CN113958827B - 一种平面结构六自由度精密定位平台及调节方法 - Google Patents

一种平面结构六自由度精密定位平台及调节方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种平面结构六自由度精密定位平台及调节方法，包括调节定位机构本体、四极磁铁，激光跟踪仪和反射靶球，平台底板4个角落均匀分布调节基座，两者之间通过球面支承板贴合连接，平台底板的上表面安装四极磁铁；调节基座的内设置高度调节装置；调节基座两侧面分别安装横向水平调节装置和纵向水平调节装置，横向水平调节装置和纵向水平调节装置配合分别用于调节平台底板X、Y水平位移；四级磁铁的周围布置四台激光跟踪仪，设置磁铁的固定一点位置为坐标系原点，在该目标点上安置一个反射靶球，激光跟踪仪和反射靶球用于跟踪坐标系原点，同时确定坐标系偏移的距离和姿态。本发明多个自由度运动相互配合，调节量明确，适用性强。

Description

一种平面结构六自由度精密定位平台及调节方法
技术领域
本发明涉及精密机械设备技术领域，具体涉及一种平面结构六自由度精密定位平台和调节方法。
背景技术
电子储存环是同步辐射光源的主体与核心，高精度磁铁系统是储存环的主要部件，为了达到极低的发射度指标，要求所有磁铁设备的束流中心在同一条线上，因此支撑结构需要很高的准直安装精度和稳定性要求，同时兼顾安装操作效率和定位机构的通用性。
然而现有的定位装置存在许多不足。发明人发现，在现有的定位方式中多采用螺栓分散式多点位调节，垂向螺栓承受巨大的反作用力，维持过程中容易造成螺栓损坏。单一的螺栓调节受限于螺纹升角的角度约束，达到微米级别的调节分辨率难度较大，分散的点位需要针对不同种类磁铁预留孔位，调节不方便。支承刚度薄弱，接触方式不灵活，受力点位置发生变化。调节关系不明确，局部调整影响多个自由度，缺少反馈系统，对于目标自由度调节没有定量分析准则。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种平面结构六自由度精密定位平台，具有结构紧凑，调节分辨率高，自由度调节关系明确，控制方向精确，刚度大的优点，能够实现XYZ方向较大行程调节，多个自由度运动相互配合，调节量明确，适用性强，针对不同磁铁可更换平台底板适应调节机构分布位置。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种平面结构六自由度精密定位平台，包括调节定位机构本体、四极磁铁，激光跟踪仪和反射靶球，其中所述调节定位机构本体包括平台底板，调节基座，高度调节装置，水平调节装置；
所述平台底板4个角落均匀分布所述调节基座，两者之间通过球面支承板贴合连接，所述平台底板的上表面安装四极磁铁；
所述调节基座的内设置高度调节装置，用于实现所述平台底板高度调节；
所述调节基座两侧面分别安装横向水平精调装置和纵向水平精调装置，所述横向水平精调装置和纵向水平精调装置对称设置，所述调节基座四个角落的横向水平精调装置和纵向水平精调装置配合分别用于调节所述平台底板X、Y水平位移；
四级磁铁的周围布置四台激光跟踪仪，设置磁铁的固定一点位置为坐标系原点，在该目标点上安置一个反射靶球，所述激光跟踪仪和所述反射靶球用于跟踪坐标系原点，同时确定坐标系偏移的距离和姿态。
进一步地，所述调节基座中心设有阶梯槽，所述阶梯槽内用于安装所述高度调节装置；
所述高度调节装置包括上楔块、下楔块，所述上楔块设有与所述球面支承板形状相吻合的用于安装所述球面支承板的凹槽，高度驱动电机连接丝杆，所述丝杆穿过所述调节基座与所述基座螺纹连接，其另一端连接所述下楔块。
进一步地，所述前楔块内设有弧形凹槽，所述弧形凹槽内设有月牙块，所述月牙块在所述弧形凹槽内滑动连接，所述月牙块另一端两端面与所述平台底板接触。
进一步地，所述球面支承板、上楔块、下楔块均设有用于安装夹紧螺栓的通孔，所述夹紧螺栓将所述平台底板定位锁紧安装于所述球面支承板上，所述球面支承板、上楔块、下楔块上的通孔直径大于所述夹紧螺栓外径，夹紧螺栓与所述平台底板之间设有宽垫片。
进一步地，所述横向水平精调装置和纵向水平精调装置均包括约束框架、后楔块和前楔块，所述水平驱动连接连接所述后楔块带动所述后楔块相对于所述前楔块发生水平位移。
进一步地，所述约束框架底部与所述调节基座滑动连接，所述调节基座位于所述横向水平精调装置和纵向水平精调装置外侧设有凸起，粗调螺栓与所述凸起螺纹连接穿过所述凸起后端部分别与所述横向水平精调装置和纵向水平精调装置固定连接。
进一步地，还包括调节操控面板，所述调节操控面板用于显示目标点的空间坐标，设置其参数可动态测量目标磁铁的位姿。
一种平面结构六自由度精密定位平台调节方法，包括如下步骤：
步骤S1.选定一个磁铁为参照标准，建立一个静止的参考坐标系，默认参考系平台处于水平状态，接下来安装的磁铁都以该磁铁的位姿为目标调整，满足所有磁铁设备的束流中心在同一条线上；
步骤S2.将磁铁及平台底板落位于4个所述调节基座上，确定12个调节点位，依次调节每个磁铁，包括高度调节1z、2z、3z、4z，水平调节1x、2x、3x、4x和1y、2y、3y、4y；
步骤S3.使用激光跟踪仪对平台底板上方的磁铁位姿进行准直测量和位姿标定，建立工作坐标系：以矩形底板的中心点为原点，建立空间坐标系XYZ，X方向为束流方向，Z方向为高度方向，平板沿X方向的长度为2L1，沿Y方向的长度为2L2；
步骤S4.先进行磁铁高度调节，调平平台底板；
步骤S5.磁铁高度调成一致后，使用水平调节装置进行束流中心孔同心；
步骤S6.所有位姿调节到位后，使用所述夹紧螺栓从平台底板上表面穿过底板和调节装置，固定在地板上，磁铁保持不动。
进一步地，所述步骤S4包括如下步骤：
步骤S41.比较参考坐标系和工作坐标系，获取工作系相对于参考系的欧拉角α、β和γ；
步骤S42.建立旋转矩阵：绕三个轴旋转θ角度分别对应的旋转矩阵：
Figure GDA0003601183560000031
ZXZ顺规合成运动的旋转矩阵：
Figure GDA0003601183560000032
步骤S43.计算平板四个落脚处点1、点2、点3、点4的实际坐标
Figure GDA0003601183560000033
Figure GDA0003601183560000034
步骤S44.获得点1、点2、点3、点4的高度位置
z'1＝L1sinβcosγ-L2sinβsinγ，z'2＝-L1sinβcosγ-L2sinβsinγ
z'3＝-L1sinβcosγ+L2sinβsinγ，z'4＝L1sinβcosγ+L2sinβsinγ
步骤S45.调节各高度点，以0线为标准线，所有高度低于0的点进行升高，所有高度高于0的点进行降低，调节量为高度坐标的绝对值。
进一步地，所述步骤S5包括如下步骤：
步骤S51.利用粗调螺栓进行毫米级行程移动，平台移动到指定位置附近后，确认精调装置紧贴平台侧面；
步骤S52.启动精调装置控制系统，控制磁铁的扭转角度，确定8个水平调节点的进给量，因为调节装置的布局是对称的，所以调节量也是对称的，假设沿X轴摆放的调节点进给量为da，沿Y轴摆放的调节点进给量为db，则绕Z轴旋转α角度的进给关系为：
da＝L2-cos(α+β2)Lp，db＝L1-cos(α+β1)Lp，
Figure GDA0003601183560000041
步骤S53.通过所述调节操控面板驱动电机，使磁铁位姿满足需求。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过一种平面结构六自由度精密定位平台的提供，采用高度定位装置和水平定位装置聚合结构，均采用楔形滑台的形式，大幅降低了整体结构的稳定性和承受应力，增加了平台的紧凑性和刚度，使平台能够实现大行程、高精度的六自由度微米定位。
本发明通过12个点位的自位支承，解决了平台4个角落调节机构的干涉问题，可实现平板与调节装置的紧密贴合，在施力过程中保持作用力垂直接触面，并只起一个定位支承点的作用。
本发明通过设计六自由度调节方式，解决了平台调节关系混乱的问题，建模计算出每个自由度定量调节所需的进给量，作为函数导入调节操控面板，与激光跟踪仪反馈系统配合，数据可视化地有规则地调节平台位姿。
本发明整体结构简单，易于加工，成本较低。
附图说明
图1为本发明一种平面结构六自由度定位平台总体装配图；
图2为本发明一种调节定位机构本体的立体结构示意图；
图3为本发明水平调节装置的立体结构示意图；
图4为本发明调节基座和球形支承板结构示意图；
图5为本发明调节基座底部结构示意图；
图6为本发明水平调节装置的结构放大示意图；
图7为本发明高度调节装置的立体结构示意图；
图8为本发明六自由度定位机构的调节方向数学方向模型图；
图9为本发明水平调节数学模型参数表达图；
图10为本发明的平台初始位姿和参考系的标记示意图；
图11为本发明一种六自由度调节定位机构的调节步骤流程图；
图中：1-调节定位机构本体；2-平台底板；3-调节操控面板；4-激光跟踪仪；5-四极磁铁；6-反射靶球；7-横向水平精调装置，701-约束框架；702-后楔块；703-前楔块；704-月牙块；705-水平驱动电机，8-纵向水平精调装置；9-调节基座；10-球面支承板；11-高度调节装置；1101-宽垫片；1102-夹紧螺栓；1103-上楔块；1104-下楔块；1105-丝杆；1106-高度驱动电机；12-粗调螺栓。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明技术方案和具体实施方式进行清楚和完整地描述。
为更好的理解本发明，下面的结合具体实施例，进一步阐述本发明，应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不限制本发明的范围。为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1-7所示，在本发明中，提供了一种平面结构六自由度精密定位平台，其总体布局包括：平台底板2的上表面安装四极磁铁5，为磁铁的移位提供支撑基准，调节定位机构本体1分布在平台底板2的四个角落，是精准控制平台位姿的主体。
在上述四级磁铁5的周围布置四台激光跟踪仪4，设置磁铁的固定一点位置为坐标系原点，在该目标点上安置一个反射靶球6，跟踪仪4发出的激光射到反射靶球6上，又返回到跟踪仪4，当目标移动时，跟踪仪调整光束方向来对准目标。此方式可跟踪该坐标系原点，同时确定坐标系偏移的距离和姿态。整个系统的信息和控制方式集成在调节操控面板3。
在上述的调节定位机构本体1中，调节基座9是主体框架，在调节基座下方安装高度调节装置11，基座台面的凸块前对称安装横向水平精调装置7和纵向水平精调装置8。
进一步具体地说，在上述高度调节装置11中，下楔块1104贴合在上楔块1103之上，2个楔形块组成一个斜坡，要调节高度时，使用操控面板控制高度步进电机1106带动丝杆1105旋转，下楔块受到螺纹副传来的驱动，并且在基座侧壁的约束下只能前后移动，斜坡的推力和底座四边的约束使上楔块与下楔块相对移动，上楔块水平位置不变，垂直升降。
上楔块1103的上表面是一个球面凹槽，与球面支承板10配合，支撑板可在任意方向转动角度，形成一个球关节，支撑板与平台底板2连接，当四个角落的其中一个上楔块1103升降时，支承板10方向可随平台底板2姿态的变化而自动与之相适应，始终保持贴合。当平台底板水平移动时，支撑板10保持原地不动。调节基座中心设有阶梯槽，下楔块设置于阶梯槽底部较大的槽中。
进一步具体地说，上述横向水平精调装置7和纵向水平精调装置8对称分布，平台底板2的四个角落各布置两个点，共有8个点包围着底板，控制平台的水平移动
Figure GDA0003601183560000061
和偏航角度
Figure GDA0003601183560000062
水平调节步骤分为粗调和精调：粗调由工作人员拧动粗调螺栓12，推动精调装置7整体前进，此时调节精度是毫米级，行程较大，通过激光跟踪仪3反馈的位姿信息，需要微米级调节的时候再启用精调装置。
在上述的一种精调装置中，后楔块702和前楔块703安装在约束框架701中，后楔块只能左右移动，前楔块只能前后移动，通过斜坡的分解作用放大精度，在工作时利用水平驱动电机705和丝杆前后调节。前楔块703的前表面是一个弧形槽，与月牙块704配合，当底板旋转时，月牙块704的前表面与底板侧边紧贴，月牙块后表面沿着弧形槽滚动，保证调节过程中不出现间隙。
球面支承板10、上楔块1103、下楔块1104均设有用于安装夹紧螺栓1102的通孔，夹紧螺栓1102将所述平台底板定位锁紧安装与所述球面支承板10上，球面支承板、上楔块、下楔块上的通孔直径大于所述夹紧螺栓外径，夹紧螺栓与所述平台底板之间设有宽垫片
如图11所示，本发明还提供一种精准调节物体位姿的方法，可通过参考物体还原目标物体位姿，明确各个调节点进给量对目标物体六自由度的控制，使任意落位位姿的磁铁都能调节到指定位置，所述方法包括：
首先选定一个磁铁为参照标准，建立一个静止的参考坐标系，默认参考系平台处于水平状态，接下来安装的磁铁都以该磁铁的位姿为目标调整，满足所有磁铁设备的束流中心在同一条线上。
如图8所示，进一步地，将磁铁及平台底板落位于4个所述调节装置，确定12个调节点位，依次调节每个磁铁，包括高度调节1z、2z、3z、4z，水平调节1x、2x、3x、4x和1y、2y、3y、4y。
进一步地，使用激光跟踪仪对平台底板上方的磁铁位姿进行准直测量和位姿标定，建立工作坐标系：以矩形底板的中心点为原点，建立空间坐标系XYZ，X方向为束流方向，Z方向为高度方向，平板沿X方向的长度为2L1，沿Y方向的长度为2L2。
进一步地，先进行磁铁高度调节，调平平台底板：如图9和10所示，
Step1、比较参考坐标系和工作坐标系，获取工作系相对于参考系的欧拉角α、β和γ；
Step2、建立旋转矩阵：
绕三个轴旋转θ角度分别对应的旋转矩阵：
Figure GDA0003601183560000071
ZXZ顺规合成运动的旋转矩阵：
Rzyz(α,β,γ)＝Rz(α)Ry(β)Rz(γ)
Figure GDA0003601183560000081
Step3、计算平板四个落脚处点1、点2、点3、点4的实际坐标
Figure GDA0003601183560000082
Figure GDA0003601183560000083
Step4、获得点1、点2、点3、点4的高度位置
z'1＝L1sinβcosγ-L2sinβsinγ，z'2＝-L1sinβcosγ-L2sinβsinγ
z'3＝-L1sinβcosγ+L2sinβsinγ，z'4＝L1sinβcosγ+L2sinβsinγ
Step5、调节高度点。以0线为标准线，所有高度低于0的点进行升高，所有高度高于0的点进行降低，调节量为高度坐标的绝对值。
进一步地，磁铁高度调成一致后，使用水平调节装置进行束流中心孔同心：
Step1、利用粗调螺栓进行毫米级行程移动，平台移动到指定位置附近后，确认精调装置紧贴平台侧面。
Step2、启动精调装置控制系统，控制磁铁的扭转角度，确定8个水平调节点的进给量。因为调节装置的布局是对称的，所以调节量也是对称的，假设沿X轴摆放的调节点进给量为da，沿Y轴摆放的调节点进给量为db，则绕Z轴旋转α角度的进给关系为：
da＝L2-cos(α+β2)Lp，db＝L1-cos(α+β1)Lp，
Figure GDA0003601183560000084
调节过程中进给量有正负之分，分为两组，A组：1x、2y、3x、4y，B组：1y、2x、3y、4x，顺时针转时A负B正，逆时针转时A正B负。
Step3、通过所述调节操控面板驱动电机，使磁铁位姿满足需求。上述调节量为楔块的前进长度，真实调节时需要对螺栓进行控制，假设要调节装置要调节的位移差为Δdμm，精调螺栓的螺距为P，则调节装置前进长度Δd与螺栓旋转角度Δα的关系：
Figure GDA0003601183560000091
进一步地，所有位姿调节到位后，使用所述夹紧螺栓从平台底板上表面穿过底板和调节装置，固定在地板上，磁铁保持不动，调节完成。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
上述实施例只是用于对本发明的举例和说明，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明不局限于上述实施例，根据本发明教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种平面结构六自由度精密定位平台，其特征在于，包括调节定位机构本体、磁铁，激光跟踪仪和反射靶球，其中所述调节定位机构本体包括平台底板，调节基座，高度调节装置，水平精调装置；
所述平台底板4个角落均匀分布所述调节基座，两者之间通过球面支承板贴合连接，所述平台底板的上表面安装磁铁；
所述调节基座的内设置高度调节装置，用于实现所述平台底板高度调节；
所述水平精调装置包括横向水平精调装置和纵向水平精调装置，调节基座两侧面分别安装横向水平精调装置和纵向水平精调装置，所述横向水平精调装置和纵向水平精调装置对称设置，所述调节基座四个角落的横向水平精调装置和纵向水平精调装置配合分别用于调节所述平台底板X、Y水平位移；
四级磁铁的周围布置四台激光跟踪仪，设置磁铁的固定一点位置为坐标系原点，在坐标系原点安置一个反射靶球，所述激光跟踪仪和所述反射靶球用于跟踪坐标系原点，同时确定坐标系偏移的距离和姿态。
2.根据权利要求1所述的一种平面结构六自由度精密定位平台，其特征在于，所述调节基座中心设有阶梯槽，所述阶梯槽内用于安装所述高度调节装置；
所述高度调节装置包括上楔块、下楔块，所述上楔块设有与所述球面支承板形状相吻合的用于安装所述球面支承板的凹槽，高度驱动电机连接丝杆，所述丝杆穿过所述调节基座与所述调节基座螺纹连接，其另一端连接所述下楔块。
3.根据权利要求2所述的一种平面结构六自由度精密定位平台，其特征在于，所述球面支承板、上楔块、下楔块均设有用于安装夹紧螺栓的通孔，所述夹紧螺栓将所述平台底板定位锁紧安装于所述球面支承板上，所述球面支承板、上楔块、下楔块上的通孔直径大于所述夹紧螺栓外径，夹紧螺栓与所述平台底板之间设有宽垫片。
4.根据权利要求3所述的一种平面结构六自由度精密定位平台，其特征在于，所述横向水平精调装置和纵向水平精调装置均包括约束框架、后楔块、前楔块和水平驱动电机，所述水平驱动电机连接所述后楔块带动所述后楔块相对于所述前楔块发生水平位移。
5.根据权利要求4所述的一种平面结构六自由度精密定位平台，其特征在于，所述约束框架底部与所述调节基座滑动连接，所述调节基座位于所述横向水平精调装置和纵向水平精调装置外侧设有凸起，粗调螺栓与所述凸起螺纹连接穿过所述凸起后端部分别与所述横向水平精调装置和纵向水平精调装置固定连接。
6.根据权利要求5所述的一种平面结构六自由度精密定位平台，其特征在于，所述前楔块内设有弧形凹槽，所述弧形凹槽内设有月牙块，所述月牙块在所述弧形凹槽内滑动连接，所述月牙块另一端两端面与所述平台底板接触。
7.根据权利要求5或6所述的一种平面结构六自由度精密定位平台，其特征在于，还包括调节操控面板，所述调节操控面板用于显示目标点的空间坐标，设置其参数可动态测量目标磁铁的位姿。
8.一种平面结构六自由度精密定位平台调节方法，其特征在于，使用权利要求7所述的平面结构六自由度精密定位平台，包括如下步骤：
步骤S1.选定一个磁铁为参照标准，建立一个静止的参考坐标系，默认参考系平台处于水平状态，接下来安装的磁铁都以该磁铁的位姿为目标调整，满足所有磁铁设备的束流中心在同一条线上；
步骤S2.将接下来安装的磁铁及平台底板落位于4个所述调节基座上，确定12个调节点位，依次调节每个接下来安装的磁铁，包括高度调节1z、2z、3z、4z，水平调节1x、2x、3x、4x和1y、2y、3y、4y；
步骤S3.使用激光跟踪仪对平台底板上方的磁铁位姿进行准直测量和位姿标定，建立工作坐标系：以矩形底板的中心点为原点，建立空间坐标系XYZ，X方向为束流方向，Z方向为高度方向，平台底板沿X方向的长度为2L1，沿Y方向的长度为2L2；
步骤S4.先进行磁铁高度调节，调平平台底板；
步骤S5.磁铁高度调成一致后，使用水平精调装置将每个磁铁的束流中心调成同心；
步骤S6.所有位姿调节到位后，使用所述夹紧螺栓从平台底板上表面穿过底板和高度调节装置，固定在地板上，磁铁保持不动。
9.根据权利要求8所述的一种平面结构六自由度精密定位平台调节方法，其特征在于，所述步骤S4包括如下步骤：
步骤S41.比较参考坐标系和工作坐标系，获取工作坐标系相对于参考坐标系的欧拉角α、β和γ；
步骤S42.建立旋转矩阵：绕三个轴旋转θ角度分别对应的旋转矩阵：
Figure FDA0003614027220000031
ZXZ顺规合成运动的旋转矩阵：
Figure FDA0003614027220000032
步骤S43.计算平台底板四个落脚处点1、点2、点3、点4的实际坐标
Figure FDA0003614027220000033
Figure FDA0003614027220000034
步骤S44.获得点1、点2、点3、点4的高度位置
z′1＝L1sinβcosγ-L2sinβsinγ，z′2＝-L1sinβcosγ-L2sinβsinγ
z′3＝-L1sinβcosγ+L2sinβsinγ，z′4＝L1sinβcosγ+L2sinβsinγ
步骤S45.调节各高度点，以0线为标准线，所有高度低于0的点进行升高，所有高度高于0的点进行降低，调节量为高度坐标的绝对值。
10.根据权利要求8所述的一种平面结构六自由度精密定位平台调节方法，其特征在于，所述步骤S5包括如下步骤：
步骤S51.利用粗调螺栓进行毫米级行程移动，平台移动到指定位置附近后，确认横向水平精调装置和纵向水平精调装置紧贴平台侧面；
步骤S52.启动精调装置控制系统，控制磁铁的扭转角度，确定8个水平调节点的进给量，因为调节装置的布局是对称的，所以调节量也是对称的，假设沿X轴摆放的调节点进给量为da，沿Y轴摆放的调节点进给量为db，则绕Z轴旋转α角度的进给关系为：
da＝L2-cos(α+β2)Lp，db＝L1-cos(α+β1)Lp，
Figure FDA0003614027220000035
步骤S53.通过所述调节操控面板驱动电机，使磁铁位姿满足需求。
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