[发明专利]一种基于柔顺并联机构的三轴刀具伺服装置

说明书

本发明涉及纳米定位、测量与加工装置的技术领域，更具体地，涉及一种基于柔顺并联机构的三轴刀具伺服装置，包括外侧固定基座、内侧固定基座以及通过柔顺铰链和柔性杆件传递运动的单轴纳米定位平台和三轴末端执行器，所述三轴末端执行器上连接有刀具；所述三轴末端执行器设有电容传感器，所述电容传感器连接有控制器；所述控制器的输出端连接有压电陶瓷驱动器，所述压电陶瓷驱动器连接于单轴纳米定位平台的输入端，所述三轴末端执行器连接于三个单轴纳米定位平台的输出端。本发明能够实现三轴末端执行器的纳米级直线位移的输出，同时通过传感器直接测量末端输出位移并反馈控制，具有高刚度、高精度、高带宽、大行程、高速度、高加速度、大承载力和优异的解耦性能。

技术领域

本发明涉及纳米定位、测量与加工装置的技术领域，更具体地，涉及一种基于柔顺并联机构的三轴刀具伺服装置。

背景技术

柔顺机构是构成纳米定位、测量与加工装置机构本体的主要手段之一，是微纳操作、微纳测量以及微纳加工/制造等技术的关键部分，在超精密加工、精密工程及微机电系统等相关领域中发挥着重要的作用。

柔顺铰链利用结构中薄弱部分易于变形的特点和材料自身的可逆性弹性变形特性来实现所要求的运动副功能，具有免装配、零间隙、无摩擦及免润滑等优点。柔顺机构将机构各运动支链的运动副以柔顺铰链代替，用柔性连杆将各个柔顺铰链连接在一起形成相对应的柔性支链，通过柔顺铰链将运动平台和固定基座相连接从而构成相应的机构。通过刚体替换法设计的柔顺机构可实现所要求的运动与功能，但在一些具有更高精度要求的领域上，柔顺并联机构要求具有更高的刚度且具有更佳的运动特性，目前的柔顺并联结构很难满足高精度、高刚度、低耦合/全解耦、大承载力、高速度/加速度等要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于柔顺并联机构的三轴刀具伺服装置，能够满足纳米定位、测量与加工场合高刚度、大行程、高带宽、高精度、高准确度、低耦合/全解耦、高稳定性和大负载的性能要求。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明提供一种基于柔顺并联机构的三轴刀具伺服装置，包括外侧固定基座、内侧固定基座、通过第一运动支链传递运动的单轴纳米定位平台以及通过第二运动支链导向和解耦的三轴末端执行器，三组外侧固定基座、内侧固定基座、单轴纳米定位平台均两两正交，分别位于XOY平面、XOZ平面和YOZ平面；所述单轴纳米定位平台设于外侧固定基座和内侧固定基座之间，所述单轴纳米定位平台与三轴末端执行器连接；所述第一运动支链和第二运动支链连接构成三条用于将压电陶瓷驱动器产生的力/位移/运动传递到三轴末端执行器的运动支链，三条运动支链并联连接且两两正交；所述三轴末端执行器上连接有刀具；所述三轴末端执行器设有用于测量刀具在空间三个正交直线轴X/Y/Z上位移量的电容传感器，所述电容传感器连接有控制器；所述控制器的输出端连接有压电陶瓷驱动器，所述压电陶瓷驱动器连接于单轴纳米定位平台的输入端，所述三轴末端执行器连接于三个单轴纳米定位平台的输出端。

本发明的基于柔顺并联机构的三轴刀具伺服装置，三个单轴纳米定位平台并联连接形成三轴刀具伺服装置，采用电容传感器测量末端输出位移，并根据获得的数据，通过外置控制器预设算法，得到三个压电陶瓷驱动器实时驱动电压，通过三条运动支链，实时控制三轴末端执行器在不同直线轴的进给量，带动刀具实现三轴纳米加工。本发明使用三条相互并联且正交的运动支链，实现三轴末端执行器的纳米级直线位移的输出；同时通过电容传感器直接测量末端输出位移并反馈控制，具有高刚度、高精度、高带宽、大行程、高速度、高加速度、高承载力和优异的解耦性能，在超精密加工等应用场合具有突出的优势，也适用于微纳操作、微纳测量和微纳加工/制造等应用，不仅可集成到超精密加工机床，而且可作为独立的加工、测量或运动平台/组件/单元，安装在多种类型的精密装备/仪器/设备中。