CN108922577A - 基于激光尺非定轴检测方法的xyθ微定位平台设计 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于激光尺非定轴检测方法的XYθ微定位平台，包括：基体，基体为正方体结构，在所述基体内部面向四个侧面的方向上各自设有两个对称设置的横向复合平行板簧机构；在两个横向复合平行板簧机构的对称中心处连接一个音圈电机，音圈电机的动子与两个横向复合平行板簧机构的对称中心处相连，音圈电机的静子固定在基座上；四个音圈电机的轴线互成90度；在基体内部还设有四个纵向复合平行板簧机构，一个纵向复合平行板簧机构对应一副横向复合平行板簧机构且与横向复合平行板簧机构相连；四个纵向复合平行板簧机构的交汇处为平台运动中心，平台运动中心的上方通过连接件安装平台运动部分；在所述的平台运动部分还设有位移检测装置。
Description
技术领域
本发明涉及微纳定位技术领域，具体涉及一种基于激光尺非定轴检测方法的 XYθ三自由度微定位平台。
背景技术
随着时代变迁众多技术应运而生，现如今，学者们已不仅局限于对宏观世界的研究，同时也将关注点锁定在对微小事物的研究上。微纳定位技术作为对微纳观世界的探索的基础技术，现已经被广泛应用于精密仪器、机械中。与传统的机械传动系统不同，微纳定位系统一般采用柔性机构代替滚柱丝杠和刚性连接的传动机构。柔性机构依靠自身小变形来完成运动、力、能量的传递，从而做到无磨损、无侧隙、无摩擦、高精度。
在微纳定位技术中，在微米范围内高分辨率的运动被广泛应用。其中，由于压电陶瓷驱动器能以纳米级分辨率，快速响应和高输出力进行定位，所以很多微定位平台采用压电叠堆驱动器和柔性铰链放大/导向机构来搭建。然而，压电叠堆驱动器提供的行程小于1mm。对于更多的应用，如微装配或者平台扫描，预计每个工作轴的运动范围大于10mm。
为了实现如此大的工作空间，磁悬浮马达，音圈电机等被普遍采用。现有的很多平台采用空气静压轴承或者磁悬浮轴承完成平台导向作用。并且大多数商业的多自由度产品多采用串行运动机构，例如通过多个单轴定位系统叠堆在一起。虽然串联的平台相对容易设计与控制，但是存在惯性大、固有频率低、累计误差大等缺点。同时，目前多数的微纳定位平台都采用电容传感器或者应变式传感器来检测平台的移动行程或者转动角度。这些传感器存在一定缺陷，即传感器的安装问题与检测范围，在平台中需要设计一个合适的位置安装传感器增加了设计要求和难度，而且电容传感器与应变式传感器的检测范围在2mm以下，难以实现大变形下的行程检测。
发明内容
针对现有的多自由度平台现有技术的不足，本发明提供了一种基于激光尺非定轴检测方法的XYθ三自由度微定位平台，可实现在XYθ三自由度下的并联精密运动、大行程运动；运动平台采用激光尺非定轴检测方法检测三个运动方向的位移或偏角。
本发明采取的技术方案为：
基于激光尺非定轴检测方法的XYΘ微定位平台，包括：基体、横向复合平行板簧机构、纵向复合平行板簧机构、平台运动部分、音圈电机、音圈电机基座、位移检测装置；
所述的基体为正方体结构，在所述正方体结构内部面向四个侧面的方向上各自设有两个对称设置的横向复合平行板簧机构；
在两个横向复合平行板簧机构的对称中心处连接一个音圈电机，音圈电机的动子与两个横向复合平行板簧机构的对称中心处相连，音圈电机的静子固定在基座上，所述的基座位于基体的底部；四个音圈电机的轴线互成90度；在正方体结构内部还设有四个纵向复合平行板簧机构，一个纵向复合平行板簧机构对应一副横向复合平行板簧机构且与横向复合平行板簧机构相连；四个纵向复合平行板簧机构的交汇处为平台运动中心，该中心与基体的中心重合，平台运动中心的上方通过连接件安装平台运动部分；在所述的平台运动部分还设有位移检测装置。
进一步的，所述的横向复合平行板簧机构包括第一质量块、第二质量块、横向板簧I、横向板簧II、横向板簧III、横向板簧IV；所述的横向板簧I、横向板簧II、横向板簧III、横向板簧IV相互平行；横向板簧I、横向板簧IV的一端与基体相连，另一端与第二质量块相连，所述的第二质量块又通过横向板簧 II、横向板簧III与第一质量块相连；每副对称的横向复合平行板簧机构的第一质量块通过连接部连接一起。
进一步的，所述的纵向复合平行板簧机构包括第三质量块和纵向板簧I、纵向板簧II、纵向板簧III和纵向板簧IV；纵向板簧I、纵向板簧II、纵向板簧 III和纵向板簧IV的一端与第三质量块相连，纵向板簧III、纵向板簧IV另一端与与其对应的两个横向复合平行板簧机构的连接部相连，纵向板簧I、纵向板簧IV的另一端与连接刚体相连，所述的连接刚体连接中心垫块，所述的中心垫块与平台运动部分连接。
进一步的，横向板簧I、横向板簧II、横向板簧III、横向板簧IV、纵向板簧I、纵向板簧II、纵向板簧III和纵向板簧IV均为等截面等强度梁。
进一步的，所述的位移检测装置包括平面镜镜架、激光尺平面镜和激光尺；所述的平台运动部分的两个相邻侧面边缘安装有平面镜镜架，且一个侧面边缘仅安装一个所述的平面镜镜架，另一个侧面边缘对称安装两个所述的平面镜镜架；三个所述的平面镜镜架上均安装激光尺平面镜；在每个所述的激光尺平面镜同一水平面处安装一个激光尺，三个所述的激光尺位于同一水平面，且激光尺可远离基体一定的距离。
进一步的，所述的激光尺的激光头需要完全水平于平面镜安装，且激光尺的激光头需要与平面镜在同一水平面。
进一步的，所述的平台运动部分是一块方形铝合金板，在所述的平台运动部分的两个侧面边缘上设有安装孔，所述的平面镜镜架通过连接件与平台运动部分的安装孔相联接。
进一步的，所述的基体为方形铝合金机构，所述的横、纵向复合平行板簧机构与基体为一体式结构，横、纵向复合平行板簧机构通过整体线切割基体而形成的结构。
进一步的，所述的基体四个角处均匀布置螺钉孔，所述音圈电机的基座上分别对应设有螺钉配合的螺纹孔，所述的音圈电机基座通过螺钉配合安装于基体的下方；所述音圈电机的基座设有立式方形块，上面设有与标准音圈电机对应的通孔，所述的音圈电机的定子通过螺钉安装于音圈电机基座之上；所述的音圈电机的动子，通过螺钉与和其对应的两个横向复合平行板簧连接部的螺纹孔配合安装。
进一步的，所述的平台运动部分的中心位置设有四个对称分布的通孔，所述的基体中心位置也设有四个相对应的螺纹孔，所述的平台运动部分通过螺钉安装于基体的上方。
本发明所得到的有益效果：
1本发明借助四个音圈电机在XY平面驱动，实现XYθ三个自由度的运动。通过几个直线运动的合成，完成了平台的两个方向的直线运动和一个旋转运动，从而取代了旋转电机，简化了结构。
2本发明的基体与复合平行板簧机构采用特种加工技术线切割的方式，整体加工完成，没有装配和磨损，增大了系统的精度和可靠性。
3本发明的复合平行板簧机构是由两层板簧迂回堆叠而成，且两层板簧的各项参数完全一致，这样就可以消除非工作方向上的位移，即只存在所需方向上的位移，从而达到解耦的目的。
4本发明的激光尺用于三角法位移检测。相比于正常的安装方式，它在完成 X轴和Y轴各自方向上的位移精确检测的同时，可以精确地检测到平台发生的偏角。直接测量偏角本身是一个检测相对较困难的方法，通过三角位移检测法间接测量偏角降低了难度，简化了系统。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明的整体结构图。
图2为本发明的局部结构剖视图。
图3为本发明的基体整体机构图。
图4为本发明的横向复合板簧机构局部图。
图5为本发明的纵向复合板簧机构局部图。
图6为本发明的激光尺垫块零件结构图。
图7为本发明的音圈电机及其基座。
图8为本发明的结构的正等轴测图。
图9为本发明的基体整体机构的正等轴测图。
图10(a)、图10(b)、图10(c)为本发明的激光尺非定轴检测方法示意图。
图中：1-平台运动部分、2-横向复合平行板簧机构、3-纵向复合平行板簧机构、4-音圈电机、5-音圈电机基座、6-激光尺、7-平面镜镜架、8-激光尺平面镜、 9-平台基体、10-板簧1、11-板簧2、12-板簧3、13-板簧4、14-第一质量块、15-1第二质量块、15-2-第二质量块、16-激光尺垫块、17-纵向板簧、18-纵向板簧、19-纵向板簧3、20-纵向板簧4、21-第三质量块、22-连接刚体、23-中心垫块。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
正如背景技术所介绍的，目前多数的微纳定位平台都采用电容传感器或者应变式传感器来检测平台的移动行程或者转动角度。这些传感器存在一定缺陷，即传感器的安装问题与检测范围，在平台中需要设计一个合适的位置安装传感器增加了设计要求和难度，而且电容传感器与应变式传感器的检测范围在2mm以下，难以实现大变形下的行程检测，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种基于激光尺非定轴检测方法的XYΘ微定位平台。下面结合具体实施例对本发明作进一步描述，在此发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
本发明中所述的“X轴”定义是指：其中两个轴线平行的音圈电机所在的方向为X轴方向；另外两个音圈电机轴线所在的方向为Y轴方向。
本发明的基于激光尺非定轴检测方法的XYΘ微定位平台，包括：基体、复合平行板簧机构、平台运动部分、音圈电机、音圈电机基座、位移检测装置；
所述的基体为正方体结构，在所述正方体结构内部面向四个侧面的方向上各自设有一对对称的横向复合平行板簧机构；四对横向复合平行板簧机构分别位于靠近基体四个角的位置，每对横向复合平行板簧机构包括两个对称设置的横向复合平行板簧机构；
在每对横向复合平行板簧机构的对称中心处连接一个音圈电机，音圈电机的动子与两个横向复合平行板簧机构的对称中心处相连，音圈电机的静子固定在基座上，所述的基座位于基体的底部；四个音圈电机的轴线互成90度；在基体内部还设有四个纵向复合平行板簧机构，一个纵向复合平行板簧机构对应一对横向复合平行板簧机构且与横向复合平行板簧机构相连；四个纵向复合平行板簧机构的交汇处为平台运动中心，该中心与基体的中心重合，平台运动中心的上方设有中心垫块，通过连接件安装平台运动部分；在平台运动部分还设有位移检测装置。
具体的，如图1、2、3所示，所述的平台结构包括：平台运动部分1、横向复合平行板簧机构2、纵向复合平行板簧机构3、音圈电机4、音圈电机基座5、平台基体9。平台基体9铝合金方形块结构，平台基体9内部均分成四个经线切割加工得到的复合平行板簧机构2和3。
每个所述的横向复合平行板簧机构2，由板簧10、板簧11、板簧12、板簧13、第一质量块14、第二质量块15-1组成，并对称分布，如图4所示。所述的板簧10、板簧11、板簧12、板簧13为等截面等强度梁设计。基体9与板簧10 的一端相连，板簧10的另一端与第一质量块14直接连接，其中，板簧11、板簧12、板簧13的一端也都与第一质量块14直接连接，且板簧10、板簧11和板簧13、板簧12对称分布，当发生弯曲的时候板簧10和板簧13形状一致，板簧11和板簧12形状相一致。板簧13的另一端与基体9相连；板簧11、板簧12 的另一端与第二质量块15-1直接连接。
设置在机体同一侧的两个横向复合平行板簧机构的第二质量块相连为一体，具体的见图4所示，第二质量块15-1与第二质量块15-2连接为一体；
两个对称的横向复合平行板簧机构通过凸起于平台基体上的分割肋隔开。
所述的纵向复合平行板簧机构3结构与横向复合平行板簧2的相似，垂直设置在其上方，且在纵向复合板簧机构3的对称中心设置有音圈电机4；具体如图 5所示如下：
纵向复合板簧机构3也是由纵向板簧17、纵向板簧18、纵向板簧19、纵向板簧20、第三质量块21组成，如图5所示。其中，纵向板簧17、纵向板簧18 和纵向板簧19、纵向板簧20对称分布；纵向板簧18和纵向板簧19的一端与第二质量块15-1和15-2的连接体相连接；纵向板簧18和纵向板簧19的另一端与第三质量块21相连接。
第三质量块21的最外两端再与纵向板簧17和纵向板簧20的其中一端相连接；纵向板簧17和纵向板簧20的另一端与连接刚体连接。当发生弯曲的时候纵向板簧17和纵向板簧20形状一致，纵向板簧18和纵向板簧19形状相一致。连接刚体22是用于连接纵向复合板簧机构3与中心垫块23的，通过纵向复合板簧机构3的弯曲来带动连接刚体22的位移，从而连接在连接刚体22上的中心垫块 23便发生相同的位移。音圈电机4的动子与横向复合平行板簧机构2的对称中心连接，以驱动板簧发生弯曲来完成运动；音圈电机4的静子通过螺钉固定在音圈电机基座5之上。所述的音圈电机基座5置于基体9的下方。平台运动部分1 是一块方形铝合金板，平台运动部分1安装在中心垫块23上，中心垫块23与基体为一体式结构，其位于基体9的中心处。所述的机构呈90度旋转对称于基体 9的中心，如此分布使两个音圈电机位于X轴，两个音圈电机位于Y轴。
当位于X轴上的两个音圈电机4一个伸长，一个收缩时，此时驱动横向复合平行板簧2发生弯曲变形，产生X轴方向的运动，同时带动Y轴上的纵向复合平行板簧3发生弯曲变形，消除Y轴上的寄生运动。同理，位于Y轴的运动也是由 Y轴上的两个音圈电机4一个伸长与一个收缩产生。如果设置在X轴上的两个音圈电机4同时发生伸长或者收缩，此时平台运动部分1就会绕着基体中心发生旋转运动；同理，Y轴的两个音圈电机4同时发生伸长或者收缩也可以令平台运动部分1发生旋转运动。
所述的激光尺非定轴测量机构包括激光尺6、平面镜镜架7、激光尺平面镜 8、激光尺垫块16。所述的平面镜镜架7设置在平台运动部分1的两个相邻侧面边缘，且一个侧面边缘仅安装一个所述的平面镜镜架(垂直于X轴)，另一个侧面边缘对称安装两个所述的平面镜镜架(垂直于Y轴)。所述的激光尺平面镜8 通过背胶水平粘贴于平面镜镜架7。所述的激光尺6的激光头完全平行于平面镜 8安装，且与平面镜在同一水平面。所述的激光尺6上有两个通孔，通过螺钉装配于所述的激光尺垫块16上，从而调节激光尺与平面镜于同一平面。
当平台运动部分1仅在X轴方向上运动时，通过X轴上的激光尺可以直接检测X轴的运动位移；同理，Y轴方向上的运动也可以直接通过激光尺检测Y轴的运动位移。当平台运动部分1仅发生中心偏转的运动时，通过X轴上的单个激光尺与Y轴上的两个激光尺间接计算出平台运动部分1的偏转角度。当平台运动部分1发生位移与偏转的复合运动时，通过运动分解，分解成X轴位移、Y轴位移、中心旋转三轴运动，也可以间接计算出各个运动轴上的位移与偏角。
具体的计算方法如下：
以位移与偏转同时发生的复合运动为例。采用运动分解的方法，将三个自由度位移进行分离，如图10(a)、图10(b)、图10(c)所示。其中，X轴放置一个激光尺，Y轴放置两个激光尺，两个激光尺之间的间距为2l。将复合运动分解为三步，分别是沿X轴运动x1，沿Y轴运动y1，然后绕中心点旋转θ角，该过程可以表征所有平面运动形式。通过平面几何关系及坐标系变换相关理论，可以用已知几何量及三个传感器测得量进行x1、y1和θ的解析表达式：
其中，X1、Y1、Y2对应三个激光尺的直接测得量，a为平台运动部分的边长， l为Y轴两个激光尺之间的间距，均为已知量。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.基于激光尺非定轴检测方法的XYΘ微定位平台，其特征在于，包括：基体、横向复合平行板簧机构、纵向复合平行板簧机构、平台运动部分、音圈电机、音圈电机基座和位移检测装置；
所述的基体为正方体结构，在所述基体内部面向四个侧面的方向上各自设有两个对称设置的横向复合平行板簧机构；
在两个横向复合平行板簧机构的对称中心处连接一个音圈电机，音圈电机的动子与两个横向复合平行板簧机构的对称中心处相连，音圈电机的静子固定在基座上，所述的基座位于基体的底部；四个音圈电机的轴线互成90度；在基体内部还设有四个纵向复合平行板簧机构，一个纵向复合平行板簧机构对应一副横向复合平行板簧机构且与横向复合平行板簧机构相连；四个纵向复合平行板簧机构的交汇处为平台运动中心，该中心与基体的中心重合，平台运动中心的上方通过连接件安装平台运动部分；在所述的平台运动部分还设有位移检测装置。
2.如权利要求1所述的基于激光尺非定轴检测方法的XYΘ微定位平台，其特征在于，所述的横向复合平行板簧机构包括第一质量块、第二质量块、横向板簧I、横向板簧II、横向板簧III、横向板簧IV；所述的横向板簧I、横向板簧II、横向板簧III、横向板簧IV相互平行；横向板簧I、横向板簧IV的一端与基体相连，另一端与第二质量块相连，所述的第二质量块又通过横向板簧II、横向板簧III与第一质量块相连；每副对称的横向复合平行板簧机构的第一质量块通过连接部连接一起。
3.如权利要求2所述的基于激光尺非定轴检测方法的XYΘ微定位平台，其特征在于，所述的纵向复合平行板簧机构包括第三质量块和纵向板簧I、纵向板簧II、纵向板簧III和纵向板簧IV；纵向板簧I、纵向板簧II、纵向板簧III和纵向板簧IV的一端与第三质量块相连，纵向板簧III、纵向板簧IV另一端与与其对应的两个横向复合平行板簧机构的连接部相连，纵向板簧I、纵向板簧IV的另一端与连接刚体相连，所述的连接刚体连接中心垫块，所述的中心垫块与平台运动部分连接。
4.如权利要求3所述的基于激光尺非定轴检测方法的XYΘ微定位平台，其特征在于，横向板簧I、横向板簧II、横向板簧III、横向板簧IV、纵向板簧I、纵向板簧II、纵向板簧III和纵向板簧IV均为等截面等强度梁。
5.如权利要求1所述的基于激光尺非定轴检测方法的XYΘ微定位平台，其特征在于，所述的位移检测装置包括平面镜镜架、激光尺平面镜和激光尺；所述的平台运动部分的两个相邻侧面边缘安装有平面镜镜架，且一个侧面边缘仅安装一个所述的平面镜镜架，另一个侧面边缘对称安装两个所述的平面镜镜架；三个所述的平面镜镜架上均安装激光尺平面镜；在每个所述的激光尺平面镜同一水平面处安装一个激光尺，三个所述的激光尺位于同一水平面，且激光尺可远离基体一定的距离。
6.如权利要求5所述的基于激光尺非定轴检测方法的XYΘ微定位平台，其特征在于，所述的激光尺的激光头需要完全水平于平面镜安装，且激光尺的激光头需要与平面镜在同一水平面。
7.如权利要求1所述的基于激光尺非定轴检测方法的XYΘ微定位平台，其特征在于，所述的平台运动部分是一块方形铝合金板，在所述的平台运动部分的两个侧面边缘上设有安装孔，所述的平面镜镜架通过连接件与平台运动部分的安装孔相联接。
8.如权利要求1所述的基于激光尺非定轴检测方法的XYΘ微定位平台，其特征在于，所述的基体为方形铝合金机构，所述的横、纵向复合平行板簧机构与基体为一体式结构，横、纵向复合平行板簧机构通过整体线切割基体而形成的结构。
9.如权利要求1所述的基于激光尺非定轴检测方法的XYΘ微定位平台，其特征在于，所述的基体四个角处均匀布置螺钉孔，所述音圈电机的基座上分别对应设有螺钉配合的螺纹孔，所述的音圈电机基座通过螺钉配合安装于基体的下方；所述音圈电机的基座设有立式方形块，上面设有与标准音圈电机对应的通孔，所述的音圈电机的定子通过螺钉安装于音圈电机基座之上；所述的音圈电机的动子，通过螺钉与和其对应的两个横向复合平行板簧连接部的螺纹孔配合安装。
10.如权利要求1所述的基于激光尺非定轴检测方法的XYΘ微定位平台，其特征在于，所述的平台运动部分的中心位置设有四个对称分布的通孔，所述的基体中心位置也设有四个相对应的螺纹孔，所述的平台运动部分通过螺钉安装于基体的上方。
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