CN106313013A - 一种宏微集成运动高精度并联机构装置及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宏微集成运动高精度并联机构装置及控制方法，包括机械本体部分及控制部分，机械本体部分包括静平台、动平台及驱动动平台宏动运动的直线电机驱动支链和驱动动平台精密微运动的微动支链，控制部分包括直线电机伺服放大器、直线精密驱动单元伺服放大器、运动控制卡及计算机。本发明直线电机的宏动运动保证轨迹跟踪和运动范围，直线精密驱动单元驱动的微动运动实现高精度定位控制，宏动和微动集成解决大行程与高精度的矛盾，在较大工作空间内实现高精度定位控制。

Description

一种宏微集成运动高精度并联机构装置及控制方法
技术领域
本发明涉及精密定位领域，具体涉及一种宏微集成运动高精度并联机构装置及控制方法。
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。在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。串联机构精度低、累积误差大、刚度低，不满足高精密操作的要求。为达到高精度的定位要求，提出了并联机构的概念。并联方式驱动具有高刚度、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。
更高精度的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。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种宏微集成运动高精度并联机构装置及控制方法。
本发明在标定机械本体的运动学参数后，根据动平台期望的位移、速度和加速度轨迹，通过运动学反解算出的各分支直线电机驱动器的运动轨迹，控制直线电机驱动机械动平台按预定轨迹实现宏动定位，然后用直线精密驱动单元实现高精度微定位，通过宏微驱动机构集成，实现动平台的精密定位。
本发明采用如下技术方案：
一种宏微集成运动高精度并联机构装置，包括机械本体部分及控制部分，
所述机械本体部分包括动平台5及静平台1，所述静平台1为三角形，所述三角形的三条边分别安装结构相同的直线电机驱动支链2、3、4，所述直线电机驱动支链由导轨、滑块及直线电机形成的移动副构成，所述导轨固接在三角形的边上，用于调整动平台的宏动运动，所述静平台的三条边上还分别安装用于检测滑块运动直线位移的直线光栅位移传感器6、7、8，所述直线光栅位移传感器6、7、8与滑块机械连接；
所述动平台5为三角形，其三个顶点分别通过三个直线精密驱动单元9、10、11与三个滑块连接，用于调整动平台的微动精密运动，所述三个直线精密驱动单元分别安装用于检测直线精密驱动单元微动位移的直线光栅位移传感器12、13、14；
所述控制部分包括直线电机伺服放大器17、直线精密驱动单元伺服放大器15运动控制卡16及计算机18；
所述用于检测滑块运动直线位移的直线光栅位移传感器6、7、8采集的信号经过运动控制卡16传输到计算机18，计算机进行处理得到控制信号，再通过运动控制卡输出到直线电机伺服放大器17控制直线电机的运动；
所述用于检测直线精密驱动单元微动位移的直线光栅位移传感器12、13、14检测直线精密驱动单元的位移，经过运动控制卡16传输到计算机18生成相应控制信号，通过运动控制卡16的D/A转换电路输出到直线精密驱动单元伺服放大器15，进一步驱动直线精密驱动单元9、10、11进行微动运动。
用于检测滑块运动直线位移的直线光栅位移传感器6、7、8与直线电机平行安装在静平台上。
动平台的三个顶点分别通过三个直线精密驱动单元与三个滑块连接，具体连接方式为：动平台的三个顶点通过安装三个精密轴承构成三个转动副，三个移动副分别通过安装三个精密轴承构成三个转动副，这三个转动副与动平台的三个转动副通过直线精密驱动单元进行连接。
所述动平台具有两平动一转动的平面三自由度。
还包括用于标定运动学参数的激光位移跟踪仪或二维光栅位移传感器，所述激光位移跟踪仪或二维光栅位移传感器采集的信号输入计算机。
所述直线精密驱动单元具体为压电陶瓷驱动器。
用于检测直线精密驱动单元微动位移的直线光栅位移传感器12、13、14的精度大于用于检测滑块运动直线位移的直线光栅位移传感器6、7、8。
一种宏微集成运动高精度并联机构装置的控制方法，包括如下步骤：
第一步，利用相关标定方法，通过用于检测滑块运动直线位移的直线光栅位移传感器6、7、8及用于检测直线精密驱动单元微动位移的直线光栅位移传感器12、13、14参考零点检测动平台的零位，进行初始化复位操作；
第二步，动平台的宏动定位，具体为：规划动平台运动轨迹，利用用于检测滑块运动直线位移的直线光栅位移传感器6、7、8采集直线电机滑块位置信号，通过运动控制卡16的增量式编码器接口输入计算机18；计算机18计算并生成相应控制信号，通过运动控制卡16的D/A转换电路输出到直线电机伺服放大器17，控制直线电机产生相应运动；
第三步，动平台的精密定位，具体为：激光位移跟踪仪或二维光栅位移传感器检测动平台的位置信息传输到计算机进行处理得到控制量，通过运动控制卡输出控制量到精密驱动单元伺服放大器驱动三个直线精密驱动单元；
第四步，通过用于检测直线精密驱动单元微动位移的直线光栅位移传感器12、13、14测量三个直线精密驱动单元的位移，通过运动控制卡输入到计算机，进一步得到控制信号继续进行微动控制。
在宏动定位中，直线光栅位移传感器实时检测动平台的轨迹位置，具体是采用奇异区域的规避与逃逸控制策略方式；
运动过程中，计算机通过对用于检测滑块运动直线位移的直线光栅位移传感器6、7、8的信号进行运动学正解，得到动平台位置，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；控制信号驱动直线电机，直线电机响应控制信号运动并补偿偏差。
所述第二步还包括，当考虑温度补偿时，运动控制卡的A/D转换电路实时转换温度传感器温度信号并输入计算机处理，实现运动学参数的温度补偿。
在启动精密定位前，将驱动移动副的直线电机伺服放大器锁定。
本发明的有益效果：
（1）本发明的定位系统及方法，采用直线电机的宏动运动，规避了传统电机驱动丝杠或者电机驱动减速器运动的缺点，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、适用于精密定位操作环境的特点。
（2）本发明通过宏动和微动运动的集成，解决了运动行程和控制精度之间的矛盾；既通过直线电机的宏动运动实现动平台大行程较高精度的运动轨迹和定位，又可以通过直线精密驱动单元的微动运动实现动平台更高的定位控制精度；
（3）本发明的并联结构平台，在转动副上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。
附图说明
图1是本发明的一种宏微集成运动高精度并联机构装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示，一种宏微集成运动高精度并联机构装置，包括机械本体部分及控制部分；
所述机械本体部分包括动平台5及静平台1，静平台1的形状为三角形，所述三角形的三条边分别安装结构相同的直线电机驱动支链2、3、4，对称分布，如图1所示共三条直线电机驱动支链，所述直线电机驱动支链由导轨、滑块及直线电机形成的移动副构成，所述导轨固接在三角形的边上，用于调整动平台的宏动运动，所述静平台的三条边上还分别安装用于检测滑块运动直线位移的直线光栅位移传感器6、7、8，所述直线光栅位移传感器的测量头与滑块机械连接，三个直线光栅位移传感器6、7、8与直线电机的定子分别平行安装在静平台1上。
具有两平动一转动的平面三自由度的动平台5，其三个顶点分别通过三个直线精密驱动单元与三个滑块连接，用于调整动平台的微动精密运动，所述三个直线精密驱动单元9、10、11分别安装用于检测直线精密驱动单元9、10、11微动位移的直线光栅位移传感器12、13、14；具体连接方式为：动平台5通过安装三个精密轴承分别组成三个转动副，直线电机驱动的滑块也分别安装一个精密轴承组成转动副，这三个转动副与动平台5的三个转动副之间分别通过三只直线精密驱动单元9，10和11连接，直线精密驱动单元的驱动形成动平台5的微动精密运动。
控制部分包括直线电机伺服放大器、直线精密驱动单元伺服放大器、运动控制卡及计算机；
在宏观控制运动中，将直线光栅位移传感器采集动平台位置的信号由光栅读数头细分接口后通过运动控制卡16输入计算机18进行处理得到控制信息，通过运动控制卡输出直线电机伺服放大器17驱动直线电机。
在微动运动中，三只直线精密驱动单元9、10、11的驱动位移测量分别通过安装直线光栅位移传感器12、13、14实现，分别用来检测直线精密驱动单元9、10、11微动位移；将直线光栅位移传感器12、13、14的光栅读数头采集的信号经由光栅读数头细分接口经过运动控制卡16输入计算机18进行处理；
还包括激光位移跟踪仪或二维光栅位移传感器，用于标定运动学参数的实际值：将激光跟踪仪采集或二维光栅位移传感器的信号输入计算机18进行处理。
所述用于检测直线精密驱动单元9、10、11微动位移的直线光栅位移传感器12、13、14的精度大于用于检测滑块运动直线位移的直线光栅位移传感器6、7、8。
并联运动平台在宏动运动驱动上，采用直线电机驱动方式，这种直接驱动方式避免的采用减速器驱动的间隙、摩擦等因素，提高了运动精度；并且该驱动运动采用宏动与微动集成的方式，在保证动平台运动工作空间主页采用宏动运动，当需要进一步精密定位时，采用直线精密驱动单元微动运动，从而实现高的定位精度；该发明装置集成宏动与微动解决了运动范围和运动精度之间的矛盾。
一种宏微集成运动高精度并联机构的控制方法，包括如下步骤：
第一步，利用相关标定方法，通过用于检测滑块运动直线位移的直线光栅位移传感器6、7、8及用于检测直线精密驱动单元微动位移的直线光栅位移传感器12、13、14参考零点检测动平台的零位，进行初始化复位操作；
第二步，动平台的宏动定位，具体为：规划动平台运动轨迹，利用用于检测滑块运动直线位移的直线光栅位移传感器6、7、8采集动平台位置信号，通过运动控制卡16的增量式编码器接口输入计算机18；计算机18计算并生成相应控制信号，通过运动控制卡16的D/A转换电路输出到直线电机伺服放大器17，控制直线电机产生相应运动，当考虑温度补偿时，运动控制卡的A/D转换电路实时转换温度传感器温度信号并输入计算机处理，实现运动学参数的温度补偿。
第三步，动平台的精密定位，在启动精密定位前，将驱动移动副的直线电机伺服放大器锁定，具体为：激光位移跟踪仪或二维光栅位移传感器检测动平台的位置信息传输到计算机进行处理得到控制量，通过运动控制卡输出控制量到精密驱动单元伺服放大器驱动三个直线精密驱动单元；
第四步，通过用于检测直线精密驱动单元微动位移的直线光栅位移传感器12、13、14测量三个直线精密驱动单元的位移，通过运动控制卡输入到计算机，进一步得到控制信号继续进行微动控制，完成最终定位。
在宏动定位中，直线光栅位移传感器实时检测动平台的轨迹位置，具体是采用奇异区域的规避与逃逸控制策略方式；
运动过程中，计算机通过对用于检测滑块运动直线位移的直线光栅位移传感器6、7、8的信号进行运动学正解，得到动平台位置，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；控制信号驱动直线电机，直线电机响应控制信号运动并补偿偏差。
图1中的d1-d6表示位移。
为了实现更高精度的定位控制，该宏微集成运动高精度并联机构的转动副需要采用高精度旋转轴承，安装加工制造机械平台需要保证加工和安装精度，需要标定；另外，还需要考虑采用温度补偿模块，根据温度变化，对运动学参数进行实时的修正补偿。
直线光栅位移传感器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。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，铟钢光栅位移传感器型号为RELE IN20U1A0180A，光栅读数头型号为TONICT161130M。
直线电机可选用直线超声电机，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。伺服放大器，即直线电机驱动器，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。
高精度旋转轴承可选用日本NSK公司精密角接触球轴承，型号7900CTYNSULP5，或者可选用日本NSK公司型号为706CTYNDBLP5精密角接触球轴承。
本实施例中，直线精密驱动单元可选用压电陶瓷驱动器，压电陶瓷驱动器可选用PI公司的型号为P-840，P-841的压电驱动器，行程15-90μm（低电压范围0～+100V），开环分辨率0.15-0.9nm，闭环分辨率0.3-1.8nm，未加载的谐振频率18-6kHz，刚度57-10N/μm，最大推力为1000N，尺寸（直径×长度）为12×32-122。压电放大器选用德国PI公司研制开发的E-500压电陶瓷驱动电源。
所述的一种宏微集成运动高精度并联机构装置，该并联运动平台在宏动运动驱动上，采用直线电机驱动方式，这种直接驱动方式避免的采用减速器驱动的间隙、摩擦等因素，提高了运动精度；并且该驱动运动采用宏动与微动集成的方式，在保证动平台运动工作空间主页采用宏动运动，当需要进一步精密定位时，采用直线精密驱动单元微动运动，从而实现高的定位精度；所以，该发明装置集成宏动与微动解决了运动范围和运动精度之间的矛盾。
本实施例运动控制卡选用美国GALIL运动控制器的8轴运动控制卡，计算机选用的CPU型号为core76650U2.2GHz，内存4G，主板中有PCI-e插槽，可以安装运动控制卡。运动控制卡可以读到6只直线光栅位移传感器检测的位移信息，可以有多轴D/A转换分别驱动控制三只直线电机和三只压电陶瓷驱动器的运动。
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所述实施例的限制，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 (10)

1.一种宏微集成运动高精度并联机构装置，其特征在于，包括机械本体部分及控制部分，
所述机械本体部分包括动平台(5)及静平台(1)，所述静平台(1)为三角形，所述三角形的三条边分别安装结构相同的直线电机驱动支链(2、3、4)，所述直线电机驱动支链由导轨、滑块及直线电机形成的移动副构成，所述导轨固接在三角形的边上，用于调整动平台的宏动运动，所述静平台的三条边上还分别安装用于检测滑块运动直线位移的直线光栅位移传感器(6、7、8)，所述直线光栅位移传感器(6、7、8)与滑块机械连接；
所述动平台(5)为三角形，其三个顶点分别通过三个直线精密驱动单元(9、10、11)与三个滑块连接，用于调整动平台的微动精密运动，所述三个直线精密驱动单元分别安装用于检测直线精密驱动单元微动位移的直线光栅位移传感器(12、13、14)；
所述控制部分包括直线电机伺服放大器(17)、直线精密驱动单元伺服放大器(15)运动控制卡(16)及计算机(18)；
所述用于检测滑块运动直线位移的直线光栅位移传感器(6、7、8)采集的信号经过运动控制卡(16)传输到计算机(18)，计算机进行处理得到控制信号，再通过运动控制卡输出到直线电机伺服放大器(17)控制直线电机的运动；
所述用于检测直线精密驱动单元微动位移的直线光栅位移传感器(12、13、14)检测直线精密驱动单元的位移，经过运动控制卡(16)传输到计算机(18)生成相应控制信号，通过运动控制卡(16)的D/A转换电路输出到直线精密驱动单元伺服放大器(15)，进一步驱动直线精密驱动单元(9、10、11)进行微动运动。
2.根据权利要求1所述的一种宏微集成运动高精度并联机构装置，其特征在于，用于检测滑块运动直线位移的直线光栅位移传感器(6、7、8)与直线电机平行安装在静平台上。
3.根据权利要求1所述的一种宏微集成运动高精度并联机构装置，其特征在于，动平台的三个顶点分别通过三个直线精密驱动单元与三个滑块连接，具体连接方式为：动平台的三个顶点通过安装三个精密轴承构成三个转动副，三个移动副分别通过安装三个精密轴承构成三个转动副，这三个转动副与动平台的三个转动副通过直线精密驱动单元进行连接。
4.根据权利要求1所述的一种宏微集成运动高精度并联机构装置，其特征在于，还包括用于标定运动学参数的激光位移跟踪仪或二维光栅位移传感器，所述激光位移跟踪仪或二维光栅位移传感器采集的信号输入计算机。
5.根据权利要求1所述的一种宏微集成运动高精度并联机构装置，其特征在于，所述直线精密驱动单元具体为压电陶瓷驱动器。
6.根据权利要求1所述的一种宏微集成运动高精度并联机构装置，其特征在于，用于检测直线精密驱动单元微动位移的直线光栅位移传感器(12、13、14)的精度大于用于检测滑块运动直线位移的直线光栅位移传感器(6、7、8)。
7.应用权利要求1-6任一项所述的一种宏微集成运动高精度并联机构装置的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步，利用相关标定方法，通过用于检测滑块运动直线位移的直线光栅位移传感器(6、7、8)及用于检测直线精密驱动单元微动位移的直线光栅位移传感器(12、13、14)参考零点检测动平台的零位，进行初始化复位操作；
第二步，动平台的宏动定位，具体为：规划动平台运动轨迹，利用用于检测滑块运动直线位移的直线光栅位移传感器(6、7、8)采集直线电机滑块位置信号，通过运动控制卡(16)的增量式编码器接口输入计算机(18)；计算机(18)计算并生成相应控制信号，通过运动控制卡(16)的D/A转换电路输出到直线电机伺服放大器(17)，控制直线电机产生相应运动；
第三步，动平台的精密定位，具体为：激光位移跟踪仪或二维光栅位移传感器检测动平台的位置信息传输到计算机进行处理得到控制量，通过运动控制卡输出控制量到精密驱动单元伺服放大器驱动三个直线精密驱动单元；
第四步，通过用于检测直线精密驱动单元微动位移的直线光栅位移传感器(12、13、14)测量三个直线精密驱动单元的位移，通过运动控制卡输入到计算机，进一步得到控制信号继续进行微动控制。
8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，在宏动定位中，直线光栅位移传感器实时检测动平台的轨迹位置，具体是采用奇异区域的规避与逃逸控制策略方式；
运动过程中，计算机通过对用于检测滑块运动直线位移的直线光栅位移传感器(6、7、8)的信号进行运动学正解，得到动平台位置，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；控制信号驱动直线电机，直线电机响应控制信号运动并补偿偏差。
9.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述第二步还包括，当考虑温度补偿时，运动控制卡的A/D转换电路实时转换温度传感器温度信号并输入计算机处理，实现运动学参数的温度补偿。
10.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，在启动精密定位前，将驱动移动副的直线电机伺服放大器锁定。
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