CN211103963U - 一种三自由度宏微运动并联结构装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种三自由度宏微运动并联结构装置，包括机械本体部分、检测部分及控制部分；机械本体部分包括气浮平台、平台静基座、微动平台、驱动微动平台宏动运动的宏动支链、驱动微动平台精密微运动的微动支链，检测部分包括光栅位移传感器、光谱共焦式位移传感器及短量程激光测距传感器，控制部分包括音圈电机伺服放大器、直线精密单元伺服放大器、运动控制卡、数据采集卡及计算机。本实用新型音圈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

一种三自由度宏微运动并联结构装置

技术领域

本实用新型涉及精密定位领域，具体涉及一种三自由度宏微运动并联结构装置。

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IC制造中需要更高速、更高精度加工及高速扫描检测的大行程精密定位平台。在生物医疗领域，对生物细胞的搬运与转移的操作行程比注射、切割、融合等等一系列的微操作都需要微型化的精密定位平台。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。

为解决大行程高精度的这一个矛盾，急需一种具有毫米级行程、纳米级定位精度的平台，并联结构的宏微结合驱动平台是研究者得出的一种可行方案，但该方案需要保证宏动平台的运动分辨率在微动平台定位精度的范围内，这对宏动平台的各项性能提出了更高的要求。

实用新型内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本实用新型提供一种三自由度宏微运动并联结构装置。

为了达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种三自由度宏微运动并联结构装置，包括机械本体部分、检测部分及控制部分；

所述机械本体部分包括气浮平台，平台静基座、微动平台、驱动微动平台宏动的宏动支链及驱动微动平台精密微运动的微动支链；

所述宏动支链由三个相同规格的音圈直线电机构成，三个音圈直线电机在平台静基座上呈圆周排列，互成120度；

所述微动支链包括微动传动轴；所述微动传动轴一端与微动平台连接，其另一端与音圈直线电机连接；

所述检测部分包括设置在宏动支链的光栅位移传感器、设置在微动支链的光谱共焦式位移传感器及设置在平台静基座的短量程激光测距传感器；

所述控制部分分别与检测部分、宏动支链及微动支链连接。

所述控制部分包括数据采集卡、计算机、运动控制卡、音圈电机伺服放大器及直线精密单元伺服放大器；

光栅位移传感器、光谱共焦式位移传感器及短量程激光测距传感器采集信号输入数据采集卡，所述数据采集卡与计算机连接，计算机与运动控制卡相互连接，运动控制卡输出控制信号到音圈电机伺服放大器及直线精密单元伺服放大器，进一步驱动宏动支链及微动支链运动。

所述微动传动轴包括微动传动轴基体、柔性铰链及微动传动轴移动块，所述微动传动轴基体通过柔性铰链与微动传动轴移动块连接，所述微动传动轴基体的一端通过固定轴与音圈直线电机连接，将音圈直线电机的运动传递至微动传动轴，所述微动传动轴移动块通过阶梯轴与微动平台连接。

所述音圈直线电机包括导轨、音圈直线电机滑块、音圈直线电机推板、音圈直线电机线圈、音圈直线电机套筒、音圈直线电机支板及音圈直线电机底板，音圈直线电机底板固定于平台静基座上，音圈直线电机滑块在音圈直线电机推板和音圈直线电机线圈的推动下在导轨上相对音圈直线电机底板的移动，音圈直线电机滑块与固定轴连接。

所述微动传动轴基体上设有压电陶瓷驱动器、驱动器调整块及驱动器固定块，所述压电陶瓷驱动器的尾端与驱动器调整块连接，其头端与驱动器固定块连接，所述驱动器调整块固定在微动传动轴基体上，所述驱动器调整块固定在微动传动轴移动块。

所述微动传动轴基体上设有配重块。

所述音圈直线电机滑块上还设有电机-光栅尺连接块。

所述微动移动轴移动块固定有微动检测块，微动移动轴移动块移动时，检测块被带动产生相对光谱共焦式位移传感器的位移。

所述微动传动轴由一金属板经线切割技术加工制成。

一种三自由度宏微运动并联结构装置控制过程如下，包括：

第一步，将相应传感器进行初始化复位操作；

第二步，微动平台的宏动定位，具体是：规划微动平台的运动轨迹，利用光栅位移传感器检测宏动支链的位置信息，传送至数据采集卡，并传送至计算机，由计算机计算运动轨迹，然后传送轨迹信号至运动控制卡的D/A转换电路输出至音圈直线电机伺服放大器，控制音圈直线电机产生相应的运动；

第三步，微动平台的精密定位，具体为：用于检测微动支链的光谱共焦式位移传感器将位置信息传送至数据采集卡，然后传送至计算机，由计算机计算运动轨迹，然后传送轨迹信号至运动控制卡的D/A转换电路输出至直线精密单元伺服放大器，控制压电陶瓷驱动器产生相应的运动；

第四步，经过第二、第三步骤的驱动定位下，由于温度、变形、摩擦等因素的影响，微动平台只运动至目标定位点附近，通过三个方向的短量程激光测距传感器检测微动平台的三条边的距离信息，传送至计算机后通过相关算法计算当前微动平台的位置得到控制量，最后将控制信息传送至运动控制卡，继续进行微动平台的补偿控制，最终实现精确定位。

本实用新型相对于现有技术具有如下有益效果：

(1)三自由度宏微集成运动并联机构装置本实用新型采用音圈直线电机驱动平台做宏动运动，有效的避免了传统的伺服电机驱动滚珠丝杆或电机减速驱动器的缺点，减少了因机构间附加的摩擦、弹性变形、间隙等因素的影响，可实现高刚度、无间隙、高响应速度、高精度的定位；

(2)本实用新型采用宏/微集成双重驱动方式，既可兼顾宏动部分的大行程、高运行速度特点，又有微动部分的高精度调整定位的特点，解决了运行行程与控制精度之间的矛盾。

(3)本实用新型采用的压电陶瓷驱动与柔性铰链配合的直线精密微运动的微动支链具有体积小、无机械摩擦、无间隙、运动灵敏度高的特点，可消除装配误差及尺寸误差，适用于精密定位操作环境。

(4)本实用新型的并联结构平台，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是本实用新型的总体结构示意图；

图2是本实用新型的正视图；

图3是本实用新型的俯视图；

图4是本实用新型的宏动驱动部分结构示意图；

图5是本实用新型的微动传动轴及相关零件示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例

如图1-图4所示，一种三自由度宏微运动并联结构装置，包括机械本体部分、检测部分及控制部分；

所述机械本体部分包括气浮平台1、平台静基座2及微动平台3，所述平台静基座设置在气浮平台上，所述微动平台设置在平台静基座上，微动平台及平台静基座均为三角形，平台静基座的三条边可用于宏动支链的定位安装，微动平台沿对角线有三个轴装配孔，三个轴装配孔分别与阶梯轴14连接，实现三自由度运动，宏动支链与微动支链连接，所述微动支链通过轴装配孔与微动平台连接，所述微动平台与驱动支链之间采用高精度的角接触球轴承连接。

驱动微动平台宏动的宏动支链由三个完全相同的音频直线电机构成，三个音圈直线电机成圆周排列，互成120°，三个音圈直线电机滑块的运动方向呈三角形。

如图4所示，音圈直线电机8由凸台8-1、导轨8-2、音圈直线电机滑块8-3、音圈直线电机推板8-4、音圈直线电机线圈8-5、音圈直线电机套筒8-6、音圈直线电机支板8-7及音圈直线电机底板8-8构成，音圈直线电机底板固定于平台静基座上，音圈直线电机滑块在音圈直线电机推板和音圈直线电机线圈的推动下在导轨上相对音圈直线电机底板的移动，音圈直线电机滑块上有一电机-光栅尺连接块9，光栅尺10-1固定在平台静基座上，光栅检测头10-2与电机-光栅尺连接，将音圈直线电机滑块、光栅位移传感器的光栅检测头和固定轴20连接成整体。

如图5所示，微动传动轴6由一金属板经线切割技术加工成微动传动轴基体6-1、柔性铰链6-2、微动传动轴移动块6-3，微动传动轴基体与微动传动轴移动块上各加工有一阶梯孔，用于与轴承16外圈的过渡配合，轴承由轴承端盖15紧固，传动轴基体端的轴承内圈与固定轴20过盈配合，可将音圈直线电机的运动传递至微动传动轴，微动传动轴移动块端的轴承内圈与阶梯轴14一端过盈配合，阶梯轴另一端与微动平台的配合孔过盈配合。

图5所示的微动传动轴基体上有压电陶瓷驱动器12、驱动器调整块11、驱动器固定块13，压电陶瓷驱动器尾端与驱动器调整块连接，压电陶瓷驱动器头端与驱动器固定块连接，所述压电陶瓷驱动器与直线精密单元伺服放大器连接，驱动器调整块固定于微动传动轴基体，驱动器固定块固定于微动传动轴移动块，驱动器调整块可调预紧力，可消除间隙对压电陶瓷驱动器精度影响。

图5所示的微动传动轴基体上有配重块7，配重块用于保持微动传动轴水平并减少对轴承一侧的磨损延长使用寿命。

所述检测部分包括光栅位移传感器10、光谱共焦式位移传感器19及短量程激光测距传感器4，光栅位移传感器与音圈直线电机滑块运动同步，用于检测宏动部分支链的位移量，光谱共焦式位移传感器与微动传动轴相连，用于检测微动支链的位移量，短量程激光测距传感器有三个，分别呈三角圆周排列固定于平台静基座上，用于检测微动平台的位置信息，各个传感器的信息由数据采集卡25接收；

所述检测部分的光谱共焦式位移传感器被夹紧在传感器固定块18，传感器固定块固定于微动传动轴基体，微动传动轴移动块上固定有一微动检测块17，当微动传动轴移动块在压电陶瓷驱动器驱动下移动时，检测块也被带动产生相对光谱共焦式位移传感器的位移。

所述控制部分控制部分包括音圈直线电机伺服放大器21、直线精密单元伺服放大器22、数据采集卡25、运动控制卡23及计算机24。

所述音圈直线电机伺服放大器驱动音圈直线电机运动，所述直线精密单元伺服放大器驱动压电陶瓷驱动器运动。

计算机接收数据采集卡的信息，进行计算处理后得到控制信号，通过运动控制卡，分别发送给音圈直线电机伺服放大器及直线精密单元伺服放大器，进一步驱动音圈直线电机伺服放大器及压电陶瓷驱动器的运动。

一种三自由度宏微集成运动并联机构装置的控制过程如下：

第一步，通过用于检测直线电机滑块运动直线位移的光栅位移传感器、用于检测直线精密驱动单元微动位移的光谱共焦式位移传感器及用于检测微动平台的短量程激光测距传感器参考零点检测动平台的零位，进行初始化复位操作；

第二步，微动平台的宏动定位，具体为：规划动平台的运动轨迹，利用光栅位移传感器检测直线电机滑块的位置信息，传送至数据采集卡并接着传送至计算机，由计算机计算运动轨迹，然后传送轨迹信号至运动控制卡的D/A转换电路输出至音圈直线电机伺服放大器，控制音圈直线电机产生相应的运动；

第三步，微动平台的精密定位，具体为：用于检测精密驱动单元的光谱共焦式位移传感器将位置信息传送至数据采集卡并接着传送至计算机，由计算机计算运动轨迹，然后传送轨迹信号至运动控制卡的D/A转换电路输出至直线精密单元伺服放大器，控制压电陶瓷驱动器产生相应的运动；

第四步，经过第二、第三步骤的驱动定位下，由于温度、变形、摩擦等因素的影响，微动平台只运动至目标定位点附近，通过三个方向的短量程激光测距传感器检测微动平台的三条边的距离信息，传送至计算机后通过相关算法计算当前微动平台的位置得到控制量，最后将控制信息传送至运动控制卡，继续进行微动平台的补偿控制，最终实现精确定位。

图1中的虚线指示了各个设备之间的连线关系，方向箭头表明了检测和控制信号流的传递方向。

在本实施例中，采用SPFO-B型自动充气平衡隔振平台，规格750mm×750mm×500mm,隔振效果强，固有隔振频率为1Hz,平台平面度小于0.05mm/m2，振幅小于1.2um。

音圈直线电机采用日本横川公司T-VC85-L30电机，该电机适用于高频率短行程运动系统，该型号电机行程为30mm，运动分辨率小于0.5um，满足本装置宏动传动的性能要求，该电机直接驱动，无齿槽效应，高响应，动子与定子无接触，有效减少了装置间的总摩擦。该电机采用横川VCⅡ-03系列电机驱动器，具有自整定功能，能够自动匹配转动惯量及参数，可实现现成网络的兼容。

压电陶瓷驱动器采用PI公司型号P-840.3压电陶瓷驱动器，最大行程45um,峰值推力1000N，谐振频率10KHz,亚纳米级分辨；该压电陶瓷促动器为全瓷绝缘，使用时无需润滑，不会造成磨损；驱动器几何尺寸为12mm×68mm。电控单元为PI公司E-503压电陶瓷控制器。

本实施例采用德国米铱IFS-2405-0.3光谱共焦传感器，该传感器是专门为高精度要求的测量任务而设计的，该系列拥有极高的敏感度，较大的安装倾角和安装距离，使它可用于多种应用场合；该传感器检测线性量程0.3mm，分辨率10nm；光栅位移传感器采用意大利GIVI MISUER公司ISA 2320光栅传感器，有效检测行程120mm,分辨率0.5um。

短量程激光位移传感器采用德国西克OD5-25T01测量头，测量范围25±1mm，分辨率20nm，该测量头采用先进的测量算法和多种直径光斑，具有高可靠性和高测量精度。

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7900-A5-NSK精密角接触球轴承。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型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实用新型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，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种三自由度宏微运动并联结构装置，其特征在于，包括机械本体部分、检测部分及控制部分；

所述机械本体部分包括气浮平台，平台静基座、微动平台、驱动微动平台宏动的宏动支链及驱动微动平台精密微运动的微动支链；

所述宏动支链由三个相同规格的音圈直线电机构成，三个音圈直线电机在平台静基座上呈圆周排列，互成120度；

所述微动支链包括微动传动轴；所述微动传动轴一端与微动平台连接，其另一端与音圈直线电机连接；

所述检测部分包括设置在宏动支链的光栅位移传感器、设置在微动支链的光谱共焦式位移传感器及设置在平台静基座的短量程激光测距传感器；

所述控制部分分别与检测部分、宏动支链及微动支链连接。

2.根据权利要求1所述的一种三自由度宏微运动并联结构装置，其特征在于，所述控制部分包括数据采集卡、计算机、运动控制卡、音圈电机伺服放大器及直线精密单元伺服放大器；

光栅位移传感器、光谱共焦式位移传感器及短量程激光测距传感器采集信号输入数据采集卡，所述数据采集卡与计算机连接，计算机与运动控制卡相互连接，运动控制卡输出控制信号到音圈电机伺服放大器及直线精密单元伺服放大器，进一步驱动宏动支链及微动支链运动。

3.根据权利要求1所述的一种三自由度宏微运动并联结构装置，其特征在于，所述微动传动轴包括微动传动轴基体、柔性铰链及微动传动轴移动块，所述微动传动轴基体通过柔性铰链与微动传动轴移动块连接，所述微动传动轴基体的一端通过固定轴与音圈直线电机连接，将音圈直线电机的运动传递至微动传动轴，所述微动传动轴移动块通过阶梯轴与微动平台连接。

4.根据权利要求3所述的一种三自由度宏微运动并联结构装置，其特征在于，所述音圈直线电机包括导轨、音圈直线电机滑块、音圈直线电机推板、音圈直线电机线圈、音圈直线电机套筒、音圈直线电机支板及音圈直线电机底板，音圈直线电机底板固定于平台静基座上，音圈直线电机滑块在音圈直线电机推板和音圈直线电机线圈的推动下在导轨上相对音圈直线电机底板的移动，音圈直线电机滑块与固定轴连接。

5.根据权利要求3所述的一种三自由度宏微运动并联结构装置，其特征在于，所述微动传动轴基体上设有压电陶瓷驱动器、驱动器调整块及驱动器固定块，所述压电陶瓷驱动器的尾端与驱动器调整块连接，其头端与驱动器固定块连接，所述驱动器调整块固定在微动传动轴基体上，所述驱动器调整块固定在微动传动轴移动块。

6.根据权利要求3所述的一种三自由度宏微运动并联结构装置，其特征在于，所述微动传动轴基体上设有配重块。

7.根据权利要求4所述的一种三自由度宏微运动并联结构装置，其特征在于，所述音圈直线电机滑块上还设有电机-光栅尺连接块。

8.根据权利要求3所述的一种三自由度宏微运动并联结构装置，其特征在于，所述微动传动轴移动块固定有微动检测块，微动传动轴移动块移动时，检测块被带动产生相对光谱共焦式位移传感器的位移。

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