专利名称：一种用于超精密定位的三自由度微操作正交并联工作台的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是并联机构与柔性运动副相结合的并联工作台，可实现空间三维平动超精密定位。
背景技术：
随着现代机械向微型化、高精度化方向发展，传统的采用步进电机加精密丝杠的定位方式已不能满足超高精度的要求。目前，许多工程和实验领域要求的精度已经达到微米、亚微米、甚至纳米级，如微电子机械系统MEMS中的微测量、微定位、生物工程细胞操作、 微装配以及显微外科手术、光纤对接、误差精确补偿、微动激振等领域。而传统机械由于运动副间隙、构件的制造和装配误差、摩擦等缺陷使得构件的实际精度难以满足高精度的要求。
发明内容
为了克服上述传统定位方式不能达到高精度的定位要求，提出一种全柔性三自由度微操作正交并联工作台，可实现空间三维平动超精密定位，末端输出可以达到微米甚至纳米级的高精度。上述发明目的是由以下技术方案实现的具有静平台和动平台，静平台由三块正交的面板组成，在静平台的每块面板上均垂直固设一个压电陶瓷驱动器，每个压电陶瓷驱动器的驱动均连接一个支链的顶端，每个支链的的末端均垂直连接动平台；三条所述支链均由柔性的移动副、平行四边形结构、第一转动副和第二转动副按照轴线之间垂直、垂直、 平行的位置关系依次串联连接而成；每个支链的顶端均是移动副，每个支链的末端均是第二转动副，三个所述移动副相互正交，三个所述第二转动副相互正交。所述平行四边形结构是由4个轴线相互平行的转动副首尾相连组成的平行四边形复合结构。所述转动副是一截面为矩形的柔性梁柱，在柔性梁柱中间的上下面上各设有对称的凹槽。本发明的有益效果是
1、本发明用受力性好的并联机构做主体机构，并联机构具有刚度大，可实现空间连续多维运动等优点，柔性运动副具有无间隙、无摩擦磨损、可整体加工、免于装配等优点，本发明结合了并联机构和柔性运动副的优点，依靠自身的弹性变形来产生运动，用压电陶瓷做驱动实现超精密定位，末端输出可以达到微米甚至纳米级的高精度，因此使得其可以广泛应用于上述微细作业领域。2、本发明很好地解决了空间三维连续平动的定位问题，并且由于机构布置对称， 各关节受力性能较好，对于以微小变形实现运动的机构非常有益，使得动平台可以实现在空间范围内的三维连续平稳移动。3、本发明具有结构紧凑、相对刚度大、结构受力性好、定位精度高、位置反解简单、加工制造成本低廉等优点。
图1本发明的结构示意图2是图1中第一支链3的结构图； 图3是图1中第二支链5的结构图； 图4是图1中第三支链7的结构图； 图5是图2-4中转动副的结构放大示意图中1.静平台；4.动平台；2、6、8.压电陶瓷驱动器；3、5、7.第一、第二、第三支链； 9.凹槽；P1、P2、P3.移动副；4R1、4R4、4R7.平行四边形结构；R2、R5、R8.第一转动副；R3、 R6、R9.第二转动副。
具体实施例方式
如图ι所示，本发明由三大部分组成，一是连接末端操作件的动平台4，它可以实现空间三维平移；二是安装有压电陶瓷驱动器2、6、8的静平台1，其作用是提供整个装置所需要的输入；三是连接动平台4和静平台1的三条柔性的第一、第二、第三支链3、5、7，每个支链的顶端与静平台1连接于三个压电陶瓷2、6、8的驱动处，每个支链的的末端均垂直连接动平台，其与动平台4以正交的形式连接。静平台1由三块面板组成，这三块面板是一块水平底面板和两块垂直面板，两块垂直面板相互正交，并且均垂直正交于水平底面板。在三块面板围成的空间位置上，每块面板上均垂直固定安装一个压电陶瓷驱动器，即压电陶瓷驱动器2、6、8，这三个压电陶瓷驱动器2、6、8相同。在三个压电陶瓷驱动器2、6、7上分别设置第一、第二、第三支链3、5、7，三条支链与静平台1之间均通过压电陶瓷驱动器2、6、8相连，三条支链3、5、7的末端处均垂直连接动平台4，动平台4为工作平台，其上带有安装螺纹孔，用于安装需要进行定位的执行件。如图2-4所示，三条支链3、5、7的结构形式相同，均为P丄H4R)丄R//R结构，P、 R分别表示移动副和转动副，丄表示运动副轴线之间的空间位置关系是垂直，//表示平行， 4R表示4个轴线相互平行的转动副首尾相连组成的平行四边形复合结构，其在运动学上等效于一轴线与之垂直的移动副，P丄P (4R)丄R // R表示由P、P (4R)、R、R这4个运动副按照垂直、垂直、平行的位置关系依次串联。由三条支链3、5、7组成3-P丄H4R)丄R // R并联机构，3-P丄H4R)丄R // R表示的是该并联机构有3条相同的P丄PGR)丄R // R的支链。其整体特点是三条支链的末端转动副R3、R6、R9均与动平台4相连，并且三条支链的轴线在空间互相垂直，呈正交分布，即R3丄R6丄R9，三条支链的另一端移动副P1、P2、P3与静平台1相连，并且三个移动副在空间也呈正交分布。参见图2所示的第一支链3的具体结构形式，第一支链3由柔性的移动副P1、柔性的平行四边形结构4R1、柔性的第一转动副R2和柔性的第二转动副R3按照轴线之间垂直、 垂直、平行的位置关系依次串联连接而成；第一支链3的顶端是移动副P1、末端是第二转动副R3，第二转动副R3与动平台4直接相连，移动副Pl与静平台1上的压电陶瓷驱动器2的驱动相连。
参见图3所示的第二支链5的具体结构形式，第二支链5由柔性的移动副P2、柔性的平行四边形结构4R4、柔性的第一转动副R5和柔性的第二转动副R6按照垂直、垂直、 平行的位置关系依次串联连接而成；第二支链5的顶端是移动副P2，末端是第二移动副R6， 第二移动副R6与动平台4相连，并且与第一支链3中的末端第二转动副R3相垂直，移动副 P2与静平台1上的压电陶瓷驱动器6的驱动相连。参见图4所示的第三支链7的具体结构形式，第三支链7由柔性的移动副P3、柔性的平行四边形结构4R7、柔性的第一转动副R8和柔性的第二转动副R9按照垂直、垂直、平行的位置关系依次串联连接而成；第三支链7的顶端是移动副P3、末端是第二转动副R9，第二转动副R9与动平台4相连，并且与第一支链3、第二支链5中的末端第二转动副R3、R6垂直，移动副P3与静平台1上的压电陶瓷驱动器6的驱动相连。参见图5所示是本发明中的转动副的具体结构形式，转动副是一截面是矩形的柔性梁柱，在该柔性梁柱中间的上下两面上各设一个对称的凹槽9，对称的凹槽9可采用去除部分材料的方法实现；这样，在转动副受弯矩作用时，柔性梁柱中间的薄弱环节由于刚度小将首先发生变形，产生绕其结构形心的类似传统转动副的转动，从而使梁柱两端发生一定角度的相对转动。上述所有转动副和移动副的尺寸及其刚度应根据试件的重量以及末端执行件工作时的加速度等参数作具体的调整，使并联机构在满足刚度要求的情况下，转动副和移动副具有良好的变形性能。本发明工作时，在第一支链3与静平台1的相交点建立如图1中所示的O-XH笛卡尔坐标系，将需要执行精密定位的末端执行件通过螺纹连接固连于动平台4上，由动平台4 在当前坐标系中的位置和末端执行件需要到达的位置坐标，即可确定动平台4在O-XYZ坐标系下沿各个轴向需要移动的距离，由并联机构的位置反解计算出作为主动输入的各个压电陶瓷驱动器输入端需要移动的位移量，最后将反解出的位移量作为压电陶瓷驱动器的输入，这样，动平台4即可实现到指定位置的定位，达到超精密定位的目的。
权利要求
1.一种用于超精密定位的三自由度微操作正交并联工作台，具有静平台和动平台，静平台由三块正交的面板组成，其特征是在静平台的每块面板上均垂直固设一个压电陶瓷驱动器，每个压电陶瓷驱动器的驱动均连接一个支链的顶端，每个支链的的末端均垂直连接动平台；三条所述支链均由柔性的移动副、平行四边形结构、第一转动副和第二转动副按照轴线之间垂直、垂直、平行的位置关系依次串联连接而成；每个支链的顶端均是移动副，每个支链的末端均是第二转动副，三个所述移动副相互正交，三个所述第二转动副相互正 、-父。
2.根据权利要求1所述的一种用于超精密定位的三自由度微操作正交并联工作台，其特征是所述平行四边形结构是由4个轴线相互平行的转动副首尾相连组成的平行四边形复合结构。
3.根据权利要求1所述的一种用于超精密定位的三自由度微操作正交并联工作台，其特征是所述转动副是一截面为矩形的柔性梁柱，在柔性梁柱中间的上下面上各设有一个对称的凹槽。
全文摘要
本发明公开一种用于超精密定位的三自由度微操作正交并联工作台，实现空间三维平动超精密定位；具有静平台和动平台，在静平台的每块面板上均垂直固设一个压电陶瓷驱动器，每个压电陶瓷驱动器的驱动均连接一个支链的顶端，每个支链的末端均垂直连接动平台；三条支链均由柔性的移动副、平行四边形结构、第一转动副和第二转动副按照轴线之间垂直、垂直、平行的位置关系依次串联连接而成；每个支链的顶端均是移动副，每个支链的末端均是第二转动副，三个移动副相互正交，三个第二转动副相互正交；本发明结合了并联机构和柔性运动副的优点，依靠自身的弹性变形来产生运动，输出达到微米甚至纳米级的高精度。
文档编号G12B5/00GK102446563SQ20111028720
公开日2012年5月9日 申请日期2011年9月26日 优先权日2011年9月26日
发明者吴伟光, 朱小兵, 杨启志, 陈龙, 黄国全 申请人:江苏大学