CN102221123A - 亚微米级定位精度并联调整平台及其调整方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种亚微米级定位精度并联调整平台及其调整方法，其并联调整平台包括定平台、六根可伸缩支杆、能在左右和前后方向上直线移动并能绕左右和前后方向转动的动平台、测量系统、与测量系统电连接的控制器以及与控制器相接的参数输入单元，可伸缩支杆上端部均通过球铰安装在动平台上且其下端部通过虎克铰安装在定平台上；其调整方法包括步骤：一、动平台当前位置与姿态信息测量；二、动平台理想位置与理想姿态信息输入；三、各可伸缩支杆伸缩量换算处理；四、驱动调整。本发明设计合理、安装方便、操作简便且实现方便、调整精度高、适用范围广，能有效适用至圆度仪等精密测量仪器上，满足对精密测量仪器上待测工件的位置和姿态调整需求。
Description
技术领域
本发明属于平台位置及姿态调整技术领域，尤其是涉及一种亚微米级定位精度并联调整平台及其调整方法。
背景技术
近年来，少自由度并联结构(具体指小于六自由度的并联结构)受到了大家的重视，小于六自由度的并联机构具有结构简单、制作成本低、控制相对容易等优点。对于一些需要少于6个自由度机械结构的系统来说，少自由度并联结构是非常实用的。其中，四自由度并联机构作为少自由度并联结构的一种，与三自由度并联机构相比，其数量相对较少。因此，目前四自由度并联机构的研究已经成为国内外机械学研究的新型热点。
1999年罗兰(Rolland)提出了两个四自由度并联机构，分别为Manta和Kanuk；参见文献《The Manta and the Kanulk：Novel 4-DOF ParallelMechanisms for Industrial Handling》in Proc.ASME Dynamic Systemand Control Division，IMECE’99 Conference，Nashville，USA.Vol.67，1999，pp.831-844。2001年，Zlatanov和Gosselin提出了四自由度并联机构——4-(RRR)bRR，这个并联机构具有3个旋转运动自由度和一个直线运动自由度；参见文献《A new parallel architecture with four degreesof freedom》in Proceeding of the 2nd workshop on ComputationalKinematics，May 19-22，Seoul，Korea，2001，pp.57-66。2000年，T.S.Zhao和Z.Huang给出4-URU机构，该机构具有3个直线运动自由度和一个旋转自由度；参见文献《Anovel spatial four-dof parallel mechanism andits position analysis》，Mechanical Science and Technology，vol.19(6)，2000，pp.927-929。2002年，一个具有两个直线运动自由度和两个旋转运动自由度的并联机构被W.J.Chen等人提出，但这个四自由度机构实现的是一个Y轴方向的直线自由度和一个Z轴方向的直线自由度；参见文献《A 2T-2R，4-Dof parallel manipulator》，ASME DETC/CIE，Montreal，Canada，DETC2002/MECH-34303。
如上所述，近年来，四自由并联机构得到了发展，但是上述四自由度并联机构都无法应用到圆度仪等精密测量仪器上，实现其待测工件的位置和姿态的调整。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种结构简单、设计合理、加工制作及安装方便且使用操作简便、调整精度高的亚微米级定位精度并联调整平台。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种亚微米级定位精度并联调整平台，其特征在于：包括固定不动且呈水平向布设的定平台、安装在定平台上的六根可伸缩支杆、初始状态下呈水平向布设且在六根所述可伸缩支杆的带动下能在左右和前后两个方向上进行直线移动并能绕左右和前后两个方向进行转动的动平台、对动平台当前状态下所处位置以及其在水平面上绕左右和前后两个方向的转动角度进行测量的测量系统、与测量系统电连接的控制器以及与控制器相接的参数输入单元，六根所述可伸缩支杆的上端部均通过球铰安装在动平台上，且六根所述可伸缩支杆的下端部均通过虎克铰安装在定平台上；六根所述可伸缩支杆的结构相同，所述可伸缩支杆包括安装于定平台上的套筒、同轴套装在所述套筒内且能沿所述套筒的中轴线进行上下移动的伸缩杆和对所述伸缩杆进行驱动的驱动电机，所述驱动电机通过传动机构与所述伸缩杆进行连接，六根所述可伸缩支杆中的驱动电机均由控制器进行控制；所述定平台、六根所述可伸缩支杆和动平台组成具有两个直线自由度和两个旋转运动自由度的四自由度并联机构；
六根所述可伸缩支杆的上端部在动平台上的安装位置分别为安装点A1、A2、A3、A4、A5和A6，安装点A1、A2、A3、A4、A5和A6均沿逆时针方向布设在正六边形一上，所述正六边形一的六个顶点沿顺时针方向依次为顶点C1、C2、C3、C4、C5和C6且正六边形一的中心点为O1；六根所述可伸缩支杆的下端部在定平台上的安装位置分别为安装点B1、B2、B3、B4、B5和B6，安装点B1、B2、B3、B4、B5和B6均沿逆时针方向布设在正六边形二上，所述正六边形二的六个顶点沿顺时针方向依次为顶点D1、D2、D3、D4、D5和D6且正六边形二的中心点为O2；所述正六边形二的边长大于所述正六边形一的边长，六根所述可伸缩支杆分别安装在安装点A1与B1之间、A2与B2之间、A3与B3之间、A4与B4之间、A5与B5之间以及A6与B6之间，安装点A2和A3对称布设在顶点C3两侧，安装点A4和A5对称布设在顶点C1两侧，安装点A6和A1对称布设在顶点C5两侧，安装点B1和B2对称布设在顶点D3两侧，安装点B3和B4对称布设在顶点D1两侧，安装点B5和B6对称布设在顶点D5两侧；且直线段A2O1和A3O1之间、A4O1和A5O1之间、A6O1和A1O1之间、B1O2和B2O2之间、B3O2和B4O2之间以及B5O2和B6O2之间的夹角均相同；
所述动平台处于初始状态时，正六边形一位于正六边形二的正上方，且直线段O1A1位于直线段O2B6的正上方。
上述亚微米级定位精度并联调整平台，其特征是：所述直线段A2O1和A3O1之间、A4O1和A5O1之间、A6O1和A1O1之间、B1O2和B2O2之间、B3O2和B4O2之间以及B5O2和B6O2之间的夹角均为15°。
上述亚微米级定位精度并联调整平台，其特征是：所述动平台在左右和前后两个方向上进行直线移动的位移量为0±4mm，且动平台在所处位置不变的状态下绕左右和前后两个方向进行转动的转动角度为0±5°。
上述亚微米级定位精度并联调整平台，其特征是：所述可伸缩支杆伸展后的最大长度为78mm±5mm，所述可伸缩支杆收缩后的最小长度为70mm±5mm。
上述亚微米级定位精度并联调整平台，其特征是：还包括与控制器相接的电机转角检测装置，且所述电机转角检测装置包括六个分别对六根所述可伸缩支杆中驱动电机的转角进行实时检测的电机转角检测单元一；所述控制器内部集成有电机驱动量换算模块一和伸缩量转化模块，所述电机驱动量换算模块一根据各电机转角检测单元一所检测的电机转角信号相应换算出各驱动电机驱动量，所述伸缩量转化模块将所述电机驱动量换算模块一换算出的各驱动电机驱动量对应转化成对各可伸缩支杆进行伸缩调整的伸缩量。
上述亚微米级定位精度并联调整平台，其特征是：还包括供测量系统安装的安装机构、供所述安装机构移动的移动轨道以及带动所述安装机构和测量系统沿所述移动轨道移动的驱动电机组，所述驱动电机组包括多个安装机构驱动电机且各安装机构驱动电机均由控制器进行控制；所述电机转角检测装置还包括分别对多个所述安装机构驱动电机的转角进行实时检测的多个电机转角检测单元二，所述控制器内部集成有电机驱动量换算模块二和移动位移转化模块，所述电机驱动量换算模块二根据各电机转角检测单元二所检测信号所检测的电机转角信号相应换算出各安装机构驱动电机的驱动量，所述移动位移转化模块将电机驱动量换算模块二换算得出的各安装机构驱动电机驱动量对应转化为所述安装机构沿移动轨道移动的移动位移值；
所述控制器为PC机，所述PC机通过运动控制卡分别对驱动电机组和六根所述可伸缩支杆中的驱动电机进行驱动控制，所述运动控制卡分别与驱动电机组和六根所述可伸缩支杆中驱动电机的电机驱动电路相接。
上述亚微米级定位精度并联调整平台，其特征是：所述定平台和动平台均为圆形、圆环形、正六边形或矩形板，且定平台的几何中心点与点O2相重合。
同时，本发明还公开了一种调整方法步骤简单、实现方便且使用效果好、能实现亚微米级定位精度调整的亚微米级定位精度调整方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤一、动平台当前位置与姿态信息测量：通过测量系统对动平台当前状态下的位置与姿态信息进行测量，并将测量结果同步上传至控制器)且同步进行存储；所述动平台当前状态下的位置与姿态信息包括动平台当前状态下所处的位置以及动平台由初始状态调整至当前状态后绕左右和前后两个方向的转动角度；
步骤二、动平台理想位置与理想姿态信息输入：通过参数输入单元向控制器输入调整后动平台的理想位置与理想姿态信息，所述理想位置与理想姿态信息包括动平台调整后处于理想状态下所处的位置以及动平台由初始状态调整至理想状态后绕左右和前后两个方向的转动角度；
步骤三、各可伸缩支杆伸缩量换算处理：所述控制器根据并联机构运动学逆解原理，并结合步骤二中所输入动平台的理想位置与理想姿态信息，且调用其内部集成的并联机构运动学逆解模块，换算得出六根所述可伸缩支杆进行调整后的伸缩量，且换算得出的所述可伸缩支杆调整后的伸缩量为所述可伸缩支杆调整后的长度；
步骤四、驱动调整：控制器根据步骤三中换算得出的需对六根所述可伸缩支杆进行伸缩调整的伸缩量，分别对六根所述可伸缩支杆中的驱动电机进行相应控制，并通过各驱动电机驱动六根所述可伸缩支杆相应进行伸缩调整，以将动平台调整至理想状态。
上述亚微米级定位精度调整方法，其特征是：步骤二中所述的通过参数输入单元向控制器输入调整后动平台的理想位置与理想姿态信息之前，需人为先对动平台上所放置待测工件存在的加工误差进行判断；再根据判断得出的待测工件所存在的加工误差量，并结合步骤一中的测量结果，推算出调整后动平台的理想位置与理想姿态信息。
上述亚微米级定位精度调整方法，其特征是：步骤一中对动平台的当前位置与姿态信息进行测量之前，所述控制器需先以定平台上的中心点为O2为坐标原点建立空间直角坐标系，且此时所建立的空间直角坐标系为全局坐标系；同时，控制器还需以动平台的几何中心点为坐标原点建立局部坐标系；
步骤三中对六根所述可伸缩支杆的伸缩量进行换算处理时，控制器根据公式Li＝|Rai+a-bi|和
公式
对六根所述可伸缩支杆的伸缩量进行计算，式中i＝1、2、3、4、5和6，且i分别代表六根所述可伸缩支杆，六根所述可伸缩支杆分别为可伸缩支杆一、可伸缩支杆二、可伸缩支杆三、可伸缩支杆四、可伸缩支杆五和可伸缩支杆六；Li为第i根可伸缩支杆调整后的伸缩量，ψ、φ和θ分别为动平台由初始状态调整至理想状态后绕定平台的Z轴、Y轴和X轴转动的转动角度，ai为第i根可伸缩支杆上端部所安装球铰在局部坐标系中的坐标，bi为第i根可伸缩支杆下端部所安装虎克铰在全局坐标系中的坐标，a为定平台的几何中心点在全局坐标系中的位置矢量。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、并联调整平台结构设计合理、加工制作及安装布设方便，且投入成本低。
2、使用操作简便，调整方法步骤简单且实现方便，由并联机器人机构的逆问题求解唯一性可以计算出并联机构运动时其各可伸缩支杆的伸缩量，并且通过长度固定支杆(即所述套筒)的平面运动和伸缩杆的伸缩运动实现了带动动平台的两个直线运动自由度和两个旋转运动自由度。其中，动平台的两个直线运动自由度是这样实现的：根据并联机构逆问题求解可以解算出使得动平台直线运动到某一位置时六个可伸缩支杆的相对运动量，通过执行六个可伸缩支杆的伸缩量且保持动平台的姿态不变，实现动平台的两个直线运动自由度。而动平台的两个旋转运动自由度是这样实现的：根据并联机构逆问题求解可以解算解算出使得动平台旋转运动且位置不变时，六个可伸缩支杆的相对伸缩量，通过执行六个可伸缩支杆的伸缩量，实现动平台的两个旋转运动自由度。
3、使用效果好，调整精度高且动平台的工作空间大(即两个直线运动自由度和两个旋转运动自由度均较大)，动平台在左右和前后两个方向上的直线调整范围为0～8mm，而动平台在所处位置不变的状态下绕左右和前后两个方向进行转动的转动角度范围为0～5°，并且实际调整精度能达到0.2μm～0.3μm。
4、经济实用，本发明主要针对圆度仪等精密测量仪器的关键部件——自动调整台而设计的，具有实际应用前景，其调整能力和调整范围能够满足圆度仪等精密测量仪器的要求。
5、推广应用价值广泛，本发明能有效应用于涉及非电变量的调整或控制系统中有关调整平台的位置和姿态调整等控制方面，其是一种具有4自由度运动能力的六支杆并联调整装置，主要应用于圆度仪等精密测量仪器上的工件位置和姿态调整，也可应用于其他精密测量等领域。在工业领域上，还可以作为精密加工机床的调整机构。因而，本发明能实现对圆度仪等精密测量仪器上工件的位置和姿态调整，从而达到圆度仪等精密测量仪器实际测量时对工件位置和姿态的调整需要。因而，本发明能实现圆度仪上待测工件位置和姿态的精确调整，也可以应用到其它精密测量系统和精密加工系统。
综上所述，本发明设计合理、安装方便、使用操作简便且实现方便、调整精度高、适用范围广，能有效适用至圆度仪等精密测量仪器上，满足对圆度仪等精密测量仪器上待测工件的位置和姿态调整需求。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明并联调整平台处于初始状态下的结构示意图。
图2为本发明并联调整平台的电路原理框图。
图3为本发明六根可伸缩支杆上端部在动平台上的安装位置示意图。
图4为本发明六根可伸缩支杆上端部在定平台上的安装位置示意图。
图5为本发明并联调整平台在X轴方向上进行直线移动时的结构示意图。
图6是本发明并联调整平台在Y轴方向上进行直线移动时的结构示意图。
图7是本发明并联调整平台在位置不变情况下绕X轴方向进行转动时的结构示意图。
图8是本发明并联调整平台在位置不变情况下绕Y轴方向进行转动时的结构示意图。
图9为本发明采用并联调整平台进行调整时的调整方法流程框图。
附图标记说明：
1-定平台； 2-1-可伸缩支杆一； 2-2-可伸缩支杆二；
2-3-可伸缩支杆三； 2-4-可伸缩支杆四； 2-5-可伸缩支杆五；
2-6-可伸缩支杆六； 3-动平台； 4-测量系统；
5-控制器； 7-1-驱动电机一； 7-2-驱动电机二；
7-3-驱动电机三； 7-4-驱动电机四； 7-5-驱动电机五；
7-6-驱动电机六； 8-电机转角检测装置； 9-驱动电机组；
9-1-驱动电机七； 9-2-驱动电机八； 10-运动控制卡；
11-参数输入单元。
具体实施方式
如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7及图8所示，本发明所述的亚微米级定位精度并联调整平台，包括固定不动且呈水平向布设的定平台1、安装在定平台1上的六根可伸缩支杆、初始状态下呈水平向布设且在六根所述可伸缩支杆的带动下能在左右和前后两个方向上进行直线移动并能绕左右和前后两个方向进行转动的动平台3、对动平台3当前状态下所处位置以及其在水平面上绕左右和前后两个方向的转动角度进行测量的测量系统4、与测量系统4电连接的控制器5以及与控制器5相接的参数输入单元11，六根所述可伸缩支杆的上端部均通过球铰安装在动平台3上，且六根所述可伸缩支杆的下端部均通过虎克铰安装在定平台1上。六根所述可伸缩支杆的结构相同，所述可伸缩支杆包括安装于定平台1上的套筒、同轴套装在所述套筒内且能沿所述套筒的中轴线进行上下移动的伸缩杆和对所述伸缩杆进行驱动的驱动电机，所述驱动电机通过传动机构与所述伸缩杆进行连接，六根所述可伸缩支杆中的驱动电机均由控制器5进行控制。所述定平台1、六根所述可伸缩支杆和动平台3组成具有两个直线自由度和两个旋转运动自由度的四自由度并联机构。本实施例中，六根所述可伸缩支杆中套筒与伸缩杆之间均以螺纹方式进行连接。
六根所述可伸缩支杆的上端部在动平台3上的安装位置分别为安装点A1、A2、A3、A4、A5和A6，安装点A1、A2、A3、A4、A5和A6均沿逆时针方向布设在正六边形一上，所述正六边形一的六个顶点沿顺时针方向依次为顶点C1、C2、C3、C4、C5和C6且正六边形一的中心点为O1；六根所述可伸缩支杆的下端部在定平台1上的安装位置分别为安装点B1、B2、B3、B4、B5和B6，安装点B1、B2、B3、B4、B5和B6均沿逆时针方向布设在正六边形二上，所述正六边形二的六个顶点沿顺时针方向依次为顶点D1、D2、D3、D4、D5和D6且正六边形二的中心点为O2；所述正六边形二的边长大于所述正六边形一的边长，六根所述可伸缩支杆分别安装在安装点A1与B1之间、A2与B2之间、A3与B3之间、A4与B4之间、A5与B5之间以及A6与B6之间，安装点A2和A3对称布设在顶点C3两侧，安装点A4和A5对称布设在顶点C1两侧，安装点A6和A1对称布设在顶点C5两侧，安装点B1和B2对称布设在顶点D3两侧，安装点B3和B4对称布设在顶点D1两侧，安装点B5和B6对称布设在顶点D5两侧；且直线段A2O1和A3O1之间、A4O1和A5O1之间、A6O1和A1O1之间、B1O2和B2O2之间、B3O2和B4O2之间以及B5O2和B6O2之间的夹角均相同。
所述动平台3处于初始状态时，正六边形一位于正六边形二的正上方，且直线段O1A1位于直线段O2B6的正上方，其结构具体详见图5。
实际使用过程中，为方便起见，先从1至6对对六根所述可伸缩支杆进行编号，六根所述可伸缩支杆分别为可伸缩支杆一2-1、可伸缩支杆二2-2、可伸缩支杆三2-3、可伸缩支杆2-4、可伸缩支杆2-5和可伸缩支杆六2-6中的驱动电机分别为驱动电机一7-1、驱动电机二7-2、驱动电机三7-3、驱动电机7-4、驱动电机7-5和驱动电机六7-6。实际使用时，所述驱动电机一7-1、驱动电机二7-2、驱动电机三7-3、驱动电机
7-4、驱动电机7-5和驱动电机六7-6的电机驱动轴分别通过传动机构与六根所述可伸缩支杆进行传动连接。
实际安装时，可伸缩支杆一2-1与定平台1之间通过虎克铰一进行连接并安装于点B1，可伸缩支杆一2-1与动平台3之间通过球铰一进行连接并安装于点A1。
所述可伸缩支杆二2-2与定平台1之间通过虎克铰二进行连接并安装于点B2，可伸缩支杆二2-2与动平台3之间通过球铰二进行连接并安装于点A2。
所述可伸缩支杆三2-3与定平台1之间通过虎克铰三进行连接并安装于点B3，可伸缩支杆三2-3与动平台3之间通过球铰三进行连接并安装于点A3。
所述可伸缩支杆2-4与定平台1之间通过虎克铰四进行连接并安装于点B4，可伸缩支杆2-4与动平台3之间通过球铰四进行连接并安装于点A4。
所述可伸缩支杆2-5与定平台1之间通过虎克铰五进行连接并安装于点B5，可伸缩支杆五2-5与动平台3之间通过球铰五进行连接并安装于点A5。
所述可伸缩支杆六2-6与定平台1之间通过虎克铰六进行连接并安装于点B6，可伸缩支杆六2-6与动平台3之间通过球铰六进行连接并安装于点A6。
本实施例中，所述直线段A2O1和A3O1之间、直线段A4O1和A5O1之间、直线段A6O1和A1O1之间、直线段B1O2和B2O2之间、直线段B3O2和B4O2之间以及直线段B5O2和B6O2之间的夹角均为15°。
因而，所述定平台1上的六个安装点B1、B2、B3、B4、B5和B6中，安装点B1和B2为一组、B3和B4为一组，且B5和B6为一组；相邻两组安装点的中心线间夹角均为120°，每组安装点中各安装点与其中心线之间的夹角均为15°。所述动平台3上的六个安装点A1、A2、A3、A4、A5和A6中，安装点A1和A6为一组，A2和A3为一组，且A4和A5为一组；同样，相邻两组安装点的中心线间夹角均为120°，每组安装点中各安装点与其中心线之间的夹角均为15°。
所述动平台3在左右和前后两个方向上进行直线移动的位移量为0±4mm，且动平台3在所处位置不变的状态下绕左右和前后两个方向进行转动的转动角度为0±5°。也就是说，动平台3在左右和前后两个方向上的直线调整范围为8mm以内，而动平台3在所处位置不变的状态下绕左右和前后两个方向进行转动的转动角度范围为±5°，则动平台3在左右(即平面直角坐标系中的X轴方向)和前后(即平面直角坐标系中的X轴方向)两个方向上的直线自由度为8mm以内，动平台3在绕左右和前后两个方向进行转动的旋转运动自由度为10°以内。因而，本发明的调整范围较大，可在8mm以内进行直线调整，且能在10°以内进行转动调整。
实际使用时，所述可伸缩支杆伸展后的最大长度为78mm±5mm，所述可伸缩支杆收缩后的最小长度为70mm±5mm。本实施例中，所述可伸缩支杆伸展后的最大长度均为78mm，所述可伸缩支杆收缩后的最小长度为70mm，且所述可伸缩支杆的伸缩量调整范围为0～8mm。实际使用时，也对所述可伸缩支杆伸展后的最大长度和收缩后的最小长度进行适应性调整。所述动平台3在左右和前后两个方向上的直线调整范围为±2.5mm以内，动平台3在所处位置不变的状态下绕左右和前后两个方向进行转动的转动角度范围为±5°，并且实际调整时，本发明的调整精度能达到0.2μm～0.3μm。
同时，本发明所述的亚微米级定位精度并联调整平台，还包括与控制器5相接的电机转角检测装置8，且所述电机转角检测装置8包括六个分别对六根所述可伸缩支杆中驱动电机的转角进行实时检测的电机转角检测单元一。所述控制器5内部集成有电机驱动量换算模块一和伸缩量转化模块，所述电机驱动量换算模块一根据各电机转角检测单元一所检测的电机转角信号相应换算出各驱动电机驱动量，所述伸缩量转化模块将所述电机驱动量换算模块一换算出的各驱动电机驱动量对应转化成对各可伸缩支杆进行伸缩调整的伸缩量。
本实施例中，由于六根所述可伸缩支杆中套筒与伸缩杆之间均以螺纹方式进行连接，则所述电机驱动量换算模块一对各驱动电机的驱动量进行换算时，根据各电机转角检测单元一所检测的电机转角信号，同时结合所述伸缩杆上螺纹的进程进行换算。
同时，所述亚微米级定位精度并联调整平台还包括供测量系统4安装的安装机构、供所述安装机构移动的移动轨道以及带动所述安装机构和测量系统4沿所述移动轨道移动的驱动电机组9，所述驱动电机组9包括多个安装机构驱动电机且各安装机构驱动电机均由控制器5进行控制。所述电机转角检测装置8还包括分别对多个所述安装机构驱动电机的转角进行实时检测的多个电机转角检测单元二，所述控制器5内部集成有电机驱动量换算模块二和移动位移转化模块，所述电机驱动量换算模块二根据各电机转角检测单元二所检测信号所检测的电机转角信号相应换算出各安装机构驱动电机的驱动量，所述移动位移转化模块将电机驱动量换算模块二换算得出的各安装机构驱动电机驱动量对应转化为所述安装机构沿移动轨道移动的移动位移值。
本实施例中，所述移动轨道包括供所述安装机构进行上下移动的立柱和供所述安装机构进行水平移动的导轨，且驱动电机组9中所包括安装机构驱动电机的数量为两个，且两个安装机构驱动电机分别为驱动所述安装机构沿立柱进行上下移动的驱动电机七9-1和驱动所述安装机构沿导轨进行水平移动的驱动电机八9-2。所述驱动电机七9-1和驱动电机八9-2均通过传动机构与所述安装机构进行传动连接。
本实施例中，所述驱动电机一7-1、驱动电机二7-2、驱动电机三7-3、驱动电机7-4、驱动电机7-5、驱动电机六7-6、驱动电机七9-1和驱动电机八9-2均由控制器5进行控制。并且驱动电机一7-1、驱动电机二7-2、驱动电机三7-3、驱动电机7-4、驱动电机五7-5、驱动电机六7-6、驱动电机七9-1和驱动电机八9-2均为步进电机，所述电机转角检测单元一和电机转角检测单元二均为编码器。
本实施例中，所述控制器5为PC机，所述PC机通过运动控制卡10分别对驱动电机组9和六根所述可伸缩支杆中的驱动电机进行驱动控制，所述运动控制卡10分别与驱动电机组9和六根所述可伸缩支杆中驱动电机的电机驱动电路相接。实际进行接线时，所述PC机与运动控制卡10相接，所述运动控制卡10与驱动电机一7-1、驱动电机二7-2、驱动电机三7-3、驱动电机7-4、驱动电机7-5、驱动电机六7-6、驱动电机七9-1和驱动电机八9-2的电机驱动电路相接。
实际使用时，所述定平台1和动平台3均为圆形、圆环形、正六边形或矩形板，且定平台1的几何中心点与点O2相重合。本实施例中，所述动平台3为正六边形板，且动平台3的六个顶点分别为点A1、A2、A3、A4、A5和A6，定平台1为圆环形板。
如图1和9所示的一种亚微米级定位精度调整方法，包括以下步骤：
步骤一、动平台当前位置与姿态信息测量：通过测量系统4对动平台3当前状态下的位置与姿态信息进行测量，并将测量结果同步上传至控制器5且同步进行存储；所述动平台3当前状态下的位置与姿态信息包括动平台3当前状态下所处的位置以及动平台3由初始状态调整至当前状态后绕左右和前后两个方向的转动角度。
本实施例中，对动平台3的当前位置与姿态信息进行测量之前，所述控制器5需先以定平台1上的中心点为O2为坐标原点建立空间直角坐标系，且此时所建立的空间直角坐标系为全局坐标系；同时，控制器5还需以动平台3的几何中心点为坐标原点建立局部坐标系。
通过测量系统4对动平台3当前状态下的位置与姿态信息进行测量时，采用在动平台3上防止标准测量件的方法进行测量，通常所采用的测量件为圆柱件、圆饼状构件等。实际进行测量时，通过控制器5对驱动电机七9-1和驱动电机八9-2进行驱动控制，带动安装机构沿移动轨道移动，直至测量系统4接触测量件的低面，并对测量件低面的圆心坐标进行测量；然后，通过控制器5对驱动电机七9-1和驱动电机八9-2进行驱动控制，带动安装机构沿移动轨道移动，直至测量系统4接触测量件的高面，并对测量件高面的圆心坐标进行测量；最后，控制器5根据测量件低面和高面的两个圆心坐标以及低面和高面之间的高度差，便可计算出动平台3当前状态下的位置和姿态信息，这样能有效避免由于动平台3的加工精度不准确带来的调整误差问题。
步骤二、动平台理想位置与理想姿态信息输入：通过参数输入单元11向控制器5输入调整后动平台3的理想位置与理想姿态信息，所述理想位置与理想姿态信息包括动平台3调整后处于理想状态下所处的位置以及动平台3由初始状态调整至理想状态后绕左右和前后两个方向的转动角度。
本实施例中，步骤二中所述的通过参数输入单元11向控制器5输入调整后动平台3的理想位置与理想姿态信息之前，需人为先对动平台3上所放置待测工件存在的加工误差进行判断；再根据判断得出的待测工件所存在的加工误差量，并结合步骤一中的测量结果，推算出调整后动平台3的理想位置与理想姿态信息。
实际使用过程中，对待测工件存在的加工误差进行判断时，例如采用本发明对圆度仪等精密测量仪器所测量的待测工件的加工误差进行判断时，技术人员根据待测工件的加工制作方法，并结合常规经验知识以及加工工人的实际加工水平，便可得出待测工件存在的加工误差值。而当技术人员判断得出待测工件存在的加工误差值后，便相应得出需对动平台3进行调整的调整量(该调整量与上述加工误差值一致)；之后，根据判断得出的加工误差值，再结合步骤一中动平台3当前状态下的位置与姿态信息，便可推算出按照判断出的误差值对动平台3进行调整后的理想位置与理想姿态信息。也就是说，按照判断出的误差值对动平台3进行调整后，动平台3则处于理想状态。
步骤三、各可伸缩支杆伸缩量换算处理：所述控制器5根据并联机构运动学逆解原理，并结合步骤二中所输入动平台3的理想位置与理想姿态信息，且调用其内部集成的并联机构运动学逆解模块，换算得出六根所述可伸缩支杆进行调整后的伸缩量，且换算得出的所述可伸缩支杆调整后的伸缩量为所述可伸缩支杆调整后的长度。
本实施例中，对六根所述可伸缩支杆的伸缩量进行换算处理时，控制器5根据公式Li＝|Rai+a-bi|和
公式
对六根所述可伸缩支杆的伸缩量进行计算，式中i＝1、2、3、4、5和6，且i分别代表六根所述可伸缩支杆，六根所述可伸缩支杆分别为可伸缩支杆一2-1、可伸缩支杆二2-2、可伸缩支杆三2-3、可伸缩支杆2-4、可伸缩支杆2-5和可伸缩支杆六2-6；Li为第i根可伸缩支杆调整后的伸缩量，ψ、φ和θ分别为动平台3由初始状态调整至理想状态后绕定平台1的Z轴、Y轴和X轴转动的转动角度，ai为第i根可伸缩支杆上端部所安装球铰在局部坐标系中的坐标，bi为第i根可伸缩支杆下端部所安装虎克铰在全局坐标系中的坐标，a为定平台1的几何中心点在全局坐标系中的位置矢量。
本实施例中，并联机构运动学逆解模块采用的是四自由度并联机构的运动学逆解方法，且四个自由度分别为两个在X轴和Y轴方向上的直线自由度和两个绕X轴和Y轴的旋转运动自由度。
步骤四、驱动调整：控制器5根据步骤三中换算得出的需对六根所述可伸缩支杆进行伸缩调整的伸缩量，分别对六根所述可伸缩支杆中的驱动电机进行相应控制，并通过各驱动电机驱动六根所述可伸缩支杆相应进行伸缩调整，以将动平台3调整至理想状态。
综上，根据动平台3调整后的理想位置和理想姿态信息，且利用并联机构运动学逆解原理便可计算出六根所述可伸缩支杆的伸缩量，通过控制每个可伸缩支杆的伸缩量Li，即可实现动平台3在空间直角坐标系中的沿着X轴和Y轴的两个直线运动自由度以及两个绕着X轴和Y轴的两个旋转运动自由度。
另外，实际对所述可伸缩支杆伸展后的最大长度和收缩后的最小长度进行确定时，采用并联机构逆运动学的原理进行确定。由于对动平台3来说，限制其工作空间(即两个直线自由度和两个旋转运动自由度的大小)的因素：六根所述可伸缩支杆伸展后的最大长度、六根所述可伸缩支杆收缩后的最小长度以及运动副(即球铰和虎克铰)转角的最大值。具体是根据给定的动平台3需要调整的位置和姿态信息(即动平台3的理想位置和理想姿态信息)进行求解各根可伸缩支杆的长度Li，进而求得各可伸缩支杆下端部所安装虎克铰的转角θBi和各可伸缩支杆上端部所安装球铰的转角θAi。确定动平台3工作空间的具体步骤如下：
先确定搜索空间，将该空间空间用平行于XY平面(即水平面)的平面分成厚度为ΔZ的微分子空间，并设这些子空间是高度为ΔZ的圆柱；对每一个微小子空间，按约束条件搜索对于给定姿态的边界，这一步应从Z＝Z0(Z0＜Zmin)开始；完成某一子空间搜索后，再进行Z方向的增量，直到Z＝Zmax为止；Zmin，Zmax分别表示约束条件允许的工作空间的最低点和最高点。于是，就求出了各可伸缩支杆的长度。随后，根据动平台3的转动角度调整量5°以及直线位移调整量5mm以及动平台3的结构参数，即可换算得出可伸缩支杆伸展后的最大长度为78mm，收缩后的最小长度为70mm，因此可知可伸缩支杆的伸缩调整量为8mm。
综上，本发明主要实现了圆度仪等精密测量仪器上并联调整机构的4个自由度的调整，且4个自由度包括前后和左右方向的直线运动自由度以及两个旋转自由度。实际进行调整，通过长度固定支杆(即所述套筒)的平面运动和伸缩杆的伸缩运动实现了带动动平台3的两个直线运动自由度和两个旋转运动自由度。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (10)
1.一种亚微米级定位精度并联调整平台，其特征在于：包括固定不动且呈水平向布设的定平台(1)、安装在定平台(1)上的六根可伸缩支杆、初始状态下呈水平向布设且在六根所述可伸缩支杆的带动下能在左右和前后两个方向上进行直线移动并能绕左右和前后两个方向进行转动的动平台(3)、对动平台(3)当前状态下所处位置以及其在水平面上绕左右和前后两个方向的转动角度进行测量的测量系统(4)、与测量系统(4)电连接的控制器(5)以及与控制器(5)相接的参数输入单元(11)，六根所述可伸缩支杆的上端部均通过球铰安装在动平台(3)上，且六根所述可伸缩支杆的下端部均通过虎克铰安装在定平台(1)上；六根所述可伸缩支杆的结构相同，所述可伸缩支杆包括安装于定平台(1)上的套筒、同轴套装在所述套筒内且能沿所述套筒的中轴线进行上下移动的伸缩杆和对所述伸缩杆进行驱动的驱动电机，所述驱动电机通过传动机构与所述伸缩杆进行连接，六根所述可伸缩支杆中的驱动电机均由控制器(5)进行控制；所述定平台(1)、六根所述可伸缩支杆和动平台(3)组成具有两个直线自由度和两个旋转运动自由度的四自由度并联机构；
六根所述可伸缩支杆的上端部在动平台(3)上的安装位置分别为安装点A1、A2、A3、A4、A5和A6，安装点A1、A2、A3、A4、A5和A6均沿逆时针方向布设在正六边形一上，所述正六边形一的六个顶点沿顺时针方向依次为顶点C1、C2、C3、C4、C5和C6且正六边形一的中心点为O1；六根所述可伸缩支杆的下端部在定平台(1)上的安装位置分别为安装点B1、B2、B3、B4、B5和B6，安装点B1、B2、B3、B4、B5和B6均沿逆时针方向布设在正六边形二上，所述正六边形二的六个顶点沿顺时针方向依次为顶点D1、D2、D3、D4、D5和D6且正六边形二的中心点为O2；所述正六边形二的边长大于所述正六边形一的边长，六根所述可伸缩支杆分别安装在安装点A1与B1之间、A2与B2之间、A3与B3之间、A4与B4之间、A5与B5之间以及A6与B6之间，安装点A2和A3对称布设在顶点C3两侧，安装点A4和A5对称布设在顶点C1两侧，安装点A6和A1对称布设在顶点C5两侧，安装点B1和B2对称布设在顶点D3两侧，安装点B3和B4对称布设在顶点D1两侧，安装点B5和B6对称布设在顶点D5两侧；且直线段A2O1和A3O1之间、A4O1和A5O1之间、A6O1和A1O1之间、B1O2和B2O2之间、B3O2和B4O2之间以及B5O2和B6O2之间的夹角均相同；
所述动平台(3)处于初始状态时，正六边形一位于正六边形二的正上方，且直线段O1A1位于直线段O2B6的正上方。
2.按照权利要求1所述的亚微米级定位精度并联调整平台，其特征在于：所述直线段A2O1和A3O1之间、A4O1和A5O1之间、A6O1和A1O1之间、B1O2和B2O2之间、B3O2和B4O2之间以及B5O2和B6O2之间的夹角均为15°。
3.按照权利要求1或2所述的亚微米级定位精度并联调整平台，其特征在于：所述动平台(3)在左右和前后两个方向上进行直线移动的位移量为0±4mm，且动平台(3)在所处位置不变的状态下绕左右和前后两个方向进行转动的转动角度为0±5°。
4.按照权利要求3所述的亚微米级定位精度并联调整平台，其特征在于：所述可伸缩支杆伸展后的最大长度为78mm±5mm，所述可伸缩支杆收缩后的最小长度为70mm±5mm。
5.按照权利要求1或2所述的亚微米级定位精度并联调整平台，其特征在于：还包括与控制器(5)相接的电机转角检测装置(8)，且所述电机转角检测装置(8)包括六个分别对六根所述可伸缩支杆中驱动电机的转角进行实时检测的电机转角检测单元一；所述控制器(5)内部集成有电机驱动量换算模块一和伸缩量转化模块，所述电机驱动量换算模块一根据各电机转角检测单元一所检测的电机转角信号相应换算出各驱动电机驱动量，所述伸缩量转化模块将所述电机驱动量换算模块一换算出的各驱动电机驱动量对应转化成对各可伸缩支杆进行伸缩调整的伸缩量。
6.按照权利要求5所述的亚微米级定位精度并联调整平台，其特征在于：还包括供测量系统(4)安装的安装机构、供所述安装机构移动的移动轨道以及带动所述安装机构和测量系统(4)沿所述移动轨道移动的驱动电机组(9)，所述驱动电机组(9)包括多个安装机构驱动电机且各安装机构驱动电机均由控制器(5)进行控制；所述电机转角检测装置(8)还包括分别对多个所述安装机构驱动电机的转角进行实时检测的多个电机转角检测单元二，所述控制器(5)内部集成有电机驱动量换算模块二和移动位移转化模块，所述电机驱动量换算模块二根据各电机转角检测单元二所检测信号所检测的电机转角信号相应换算出各安装机构驱动电机的驱动量，所述移动位移转化模块将电机驱动量换算模块二换算得出的各安装机构驱动电机驱动量对应转化为所述安装机构沿移动轨道移动的移动位移值；
所述控制器(5)为PC机，所述PC机通过运动控制卡(10)分别对驱动电机组(9)和六根所述可伸缩支杆中的驱动电机进行驱动控制，所述运动控制卡(10)分别与驱动电机组(9)和六根所述可伸缩支杆中驱动电机的电机驱动电路相接。
7.按照权利要求1或2所述的亚微米级定位精度并联调整平台，其特征在于：所述定平台(1)和动平台(3)均为圆形、圆环形、正六边形或矩形板，定平台(1)的几何中心点与点O2相重合。
8.一种利用如权利要求1所述并联调整平台进行亚微米级定位精度调整的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤一、动平台当前位置与姿态信息测量：通过测量系统(4)对动平台(3)当前状态下的位置与姿态信息进行测量，并将测量结果同步上传至控制器(5)且同步进行存储；所述动平台(3)当前状态下的位置与姿态信息包括动平台(3)当前状态下所处的位置以及动平台(3)由初始状态调整至当前状态后绕左右和前后两个方向的转动角度；
步骤二、动平台理想位置与理想姿态信息输入：通过参数输入单元(11)向控制器(5)输入调整后动平台(3)的理想位置与理想姿态信息，所述理想位置与理想姿态信息包括动平台(3)调整后处于理想状态下所处的位置以及动平台(3)由初始状态调整至理想状态后绕左右和前后两个方向的转动角度；
步骤三、各可伸缩支杆伸缩量换算处理：所述控制器(5)根据并联机构运动学逆解原理，并结合步骤二中所输入动平台(3)的理想位置与理想姿态信息，且调用其内部集成的并联机构运动学逆解模块，换算得出六根所述可伸缩支杆进行调整后的伸缩量，且换算得出的所述可伸缩支杆调整后的伸缩量为所述可伸缩支杆调整后的长度；
步骤四、驱动调整：控制器(5)根据步骤三中换算得出的需对六根所述可伸缩支杆进行伸缩调整的伸缩量，分别对六根所述可伸缩支杆中的驱动电机进行相应控制，并通过各驱动电机驱动六根所述可伸缩支杆相应进行伸缩调整，以将动平台(3)调整至理想状态。
9.按照权利要求8所述的亚微米级定位精度调整方法，其特征在于：步骤二中所述的通过参数输入单元(11)向控制器(5)输入调整后动平台(3)的理想位置与理想姿态信息之前，需人为先对动平台(3)上所放置待测工件存在的加工误差进行判断；再根据判断得出的待测工件所存在的加工误差量，并结合步骤一中的测量结果，推算出调整后动平台(3)的理想位置与理想姿态信息。
10.按照权利要求8或9所述的亚微米级定位精度调整方法，其特征在于：步骤一中对动平台(3)的当前位置与姿态信息进行测量之前，所述控制器(5)需先以定平台(1)上的中心点为O2为坐标原点建立空间直角坐标系，且此时所建立的空间直角坐标系为全局坐标系；同时，控制器(5)还需以动平台(3)的几何中心点为坐标原点建立局部坐标系；
步骤三中对六根所述可伸缩支杆的伸缩量进行换算处理时，控制器(5)根据公式Li＝|Rai+a-bi|和
公式
对六根所述可伸缩支杆的伸缩量进行计算，式中i＝1、2、3、4、5和6，且i分别代表六根所述可伸缩支杆，六根所述可伸缩支杆分别为可伸缩支杆一(2-1)、可伸缩支杆二(2-2)、可伸缩支杆三(2-3)、可伸缩支杆四(2-4)、可伸缩支杆五(2-5)和可伸缩支杆六(2-6)；Li为第i根可伸缩支杆调整后的伸缩量，ψ、φ和θ分别为动平台(3)由初始状态调整至理想状态后绕定平台(1)的Z轴、Y轴和X轴转动的转动角度，ai为第i根可伸缩支杆上端部所安装球铰在局部坐标系中的坐标，bi为第i根可伸缩支杆下端部所安装虎克铰在全局坐标系中的坐标，a为定平台(1)的几何中心点在全局坐标系中的位置矢量。
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