CN114123851A - 一种六自由度调姿平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高精度定位设备技术领域，公开一种六自由度调姿平台。其中六自由度调姿平台包括载物板和三组调节单元。三组调节单元环设于载物板的底部，且三组调节单元分别连接于载物板的底部，使载物板底部形成三个支撑点；每组调节单元均包括沿竖直方向叠放安装的第一驱动组件、第二驱动组件和连接于支撑点的自适应高度调节组件，第一驱动组件被配置为驱动调节单元对应的支撑点沿径向移动，第二驱动组件被配置为驱动调节单元对应的支撑点沿切向移动，自适应高度调节组件被配置为调节单元对应的支撑点移动时的高度自适应调节。本发明实现了载物板能够六自由度姿态调节，以及提高了载物板沿六自由度方向的行程。

Description

一种六自由度调姿平台

技术领域

本发明涉及高精度定位设备技术领域，尤其涉及一种六自由度调姿平台。

背景技术

同步辐射光源光束线站的相关科研设备对其定位平台的调节精度、稳定性，及定位精度均提出了更高的要求。部分同步辐射光源光束线光学系统设备的调节精度已经达到纳米级别，对其样品位姿形态调节要求更加严格。

现有技术中，常规纳米平台的方案中，基于压电陶瓷与柔性铰链组合的纳米平台，姿态调节定位分辨率虽然已达到纳米级精度，但整体行程仅能停留在百微米级别。如通过以6根并联压电陶瓷促动器为调节元件，形成stewart纳米平台，在6个压电陶瓷促动器的闭环反馈下，实现了50nm的定位精度，由于压电陶瓷促动器行程限制，无法满足使用需求。

基于此，亟需一种六自由度调姿平台，以解决上述存在的问题。

发明内容

基于以上所述，本发明的目的在于提供一种六自由度调姿平台，实现了载物板能够六自由度姿态调节，以及提高了载物板沿六自由度方向的行程。

为达上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种六自由度调姿平台，包括：

载物板；

三组调节单元，环设于所述载物板的底部，且三组所述调节单元分别连接于所述载物板的底部，使所述载物板底部形成三个支撑点；

每组所述调节单元均包括沿竖直方向叠放安装的第一驱动组件、第二驱动组件和连接于所述支撑点的自适应高度调节组件，所述第一驱动组件被配置为驱动所述调节单元对应的所述支撑点沿径向移动，所述第二驱动组件被配置为驱动所述调节单元对应的所述支撑点沿切向移动，所述自适应高度调节组件被配置为所述调节单元对应的所述支撑点移动时的高度自适应调节。

作为一种六自由度调姿平台的优选技术方案，所述第一驱动组件包括第一压电陶瓷电机；

所述第二驱动组件包括第二压电陶瓷电机，所述第二压电陶瓷电机设置于所述第一压电陶瓷电机上方，且所述第二压电陶瓷电机与所述第一压电陶瓷电机正交设置，所述第一压电陶瓷电机能够驱动所述第二压电陶瓷电机沿径向移动；

所述自适应高度调节组件设置于所述第二压电陶瓷电机上方，所述第二压电陶瓷电机能够驱动所述自适应高度调节组件沿切向移动。

作为一种六自由度调姿平台的优选技术方案，所述第一压电陶瓷电机包括第一底座、第一移动板、第一叠堆压电陶瓷和第一交叉滚子导轨组件，所述第一叠堆压电陶瓷一端固定于所述第一底座，另一端驱动连接于所述第一移动板，所述第一移动板与所述第一底座之间通过第一交叉滚子导轨组件滑动连接。

作为一种六自由度调姿平台的优选技术方案，所述第二压电陶瓷电机包括第二底座、第二移动板、第二叠堆压电陶瓷和第二交叉滚子导轨组件，所述第二底座安装于所述第一移动板上，所述第二叠堆压电陶瓷一端固定于所述第二底座，另一端驱动连接于所述第二移动板，所述第二移动板与所述第二底座之间通过第二交叉滚子导轨组件滑动连接，所述自适应高度调节组件安装于所述第二移动板上。

作为一种六自由度调姿平台的优选技术方案，所述第一驱动组件还包括第一光栅尺，所述第一光栅尺包括第一光栅读数头和第一标尺光栅，所述第一光栅读数头安装于所述第一底座的侧壁，所述第一标尺光栅安装于所述第一移动板的侧壁；

所述第二驱动组件还包括第二光栅尺，所述第二光栅尺包括第二光栅读数头和第二标尺光栅，所述第二光栅读数头安装于所述第二底座的侧壁，所述第二标尺光栅安装于所述第二移动板的侧壁。

作为一种六自由度调姿平台的优选技术方案，所述自适应高度调节组件包括楔形滑座、第三移动板、第三交叉滚子导轨组件和球头轴承组件，所述楔形滑座安装于所述第二驱动组件上，所述第三移动板通过所述第三交叉滚子导轨组件滑动连接于所述楔形滑座；所述球头轴承组件包括相互连接的球头杆和球头座，所述球头杆远离所述球头座一端垂直固定于所述第三移动板上，所述球头座安装于所述载物板的底部。

作为一种六自由度调姿平台的优选技术方案，所述球头座设置有空腔，所述空腔的内壁上均布有若干滚动钢珠，所述球头杆的球头活动安装于所述空腔内。

作为一种六自由度调姿平台的优选技术方案，所述楔形滑座和所述第三移动板的倾斜角度为60°。

作为一种六自由度调姿平台的优选技术方案，还包括基座和定位板，所述定位板安装于基座上，所述定位板环设有三个定位凹槽，三组所述调节单元的所述第一驱动组件安装于所述定位凹槽内。

作为一种六自由度调姿平台的优选技术方案，还包括测试台，所述基座设置于所述测试台上，所述测试台为主动隔振平台。

本发明的有益效果为：

工作时，通过载物板目标移动距离X、Y、Z及旋转角度Rx、Ry、Rz，可以反推算出每个调节单元的调节量。载物板各个支撑点的坐标变化可通过载物板移动量与旋转角度推算得到，每个支撑点均对应一组调节单元。通过三组调节单元支撑于载物板的底部，其中，每组调节单元的第一驱动组件驱动调节单元对应的支撑点沿径向移动，每组调节单元的第二驱动组件驱动调节单元对应的支撑点沿切向移动，每组调节单元的自适应高度调节组件用于使调节单元对应的支撑点移动时的高度自适应调节。在闭环反馈下，三组调节单元分别驱动三个支撑点移动，进而实现载物板六自由度移动。而且，由于第一驱动组件沿径向的驱动行程较大，以及第二驱动组件沿切向的驱动行程较大，进而提高了载物板沿六自由度方向的行程，以满足使用需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。

图1是本发明具体实施方式提供的六自由度调姿平台的第一视角的结构示意图；

图2是本发明具体实施方式提供的六自由度调姿平台的第二视角的结构示意图；

图3是本发明具体实施方式提供的调节单元的结构爆炸图。

图中标记如下：

1、载物板；2、调节单元；

21、第一驱动组件；211、第一压电陶瓷电机；2111、第一底座；2112、第一移动板；2113、第一叠堆压电陶瓷；2114、第一交叉滚子导轨组件；21141、滑轨；21142、滑块；212、第一光栅尺；2121、第一光栅读数头；2122、第一标尺光栅；

22、第二驱动组件；221、第二压电陶瓷电机；2211、第二底座；2212、第二移动板；2213、第二叠堆压电陶瓷；2214、第二交叉滚子导轨组件；222、第二光栅尺；2221、第二光栅读数头；2222、第二标尺光栅；

23、自适应高度调节组件；231、楔形滑座；232、第三移动板；233、第三交叉滚子导轨组件；234、球头轴承组件；2341、球头座；2342、球头杆；

3、基座；4、定位板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置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。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

如图1和图2所示，本实施例提供一种六自由度调姿平台，该六自由度调姿平台包括载物板1和三组调节单元2。

具体地，三组调节单元2环设于载物板1的底部，且三组调节单元2分别连接于载物板1的底部，使载物板1底部形成三个支撑点；每组调节单元2均包括沿竖直方向叠放安装的第一驱动组件21、第二驱动组件22和连接于支撑点的自适应高度调节组件23，第一驱动组件21被配置为驱动调节单元2对应的支撑点沿径向移动，第二驱动组件22被配置为驱动调节单元2对应的支撑点沿切向移动，自适应高度调节组件23被配置为调节单元2对应的支撑点移动时的高度自适应调节。需要说明的是，三组调节单元2结构相同，仅位置和驱动方向不同，三个支撑点连线形成圆环形，本实施例中“径向”指的是圆环形的法线方向，“切向”指的是圆环形中支撑点的切线方向。

工作时，通过载物板1目标移动距离X、Y、Z及旋转角度Rx、Ry、Rz，可以反推算出每个调节单元2的调节量。载物板1各个支撑点的坐标变化可通过载物板1移动量与旋转角度推算得到，每个支撑点均对应一组调节单元2。每组调节单元2的第一驱动组件21驱动调节单元2对应的支撑点沿径向移动，每组调节单元2的第二驱动组件22驱动调节单元2对应的支撑点沿切向移动，每组调节单元2的自适应高度调节组件23用于使调节单元2对应的支撑点移动时的高度自适应调节，一方面，防止支撑点移动过程中产生过约束；另一方面，还能够增加支撑点的自由度，以实现载物板1沿六自由度方向移动。在闭环反馈下，三组调节单元2分别驱动三个支撑点移动，进而实现载物板1六自由度移动。而且，由于第一驱动组件21沿径向的驱动行程较大，以及第二驱动组件22沿切向的驱动行程较大，进而提高了载物板1沿六自由度方向的行程，以满足使用需求。

优选地，如图3所示，第一驱动组件21包括第一压电陶瓷电机211，第一压电陶瓷电机211的驱动方向为径向；第二驱动组件22包括第二压电陶瓷电机221，第一压电陶瓷电机211的驱动方向为切向；第二压电陶瓷电机221设置于第一压电陶瓷电机211上方，第二压电陶瓷电机221与第一压电陶瓷电机211正交设置，第一压电陶瓷电机211能够驱动第二压电陶瓷电机221沿径向移动；自适应高度调节组件23设置于第二压电陶瓷电机221上方，第二压电陶瓷电机221能够驱动自适应高度调节组件23沿切向移动。本实施例中，调节单元2采用第一压电陶瓷电机211和第二压电陶瓷电机221对支撑点进行切向和径向的驱动，压电陶瓷电机分辨率实现10nm单步调节精度，压电陶瓷电机的移动精度较高，能够实现单一方向的大行程纳米级调节分辨率，具有纳米级别的步进量，所以该六自由度调资平台能够实现纳米级精度以及大行程移动。在其他实施例中，第一驱动组件21和第二驱动组件22的位置可以进行调换，同样满足功能需求。

具体地，第一压电陶瓷电机211包括第一底座2111、第一移动板2112、第一叠堆压电陶瓷2113和第一交叉滚子导轨组件2114，第一叠堆压电陶瓷2113一端固定于第一底座2111，另一端驱动连接于第一移动板2112，第一移动板2112与第一底座2111之间通过第一交叉滚子导轨组件2114滑动连接，第一交叉滚子导轨组件2114通过滚动摩擦，第一移动板2112与第一底座2111摩擦力较小，以使第一叠堆压电陶瓷2113施加较小的驱动力，便能够实现第一移动板2112的移动。

其中，第一交叉滚子导轨组件2114包括两个滑轨21141和滑块21142，滑块21142滑动连接于两侧的滑轨21141，滑轨21141通过螺钉固定于第一底座2111上，滑块21142通过螺钉固定于第一移动板2112上，第一叠堆压电陶瓷2113固定于第一底座2111且驱动连接于滑块21142，以实现驱动第一移动板2112移动。进一步优选地，第一底座2111设置有U形槽，两个滑轨21141分别安装于U形槽的两个侧壁，U形槽的底部还设置有安装于第一叠堆压电陶瓷2113的安装槽，实现第一叠堆压电陶瓷2113定位组装。

进一步地，第二压电陶瓷电机221与第一压电陶瓷电机211结构相同，安装方向采用正交分布，第二压电陶瓷电机221包括第二底座2211、第二移动板2212、第二叠堆压电陶瓷2213和第二交叉滚子导轨组件2214，第二底座2211安装于第一移动板2112上，实现了第一压电陶瓷电机211驱动第二压电陶瓷电机221沿径向移动，第二叠堆压电陶瓷2213一端固定于第二底座2211，另一端驱动连接于第二移动板2212，第二移动板2212与第二底座2211之间通过第二交叉滚子导轨组件2214滑动连接，自适应高度调节组件23安装于第二移动板2212上，实现了第二压电陶瓷电机221驱动自适应高度调节组件23沿切向移动。

由于压电陶瓷电机依靠的是惯性移动，移动精度不高。优选地，第一驱动组件21还包括第一光栅尺212，第一光栅尺212包括第一光栅读数头2121和第一标尺光栅2122，第一光栅读数头2121安装于第一底座2111的侧壁，第一标尺光栅2122安装于第一移动板2112的侧壁，第一光栅尺212能够精准测量第一移动板2112的移动精度并反馈给控制器；第二驱动组件22还包括第二光栅尺222，第二光栅尺222包括第二光栅读数头2221和第二标尺光栅2222，第二光栅读数头2221安装于第二底座2211的侧壁，第二标尺光栅2222安装于第二移动板2212的侧壁，第二光栅尺222能够精准测量第二移动板2212的移动精度并反馈给控制器。通过设置第一光栅尺212和第二光栅尺222，实现了精准测量并控制第一驱动组件21和第二驱动组件22的驱动行程，进而提高了载物板1的姿态调节精度，实现闭环控制。

进一步地，自适应高度调节组件23包括楔形滑座231、第三移动板232、第三交叉滚子导轨组件233和球头轴承组件234，楔形滑座231安装于第二驱动组件22上，具体为安装于第二驱动组件22的第二移动板2212上；第三移动板232通过第三交叉滚子导轨组件233滑动连接于楔形滑座231；球头轴承组件234包括相互连接的球头杆2342和球头座2341，球头杆2342远离球头座2341一端垂直固定于第三移动板232上，球头座2341安装于载物板1的底部。当第一驱动组件21和第二驱动组件22驱动支撑点移动时，支撑点可通过球头轴承组件234和第三移动板232沿高度方向自适应调节，一方面，防止支撑点移动过程中产生过约束；另一方面，增加支撑点的自由度，以实现载物板1沿六自由度方向移动。本实施例中，第三移动板232的移动方向为倾斜向上，实现高度自适应调节。

优选地，由于载物板1的调节精度为纳米级的调节，常规的球头轴承无法满足使用需求，球头座2341设置有空腔，空腔的内壁上均布有若干滚动钢珠，球头杆2342的球头活动安装于空腔内。球头轴承组件234为零间隙带滚动钢珠的球头轴承，球头杆2342的球头与滚动钢珠零间隙抵靠，减少了球头杆2342相对球头座2341移动时产生的间隙误差。

进一步优选地，压电陶瓷电机的优点是能实现大行程的纳米移动，但缺点是驱动力较低，因此承载能力相对低。本实施例中，第一压电陶瓷电机211和第二压电陶瓷电机221主要用于水平方向的移动，并不直接支撑载物板1，而且第一交叉滚子导轨组件2114和第二交叉滚子导轨组件2214采用滚动摩擦，因此不需要较大的驱动力。优选地，楔形滑座231和第三移动板232的倾斜角度为60°。每个压电陶瓷电机的驱动力大约为：

如本实施例的零位状态，楔形滑座231和第三移动板232的倾斜角度为60°，滑动摩擦系数为0.01的情况下，驱动力仅需大于承载力的1/6，满足压电陶瓷电机的使用条件。当然，在其他实施例中，楔形滑座231和第三移动板232的倾斜角度不限于60°，可按需求调节倾斜角度与以及调节第一驱动组件11和第二驱动组件22驱动行程，再此不做限制。

优选地，该六自由度调姿平台还包括基座3和定位板4，定位板4安装于基座3上，定位板4环设有三个定位凹槽，三组调节单元2的第一驱动组件21安装于定位凹槽内，实现了调节单元2的定位组装，提高组装精度。

进一步优选地，该六自由度调姿平台还包括测试台，基座3设置于测试台上，测试台为主动隔振平台，抵消振动对载物板1的影响，提高了载物板1的应用精度。而且该六自由度调姿平台的控制设备独立设置于另一个光学平台中，以降低环境振动影响。

本实施例中，该六自由度调姿平台还包括激光测量仪，使用激光测量仪对载物板1进行调节精度和行程的测量。为提高测量精度，对于微米级行程测量采用激光测量仪的5mm/V的灵敏度档(分辨率1.5um)；对于纳米级测试采用激光测量仪的50nm/V的灵敏度档(分辨率0.015nm)；旋转精度采用多个电容传感器进行测量。

本实施例中，调节单元2采用第一压电陶瓷电机211和第二压电陶瓷电机221对支撑点进行切向和径向的驱动，且第一压电陶瓷电机211和第二压电陶瓷电机221的驱动行程较大，例如，当选取的第一压电陶瓷电机211和第二压电陶瓷电机221的驱动行程为±10mm时，整个平台实现了水平X、Y方向±10mm的驱动行程，Z方向±5.5mm的驱动行程，绕X旋转±10°，Y轴旋转±7°,绕Z轴旋转±14°，在满足纳米级精度的调节，实现了大行程移动。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种六自由度调姿平台，其特征在于，包括：

载物板(1)；

三组调节单元(2)，环设于所述载物板(1)的底部，且三组所述调节单元(2)分别连接于所述载物板(1)的底部，使所述载物板(1)底部形成三个支撑点；

每组所述调节单元(2)均包括沿竖直方向叠放安装的第一驱动组件(21)、第二驱动组件(22)和连接于所述支撑点的自适应高度调节组件(23)，所述第一驱动组件(21)被配置为驱动所述调节单元(2)对应的所述支撑点沿径向移动，所述第二驱动组件(22)被配置为驱动所述调节单元(2)对应的所述支撑点沿切向移动，所述自适应高度调节组件(23)被配置为所述调节单元(2)对应的所述支撑点移动时的高度自适应调节。

2.根据权利要求1所述的六自由度调姿平台，其特征在于，所述第一驱动组件(21)包括第一压电陶瓷电机(211)；

所述第二驱动组件(22)包括第二压电陶瓷电机(221)，所述第二压电陶瓷电机(221)设置于所述第一压电陶瓷电机(211)上方，且所述第二压电陶瓷电机(221)与所述第一压电陶瓷电机(211)正交设置，所述第一压电陶瓷电机(211)能够驱动所述第二压电陶瓷电机(221)沿径向移动；

所述自适应高度调节组件(23)设置于所述第二压电陶瓷电机(221)上方，所述第二压电陶瓷电机(221)能够驱动所述自适应高度调节组件(23)沿切向移动。

3.根据权利要求2所述的六自由度调姿平台，其特征在于，所述第一压电陶瓷电机(211)包括第一底座(2111)、第一移动板(2112)、第一叠堆压电陶瓷(2113)和第一交叉滚子导轨组件(2114)，所述第一叠堆压电陶瓷(2113)一端固定于所述第一底座(2111)，另一端驱动连接于所述第一移动板(2112)，所述第一移动板(2112)与所述第一底座(2111)之间通过第一交叉滚子导轨组件(2114)滑动连接。

4.根据权利要求3所述的六自由度调姿平台，其特征在于，所述第二压电陶瓷电机(221)包括第二底座(2211)、第二移动板(2212)、第二叠堆压电陶瓷(2213)和第二交叉滚子导轨组件(2214)，所述第二底座(2211)安装于所述第一移动板(2112)上，所述第二叠堆压电陶瓷(2213)一端固定于所述第二底座(2211)，另一端驱动连接于所述第二移动板(2212)，所述第二移动板(2212)与所述第二底座(2211)之间通过第二交叉滚子导轨组件(2214)滑动连接，所述自适应高度调节组件(23)安装于所述第二移动板(2212)上。

5.根据权利要求4所述的六自由度调姿平台，其特征在于，所述第一驱动组件(21)还包括第一光栅尺(212)，所述第一光栅尺(212)包括第一光栅读数头(2121)和第一标尺光栅(2122)，所述第一光栅读数头(2121)安装于所述第一底座(2111)的侧壁，所述第一标尺光栅(2122)安装于所述第一移动板(2112)的侧壁；

所述第二驱动组件(22)还包括第二光栅尺(222)，所述第二光栅尺(222)包括第二光栅读数头(2221)和第二标尺光栅(2222)，所述第二光栅读数头(2221)安装于所述第二底座(2211)的侧壁，所述第二标尺光栅(2222)安装于所述第二移动板(2212)的侧壁。

6.根据权利要求1所述的六自由度调姿平台，其特征在于，所述自适应高度调节组件(23)包括楔形滑座(231)、第三移动板(232)、第三交叉滚子导轨组件(233)和球头轴承组件(234)，所述楔形滑座(231)安装于所述第二驱动组件(22)上，所述第三移动板(232)通过所述第三交叉滚子导轨组件(233)滑动连接于所述楔形滑座(231)；所述球头轴承组件(234)包括相互连接的球头杆(2342)和球头座(2341)，所述球头杆(2342)远离所述球头座(2341)一端垂直固定于所述第三移动板(232)上，所述球头座(2341)安装于所述载物板(1)的底部。

7.根据权利要求6所述的六自由度调姿平台，其特征在于，所述球头座(2341)设置有空腔，所述空腔的内壁上均布有若干滚动钢珠，所述球头杆(2342)的球头活动安装于所述空腔内。

8.根据权利要求6所述的六自由度调姿平台，其特征在于，所述楔形滑座(231)和所述第三移动板(232)的倾斜角度为60°。

9.根据权利要求1所述的六自由度调姿平台，其特征在于，还包括基座(3)和定位板(4)，所述定位板(4)安装于基座(3)上，所述定位板(4)环设有三个定位凹槽，三组所述调节单元(2)的所述第一驱动组件(21)安装于所述定位凹槽内。

10.根据权利要求9所述的六自由度调姿平台，其特征在于，还包括测试台，所述基座(3)设置于所述测试台上，所述测试台为主动隔振平台。

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