CN102540442B

CN102540442B - 一种平面并联三自由度精密操作平台

Info

Publication number: CN102540442B
Application number: CN2012100111630A
Authority: CN
Inventors: 杨雪锋; 李威; 王禹桥; 樊启豪; 陈涤缨; 刘玉飞
Original assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Current assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Priority date: 2012-01-16
Filing date: 2012-01-16
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2032-01-16
Also published as: CN102540442A

Abstract

本发明公开了一种平面并联三自由度精密操作平台，其包括底座、布置在底座上方的载物台；在底座上固定连接三个支架，载物台通过三根柔性传动连杆与三个支架相互连接；三根柔性传动连杆围绕着载物台分布，每根柔性传动连杆的一端固定连接在载物台上，另一端和与其对应的支架固定连接；每根柔性传动连杆上粘贴电阻应变片和压电双精片；支架与柔性传动连杆的连接部的几何中心的两两连线构成三角形；柔性传动连杆与载物台的连接部的几何中心的两两连线构成另一三角形；电阻应变片和压电双晶片接一用于使载物台实现平面二自由度移动运动和绕其几何中心的转动运动的闭环反馈控制系统。本发明具有结构简单、安装空间小、运动精度和定位精度高的优点。

Description

一种平面并联三自由度精密操作平台

技术领域

本发明涉及一种适用于微操作技术的操作平台，尤其涉及一种平面并联三自由度精密操作平台。

背景技术

微操作技术是精密制造、精密测量和精密传动中的关键技术之一，广泛应用在微装配、超精密加工、显微技术、半导体技术、生物工程等要求具有微、纳米级位移及定位的技术领域内。精密操作技术作为关键技术之一，在近代尖端工业生产和科学研究占有极其重要的地位。随着微机电技术、半导体技术、生物技术、精密光电技术等高新技术获得了迅猛发展，对精密操作技术有了更高的要求。如在精密光学设备的制造过程中，需要用金刚石车刀直接车削出大学天文望远镜的抛物面反射镜时，要求加工出几何精度高于1/10光波波长的表面，即要求反射镜镜面的几何形状误差为微米级；在生物工程、医学等研究中，需要对细胞进行诸如分离、切割、注射，细胞内器官（核、染色体、基因）的转移、重组等操作，而细胞的尺寸一般在1-100um之间，因此必须要求操作精度达到亚微米级精度；在显微技术中，采用原子力显微镜，扫描隧道显微镜等观察物体的表面微观形貌的过程中，载物台的运动精度也必须达到亚微米级。这些都需要采用精密操作平台。目前采用串联方式构建的精密操作平台，在运动传递过程将产生误差累积效应，使末端的运动精度和定位精度降低；加之使用圆弧柔性铰链构建精密操作平台，由于受铰链变形量的限制，操作平台的运动范围受到限制；在操作平台的位姿测量方面，受安装空间的限制，无法安装高精度的光学测量系统，而采用运动学方程对运动末端的位姿进行解算，进行开环控制，不能有效利用压电驱动器和柔性铰链结构位移分辨率高的有点，且不能实现操作平台高精度运动精度的要求。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种结构简单、安装空间小、运动精度和定位精度高的平面并联三自由度精密操作平台。

本发明包括底座、布置在底座上方的载物台；在所述底座上固定连接有三个支架，所述载物台通过三根柔性传动连杆与三个支架相互连接；所述三根柔性传动连杆围绕着载物台分布，每根柔性传动连杆的一端固定连接在载物台上，另一端和与其对应的支架固定连接；每根柔性传动连杆上粘贴有电阻应变片和压电双精片；三个支架与三根柔性传动连杆的连接部的几何中心，它们的两两连线构成三角形；三根柔性传动连杆与载物台的连接部的几何中心，它们的两两连线构成另一三角形；上述电阻应变片和压电双晶片接一用于使载物台实现平面二自由度移动运动和绕其几何中心的转动运动的闭环反馈控制系统。

作为本发明的改进，所述每根柔性传动连杆呈L形，由两段柔性平板铰链组成；所述每个柔性段的外侧面上粘贴一压电双精片，内侧面上粘贴与上述压电双晶片长度相等的电阻应变片。

作为本发明的进一步改进，粘贴在每根柔性传动连杆上的所有电阻应变片和所有压电双晶片是等长度的。

作为本发明的进一步改进，三个支架与三根柔性传动连杆的连接部的几何中心，它们的两两连线构成一等边三角形。

作为本发明的进一步改进，三根柔性传动连杆与载物台的连接部的几何中心，它们的两两连线构成另一等边三角形。

作为本发明的改进，所述闭环反馈控制系统包括控制器、A/D转换器、电压驱动电源；所述控制器用于将预设的载物台的平动位移量和转动量转换为电压信号，由电压驱动电源将电压信号放大后驱动粘贴在柔性传动连杆上的压电双晶片产生变形，使柔性传动连杆产生弯曲变形，带动柔性传动连杆运动，令载物台产生平面XY方向的运动和绕其几何中心的转动；同时，粘贴在柔性传动连杆上的电阻应变片将柔性传动连杆的变形转换为电阻应变片的电阻变化量，通过A/D转换器将电阻变化量传递到控制器，控制器将电阻变化量转换成载物台对应的位移量，与预设的载物台的位移量进行比较，得出所需控制电压信号，将控制电压输出到电压驱动电源，驱动压电双晶片产生相应的位移输出，形成反馈控制，使载物台实现平面二自由度移动运动和绕其几何中心的转动运动。

本发明利用平面柔性并联结构作为载物台的支撑和运动传递结构，避免了串联结构所造成的运动误差的积累，提高了载物台的运动精度；L形柔性传动连杆采用绕载物台中心等角度布置的平板柔性铰链构成，避免了因圆弧柔性铰链变形量有限对平台位移量造成的影响，增加了微动平台的运动范围，且L形柔性传动连杆等角度布置可以使机构的运动方程更为简洁，有利于运动方程的建立，且工作行程大、定位精度高、运动无间隙；载物台采用压电双晶片驱动，并通过电阻应变片对输出位移进行反馈，实现并联机构输出位移的闭环控制；整个系统结构紧凑，可实现微米级到亚微米级的运动控制，且有利于减小安装空间，使平台微型化。适用于显微镜载物台或精密加工，整个平台零部件少，加工工艺简单、精度易于保证。总体结构简单，使用方便，运动范围大，精度高，具有广泛的实用性。

附图说明

图1是本发明的结构主视图；

图2是本发明的三维机械结构图；

图3是本发明的结构简化原理图；

图4是本发明的L形柔性传动连杆结构图；

图5是本发明的载物台驱动及检测过程示意图；

图6是本发明的闭环反馈控制系统的原理示意框图。

图中：1－底座，2－载物台，3、12、17－柔性传动连杆，4、7、10、13、15、18－压电双晶片，5、8、11、14、16、19－电阻应变片，6、9、20－支架，21－控制器，22－A/D转换器，23－压电驱动电源。

具体实施方式

下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的描述：

如图1和图2所示，在底座1上固定连接支架6、9、20，载物台2通过三根柔性传动连杆3、12、17与支架6、9、20相互连接。所述三根柔性传动连杆3、12、17围绕着载物台2顺次分布。

所述柔性传动连杆3的一端固定连接在支架6上，另一端与载物台2固定连接；所述柔性传动连杆12的一端固定连接在支架9上，另一端与载物台2固定连接；所述柔性传动连杆17的一端固定连接在支架20上，另一端与载物台2固定连接。

如图3所示，支架6、9、20与柔性传动连杆3、12、17的连接部的几何中心C、B、A，它们的两两连线构成一三角形ABC，所述三角形ABC优选是等边三角形；柔性传动连杆3、12、17与载物台2的连接部的几何中心F、E、D，它们的两两连线构成另一三角形DEF，所述三角形DEF优选是等边三角形。

如图4所示，每根柔性传动连杆呈L形，其包括两个柔性段，上述两个柔性段的长度L1与L2相等。所述两个柔性段是平板柔性铰链。

回到图1，L形柔性传动连杆3外侧的两个面上分别粘贴有压电双晶片4、7，对称地，在内侧的两个面上分别粘贴有电阻应变片5、8；L形柔性传动连杆12外侧的两个面上分别粘贴有压电双晶片10、13，对称地，在内侧的两个面上分别粘贴有电阻应变片11、14；L形柔性传动连杆17外侧的两个面上分别粘贴有压电双晶片15、18，对称地，在内侧的两个面上分别粘贴有电阻应变片16、19。上述每个压电双晶片的长度和与其对称布置的电阻应变片的长度相等。

图5所示，粘贴在L形柔性传动连杆17柔性段外侧的压电双晶片15、18长度缩短，使L形柔性传动连杆17从位置AGD运动到位置AG’D’，带动载物台2从位置DEF运动到位置D’E’F’，其几何中心从点O运动到O’。电阻应变片16、19产生拉伸变形，根据电阻应变片16、19电阻值的变化量，得出L形柔性传动连杆17上G点和D点的坐标变化量；

根据电阻应变片11、14电阻值的变化量，得出L形柔性传动连杆12上H点和E点的坐标变化量；根据电阻应变片5、8电阻值的变化量，得出L形柔性传动连杆3上I点和F点的坐标变化量；根据G、D、H、E、I、F的坐标，可得到载物台2从AGD运动到AG’D’时的水平位移a，垂直位移b，转角c。

图6所示，由控制器21、A/D转换器22、压电驱动电源23构成一套闭环反馈控制系统，所述闭环反馈控制系统用于使载物台2实现平面二自由度移动运动和绕其几何中心的转动运动。

用导线将压电双晶片、压电驱动电源23以及控制器21连接在一起，用导线将电阻应变片、A/D转换器22以及控制器21连接在一起。

启动控制器21，控制器21将预设的载物台2的平动位移量和转动量转换为电压信号，由电压驱动电源23将电压信号放大后驱动粘贴在L形柔性传动连杆3、12、17上的压电双晶片产生变形，使L形柔性传动连杆柔性段L1和L2产生弯曲变形，带动L形柔性传动连杆3、12、17运动，使载物台2产生平面XY方向的运动和绕其几何中心的转动。同时，粘贴在L形柔性传动连杆3、12、17上的电阻应变片将L形柔性传动连杆的变形转换为电阻应变片的电阻变化量，通过A/D转换器22将电阻变化量传递到控制器21，控制器21将电阻变化量转换成载物台2对应的位移量，与预设的载物台2的位移量进行比较，得出所需控制电压信号，将控制电压输出到电压驱动电源23，驱动压电双晶片产生相应的位移输出，实现载物台2的闭环控制，使载物台2实现平面二自由度移动运动和绕其几何中心的转动运动。

Claims

1.一种平面并联三自由度精密操作平台，包括底座（1）、布置在底座（1）上方的载物台（2）；在所述底座（1）上固定连接有三个支架（6、9、20），所述载物台（2）通过三根柔性传动连杆（3、12、17）与三个支架（6、9、20）相互连接；所述三根柔性传动连杆（3、12、17）围绕着载物台（2）分布，每根柔性传动连杆的一端固定连接在载物台（2）上，其特征在于：所述每根柔性传动连杆另一端和与其对应的支架固定连接；每根柔性传动连杆上粘贴有电阻应变片和压电双晶片；三个支架（6、9、20）与三根柔性传动连杆（3、12、17）的连接部的几何中心（C、B、A），它们的两两连线构成三角形（ABC）；三根柔性传动连杆（3、12、17）与载物台（2）的连接部的几何中心（F、E、D），它们的两两连线构成另一三角形（DEF）；上述电阻应变片和压电双晶片接一用于使载物台实现平面二自由度移动运动和绕其几何中心的转动运动的闭环反馈控制系统；

所述每根柔性传动连杆呈L形，由两段柔性平板铰链组成；所述每根柔性传动连杆的柔性段的外侧面上粘贴一压电双晶片，内侧面上粘贴与上述压电双晶片长度相等的电阻应变片。

2.根据权利要求1所述的平面并联三自由度精密操作平台，其特征在于：粘贴在每根柔性传动连杆上的所有电阻应变片和所有压电双晶片是等长度的。

3.根据权利要求1或2所述的平面并联三自由度精密操作平台，其特征在于：所述三个支架（6、9、20）与三根柔性传动连杆（3、12、17）的连接部的几何中心（C、B、A），它们的两两连线构成的三角形（ABC）是等边三角形。

4.根据权利要求1所述的平面并联三自由度精密操作平台，其特征在于：所述三根柔性传动连杆（3、12、17）与载物台（2）的连接部的几何中心（F、E、D），它们的两两连线构成的三角形（DEF）是等边三角形。

5.根据权利要求1所述的平面并联三自由度精密操作平台，其特征在于：所述闭环反馈控制系统包括控制器（21）、A/D转换器（22）、电压驱动电源（23）；所述控制器（21）用于将预设的载物台（2）的平动位移量和转动量转换为电压信号，由电压驱动电源（23）将电压信号放大后驱动粘贴在柔性传动连杆（3、12、17）上的压电双晶片产生变形，使柔性传动连杆（3、12、17）产生弯曲变形，带动柔性传动连杆（3、12、17）运动，令载物台（2）产生平面XY方向的运动和绕其几何中心的转动；同时，粘贴在柔性传动连杆（3、12、17）上的电阻应变片将柔性传动连杆（3、12、17）的变形转换为电阻应变片的电阻变化量，通过A/D转换器（22）将电阻变化量传递到控制器（21），控制器（21）将电阻变化量转换成载物台（2）对应的位移量，与预设的载物台（2）的位移量进行比较，得出所需控制电压信号，将控制电压输出到电压驱动电源（23），驱动压电双晶片产生相应的位移输出，形成反馈控制，使载物台（2）实现平面二自由度移动运动和绕其几何中心的转动运动。