[发明专利]一种基于桥形柔性机构的五自由度精密定位平台

说明书

技术领域

本发明属于精密定位平台技术领域，尤其涉及一种基于桥形柔性机构的五自由度精密定位平台。

背景技术

目前，公知的精密定位平台主要有三种类型，第一类是机械传动式定位平台，例如螺旋机构、杠杆机构、楔块凸轮机构等以及它们的组合机构。机械传动式定位平台最大的优点是行程大和输出刚度大，但是存在机械间隙和摩擦磨损等缺点,机构的运动灵敏度和定位精度难以大幅度提高；第二类是通过直线电机或超声马达等实现精密定位，定位精度得到一定程度的提高而且具有良好的频率响应等优点，但系统相对复杂，尤其是针对多自由度定位平台，需要设计多个体积庞大的电气拖动装置；第三类是采用压电陶瓷、磁致伸缩等智能材料来实现精密驱动与定位。

由于压电陶瓷具有高分辨率、高刚度和出力大等优点，广泛应用于精密驱动与控制，但是压电陶瓷的输出位移极小，即使是堆叠型压电陶瓷，其输出位移一般不超过自身尺寸的0.2％。因此，公知的大多数压电陶瓷驱动的精密定位平台均是采用压电陶瓷和柔性铰链来组成柔性机构，实现高精度的位移和力输出。目前公知的精密定位平台其自由度多为两自由度，通过复杂的机构设计也能实现大于两个自由度的位移输出。经典的Stewart六自由度并联机构通过六根驱动杆的协调运动，可以实现三个平动和三个转动自由度运动，但是存在奇异点和控制稳定性差等问题。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于桥形柔性机构的五自由度精密定位平台，具有三个平动自由度和两个转动自由度，结构简单和紧凑。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于桥形柔性机构的五自由度精密定位平台，包括整体呈十字形的刚性基底1，刚性基底1的四个侧壁分别和菱形位移放大机构2的一个刚性输出端11连接，菱形位移放大机构2的另一个刚性输出端11和十字形的桥形位移放大机构3的输入端5连接，菱形位移放大机构2的内部输入端10之间连接有堆叠型压电陶瓷4。

所述的桥形位移放大机构3是由四个柔性梁6、四个输入端5和一个输出端7连接成十字“拱桥”形柔性机构，柔性梁6组成桥形位移放大机构3的斜边，柔性梁6的末端通过柔性铰链8和输出端7连接，桥形位移放大机构3由电火花切割工艺加工初级桥形位移放大机构，两个初级桥形位移放大机构正交安装，通过螺栓或焊接工艺连接形成桥形位移放大机构3，桥形位移放大机构3在正交的四个方向分别有四个输入端5。

所述的菱形位移放大机构2为基于三角原理的柔性机构，堆叠型压电陶瓷4通过预紧力安装于菱形位移放大机构2的内部输入端10，利用逆压电效应产生横向位移和力，驱动菱形位移放大机构2的柔性臂9产生弯曲变形进而在输出端11产生放大的纵向输出位移和输出力。

所述的桥形位移放大机构3的四个输入端5分别与两个上下并列的菱形位移放大机构的输出端通过螺栓刚性连接。

所述的菱形位移放大机构2通过串联的方式将更多的菱形位移放大机构的输出端通过螺栓刚性连接起来，并将其与桥形位移放大机构3的四个输入端5分别通过螺栓刚性连接。

所述的桥形位移放大机构3中的柔性铰链8是二维圆形柔性铰链或是三维柔性铰链，二维圆形柔性铰链包括二维椭圆、直角型柔性铰链，柔性铰链8的方向为确保正交方向的刚度最小。

设桥形位移放大机构3的四个两两对称的输入端5的方向分别为X方向和Y方向，桥形位移放大机构3的输出端7的位移输出方向为Z轴方向，具体的五个自由度实现方法如下：

1)桥形位移放大机构3在X方向的两个对称输入端5的两组菱形位移放大机构2的输出端11同时按相同的方向沿着X轴向左或向右运动时，由于桥形位移放大机构3和菱形位移放大机构2在Y方向位置的柔性铰链8在X方向的柔度较大，导致桥形位移放大机构3的输出端7沿着X轴方向水平向左或向右平动，实现X方向的平动自由度；

2)桥形位移放大机构3在Y方向的两个对称输入端5的两组菱形位移放大机构2的输出端11同时按相同的方向沿着Y轴向左或向右运动时，由于桥形位移放大机构3和菱形位移放大机构2在X方向位置的柔性铰链8在Y方向的柔度较大，导致桥形位移放大机构3的输出端7沿着Y轴方向水平向左或向右平动，实现Y方向的平动自由度；

3)桥形位移放大机构3在四个输入端5的四组菱形位移放大机构2的输出端11同时向内或同时向外运动时，桥形位移放大机构3的输出端7沿着Z轴方向垂直向上或垂直向下平动，实现Z方向的平动自由度；