定位和激振控制难度；

2.本发明通过智能材料驱动器与两级柔顺杠杆放大机构为作动元件的联动方案设计，能够有效保障大行程、高精度输出需求；同时设计的安全拱架能够有效限定柔顺放大机构的作动范围，确保受冲击重载时的安全；该作动元件通过设计的智能闭环控制策略可有效控制作动端的输出响应，实现超精密定位、激振需求；

3.两级柔顺杠杆放大机构各级梁采用了工字型截面设计，有效提高了截面抗弯刚度，不仅有效保障了对智能材料驱动器输入位移幅值的准确放大，避免了位移损失，同时能够减轻柔顺放大机构的整体质量，遵循轻量化设计理念；

4.安全拱架采用内部开孔构型，在提升结构强度、刚度的同时，大幅降低了拱架质量，同样秉承轻量化设计理念；

5.驱动器外壳采用铝合金环形小隔断设计，在减轻结构重量的同时，加强了整体散热能力，可有效提高装置工作时长，满足长时间定位、激振需求；

6.两级柔顺杠杆放大机构能够在实现位移大幅提升基础上，达到输入输出同轴线的目的，保持输出响应的一致性；

7.智能材料驱动器可广泛采用当前成熟方案，典型如压电陶瓷、超磁致伸缩等，增强了装置兼容性；

8.作动元件两端通过铍青铜柔顺圆柱球铰设计，不仅可以有效减小运动副尺寸，同时兼备了无间隙、无摩擦、无磨损及无须润滑等优势，相比传统球铰更适合超精密应用；

9.磁悬浮卸载部件采用两块同性永磁体分别安装于上滑动槽和下卸载套筒内，通过同性相斥原理实现大负荷卸载，避免了采用传统弹簧带来的复杂摩擦、磨损及疲劳现象；

10.磁悬浮卸载部件上端采用具有螺纹的万向球不仅能够实现与上负载盘的进动调整以满足标准位姿下的卸载，同时配合的滑动铜槽与万向球接触并具备一定间隙，从而保障在卸荷的同时屏蔽运动干涉；

11.上负载盘采用高强钢制作而成，三侧面分别保持两两垂直关系，同时开有螺纹孔以实现与作动元件连接螺杆的精密配合；

12.固定底座采用一体化加工而成，在螺纹连接孔下部开有间隙，并在侧面开有止动螺钉孔，从而满足作动元件的锁紧需求；同时，类似于直角三棱锥方案，以任一斜面为基准设计了连接螺纹孔，确保了整体方案的安装精度；

13.三自由度解耦大行程超精密定位及激振装置可针对不同负荷需求，实现动态卸载调整以及可通过对柔顺杠杆放大机构进行优化，以满足不同定位行程或激振幅度需求；

14.在微振动激励过程中，可以产生非标准轴线方向上的单自由度扰动，以满足非标准轴线振动激励需求；

15.该三自由度解耦超精密大行程定位及激振装置能够满足空间超精密定位指向应用，同时其同样适用于如基因工程、细胞操作、空间矢量推进等基础平台方案的设计，因此应用前景广阔。

附图说明

图1为本发明提供的三自由度解耦超精密大行程定位及激振装置的结构示意图；

图2为作动元件的透视图；

图3为两级柔顺杠杆放大机构与驱动器输出杆连接的示意图；

图4为磁悬浮卸载部件的透视图；

图5为固定底座的主视图；

图6为上负载盘的透视图。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

实施例

如图1-6所示，为本发明提供的一种三自由度解耦超精密大行程定位及激振装置的结构示意图，其包括上负载盘1及下安装盘5，上负载盘1与下安装盘5之间通过中间的磁悬浮负载部件3及周围的三个相同的作动元件2连接。

如图2所示，所述作动元件2包括带环形隔断的驱动器外壳204，驱动器外壳204内设有包裹有励磁线圈205的超磁致伸缩棒207，超磁致伸缩棒207的两端通过磁轭端盖208与驱动器外壳204连接固定，驱动器外壳204上方设有两级柔顺杠杆放大机构202，两级柔顺杠杆放大机构202的第二级输出梁中部和驱动器外壳204底部各设有一个柔顺圆柱球铰202，两个柔顺圆柱球铰202的外侧设有连接螺栓209。超磁致伸缩棒207上端的磁轭端盖208设有外螺纹预紧端盖206。两级柔顺杠杆放大机构202的下部设有用于支撑的安全拱架203。如图3所示，两级柔顺杠杆放大机构202的输入端210与驱动器输出杆211通过销212连接。相邻作动元件2之间呈90°直角，三个作动元件2构成一类似于正三棱锥的形状，分别连接于上负载盘1和下安装盘5之间，以用来产生主动作动功能，推动上负载盘1做期望动作。柔顺圆柱球铰201的材质为铍青铜。

两个柔顺圆柱球铰201通过底端螺柱安装于两级柔顺杠杆放大机构202的上输出梁中点位置，两级柔顺杠杆放大机构202则通过底部的四个螺纹孔与带环形小隔断的驱动器外壳204上端锁紧装配，安全拱架203支撑于两级柔顺杠杆放大机构202下面，同时通过四个螺纹孔同样与带隔断的驱动器外壳204上端以对称位置锁紧装配，超磁致伸缩棒207处于作动元件2的最核心位置，外部包裹励磁线圈205，两端则嵌入磁轭端盖208，外螺纹预紧端盖206则用于对超磁致伸缩棒207施加预应力。两个连接螺柱209分别安装于两个柔顺圆柱球铰201的一端，另一端则分别与固定底座4和上负载盘1连接，实现作动元件2的整体安装与固定。

两级柔顺杠杆放大机构202可通过多目标优化策略进行设计，设计目标一方面可以使放大机构具有最大放大比，同时最小化输出位移损失，另一方面可以使放大机构固有频率超出激振频带，以避免共振带来的损害。同时，两级柔顺杠杆放大机构202在输入端210与驱动器输出杆211设计了圆形销孔，以实现作动过程中的紧密接触、不松动。设计的安全拱架203主要目的是保持整个装置受冲击载荷时对两级柔顺杠杆放大机构202进行安全保护，以免柔性铰链变形过大发生破坏，同时，安全拱架203通过内部开孔构型，在提升结构强度、刚度的同时，大幅降低了拱架质量，有效秉承了轻量化设计理念。通过带环形隔断的驱动器外壳204设计，能够加快作动过程中的热量散失，有助于长时间激振或定位作业。

采用的铍青铜柔顺圆柱球铰201通过在空心圆柱铍青铜管呈90度对称分布处进行1/4椭圆弧线切割加工，能够保证柔顺铰链的各向同性，满足球铰功能的同时具备了无摩擦、无磨损及无须润滑等优点。

如图4所示，所述磁悬浮负载部件3包括下卸载套筒304，下卸载套筒304内设有相互排斥的上永磁体305及下永磁体306，上永磁体305与其上方的上滑动槽302连接，上滑动槽302通过超精密直线轴承303固定于下卸载套筒304内，上滑动槽302的顶部与外螺纹万向球301相配合。上滑动槽302的材质为铜。磁悬浮卸载部件3通过螺纹孔与外螺纹万向球301连接于上负载盘1和下安装盘5之间，可以用来对上负载盘1上安装的外部负载进行卸荷处理，从而减轻外部负载对作动元件2的压力，减小静变形。外螺纹万向球301通过螺纹与上负载盘1的外螺纹万向球配合孔101配合，同时外螺纹万向球301下端万向球与上滑动槽302保持接触状态，上滑动槽302插入超精密直线轴承303中，超精密直线轴承303则通过四个安装螺孔与下卸载套筒304装配，而上永磁体305嵌入上滑动槽302的底端，下永磁体306则固定于下卸载套筒304的底面上。通过上、下永磁体的斥力实现对外部负载的卸荷处理。

作动元件2通过固定底盘4与下安装盘5连接，如图5所示，固定底盘4上设有用于与连接螺栓209连接的螺纹连接孔401；固定底盘4底部设有用于与下安装盘5固定的定位凸台403。固定底盘4的螺纹连接孔401的一侧连通有微动间隙404，微动间隙404的两侧设有止动螺钉孔402。螺纹连接孔401主要用来实现作动元件2的连接螺柱209的装配，通过止动螺钉旋进侧面的止动螺钉孔402实现作动元件2的固定。而固定底座4则通过定位凸台403实现与下安装盘5的固定安装。

如图6所示，所述上负载盘1上设有用于与外螺纹万向球301连接的螺纹孔101、用于与连接螺柱209连接的连接孔102及用于与其它设备连接的留个设备固定孔103。上负载盘1采用高强钢加工而成，主要用于安装外部负载并提供平台各作动元件2和磁悬浮卸载部件3的安装固定。上负载盘1的连接侧面同样采用两两垂直设计，从而能够与固定底座4保持平行，以实现作动元件2的准直安装。

本发明是利用超磁致伸缩材料作动结合两级柔顺杠杆放大机构的大行程解耦定位及激振装置。本发明可兼容其他成熟智能材料驱动型式，如压电驱动等。采用的两级柔顺杠杆放大机构202通过对关键梁的“工字型”截面设计，在增大输出倍数的同时还能确保足够的抗弯刚度，进而减小位移损失。此外，配合闭环控制算法，能够实现微纳尺度的精密定位与振动激励。

本发明的装配方法如下：

1、将三个固定底座4分别安装于下安装盘5的对应位置处，确保定位凸台403与下安装盘5对应位置的切合，并通过三个螺栓进行紧固；

2、将除去外螺纹万向球301外的磁悬浮卸载部件3安装固定于下安装盘5的中心位置，同样利用四个螺栓通过下卸载套筒304的底面螺栓孔与下安装盘5对应位置的螺纹孔配合实现紧固；

3、将外螺纹万向球301安装于上负载盘1上，通过处于中心位置的螺纹孔101实现装配，并将外螺纹万向球旋进到最末端；

4、分别将三个作动元件2通过上端的连接螺柱209与上负载盘1对应的侧面连接孔102进行装配、固定；

5、将三个作动元件2通过下端的连接螺柱209插入对应的固定底座4的螺纹连接孔401中，依次在止动螺钉孔402中旋紧止动螺钉。随后，调节外螺纹万向球301使其后退并与上滑动槽302保持接触，完成初始装配。

本发明根据外部荷载变化，可相应调整卸载装置以实现重力补偿，调整方法为：

1、将外部荷载均匀布置于上负载盘1，并通过设备固定孔103进行安装紧固；

2、由于重力作用，各作动元件2的两级柔顺杠杆放大机构202将会产生应变，此时根据嵌入的应变片的读值变化来旋进旋退外螺纹万向球301，最终实现重力卸载。

本发明一方面能提供微纳尺度的超精密定位指向操作，另一方面是为具有微振动测试需求的零部件提供所需精度与频段的振动激励。利用三套作动元件2以实现上负载盘1的期望运动。由于具备解耦能力，各作动元件2单独作动时，借助闭环控制策略即可实现单一自由度上的超精密运动。因此，该装置能够实现精密定位及振动激励。