CN104317218A - 一种微纳操作环境下的精密宏动并联定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微纳操作环境下的精密宏动并联定位系统，该系统包括顺序相连的机械本体、标定装置、控制装置；机械本体包括底座、三组以上的相同的超声电机驱动支链及动平台；标定装置，用于标定运动学参数的实际值，反馈关节运动位置及校正动平台原点；控制装置，用于处理各模块信号并做出相应的处理，驱动机械本体按预定轨迹运动。本发明的定位系统及方法，规避了传统电磁电机的缺点，减少了附加机构的摩擦、间隙、弹性变形等非线性因素的影响，具有无间隙、高刚度、结构紧凑、可消除装配误差及尺寸误差、适用于微纳操作环境的特点；能实现亚微米级的定位精度与毫米级行程，并可应用于宏微结合定位台上。

Description

一种微纳操作环境下的精密宏动并联定位系统及方法

技术领域

本发明涉及精密制造、精密测量、精密定位领域，特别涉及一种微纳操作环境下的精密宏动并联定位系统及方法。

背景技术

随着科学技术的发展，精密制造、精密测量及精密定位技术在科研前沿和工业生产中占据越来越重要的地位。如在生物工程，精密机械工程或材料科学领域中，常需使用微纳操作系统对样本进行研究。微纳操作系统包括观测器，定位平台与操纵器，现有商用观测器如扫描电子显微镜(SEM)等，其配备的定位平台常采用串联结构，精度低、易累积误差，不满足高精密操作的要求。

为达到高精度的定位要求，针对串联结构误差累计大、刚度低的缺点，研究者们提出了并联机构的概念；针对传统机构难以规避运动副间隙及装配误差等缺点，提出了柔顺机构的概念。

并联机构是指动平台和定平台通过至少两个独立的运动链相连接，机构具有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱动的一种闭环机构。它具有高刚度、高负载以及快速响应等特点。目前得到广泛应用的有Delta机构、Stewart机构、Tricept机构等。柔顺机构是指在外力或力矩作用下，利用材料弹性变形产生类似传统机构运动的一种运动副形式。它具有高精度、免装配、无间隙和摩擦等特点。目前已被广泛运用于微定位，微操作及微装配等领域。

然而，由于受工作原理限制，柔顺机构通常仅具有微米级的工作空间；并联机构能轻易实现毫米级以上工作空间，却难达到亚微米级定位精度。为解决大行程与高精度这一矛盾，研究者提出了宏微结合的定位方法，如K.H.帕克(K.H.PARK音译)等人所著论文《High Speed Micro Positioning System Based onCoarse/Fine Pair Control》中的实验样机。宏微结合的定位方法，能使机构具有毫米级行程与纳米级定位精度。但该方法需保证宏动平台的运动能精确定位至微动平台的工作空间内(通常为微米或亚微米级)，这就给宏动并联精密定位平台提出了极高的性能要求。

目前宏微结合的定位方法中，采用宏动并联机构与微动柔顺机构结合的方式相对较少。其中宏动并联机构设计上通常采用电磁旋转式电机(包括伺服电机、步进电机等)进行驱动，需要安装减速机构来降低转速，提高力矩，如高名旺所著论文：《平面并联机器人设计、分析与控制》中的3-RRR实验样机。这既增加了机构的结构复杂性，不利于SEM等空间狭小的地方应用，又使机构不可避免地产生了间隙、弹性形变及摩擦等非线性因素的影响，降低了机构的定位精度。此外，传统直线驱动的机械传动结构：如王晓云(Xiaoyun Wang音译)等人所著论文《Experimental Identification and Active Control ofConfiguration Dependent Linkage Vibration in a Planar Parallel Robot》中的实验样机,会引入滚珠丝杠、轴承等部件的间隙误差，导程误差等非线性因素，使得机构定位精度通常只能达到微米级。另一方面，电磁电机工作会产生电磁场，在某些对电磁场有严格限制的使用环境(如扫描电子显微镜真空腔)中并不适用。

公开号为CN1562578A的专利提出了一种宏微一体化的新型精密定位并联机器人，其思路是采用了柔顺铰链部分代替传统运动副以消除间隙。该方案的缺陷在于使机构的刚度及承重能力下降，高速定位运动中容易产生振动。

此外，以上所提及机构及目前已查文献，均未考虑对并联机构支链装配误差进行消除。并联机构尤其是平面并联机构，各支链的装配误差会导致动平台倾斜或变形，影响机构定位精度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种微纳操作环境下的精密宏动并联定位系统。

本发明的另一目的在于提供一种微纳操作环境下的精密宏动并联定位方法。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种微纳操作环境下的精密宏动并联定位系统，包括顺序相连的机械本体、标定装置和控制装置，通过标定装置标定机械本体的运动学参数，输入到控制装置进行实时补偿，再通过控制装置驱动机械本体按预定轨迹实现精密定位。

所述的机械本体，具有两平动一转动的自由度，包括底座、三组以上的相同的超声电机驱动支链，以及动平台；

其中，底座与地面或腔体内壁固定连接；超声电机驱动支链沿底座中心轴对称分布且与底座固定连接，相对底座平动及转动；动平台与超声电机驱动支链固定连接，相对超声电机驱动支链转动。

所述的标定装置，包括激光位移跟踪仪测量模块和直线光栅测量模块；

其中，激光位移跟踪仪测量模块，用于标定运动学参数的实际值：将激光反射球、激光跟踪仪采集的信号输入工控机进行处理；所述激光反射球固定连接于机械本体上；

直线光栅测量模块，用于反馈关节运动位置，校正动平台原点：将铟钢光栅尺、光栅读数头采集的信号经由光栅读数头细分接口输入控制器进行处理；所述的铟钢光栅尺固定连接于底板上，所述光栅读数头固定连接于机械本体上。

所述的控制装置，包括直线电机控制模块、动平台定位控制模块、温度补偿模块；用于处理各模块信号并做出相应的处理，驱动机械本体按预定轨迹运动；

其中，直线电机控制模块:通过工控机把目标位置信息输入控制器，控制器经计算得出驱动量输出到直线电机驱动器，再驱动机械本体运动；反馈环节采用直线光栅测量模块，从而实现闭环控制；

动平台定位控制模块，采用奇异区域规避与逃逸控制策略，实时判断动平台轨迹，当动平台轨迹接近奇异区域边界时，同时采取轨迹半径缩短与变姿态的策略，规避、穿越奇异区域，当动平台远离奇异区域的时候，恢复原轨迹运行，其中轨迹跟踪采用自校正算法，对动平台轨迹进行实时校正，实现轨迹跟踪；当动平台因为扰动而进入奇异区域时，将采用奇异区域逃逸策略，实现奇异区域的快速逃逸；

温度补偿模块，将温度传感器检测到的温度信号，通过控制器输入工控机进行处理；根据测量的运动学参数随温度变化规律，对运动学参数进行实时的修正补偿。

所述的底座，包括底板、偏心轮夹紧机构，其中偏心轮夹紧机构由多个对称分布在底板上的相同的偏心轮柱构成；偏心轮柱嵌入底板上对应的偏心轮定位孔中，相对底板做旋转调整，并通过螺钉和弹簧垫片与底板固定连接；

所述的超声电机驱动支链由主动移动副关节、被动转动副关节Ⅰ、被动转动副关节Ⅱ组成；所述主动移动副关节由滚动直线轴承、电机固定支架、连接板、直线超声电机组成；所述被动转动副关节Ⅰ由关节机架、转轴Ⅰ、精密轴承Ⅰ、精密轴承Ⅱ、弹性变形件、锁紧螺母Ⅰ、压板组成；所述被动转动副关节Ⅱ由连杆、转轴Ⅱ、精密轴承Ⅲ、精密轴承Ⅳ、端盖、锁紧螺母Ⅱ组成；所述滚动直线轴承包括导轨和滑块；所述直线超声电机包括基体与导杆；

超声电机驱动支链内部连接关系为：主动移动副关节与被动转动副关节Ⅰ固定连接；被动转动副关节Ⅰ与被动转动副关节Ⅱ固定连接；

主动移动副关节内部连接关系为：所述连接板与所述滑块固定连接；所述基体与连接板固定连接；所述导杆两端固定连接于所述电机固定支架上；

被动转动副关节Ⅰ内部连接关系为：所述精密轴承Ⅰ、精密轴承Ⅱ采用过渡配合，分别安装在所述关节机架上端与下端的安装孔中；所述转轴Ⅰ与精密轴承Ⅰ、精密轴承Ⅱ内圈采用过渡配合固定连接；所述弹性变形件放置在关节机架下端安装孔挡肩与精密轴承Ⅱ之间；所述压板与转轴Ⅰ下端面固定连接；所述锁紧螺母Ⅰ安装在转轴Ⅰ上端，旋紧后锁紧螺母Ⅰ与精密轴承Ⅰ端面贴合，压板与精密轴承Ⅱ端面贴合；弹性变形件受力变形，其上下边缘分别与关节机架下端安装孔挡肩及精密轴承Ⅱ上端面贴合；

被动转动副关节Ⅱ内部连接关系为：所述精密轴承Ⅲ、精密轴承Ⅳ采用过渡配合设置在所述连杆的安装孔中；所述端盖置入安装孔中，配合安装孔的挡肩压紧精密轴承Ⅲ、精密轴承Ⅳ，使精密轴承Ⅲ、精密轴承Ⅳ外圈与连杆固定连接；所述转轴Ⅱ与精密轴承Ⅲ、精密轴承Ⅳ采用过渡配合固定连接；所述锁紧螺母Ⅱ安装在转轴Ⅱ下端，旋紧后锁紧螺母Ⅱ，通过转轴Ⅱ轴肩压紧精密轴承Ⅲ、精密轴承Ⅳ，使精密轴承Ⅲ、精密轴承Ⅳ内圈与转轴Ⅱ固定连接；

所述的铟钢光栅尺固定连接于底板上，所述光栅读数头固定连接于连接板上；所述的温度传感器固定连接于底板上。

所述的被动转动副关节Ⅱ采用轴承定位预紧的结构：所述精密轴承Ⅲ、精密轴承Ⅳ为成对安装的精密角接触球轴承；所述被动转动副关节Ⅰ采用轴承定压预紧的结构：所述精密轴承Ⅰ、精密轴承Ⅱ为精密角接触球轴承，所述关节机架安装孔中设置了所述弹性变形件。

所述的转轴Ⅱ两端具有用于调整超声电机驱动支链与动平台相对高度的螺纹。

所述的微纳操作环境包括扫描电子显微镜SEM腔体，扫描探针显微镜SPM腔体。

本发明的另一目的通过以下的技术方案实现：

一种微纳操作环境下的精密宏动并联定位方法，包含标定方法和控制方法，其中

标定方法包括以下顺序的步骤：

S1.把激光反射球放置于底板的定位孔中，使用激光跟踪仪对底板建立世界坐标系；

S2.分别在转轴Ⅰ、转轴Ⅱ、动平台的定位孔中放置激光反射球，通过激光跟踪仪标定运动学参数实际值，输入工控机进行修正；运动学参数包括ΔA₁A₂A₃外接圆直径、ΔC₁C₂C₃外接圆直径，以及B₁C₁、B₂C₂、B₃C₃的长度；

S3.动平台工作原点的标定：通过激光跟踪仪先使动平台运动到世界坐标系原点，再通过微调铟钢光栅尺的参考零点，使光栅读数头与铟钢光栅尺零点重合；

S4.系统启动；初始化时，通过每个超声电机驱动支链的单独运动，搜寻铟钢光栅尺参考零点；分别定位后，动平台原点与世界坐标系原点重合；

S5.通过温度传感器长时间测量各运动学参数实际值，记录下参数随温度升降的变化规律；在运行中根据实测温度实时补偿运动学参数；

控制方法包括以下顺序的步骤：

S1.利用所述标定方法，通过铟钢光栅尺参考零点检测动平台零位，进行初始化复位操作；

S2.规划动平台运动轨迹，利用铟钢光栅尺位置信号，通过增量式编码器接口输入工控机；工控机计算并生成相应控制信号，通过D/AC转换电路输出到直线电机驱动器，使直线超声电机产生相应运动；A/DC转换电路实时转换温度传感器温度信号并输入工控机处理，实现运动学参数的温度补偿；

S3.运动过程中根据直线光栅测量模块所测信号实时检测轨迹位置，采用奇异区域的规避与逃逸控制策略；

S4.运动过程中通过直线光栅测量模块信号进行运动学正解，计算动平台位置；对比动平台末端实际位置与目标位置的偏差，运行自校正算法，产生控制信号；控制信号通过D/AC转换电路输出到直线电机驱动器，直线超声电机响应控制信号运动并补偿偏差。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

一、机械部分：

在结构设计上：

(1)采用高精度的角接触球轴承，可通过调整消除游隙，达到消除旋转关节间隙的目的；采用预紧的高精度线性导轨，可消除平动关节间隙；

(2)加宽线性导轨、关节转轴简支梁支承方式及高刚度杆件的配合，使装置即使在大负载的情况下仍能保证定位精度；

(3)设计了简单有效的转轴高度调整机构以消除各支链装配误差给动平台带来的影响；

(4)对称的3-PRR构型，光栅尺采用低热膨胀系数的铟刚，尽量减少了热胀冷缩带来的影响；

(5)机械本体结构紧凑，有利于微型化，在对尺寸有限制的使用环境中具有广泛实用性；

(6)机构的固定方式采用非破坏的夹紧方式，适用于封闭腔体或无安装孔的工作环境。

在驱动方式上采用超声直线电机驱动：

(1)相比传统电磁电机响应速度快，具有断电自锁、低速大力矩、运动无间隙的特性，因而不需要减速器，减少了摩擦力的构成；

(2)不产生磁场，适用于要求无磁场的环境；

(3)结构紧凑，易于实现小型化和轻量化。

二、标定部分：

(1)采用激光跟踪仪与光栅尺同时标定动平台原点，保证了参数的准确性；

(2)运动学参数与温度变化的关系经过测定后实时补偿，把温度变化所产生的影响降到最低。

三、控制部分：

(1)驱动关节采用光栅尺实现闭环控制，关节空间使用模型参考自适应算法实现精密定位；

(2)平台运动采用自校正控制算法实现精密定位与轨迹跟踪，同时采取奇异区域规避与逃逸控制策略，确保机构具有良好的运动性能。

附图说明

图1为本发明所述的一种微纳操作环境下的精密宏动并联定位系统的总示意图；

图2为图1所述系统的底座部分示意图；

图3为图1所述系统的超声电机驱动支链中主动移动副关节的爆炸示意图；

图4为图1所述系统的超声电机驱动支链中被动转动副关节Ⅰ的爆炸示意图；

图5为图1所述系统的超声电机驱动支链中被动转动副关节Ⅱ的爆炸示意图；

图6为图1所述系统的用于调整消除支链装配误差的调整机构剖视图；

图7为图1所述系统的机械机构原理图；

图8为本发明所述的一种微纳操作环境下的精密宏动并联定位方法中标定方法的流程图；

图9为本发明所述的一种微纳操作环境下的精密宏动并联定位方法中控制方法的流程图；

图10为本发明所述的一种微纳操作环境下的精密宏动并联定位方法中奇异区域规避与逃逸控制策略流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

说明书附图中：

1-底座；11-底板；12-偏心轮夹紧机构；121-偏心轮柱；2-超声电机驱动支链；21-主动移动副关节；211-滚动直线轴承；2111-导轨；2112-滑块；212-电机固定支架；213-连接板；214-直线超声电机；2141-基体；2142-导杆；22-被动转动副关节Ⅰ；221-关节机架；222-转轴Ⅰ、223-精密轴承Ⅰ；224-精密轴承Ⅱ；225-锁紧螺母Ⅰ；226-弹性变形件；227-压板；23-被动转动副关节Ⅱ；231-连杆；232-精密轴承Ⅲ；233-精密轴承Ⅳ；234-转轴Ⅱ；235-端盖；236-锁紧螺母Ⅱ；3-动平台；41-工控机；42-控制器；421-D/AC转换电路；422-增量式编码器接口；423-A/DC转换电路；43-直线电机驱动器；44-光栅读数头细分接口；451-激光反射球；452-激光跟踪仪；461-铟钢光栅尺；462-光栅读数头；47-温度传感器。

图1为本发明定位系统总示意图，图中示出：一种微纳操作环境下的精密宏动并联定位系统，包括顺序相连的机械本体、标定装置、控制装置；整个系统通过标定装置标定机械本体的运动学参数，输入到控制装置进行实时补偿，再通过控制装置驱动机械本体按预定轨迹实现精密定位。

机械本体，具有两平动一转动的自由度，包括底座1、三组以上的相同的超声电机驱动支链2及动平台3；

所述底座1与地面或腔体内壁固定连接，在不破坏地面或腔体的情况下实现了紧固的功能；所述超声电机驱动支链2沿底座1中心轴对称分布且与底座1固定连接，可相对底座1平动及转动；所述动平台3与超声电机驱动支链2固定连接，可相对超声电机驱动支链2转动。各组超声电机驱动支链2结构相同且在其运动范围内可自由运动，理论上可将热胀冷缩所带来的精度影响降到最低；采用宏微结合的定位方法，动平台3上可安装如柔顺机构定位台等微定位台，实现大行程高精度的定位功能；

标定装置，包括激光位移跟踪仪测量模块和直线光栅测量模块。

所述激光位移跟踪仪测量模块，用于标定运动学参数的实际值：将激光反射球451、激光跟踪仪452采集的信号输入工控机41进行处理；

所述直线光栅测量模块，用于反馈关节运动位置，校正平台原点：将铟钢光栅尺461、光栅读数头462采集的信号经由光栅读数头细分接口44、控制器42输入工控机41进行处理；

控制装置，包括直线电机控制模块、动平台定位控制子模块、温度补偿模块；用于处理各模块信号并做出相应的处理，驱动机械本体按预定轨迹运动。

所述直线电机控制模块:通过工控机41把目标位置信息输入控制器42，控制器42经计算得出驱动量输出到直线电机驱动器43，再驱动机械本体运动；反馈环节采用直线光栅测量模块，从而实现闭环控制；

所述动平台定位控制模块，采用奇异区域规避与逃逸控制策略，实时判断动平台3轨迹，当动平台3轨迹接近奇异区域边界时，同时采取轨迹半径缩短与变姿态的策略，规避、穿越奇异区域，当动平台3远离奇异区域时，恢复原轨迹运行，其中轨迹跟踪采用自校正算法，对动平台3轨迹进行实时校正，实现轨迹跟踪；当动平台3因为扰动而进入奇异区域时，将采用奇异区域逃逸策略，实现奇异区域的快速逃逸；

所述温度补偿模块：将温度传感器47检测到的温度信号，通过控制器42输入工控机41进行处理。根据测量的运动学参数随温度变化规律，对运动学参数进行实时的修正补偿。

进一步地，图2为本发明定位系统底座部分示意图。图中示出：所述底座1由底板11、偏心轮夹紧机构12组成。所述偏心轮夹紧机构12由多个对称分布在所述底板11上的相同的偏心轮柱121构成。

底座1内部连接关系为：所述偏心轮柱121嵌入底板11上对应的偏心轮定位孔中，可相对底板11做旋转调整，并通过螺钉和弹簧垫片与底板11固定连接。此外，由于微纳操作环境通常较为狭小，不便安装，因此偏心轮定位孔中的螺纹可在安装过程中用于装入用于支撑底板11与调整底板11高度的螺钉。

进一步地，所述超声电机驱动支链2由主动移动副关节21、被动转动副关节Ⅰ22、被动转动副关节Ⅱ23组成。

图3为本发明定位系统驱动支链中主动移动副关节的爆炸示意图。图中示出：所述主动移动副关节21由滚动直线轴承211、电机固定支架212、连接板213、直线超声电机214组成。

直线超声电机214用于驱动系统的机械本体。直线超声电机直接驱动的方式，能有效避免传统机构带来的间隙，弹性形变，摩擦等问题，对提高运动精度有很好的效果，并且由于超声电机的小型化，使得定位机构可以设计得非常紧凑，适合应用于尺寸受限(如扫描电子显微镜真空腔中)的场合。当宏动定位平台的运动精度达到亚微米级的时候，通常已经在微动定位平台的工作空间内，因此对宏微结合的定位方法提供了极大便利。

滚动直线轴承211用于提供支承与导向作用，从而承受机构受到的外力，使机构具有很大的负载能力。另外也避免了直线超声电机214受力损坏。滚动直线轴承211为加宽型双边单列滚动直线导轨副，该种轴承导轨两侧各有一列承载滚珠。结构轻、薄、短小，且调整方便，可承受上下左右的载荷及不大的力矩，有利于应用在移动方向上受到长度限制的设计中。滚动直线轴承211带有预紧力，消除了游隙的影响。

图4为本发明定位系统驱动支链中被动转动副关节Ⅰ的爆炸示意图。图中示出：所述被动转动副关节Ⅰ22由关节机架221、转轴Ⅰ222、精密轴承Ⅰ223、精密轴承Ⅱ224、弹性变形件226、锁紧螺母Ⅰ225、压板227组成。

图5为本发明定位系统驱动支链中被动转动副关节Ⅱ的爆炸示意图。图中示出：所述被动转动副关节Ⅱ23由连杆231、转轴Ⅱ234、精密轴承Ⅲ232、精密轴承Ⅳ233、端盖235、锁紧螺母Ⅱ236组成。所述滚动直线轴承211包括导轨2111和滑块2112。

所述直线超声电机214包括基体2141与导杆2142。

由图1我们可知：超声电机驱动支链2内部连接关系为：主动移动副关节21与被动转动副关节Ⅰ22固定连接。被动转动副关节Ⅰ22与被动转动副关节Ⅱ23固定连接。

其中，主动移动副关节21内部连接关系为：所述连接板213与所述滑块2112固定连接；所述基体2141与连接板213固定连接。所述导杆2142两端固定连接于所述电机固定支架212上，这种安装方式，可使主动移动副关节结构紧凑，不占用空间。

其中，被动转动副关节Ⅰ22内部连接关系为：所述精密轴承Ⅰ223、精密轴承Ⅱ224采用过渡配合，分别安装在所述关节机架221上端与下端的安装孔中；所述转轴Ⅰ222与精密轴承Ⅰ223、精密轴承Ⅱ224内圈采用过渡配合固定连接；所述弹性变形件226放置在关节机架221下端安装孔挡肩与精密轴承Ⅱ224之间；所述压板227与转轴Ⅰ222下端面固定连接；所述锁紧螺母Ⅰ225安装在转轴Ⅰ222上端，旋紧后锁紧螺母Ⅰ225与精密轴承Ⅰ223端面贴合，压板227与精密轴承Ⅱ224端面贴合；弹性变形件226受力变形，其上下边缘分别与关节机架221下端安装孔挡肩及精密轴承Ⅱ224上端面贴合。

其中，被动转动副关节Ⅱ23内部连接关系为：所述精密轴承Ⅲ232、精密轴承Ⅳ233采用过渡配合设置在所述连杆231的安装孔中；所述端盖235置入安装孔中，配合安装孔的挡肩压紧精密轴承Ⅲ232、精密轴承Ⅳ233，使精密轴承Ⅲ232、精密轴承Ⅳ233外圈与连杆231固定连接；所述转轴Ⅱ234与精密轴承Ⅲ232、精密轴承Ⅳ233采用过渡配合固定连接；所述锁紧螺母Ⅱ236安装在转轴Ⅱ234下端，旋紧后锁紧螺母Ⅱ236，通过转轴Ⅱ234轴肩压紧精密轴承Ⅲ232、精密轴承Ⅳ233，使精密轴承Ⅲ232、精密轴承Ⅳ233内圈与转轴Ⅱ234固定连接。

进一步地，所述铟钢光栅尺461固定连接于底板11上，铟钢光栅尺461材料为铟钢，膨胀系数非常小，从而尽量减小了温度对测量精度的影响。所述光栅读数头462固定连接于连接板213上，光栅读数头上表面与连接板贴合，侧面不与滑块2112相接触。光栅读数头462与铟钢光栅尺461距离受到连接板213尺寸及形位公差影响时，可通过添加垫片调整高度；所述的温度传感器47固定连接于底板11上。

更进一步地，所述被动转动副关节Ⅱ23采用轴承定位预紧的结构：所述精密轴承Ⅲ232、精密轴承Ⅳ233为成对安装的精密角接触球轴承，成对安装角接触球轴承一般由生产厂商选配组合成对提交用户，因此减少了套筒轴肩等造成的配合误差；定位预紧方式可以使轴承达到要求的预紧量，控制轴承游隙大小。相比于其他方式，这种预紧方式轴向刚度最大，通常用于需要提高轴承系统轴向刚度的场合。

所述被动转动副关节Ⅰ22采用轴承定压预紧的结构：所述精密轴承Ⅰ223、精密轴承Ⅱ224为精密角接触球轴承，所述关节机架221安装孔中设置了所述弹性变形件226。弹性变形件226，可为碟形弹簧、螺旋弹簧或O型垫圈。定压预紧可以使轴承预紧量保持恒定值。这种方式对轴承系统刚度提高不大，但能消除温度变化，螺母旋紧程度误差等造成的影响。

以上两种轴承预紧结构，均可实现调整轴承游隙的功能，消除轴承游隙对机构精度的影响。

图6为本发明微纳操作环境下的精密宏动定位系统用于调整消除支链装配误差的机构的剖视图。图中示出：所述转轴Ⅱ234两端具有用于调整超声电机驱动支链2与动平台3相对高度的螺纹。转轴Ⅱ234不采用轴肩与动平台3进行定位，而采用螺纹调整的方式，使用螺母分别调整各转轴Ⅱ234向上或向下移动，直到消除各支链高度装配误差使动平台3水平。当动平台3调整至与底座1水平时，旋紧紧定螺钉将转轴Ⅱ234紧固，取下调整螺母。

进一步地，所述的微纳操作环境包括扫描电子显微镜SEM腔体，扫描探针显微镜SPM腔体。

进一步地，所述的定位系统的方法，包括标定方法和控制方法。图8为本发明定位系统的标定方法流程图，图9为本发明定位系统的控制方法流程图。

标定方法包括如下步骤：

第一步：把激光反射球451放置于底板11的定位孔中，使用激光跟踪仪452对底板11建立世界坐标系；

第二步：分别在转轴Ⅰ222、转轴Ⅱ234、动平台3的定位孔中放置激光反射球451，通过激光跟踪仪452标定运动学参数实际值，输入工控机41进行修正；如图7所示：运动学参数包括ΔA₁A₂A₃外接圆直径、ΔC₁C₂C₃外接圆直径，以及B₁C₁、B₂C₂、B₃C₃的长度；

第三步：动平台3工作原点的标定：通过激光跟踪仪452先使动平台3运动到世界坐标系原点，再通过微调铟钢光栅尺461的参考零点，使光栅读数头462与铟钢光栅尺461零点重合；

第四步：系统启动；初始化时，通过每个超声电机驱动支链2的单独运动，搜寻铟钢光栅尺461参考零点；分别定位后，动平台3原点便与世界坐标系原点重合；

第五步：通过温度传感器47长时间测量各运动学参数实际值，记录下参数随温度升降的变化规律；在运行中根据实测温度实时补偿运动学参数；

控制方法包括如下步骤：

第一步，利用所述标定方法，通过铟钢光栅尺461参考零点检测动平台3零位，进行初始化复位操作；

第二步，规划动平台3运动轨迹，利用铟钢光栅尺461位置信号，通过增量式编码器接口422输入工控机41；工控机41计算并生成相应控制信号，通过D/AC转换电路421输出到直线电机驱动器43，使直线超声电机214生成相应运动；A/DC转换电路423实时转换温度传感器47温度信号并输入工控机41处理，实现运动学参数的温度补偿；

第三步，运动过程中根据直线光栅测量模块信号实时检测轨迹位置，采用奇异区域的规避与逃逸控制策略，实现轨迹的平滑过渡；图10即为本发明定位系统的奇异区域规避与逃逸控制策略流程图；

第四步，运动过程中通过直线光栅测量模块信号进行运动学正解，计算动平台3位置，对比动平台3末端实际位置与目标位置的偏差，运行自校正算法，产生控制信号；控制信号通过D/AC转换电路421输出到直线电机驱动器43，直线超声电机214响应控制信号运动并补偿偏差，使动平台3实现轨迹的良好跟踪。

本实施例中，装置应用在蔡司公司EVO15扫描电子显微镜真空腔中，可用几何空间尺寸为

系统机械本体主动移动副关节21运动中心线分布在尺寸为内接于直径圆的三角形边上，即ΔA₁A₂A₃外接圆直径为被动转动副关节Ⅱ23转动轴心均布在直径圆上，即ΔC₁C₂C₃外接圆直径为被动转动副关节Ⅰ22与被动转动副关节Ⅱ23转动轴心直线距离，即B₁C₁、B₂C₂、B₃C₃距离为95mm。

直线超声电机214可采用德国PI公司U-264.30型压电陶瓷超声直线电机，其有效驱动行程为150mm，最大驱动力8N，最小开环步距为0.1μm。

直线电机驱动器43可采用德国PI公司的C-872超声电机驱动器，可兼容PI公司不同型号的超声电机。

精密轴承Ⅰ223、精密轴承Ⅱ224可选用日本NSK公司精密角接触球轴承，型号7900CTYNSULP5。精密轴承Ⅲ232、精密轴承Ⅳ233可选用日本NSK公司精密角接触球轴承，型号706CTYNDBLP5。弹性变形件226可选用德国Blve公司碟形弹簧，型号G20。根据要求，对轴承施加中等预紧量。根据NSK轴承预紧力表，查得预紧力30N，即碟形簧片提供的弹力为F＝30N。设预紧力误差为ΔF＝±5N，可算得当弹性变形件采用两片碟形簧片串联的形式时，总位移为

s_t＝2×0.026mm＝0.052±0.008mm

则从螺母紧固端面与轴承内圈端面贴合开始算起，锁紧螺母Ⅰ225应当转过的角度为

滚动直线轴承211可选用日本MISUSI公司SSEBWV14G滑轨加宽型超精密级微型直线轴承，其精度等级在P4-P5之间。基本额定动负载为3.5kN，基本额定静负载为5.3kN，静态容许力矩分别为M₁＝20.6N m，M₂＝22.3N m，M₃＝52.1N m。参数满足设计要求。

由于SEM腔体不宜进行孔加工，底座1采用偏心轮夹紧机构12。为方便调整，偏心轮柱121取偏心轮工作行程s＝2.5mm；为使工作行程与自锁范围较大，取夹紧力偏心轮工作段γ₁＝75°mm，γ₂＝165°mm。

则偏心量

$e=\frac{s}{\cos {\mathrm{\γ}}_1-\cos {\mathrm{\γ}}_2}\≈2\mathrm{mm}$

偏心轮直径D≥14e，根据相关尺寸，取偏心轮直径D＝32mm，转轴直径d＝22mm。偏心轮材料为铝合金，腔体内壁为钢材，取摩擦系数μ＝0.17。设施加扭矩为M，单位N·m，则偏心轮所提供夹紧力为

$W=\frac{1000M}{\mathrm{\μ}(D+d)/2+e(\sin \mathrm{\γ}-\mathrm{\μ}\cos \mathrm{\γ})}$

根据几何尺寸，当偏心轮柱121的偏心轮恰与SEM腔体内壁接触时，其转动中心距内壁距离为d＝17.5mm，取变形量δ＝0.2mm，则得夹紧点夹角γ≈150°。设夹紧力为W＝2000N，则偏心轮夹紧机构12每个偏心轮柱121的预紧力矩为

M≈11.77N·m。

当将偏心轮柱121拧至预紧力矩后，将其顶部螺栓拧紧固定以起固定作用。

激光位移跟踪仪测量系统可采用德国Leica公司激光跟踪仪测量系统，激光跟踪仪452型号为AT901B，激光反射球451尺寸为球直径0.5英寸，反射球球面度误差为±0.0006mm。

直线光栅测量系统可采用英国Renishaw公司的UHV高真空兼容系列，铟钢光栅尺461型号为RELE IN20U1A0180A，光栅读数头462型号为TONICT161130M。

限位开关17可选用日本欧姆龙公司光电开关，型号EE-SX674。

控制器42可采用德国Dspace公司Dspace1103在环半物理仿真板卡及其接线盒，该板卡提供8路A/DC和8路D/AC接口，4路增量式编码器接口，并有串行通信接口和丰富的I/O设备，方便系统集成。

温度传感器47采用M6螺钉式K型热电偶，通过运算放大器实现电压放大后接入控制器42进行温度采集。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种微纳操作环境下的精密宏动并联定位系统，其特征在于：包括顺序相连的机械本体、标定装置和控制装置，通过标定装置标定机械本体的运动学参数，输入到控制装置进行实时补偿，再通过控制装置驱动机械本体按预定轨迹实现精密定位。

2.根据权利要求1所述的微纳操作环境下的精密宏动并联定位系统，其特征在于：所述的机械本体，具有两平动一转动的自由度，包括底座、三组以上的相同的超声电机驱动支链，以及动平台；

其中，底座与地面或腔体内壁固定连接；超声电机驱动支链沿底座中心轴对称分布且与底座固定连接，相对底座平动及转动；动平台与超声电机驱动支链固定连接，相对超声电机驱动支链转动。

3.根据权利要求2所述的微纳操作环境下的精密宏动并联定位系统，其特征在于：所述的底座，包括底板、偏心轮夹紧机构，其中偏心轮夹紧机构由多个对称分布在底板上的相同的偏心轮柱构成；偏心轮柱嵌入底板上对应的偏心轮定位孔中，相对底板做旋转调整，并通过螺钉和弹簧垫片与底板固定连接。

4.根据权利要求2所述的微纳操作环境下的精密宏动并联定位系统，其特征在于：所述的超声电机驱动支链，由主动移动副关节、被动转动副关节Ⅰ、被动转动副关节Ⅱ组成；所述主动移动副关节由滚动直线轴承、电机固定支架、连接板、直线超声电机组成；所述被动转动副关节Ⅰ由关节机架、转轴Ⅰ、精密轴承Ⅰ、精密轴承Ⅱ、弹性变形件、锁紧螺母Ⅰ、压板组成；所述被动转动副关节Ⅱ由连杆、转轴Ⅱ、精密轴承Ⅲ、精密轴承Ⅳ、端盖、锁紧螺母Ⅱ组成；所述滚动直线轴承包括导轨和滑块；所述直线超声电机包括基体与导杆；

超声电机驱动支链内部连接关系为：主动移动副关节与被动转动副关节Ⅰ固定连接；被动转动副关节Ⅰ与被动转动副关节Ⅱ固定连接；

主动移动副关节内部连接关系为：所述连接板与所述滑块固定连接；所述基体与连接板固定连接；所述导杆两端固定连接于所述电机固定支架上；

被动转动副关节Ⅰ内部连接关系为：所述精密轴承Ⅰ、精密轴承Ⅱ采用过渡配合，分别安装在所述关节机架上端与下端的安装孔中；所述转轴Ⅰ与精密轴承Ⅰ、精密轴承Ⅱ内圈采用过渡配合固定连接；所述弹性变形件放置在关节机架下端安装孔挡肩与精密轴承Ⅱ之间；所述压板与转轴Ⅰ下端面固定连接；所述锁紧螺母Ⅰ安装在转轴Ⅰ上端，旋紧后锁紧螺母Ⅰ与精密轴承Ⅰ端面贴合，压板与精密轴承Ⅱ端面贴合；弹性变形件受力变形，其上下边缘分别与关节机架下端安装孔挡肩及精密轴承Ⅱ上端面贴合；

被动转动副关节Ⅱ内部连接关系为：所述精密轴承Ⅲ、精密轴承Ⅳ采用过渡配合设置在所述连杆的安装孔中；所述端盖置入安装孔中，配合安装孔的挡肩压紧精密轴承Ⅲ、精密轴承Ⅳ，使精密轴承Ⅲ、精密轴承Ⅳ外圈与连杆固定连接；所述转轴Ⅱ与精密轴承Ⅲ、精密轴承Ⅳ采用过渡配合固定连接；所述锁紧螺母Ⅱ安装在转轴Ⅱ下端，旋紧后锁紧螺母Ⅱ，通过转轴Ⅱ轴肩压紧精密轴承Ⅲ、精密轴承Ⅳ，使精密轴承Ⅲ、精密轴承Ⅳ内圈与转轴Ⅱ固定连接；

所述的铟钢光栅尺固定连接于底板上，所述光栅读数头固定连接于连接板上；所述的温度传感器固定连接于底板上；

所述的被动转动副关节Ⅱ采用轴承定位预紧的结构：所述精密轴承Ⅲ、精密轴承Ⅳ为成对安装的精密角接触球轴承；所述被动转动副关节Ⅰ采用轴承定压预紧的结构：所述精密轴承Ⅰ、精密轴承Ⅱ为精密角接触球轴承，所述关节机架安装孔中设置了所述弹性变形件；

所述的转轴Ⅱ两端具有用于调整超声电机驱动支链与动平台相对高度的螺纹。

5.根据权利要求1所述的微纳操作环境下的精密宏动并联定位系统，其特征在于：所述的标定装置，包括激光位移跟踪仪测量模块和直线光栅测量模块；

其中，激光位移跟踪仪测量模块，用于标定运动学参数的实际值：将激光反射球、激光跟踪仪采集的信号输入工控机进行处理；所述激光反射球固定连接于机械本体上；

直线光栅测量模块，用于反馈关节运动位置，校正动平台原点：将铟钢光栅尺、光栅读数头采集的信号经由光栅读数头细分接口输入控制器进行处理；所述的铟钢光栅尺固定连接于底板上，所述光栅读数头固定连接于机械本体上。

6.根据权利要求1所述的微纳操作环境下的精密宏动并联定位系统，其特征在于：所述的控制装置，包括直线电机控制模块、动平台定位控制模块、温度补偿模块；用于处理各模块信号并做出相应的处理，驱动机械本体按预定轨迹运动；

其中，直线电机控制模块:通过工控机把目标位置信息输入控制器，控制器经计算得出驱动量输出到直线电机驱动器，再驱动机械本体运动；反馈环节采用直线光栅测量模块，从而实现闭环控制；

动平台定位控制模块，采用奇异区域规避与逃逸控制策略，实时判断动平台轨迹，当动平台轨迹接近奇异区域边界时，同时采取轨迹半径缩短与变姿态的策略，规避、穿越奇异区域，当动平台远离奇异区域的时候，恢复原轨迹运行，其中轨迹跟踪采用自校正算法，对动平台轨迹进行实时校正，实现轨迹跟踪；当动平台因为扰动而进入奇异区域时，将采用奇异区域逃逸策略，实现奇异区域的快速逃逸；

温度补偿模块，将温度传感器检测到的温度信号，通过控制器输入工控机进行处理；根据测量的运动学参数随温度变化规律，对运动学参数进行实时的修正补偿。

7.根据权利要求1所述的微纳操作环境下的精密宏动并联定位系统，其特征在于：所述的微纳操作环境包括扫描电子显微镜SEM腔体、扫描探针显微镜SPM腔体。

8.一种微纳操作环境下的精密宏动并联定位方法，其特征在于：包含标定方法和控制方法，其中

标定方法包括以下顺序的步骤：

S1.把激光反射球放置于底板的定位孔中，使用激光跟踪仪对底板建立世界坐标系；

S2.分别在转轴Ⅰ、转轴Ⅱ、动平台的定位孔中放置激光反射球，通过激光跟踪仪标定运动学参数实际值，输入工控机进行修正；运动学参数包括_△A₁A₂A₃外接圆直径、_△C₁C₂C₃外接圆直径，以及B₁C₁、B₂C₂、B₃C₃的长度；

S3.动平台工作原点的标定：通过激光跟踪仪先使动平台运动到世界坐标系原点，再通过微调铟钢光栅尺的参考零点，使光栅读数头与铟钢光栅尺零点重合；

S4.系统启动；初始化时，通过每个超声电机驱动支链的单独运动，搜寻铟钢光栅尺参考零点；分别定位后，动平台原点与世界坐标系原点重合；

S5.通过温度传感器长时间测量各运动学参数实际值，记录下参数随温度升降的变化规律；在运行中根据实测温度实时补偿运动学参数；

控制方法包括以下顺序的步骤：

S1.利用所述标定方法，通过铟钢光栅尺参考零点检测动平台零位，进行初始化复位操作；

S2.规划动平台运动轨迹，利用铟钢光栅尺位置信号，通过增量式编码器接口输入工控机；工控机计算并生成相应控制信号，通过D/AC转换电路输出到直线电机驱动器，使直线超声电机产生相应运动；A/DC转换电路实时转换温度传感器温度信号并输入工控机处理，实现运动学参数的温度补偿；

S3.运动过程中根据直线光栅测量模块所测信号实时检测轨迹位置，采用奇异区域的规避与逃逸控制策略；

S4.运动过程中通过直线光栅测量模块信号进行运动学正解，计算动平台位置；对比动平台末端实际位置与目标位置的偏差，运行自校正算法，产生控制信号；控制信号通过D/AC转换电路输出到直线电机驱动器，直线超声电机响应控制信号运动并补偿偏差。