液压伺服系统与压电陶瓷驱动器共同驱动的并联机构

摘要

本发明公开了一种液压伺服系统与压电陶瓷驱动器共同驱动的并联机构，包括：动平台、设置在动平台底部的动平台万向轮，和动平台均匀对称连接的三组相同的支链；每组支链依次包括：用于与动平台连接的第一连接组件、压电陶瓷驱动器、用于液压缸与压电陶瓷驱动器连接的第二连接组件、液压缸位移输出端与定平台的第三连接组件、液压缸、连接件、第二万向轮；第一连接组件与第三连接组件侧边通过光栅传感器连接组件连接固定。结合液压伺服技术与压电技术的优点并应用到并联机构中，提供了一种宏微驱动的并联机构，能满足当前精密加工和精密测量等领域需要大范围高精度的精密定位。

说明书

技术领域

本发明涉及一种宏微混合驱动的并联机构，具体涉及一种液压伺服系统与压电陶瓷驱动器共同驱动，可以在平面内实现大范围高精度的三轴平面并联机构。

背景技术

随着现代科学技术的不断发展，精密加工与精密测量、航空航天宇航技术、生物医学工程、微电子工程等各个领域，对定位装置的行程和精度提出了更高的要求，如在国防工业中大量复杂自由曲面零部件的加工与测量等，如在工业自动化中半导体、平板显示器等加工，如在IC制造中芯片光刻与封装等都需要大范围高精度的快速响应实时连续可调的精密定位装置。因此大范围纳米定位技术在现代科学技术中起到十分关键的作用，也是近年来精密工程领域的研究热点之一。

与串联机构相比，并联机构具有结构刚度高，承载能力强、精度高、结构紧凑等特点得到了越来越广泛的应用。近年来，以并联机构学为理论依据的智能机器人及数控加工技术等已成为当前新的研究热点，并被认为是21世纪极具发展前景的先进技术之一。因此，开发具有大行程高精度定位的并联机构具有重大的意义。

与电气和气动驱动方式相比，液压伺服驱动机构具有刚度大、结构紧凑、体积小、重量轻、加速性好等特点。因此，目前并联机构大多采用液压伺服驱动方式。但这种驱动方式的并联机构存在着重复定位精度差的缺点，一般为微米级。为了满足高精度纳米级的定位需求，出现了并联微动机构。由于压电陶瓷具有体积小，分辨率高且容易控制等优点，国内外不少学者研究基于压电陶瓷微位移驱动器的并联微动机构以满足高精度微位移和微运动的要求。其中，德国PI公司生产的压电六轴并联微动机构已经系列化和商业化。

并联微动机构虽然具有很高的定位精度，但是其运动范围较小，这极大限制了其实际工程应用。因此，国内外学者将宏/微混合驱动的技术应用到并联机构，研究混合驱动的大范围高精度并联机构。

目前，有各种对宏微混合驱动并联机构的研究，如中国发明专利申请公开说明书200410011628.8 “六自由度宏微双驱动纳米级定位大行程柔性并联机器人”，(此处有误，也没查到该专利)宏驱动采用直线音圈电机结合驱动，微驱动采用压电陶瓷驱动器的平面定位平台；中国发明专利申请公开说明书CN1562578A “六自由度宏/微双重驱动纳米级定位大行程柔性并联机器人”，宏驱动采用压电马达驱动，微驱动采用压电陶瓷，能在厘米级的运动范围内得到纳米级的分辨率和运动精度；中国发明专利申请公开说明书CN1731081A“宏/微双重驱动的大行程高速纳米级精度的平面定位系统”，宏驱动采用音圈电机，微驱动采用压电陶瓷驱动器。

液压伺服系统响应速度快，控制精度高、易于实现直线运动的速度位移及力控制等特点适用于大行程的控制系统。因此，结合液压伺服技术与压电技术独特的优点并应用到并联机构中，可以开发出一种大行程高精度定位的并联机构，这也是本发明专利的出发点。

如何解决大范围和高精度定位之间的矛盾，实现大范围运动系统的高精度定位已成为当今精密加工和精密测量等领域急需解决的重要关键技术之一。采用单一驱动方式如电机、液压与气动等的并联机构，虽然可以实现大范围运动，但是其定位精度低，一般为微米级；而采用如压电陶瓷驱动器等的并联微动机构能满足高精度的定位要求，但运动范围微小。

发明内容

目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明立足于解决上述矛盾，提供一种可以实现大范围精密定位的宏微混合驱动的并联机构。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种液压伺服系统与压电陶瓷驱动器共同驱动的并联机构，包括：动平台、设置在动平台底部的动平台万向轮，和动平台均匀对称连接的三组相同的支链；

每组支链依次包括：用于与动平台连接的第一连接组件、压电陶瓷驱动器、用于液压缸与压电陶瓷驱动器连接的第二连接组件、液压缸位移输出端与定平台的第三连接组件、液压缸、连接件、第二万向轮；第一连接组件与第三连接组件侧边通过光栅传感器连接组件连接固定。

所述的液压伺服系统与压电陶瓷驱动器共同驱动的并联机构，其特征在于：所述三组相同的支链通过第一连接组件均匀布置连接在动平台上。

所述的液压伺服系统与压电陶瓷驱动器共同驱动的并联机构，其特征在于：所述液压缸非位移输出端通过连接件与第二万向轮连接；所述第二万向轮设置在连接件的底部。

所述的液压伺服系统与压电陶瓷驱动器共同驱动的并联机构，其特征在于：所述第一连接组件包括：动平台连接块、轴承、转动轴、轴承端盖、Y型转向架、柔性联轴器、连接轴、连接板；其中，转动轴固定在动平台连接块上，转动轴两端各装有一个轴承，轴承安装固定在Y型转向架上，轴承端盖安装在Y型转向架上以固定轴承外圈，柔性联轴器一端连接在Y型转向架上，另一端连接在连接轴外螺纹上，连接板通过连接轴固定安装在压电陶瓷驱动器的位移输出端上。

所述的液压伺服系统与压电陶瓷驱动器共同驱动的并联机构，其特征在于：液压缸与定平台的第三连接组件包括：第一连接块、第二连接块、第三连接块、固定轴、带座轴承；其中，第一连接块与第三连接块一侧连接固定在液压缸位移输出端的左右侧，第三连接块另一侧与第二连接块连接固定在液压缸位移输出端的前后侧；固定轴上端连接在连接块的底部，固定轴下端连接在带座轴承上，实现液压缸在带座轴承上的转动。

所述的液压伺服系统与压电陶瓷驱动器共同驱动的并联机构，其特征在于：第二连接组件包括连接块、螺钉、螺母；其中，连接块一端通过螺钉与压电陶瓷驱动器连接固定，连接块另一端通过螺母与液压缸位移输出杆连接。

所述的液压伺服系统与压电陶瓷驱动器共同驱动的并联机构，其特征在于：光栅传感器连接组件包括连接件、光栅测量尺、连接杆、光栅传感器读数头；其中，连接件上装有光栅测量尺，并固定在第三连接块和第二连接块上，连接杆一端固定安装在连接板上，连接杆另一端装有光栅传感器读数头用以测量液压缸与压电陶瓷驱动器总输出位移。

有益效果：本发明提供的液压伺服系统与压电陶瓷驱动器共同驱动的并联机构，三组相同的支链通过第一连接组件均布连接在动平台上，每个支链由液压缸与压电陶瓷驱动器通过第二连接组件串联组成；液压缸位移输出端与定平台用第三连接组件连接固定，实现液压缸的转动；液压缸非位移输出端通过连接件与第二万向轮10连接；动平台底下连接动平台万向轮以承受动平台的重力；压电陶瓷驱动器位移输出端与光栅传感器连接组连接，以测量每个支链的总位移量；结合液压伺服技术与压电技术的优点并应用到并联机构中，提供了一种宏微驱动的并联机构，能满足当前精密加工和精密测量等领域需要大范围高精度的精密定位，特别是立足于解决航空航天、船舶、汽车等工业存在着大量复杂自由曲面零部件的加工和测量等问题。

附图说明

图1为本发明实例1的结构示意图；

图2为本发明压电陶瓷驱动器输出端与动平台的第一连接组件图；

图3为本发明液压缸输出端与定平台的第三连接组件示意图；

图4为本发明压电陶瓷驱动器与液压缸的第二连接组件示意图；

图5为本发明光栅传感器连接组件示意图；

图6为本发明实例2的结构示意图。

图中：1、支链；2、动平台；3、第一连接组件；4、第三连接组件；5、压电陶瓷驱动器；6、动平台万向轮；7、光栅传感器连接组件；8、液压缸；9、连接件；10、第二万向轮；11、第二连接组件；

3-1、动平台连接块；3-2、轴承；3-3、转动轴；3-4、轴承端盖；3-5、Y型转向架；3-6、柔性联轴器；3-7、连接轴；3-8、连接板；

4-1、第一连接块；4-2、第二连接块；4-3、第三连接块；4-4、固定轴；4-5、带座轴承；

11-1、连接块；11-2、螺钉；11-3、螺母；

7-1连接件；7-2光栅测量尺；7-3连接杆；7-4光栅传感器读数头。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

实例1：

如图1所示，为本发明的一种液压伺服系统与压电陶瓷驱动器共同驱动的并联机构，包括：动平台2、设置在动平台2底部的动平台万向轮6，和动平台2均匀对称连接的三组相同的支链1；每组支链1依次包括：用于与动平台2连接的第一连接组件3、压电陶瓷驱动器5、用于液压缸8与压电陶瓷驱动器5连接的第二连接组件11、液压缸8位移输出端与定平台的第三连接组件4、液压缸8、连接件9、第二万向轮10；第一连接组件3与第三连接组件4侧边通过光栅传感器连接组件7连接固定。

所述三组相同的支链1通过第一连接组件3均匀布置连接在动平台2上。

所述液压缸8非位移输出端通过连接件9与第二万向轮10连接；所述第二万向轮10设置在连接件9的底部。

如图2所示，所述第一连接组件3包括：动平台连接块3-1、轴承3-2、转动轴3-3、轴承端盖3-4、Y型转向架3-5、柔性联轴器3-6、连接轴3-7、连接板3-8；其中，转动轴3-4固定在动平台连接块3-1上，转动轴3-4两端各装有一个轴承3-2，轴承3-2安装固定在Y型转向架3-5上，轴承端盖3-4安装在Y型转向架3-5上以固定轴承3-2外圈，柔性联轴器3-6一端连接在Y型转向架3-5上，另一端连接在连接轴3-7外螺纹上，连接板3-8通过连接轴3-7固定安装在压电陶瓷驱动器5的位移输出端上。

如图3所示，液压缸8与定平台的第三连接组件4包括：第一连接块4-1、第二连接块4-2、第三连接块4-3、固定轴4-4、带座轴承4-5；其中，第一连接块4-1与第三连接块4-3一侧连接固定在液压缸8位移输出端的左右侧，第三连接块4-3另一侧与第二连接块4-2连接固定在液压缸8位移输出端的前后侧；固定轴4-4上端连接在连接块4-3的底部，固定轴4-4下端连接在带座轴承4-5上，实现液压缸8在带座轴承4-5上的转动。

如图4所示，第二连接组件11包括连接块11-1、螺钉11-2、螺母11-3；其中，连接块11-1一端通过螺钉11-2与压电陶瓷驱动器5连接固定，连接块11-1另一端通过螺母11-3与液压缸8位移输出杆连接。

如图5所示，光栅传感器连接组件7包括连接件7-1、光栅测量尺7-2、连接杆7-3、光栅传感器读数头7-4；其中，连接件7-1上装有光栅测量尺7-2，并固定在第三连接块4-3和第二连接块4-2上，连接杆7-3一端固定安装在连接板3-8上，连接杆7-3另一端装有光栅传感器读数头7-4用以测量液压缸8与压电陶瓷驱动器5总输出位移。

本发明的运动方式为：通过控制驱动各组支链1中的液压缸8运动使其液压杆输出位移并推动压电陶瓷驱动器5带动动平台2运动，光栅传感器测定液压缸8实际输出位移，并与理论设定值进行比较，当其位置误差小于切换阈值时，液压缸8保持不动，此时，压电陶瓷驱动器5开始运动，进行位置微调，控制动平台达到理想位置，其精度可达1um。

实例2

本发明的实例2如图6所示，与实例1的区别在于，第二万向轮10连接在第一连接块4-1上，以承受液压缸8的重量。固定轴4-4与带座轴承4-5连接在液压缸8非位移输出端的连接件9上，使并联机构与定平台连接。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。