CN106393070A - 一种反对称并联直驱运动解耦高精度伺服平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种反对称并联直驱运动解耦高精度伺服平台，包括基座、运动平板、第一导轨和第二导轨，所述第一导轨和第二导轨均固定在运动平板上，且第一导轨和第二导轨相互垂直；所述基座上设置有与第一导轨平行的第一滑轨和与第二导轨平行的第二滑轨，所述第一滑轨和第二滑轨均配合设置直线驱动装置，第一滑轨和第二导轨之间通过第一滑块连接，第二滑轨和第一导轨之间通过第二滑块连接；第一滑轨上的直线驱动装置驱动第一滑块移动进而带动运动平板在X方向运动，第二滑轨上的直线驱动装置驱动第二滑块移动进而带动运动平板在Y方向运动，从而实现XY两个运动方向的运动解耦。

Description

一种反对称并联直驱运动解耦高精度伺服平台

技术领域

本发明涉及一种运动伺服平台，尤其涉及一种二自由度反对称并联直驱运动解耦高精度伺服平台。

背景技术

随着科学技术和工业技术的不断发展，人类的创造力不断向着微观领域发展。近年来，在智能微纳器件、微电子和超精密机械制造、精密测量等领域中，超精密伺服技术已逐步成为信息存储、精密成像、精密机械制造、半导体装备等新兴行业的核心技术，这迫切需要能够在微米级、亚微米级，甚至在纳米级精度上进行定位和操作的系统和装备。因此，建立一种高精密运动伺服平台对科学研究和工业制造都具有非常大的理论意义和现实意义。

传统串联式二维平面运动平台多采用旋转电机加滚珠丝杠等方式驱动，该串联式平台是由底层旋转电机通过丝杠将旋转运动转化为直线运动，从而带动上层旋转驱动电机和平板一起运动，但该传动方式致使底层旋转电机的负载质量大于上层电机的负载质量，限制了设备的定位精度、速度和加速度的进一步提高，在设计上存在先天的不对称性。而并联式平台以其高对称性，以及完全独立的运动解耦机构在互换性和高速高加速轨迹跟踪控制方面具有其独特优势。

音圈电机是一种利用永恒磁场或通电线圈导体产生的磁场中磁极的相互作用将电能转化为机械能并产生有规律的直线型及有限摆角的动力装置。它不仅在理论上其具有无限分辨率、无滞后、高加速度、高响应、高速度、体积小、控制方便、力学性能好等优点，可以避免旋转电机驱动中传动环节存在的间隙等不足外，是精密机械制造等领域理想的动力装置。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种运动平板质量小、负载能力大、互换性和精度高的反对称并联直驱运动解耦高精度伺服平台，。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种反对称并联直驱运动解耦高精度伺服平台，包括基座、运动平板、第一导轨和第二导轨，所述第一导轨和第二导轨均固定在运动平板上，且第一导轨和第二导轨相互垂直；所述基座上设置有与第一导轨平行的第一滑轨和与第二导轨平行的第二滑轨，所述第一滑轨和第二滑轨均配合设置直线驱动装置，第一滑轨和第二导轨之间通过第一滑块连接，第二滑轨和第一导轨之间通过第二滑块连接；

第一滑轨上的直线驱动装置驱动第一滑块移动进而带动运动平板在X方向运动，第二滑轨上的直线驱动装置驱动第二滑块移动进而带动运动平板在Y方向运动，从而实现XY两个运动方向的运动解耦。

通过在运动平板上设置相互垂直的第一导轨和第二导轨，在基座上设置分别与第一导轨和第二导轨连接的第一滑轨和第二滑轨，并分别设置直线驱动装置，第一滑轨和第二滑轨上的直线驱动装置分别工作，可以使运动平板在二维运动平面的运动解耦；第一滑轨和第二滑轨上的直线驱动装置同时工作，可以使运动平板在二维运动平面内做平面运动。

所述直线驱动装置固定于底座上，第一滑轨上的所述直线驱动装置与第一滑轨之间设有第一推力连接架，第二滑轨上的所述直线驱动装置与第二滑轨之间设有第二推力连接架。直线驱动装置直接作用于推力连接架，推力连接架将直线驱动装置的推力传递给运动平板，进而带动运动平板运动。

所述第一推力连接架一端与直线驱动装置连接，第一推力连接架另一端与第一滑块固接。第一推力连接架端部与第一滑块固接，第一滑块与设置于运动平板上的第二导轨配合，既能在X方向的直线驱动装置工作时将推力传递给运动平板带动其沿该方向运动，也能在Y方向直线驱动装置工作时，不影响运动平板的运动。

所述第二推力连接架一端与直线驱动装置连接，第二推力连接架另一端与第二滑块固接。第二推力连接架端部与第二滑块固接，第二滑块与设置于运动平板上的第一导轨配合，既能在Y方向的直线驱动装置工作时将推力传递给运动平板带动其沿该方向运动，也能在X方向直线驱动装置工作时，不影响运动平板的运动。

所述运动平板、第一滑块和第二滑块上固定有位移传感器。位移传感器用来测量运动平板在X方向或Y方向上运动的位移。

所述位移传感器为直线光栅尺，包括标尺光栅和读数头，标尺光栅固定在第一滑块或第二滑块上，读数头固定在运动平板上，所述直线光栅尺的输出信号线从读数头上接出。采用直线光栅尺检测位移，具有检测范围大，检测精度高，响应速度快的特点，可以更准确快速的测定运动平板的运动位移。

优选的，所述直线驱动装置在基座的四侧水平方向以反对称形式布设。

所述第一滑轨和第二滑轨均布设两条，两条第一滑轨和两条第二滑轨围成正方形，正方形的中心与第一导轨和第二导轨的交叉点位于同一竖直方向上。

通过对称布置在基座四侧的滑轨以及反对称布置在基座上的直线驱动装置，可以共同支撑运动平台，增大了运动平台支撑刚度，在向任一个运动方向上同时施加同向驱动力，保证运动平板质量中心处转矩始终为零，从而避免了因任一方向驱动力偏离运动平板质量中心产生的扭转。

所述第一导轨布设在运动平板下部的凹槽内较高位置处，所述第二导轨布设在运动平板下部较低位置处；或者，所述第二导轨布设在运动平板下部的凹槽内较高位置处，所述第一导轨布设在运动平板下部较低位置处。将第一导轨和第二导轨在高低不同位置处布设，使第一导轨和第二导轨相互之间不会影响彼此的工作，保证运动平板沿第一导轨和第二导轨的准确运动。

优选的，所述直线驱动装置为音圈电机。音圈电机具有高精度、高频响的特点，可以避免旋转电机驱动中的问题，是一种精密机械领域理想的动力装置。

所述音圈电机采用外部永磁、内部电磁的结构，并且永磁部分作为定子，电磁部分作为动子，所述的定子和动子之间有间隙。

所述第一滑块和第二滑块均为滚珠直线导轨滑块，所述第一导轨、第二导轨、第一滑轨和第二滑轨均为滚珠直线导轨。滚珠直线导轨可以同时受压力和横向(左右)力。

本发明的工作原理为：

通过使基座上的第一滑轨和运动平板上的第二导轨通过第一滑块连接，使基座上的第二滑轨和运动平板上的第一导轨通过第二滑块连接，推力连接架、直线驱动装置、运动平板连接成一体，由第一滑轨上的直线驱动装置驱动第一滑块移动进而带动运动平板在X方向运动，第二滑轨上的直线驱动装置驱动第二滑块移动进而带动运动平板在Y方向运动，从而实现XY两个运动方向的运动解耦。

第一滑轨和第二滑轨上的直线驱动装置同时工作，运动平板在XY平面内做平面运动。

本发明的有益效果为：

本发明伺服平台采用外部永磁、内部电磁的音圈电机，其输出力与输入电流具有良好的线性关系，易于控制。

本发明伺服平台采用音圈电机直接驱动的方式，减少了中间环节传动带来的误差，平台定位精度高，并且驱动力大，能够获得更大的运动加速度和速度。

本发明伺服平台采用同时作为推力体和连接体的推力连接架将两条空间垂直交叉长导轨和四条正方形布置短导轨连接一体形成，实现运动平板的类似简支梁对称支撑和两个运动方向上的运动解耦，避免了运动平板竖直方向的精度误差。

本发明伺服平台采用反对称布置音圈电机组在两个中的任一个运动方向上同时施加同向驱动力，保证运动平板质量中心处转矩始终为零，从而避免了因任一方向驱动力偏离运动平板质量中心产生的扭转。

本发明伺服平台采用滚珠直线导轨和导轨滑块作为运动解耦元件，使平台结构紧凑，并且可以选用知名厂家的成型产品，减小自行加工带来的累计误差。

本发明伺服平台为反对称并联结构，易加工、制造成本低、互换性高。

附图说明

图1为本发明提供的反对称并联直驱运动解耦高精度伺服平台的轴测图；

图2为本发明提供的反对称并联直驱运动解耦高精度伺服平台的主视图；

图3为本发明提供的反对称并联直驱运动解耦高精度伺服平台的左视图；

图4为本发明提供的反对称并联直驱运动解耦高精度伺服平台的俯视图；

图中，1基座，2第一推力连接架，3第二音圈电机固定架，4短滑轨，5第二推力连接架，6短滑轨滑块，7第一音圈电机固定架，8第二长导轨，9第二位移传感器，10长导轨滑块，11运动平板，12第一长导轨，13音圈电机，14第一位移传感器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，并在兼顾考虑平台结构优化、制造工艺等因素的基础上，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。当然参考附图描述的实施例只是示例性的，目的在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的过多限制。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于讲述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语“第一”、“第二”仅用于区分不同方向上部件或元件，而不能理解为指示或暗示某技术特征的数量。

本发明中，术语如“固定”、“相连”、“连接”、“贴”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，图1为本发明反对称并联直驱运动解耦高精度伺服平台轴测图。本发明采用音圈电机反对称布置和简支梁支撑结构，运动平板11下层导轨结构由基座1、短滑轨4、短滑轨滑块6、第一推力连接架2、第二推力连接架5组成，上层导轨结构由运动平板11、第一长导轨12、第二长导轨8、长导轨滑块10组成，中间两个第一推力连接架2和两个第二推力连接架5按反对称布置，并与四台音圈电机13连接，音圈电机13再分别与第一直线电机固定架7和第二直线电机固定架3连接。

第一直线电机固定架7和第二直线电机固定架3通过螺栓与基座1固定连接，短滑轨4按正方形布置通过螺栓与基座1固定连接，第一长导轨12和第二长导轨8按空间垂直交叉布置通过螺栓与运动平板11固定连接，音圈电机13定子通过螺栓与第一直线电机固定架7和第二直线电机固定架3固定连接，两个反对称布置的第一推力连接架2和两个反对称布置的第二推力连接架5通过螺栓与上下层中的四个短滑轨滑块6和四个长导轨滑块10固定连接，且两条空间垂直交叉第一长导轨12和第二长导轨8交叉点与四条正方形布置短滑轨4对称中心在同一竖直方向上，其中第一长导轨12和第二长导轨8中任一长导轨都与按正方形布置两条短滑轨4空间垂直或平行布置，四台反对称布置音圈电机13通过螺栓与两个反对称布置的第一推力连接架2和两个反对称布置的第二推力连接架5固定连接。第一音圈电机固定架7和第二音圈电机固定架3通过螺栓反对称布置固定在基座1上。在Y向反对称布置音圈电机13驱动第一推力连接支架2实现Y方向的短滑轨和短滑轨滑块之间滑动，进而运动平板11随之一起Y方向运动，在X向反对称布置音圈电机13驱动第二推力连接支架5实现X方向的短滑轨和短滑轨滑块之间滑动，进而运动平板11随之一起X方向运动，当四台音圈电机13同时工作时，运动平板13在XY平面内做平面运动，实现了二维运动平台在两个方向上的运动解耦。

短滑轨4包括四条固定在基座1上方成正方形分布的短滑轨；长导轨包括两条固定在运动平板11下方成空间垂直交叉高位置的第一长导轨12和低位置的第二长导轨8；短滑轨滑块6和长导轨滑块10分别与短滑轨和长导轨匹配，实现导轨方向自由滑动；推力连接架包括两个与短滑轨滑块6、第一长导轨滑块10相连接成反对称布置的第一推力连接架2和两个与短滑轨滑块6、第二长导轨滑块10相连接成反对称布置的第二推力连接架5；音圈电机包括两台与第一推力连接架2相连接按反对称布置的第一组音圈电机和两台与第二推力连接架5相连按反对称布置的第二组音圈线电机；音圈电机固定架包括固定支撑两个与第一组音圈电机连接的第一音圈电机固定架7和两个与第二组音圈电机连接的第二音圈电机固定架3；运动平板11与运动平板上部空间垂直交叉的第一长导轨12和第二长导轨8相连接；运动平板11与第一长导轨滑块10和第二长导轨滑块10之间分别设有第一位移传感器和第二位移传感器；第一组两台反对称布置音圈电机推动第一推力连接架，从而驱动运动平板在第一水平方向移动；第二组两台反对称布置音圈电机推动第二推力连接架，从而驱动运动平板在第二水平方向移动。

本发明中通过两个反对称布置的第一推力连接架和两个反对称布置的第二推力连接架上的八个滚珠导轨滑块将基座上成正方形布置的短导轨与运动平板下两条空间垂直交叉的第一长导轨和第二长导轨连接一体形成，并由第一组反对称布置音圈电机同时推动运动平板在第一运动方向运动，另外第二组两台反对称布置音圈电机同时推动运动平板在第二运动方向运动，实现两个运动方向的运动解耦。

四台音圈电机均采用外部永磁、内部电磁的结构，并且永磁部分作为定子分别固定在第一音圈电机固定架7和第二音圈电机固定架3，电磁部分作为动子分别固定在第一推力连接架2和第二推力连接架5，且音圈电机的信号线直接从音圈电机动子接出，并且对信号线固定。

短滑轨滑块6、长导轨滑块10均为滚珠直线导轨滑块。

短滑轨4、第一长导轨12、第二长导轨8为滚珠直线导轨。

如图2所示，图2为本发明反对称并联直驱运动解耦高精度伺服平台主视图，从图中可以清楚的看出平台X方向的运动。第二直线电机固定架3通过螺栓固定在基座1上，音圈电机13与第二推力连接架5通过螺栓连接，当音圈电机13工作时，反对称布置第二推力连接架5通过滑块带动运动平板11沿X轴方向运动。X方向位移传感器14，用于测量运动平板在X方向的位移，分为直线光栅尺和读书头两部分，直线光栅尺贴在第一长导轨滑块10侧面上，读数头通过螺栓固定在运动平板下方，传感器的输出信号通过与读数头连接的信号线输出。

如图3所示，图3为本发明反对称并联直驱运动解耦高精度伺服平台左视图，从图中可以清楚的看出平台Y方向的运动。第一直线电机固定架7通过螺栓固定在基座1上，音圈电机13与第一推力连接架2通过螺栓连接，当音圈电机13工作时，反对称布置第一推力连接架2通过滑块带动运动平板11沿Y轴方向运动。Y方向位移传感器9，用于测量运动平板在Y方向的位移，分为直线光栅尺和读书头两部分，直线光栅尺贴在第二长导轨滑块10靠近运动平台一侧面上，读数头通过螺栓固定在运动平板下方，传感器的输出信号通过与读数头连接的信号线输出。

如图4所示，图4为本发明反对称并联直驱运动解耦高精度伺服平台俯视图，从图中可以清楚的看出平台XY平面内的解耦运动。四台反对称布置音圈电机13通过螺栓与两个反对称布置的第一推力连接架2和两个反对称布置的第二推力连接架5固定连接。在Y方向反对称布置音圈电机13驱动第一推力连接架2实现导轨和导轨滑块之间滑动，进而运动平板11随之一起Y方向运动；在X方向反对称布置音圈电机13驱动第二推力连接架5实现导轨和导轨滑块之间滑动，进而运动平板11随之一起X方向运动，在四台音圈电机13同时工作时，运动平板13在XY平面内做平面运动，实现了两个方向上的运动的解耦。

本发明致力于克服传统二维运动平台中底层旋转电机通过滚珠丝杠等传动副带来的反向间隙、摩擦力、负载质量大和刚度不足等问题，并解决以往音圈电机驱动平台中气浮或磁悬浮支撑竖直方向误差以及因驱动力偏离运动平板质量中心引起的扭转误差等问题，可以达到减小和解决类似悬臂梁并联双驱运功平台中竖直方向精度误差和运动平板水平面内扭转问题。该平台由四台反对称布置音圈电机直接驱动，采用两条空间垂直交叉长导轨和基座上四条对称布置短导轨共同支撑形式，具有结构紧凑、负载小、互换性高、行程大、精度高及运动解耦等特点。

本发明采用反对称并联二维直驱结构，运动平板下部连接两条空间垂直交叉长导轨，基座上方固定四台反对称均布直线电机推动推力连接架，从而推动长导轨和运动平板，提高了运动平台刚度和负载能力，抑制了运动平板竖直方向振动和水平面内扭转；整个平台采用反对称布置支撑，此种类似简支梁支撑形式有效抑制了平台运动引起的振动对竖直方向精度的影响；所述的运动平板两轴向，各有两台反对称直线电机施加同向推力，使运动平板质量中心处转矩始终为零，从而有效抑制了运动平板在水平面内扭转。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种反对称并联直驱运动解耦高精度伺服平台，其特征是，包括基座、运动平板、第一导轨和第二导轨，所述第一导轨和第二导轨均固定在运动平板上，且第一导轨和第二导轨相互垂直；所述基座上设置有与第一导轨平行的第一滑轨和与第二导轨平行的第二滑轨，所述第一滑轨和第二滑轨均配合设置直线驱动装置，第一滑轨和第二导轨之间通过第一滑块连接，第二滑轨和第一导轨之间通过第二滑块连接；所述直线驱动装置在基座的四侧水平方向以反对称形式布设；

第一滑轨上的直线驱动装置驱动第一滑块移动进而带动运动平板在X方向运动，第二滑轨上的直线驱动装置驱动第二滑块移动进而带动运动平板在Y方向运动，从而实现XY两个运动方向的运动解耦。

2.如权利要求1所述的伺服平台，其特征是，所述直线驱动装置固定于底座上，第一滑轨上的所述直线驱动装置与第一滑轨之间设有第一推力连接架，第二滑轨上的所述直线驱动装置与第二滑轨之间设有第二推力连接架。

3.如权利要求2所述的伺服平台，其特征是，所述第一推力连接架一端与直线驱动装置连接，第一推力连接架另一端与第一滑块固接。

4.如权利要求2所述的伺服平台，其特征是，所述第二推力连接架一端与直线驱动装置连接，第二推力连接架另一端与第二滑块固接。

5.如权利要求1所述的伺服平台，其特征是，所述运动平板、第一滑块和第二滑块上固定有位移传感器。

6.如权利要求1所述的伺服平台，其特征是，所述位移传感器为直线光栅尺，包括标尺光栅和读数头，标尺光栅固定在第一滑块或第二滑块上，读数头固定在运动平板上，所述直线光栅尺的输出信号线从读数头上接出。

7.如权利要求1所述的伺服平台，其特征是，所述第一滑轨和第二滑轨均布设两条，两条第一滑轨和两条第二滑轨围成正方形，正方形的中心与第一导轨和第二导轨的交叉点位于同一竖直方向上。

8.如权利要求1所述的伺服平台，其特征是，所述第一导轨布设在运动平板下部的凹槽内较高位置处，所述第二导轨布设在运动平板下部较低位置处；或者，所述第二导轨布设在运动平板下部的凹槽内较高位置处，所述第一导轨布设在运动平板下部较低位置处。

9.如权利要求1所述的伺服平台，其特征是，所述直线驱动装置为音圈电机。

10.如权利要求1所述的伺服平台，其特征是，所述第一滑块和第二滑块均为滚珠直线导轨滑块，所述第一导轨、第二导轨、第一滑轨和第二滑轨均为滚珠直线导轨。