CN217183193U - 一种压电驱动六自由度柔顺定位系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及工件柔顺定位检测技术领域，具体为一种压电驱动六自由度柔顺定位系统；包括工控机，所述工控机电性连接有压电陶瓷控制器，压电陶瓷控制器与若干个压电陶瓷促动器电性连接，若干个压电陶瓷促动器设置于六自由度柔顺定位平台的底部，所述六自由度柔顺定位平台的四个边侧设置有柔顺定位台；本发明机构简单紧凑，采用电容传感器和倾角传感器反馈简单易用，闭环控制定位准确，适用于不同应用场合；可经济的替代激光干涉仪，倾角传感器基于重力测量平台斜度，简单易用，动态性能好。
Description
技术领域
本发明涉及工件柔顺定位检测技术领域，具体为一种压电驱动六自由度柔顺定位系统。
背景技术
随着精密工程技术与尖端科学研究领域的快速发展，纳米级精密定位技术需求也与日俱增。如在光源同步加速器、航空航天等领域，高精度实验的束线光斑和样品尺度都在纳米和微米尺度，因此对精密仪器或光学器件位置调整常需要定位平台满足纳米级精度要求。压电陶瓷具有体积小、位移分辨率高、输出力大、响应速度快等优点，很适合作为驱动器件。
单、双等少自由度平面分布式柔顺平台一直受到众多关注，而空间整体式柔顺平台可满足多自由度需求，适用于精密定位、微操作、微装配等领域，潜力巨大。目前，六自由度柔顺定位平台除采取由少自由度构型组合叠加，多采用由斯图尔特上世纪70年代提出的Stewart构型及其演化形式，Stewart 平台拥有六空间自由度且为并联形式，也称为六自由度并联平台，其具有刚度高、承载能力强、位置误差不累计等特点。但受限于机构自身性能限制等因素，难以满足纳米级快速响应的精密调姿需求。
现有的定位平台无法实现闭环控制消除压电陶瓷促动器的迟滞与蠕变现象，在的实验检测的过程中稳定性差，不利于在扫描时控制波形，且闭环控制柔顺定位平台无法实现纳米微定位应用中常需要的线性可重复运动操作。非接触式的电容式传感器探头安装在平台附近，从而精准获取精密位移信号，在使用时会受到激光干涉仪干扰，传统的倾角传感器基于重力测量平台斜度，操作复杂，动态性能差。根据一种基于柔顺结构六自由度的精密定位平台(中国专利授权号CN103680641B)，平台尺寸小，定位精度高和稳定性高，但工作空间小；六自由度精密定位平台(中国专利授权号CN101487989B)，平台结构简单，解耦控制变得简单，但长程电机与压电陶瓷驱动器组合使用，存在累计误差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种压电驱动六自由度柔顺定位系统及其控制方法，以解决上述背景技术提出的现有的六自由度柔顺定位系统无法满足精密仪器或光学器件六自由度位置调整需求问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种压电驱动六自由度柔顺定位系统，包括工控机，所述工控机电性连接有压电陶瓷控制器，压电陶瓷控制器与若干个压电陶瓷促动器电性连接，若干个压电陶瓷促动器设置于六自由度柔顺定位平台的底部，所述六自由度柔顺定位平台的四个边侧设置有柔顺定位台。
所述的位移检测挡块，所述位移检测挡块固定在柔顺定位平台上表面形心处，若干个所述电容位移传感器分别等距布设在位移检测挡块表面，且平行预留间隙。
所述倾角传感器均与柔顺定位台的顶部固定连接。
所述电容位移传感器的底部设置有敏感轴，所述敏感轴的轴杆与六自由度柔顺定位平台的X、Y倾斜轴向保持平行。
所述六自由度柔顺定位平台的顶部水平位置与柔顺定位台形心位于同一水平竖直线。
所述六自由度柔顺定位平台的边侧设置有若干个驱动支链，且两两对称设置分别位于六自由度柔顺定位平台X、Y轴的正负方向，若干对所述驱动支链的底端与定位平台基座顶部固定连接。
所述驱动支链顶端与动平台边角柔性连接。
所述驱动支链形状呈倒Y形，所述驱动支链的三支链等间隔120°分布，且竖直支链顶端为圆形缺口型柔性球铰。
所述驱动支链侧面与动平台边缘平面重合，驱动支链的两倾斜支链末端设置有轴线正交型虎克铰。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)对定位平台实现闭环控制可消除压电陶瓷促动器的迟滞与蠕变现象，提高稳定性，有助于在扫描时控制波形，且闭环控制柔顺定位平台可实现纳米微定位应用中常需要的线性可重复运动操作，非接触式的电容式传感器探头安装在平台附近，获取精密位移信号，可经济的替代激光干涉仪，倾角传感器基于重力测量平台斜度，简单易用，动态性能好。
2)柔顺定位平台采取模块化与对称设计，机构简单紧凑，采用电容传感器和倾角传感器反馈简单易用，闭环控制定位准确，适用于不同应用场合。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的压电陶瓷促动器结构示意图。
图3为为本发明的六自由度柔顺定位平台结构示意图；
图4为本发明的六自由度柔顺定位平台直接驱动支链结构示意图；
图5为本发明的六自由度柔顺定位平台位移放大驱动支链结构示意图；
图6为本发明的六自由度柔顺定位系统控制方法的示意框图。
图中：1、工控机；2、压电陶瓷控制器；3、压电陶瓷促动器；301、第一压电陶瓷促动器；302、第二压电陶瓷促动器；303、第三压电陶瓷促动器； 304、第四压电陶瓷促动器；305、第五压电陶瓷促动器；306、第六压电陶瓷促动器；307、第七压电陶瓷促动器；308、第八压电陶瓷促动器；4、六自由度柔顺定位平台；5、电容位移传感器；6、倾角传感器；7、驱动支链；8、圆形缺口型柔性球铰；9、轴线正交型虎克铰。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
请参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：一种压电驱动六自由度柔顺定位系统，包括工控机1，工控机1电性连接有压电陶瓷控制器2，压电陶瓷控制器2与若干个压电陶瓷促动器3电性连接，若干个压电陶瓷促动器3设置于六自由度柔顺定位平台4的底部，六自由度柔顺定位平台4的四个边侧设置有柔顺定位台。
位移检测挡块固定在柔顺定位平台上表面形心处，若干个电容位移传感器分5别等距布设在位移检测挡块表面，且平行预留间隙。
倾角传感器6均与柔顺定位台的顶部固定连接。
电容位移传感器5的底部设置有敏感轴，敏感轴的轴杆与六自由度柔顺定位平台4的X、Y倾斜轴向保持平行。
六自由度柔顺定位平台4的顶部水平位置与柔顺定位台形心位于同一水平竖直线，六自由度柔顺定位平台4的边侧设置有若干个驱动支链7，且两两对称设置分别位于六自由度柔顺定位平台4X、Y轴的正负方向，若干对驱动支链7的底端与六自由度柔顺定位平台4顶部固定连接，经由其控制压电陶瓷促动器3，完成六自由度位姿调整，微定位调节后，工控机接收来自电容位移传感器5的位移信号和倾角传感器6的偏转信号，与期望值对比，修正压电陶瓷控制器2输出的控制信号，协同动作实现全空间自由度闭环反馈控制。
驱动支链7顶端与动平台边角柔性连接，驱动支链7侧面与动平台边缘平面重合，通过驱动支链7顶端与动平台边角柔性连接，便于在进行测量位移时进行角度偏转。
驱动支链7形状呈倒Y形，驱动支链7的三支链等间隔120°分布，且竖直支链7顶端为圆形缺口型柔性球铰8，驱动支链7的两倾斜支链末端设置有轴线正交型虎克铰9，压电陶瓷促动器3输出位移由驱动支链7传导至负载动平台。
六自由度柔顺定位平台4的四个边角安装有定位安装孔，六自由度柔顺定位平台4采取模块化与对称设计，沿X轴的移动和绕X轴的转动控制策略与沿Y轴的移动和绕Y轴的转动控制策略本质上一致。
六自由度柔顺定位平台4的顶部固定安装有单片机，压电陶瓷控制器2 通过单片机与外接电源电性连接，压电陶瓷促动器3通过单片机与外接电源电性连接，电容位移传感器5通过单片机与外接电源电性连接，倾角传感器6 通过单片机与外接电源电性连接。
一种压电驱动六自由度柔顺定位控制方法，包括上述中任意一项的压电驱动六自由度柔顺定位系统，还包括：
S1：位移检测；
S2：环境追踪测试；
S3：信号输送。
S1步骤中位移检测，测量平台中心处位移，在柔顺定位平台上表面形心处安装位移检测挡块，与位移检测挡块三向表面平行非接触布置电容位移传感器5，使用带弹簧垫片的螺钉将倾角传感器6固定连接在柔顺定位平台上顶部，其敏感轴在使用分别与X、Y倾斜轴向保持平行不接触，便于监测平台横滚和俯仰角度。
S2步骤中环境追踪测试，压电陶瓷促动器3直接嵌套在Y形柔顺机构内部，便于在检测时，响应速度快，动态性能好，适合动态追踪与要求工作行程较小的场合，位移放大式支链，压电陶瓷促动器3嵌套在桥式位移放大机构后再与Y形柔顺机构联接，凭借柔性铰链功能方向的变形产生与输入方向垂直的运动并实现运动放大。
S3步骤中信号输送，工控机1通过上位机软件输入信号至压电陶瓷控制器2，经由其控制压电陶瓷促动器3，完成六自由度位姿调整，微定位调节后，工控机1接收来自电容位移传感器5的位移信号和倾角传感器6的偏转信号，与期望值对比，修正压电陶瓷控制器2输出的控制信号，协同动作实现全空间自由度闭环反馈控制。
工作原理：压电陶瓷促动器3输出位移由驱动支链7传导至负载动平台，促动器组合作动可实现沿X、Y、Z轴方向移动和绕X、Y、Z轴方向转动，由于六自由度柔顺定位平台4采取模块化与对称设计，沿X轴的移动和绕X轴的转动控制策略与沿Y轴的移动和绕Y轴的转动控制策略本质上一致，如图2 所示，压电陶瓷促动器3分别设置有8个压电陶瓷促动器3，当进行第一压电陶瓷促动器301、第二压电陶瓷促动器302、第五压电陶瓷促动器305和第六压电陶瓷促动器306组合作动时，可实现绕X轴方向转动，压电陶瓷促动器3，便于第三压电陶瓷促动器303、第四压电陶瓷促动器304、第七压电陶瓷促动器307、第八压电陶瓷促动器8组合作动，可实现绕Y轴方向转动，X、Y轴对称分布的四个压电陶瓷促动器3组合作动，可实现绕Z轴方向转动，压电陶瓷促动器3，对第一压电陶瓷促动器301、第六压电陶瓷促动器306或压电陶瓷促动器3上的第二压电陶瓷促动器302、第五压电陶瓷促动器305协同作动，可实现沿X轴方向移动，压电陶瓷促动器3上的第三压电陶瓷促动器303、第八压电陶瓷促动器308或压电陶瓷促动器3上的第四压电陶瓷促动器304、第七压电陶瓷促动器307协同作动，可实现沿Y轴方向移动，所有压电陶瓷促动器3协同作动，可实现沿Z轴方向移动。
六自由度柔顺定位系统控制方法为工控机通过上位机软件输入信号至压电陶瓷控制器2，经由其控制压电陶瓷促动器3，完成六自由度位姿调整，微定位调节后，工控机1接收来自电容位移传感器5的位移信号和倾角传感器6 的偏转信号，与期望值对比，修正压电陶瓷控制器2输出的控制信号，协同动作实现全空间自由度闭环反馈控制。
本说明中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种压电驱动六自由度柔顺定位系统，包括工控机，其特征在于，所述工控机电性连接有压电陶瓷控制器，压电陶瓷控制器与若干个压电陶瓷促动器电性连接，若干个压电陶瓷促动器设置于六自由度柔顺定位平台的底部，所述六自由度柔顺定位平台的四个边侧设置有柔顺定位台。
2.根据权利要求1所述的一种压电驱动六自由度柔顺定位系统，其特征在于：在柔顺定位平台上表面形心处安装位移检测挡块，与位移检测挡块三向表面平行非接触布置电容位移传感器，使用带弹簧垫片的螺钉将倾角传感器固定连接在柔顺定位平台上顶部，其敏感轴在使用分别与X、Y倾斜轴向保持平行不接触，便于监测平台横滚和俯仰角度。
3.根据权利要求2所述的一种压电驱动六自由度柔顺定位系统，其特征在于：所述倾角传感器均与柔顺定位台的顶部固定连接。
4.根据权利要求2所述的一种压电驱动六自由度柔顺定位系统，其特征在于：所述电容位移传感器的底部设置有敏感轴，所述敏感轴的轴杆与六自由度柔顺定位平台的X、Y倾斜轴向保持平行。
5.根据权利要求1所述的一种压电驱动六自由度柔顺定位系统，其特征在于：所述六自由度柔顺定位平台的顶部水平位置与柔顺定位台形心位于同一水平竖直线。
6.根据权利要求1或5所述的一种压电驱动六自由度柔顺定位系统，其特征在于：所述六自由度柔顺定位平台的边侧设置有若干个驱动支链，且两两对称设置分别位于六自由度柔顺定位平台X、Y轴的正负方向，若干对所述驱动支链的底端与定位平台基座顶部固定连接。
7.根据权利要求6所述的一种压电驱动六自由度柔顺定位系统，其特征在于：所述驱动支链顶端与动平台边角柔性连接。
8.根据权利要求6所述的一种压电驱动六自由度柔顺定位系统，其特征在于：所述驱动支链形状呈倒Y形，所述驱动支链的三支链等间隔120°分布，且竖直支链顶端为圆形缺口型柔性球铰。
9.根据权利要求6所述的一种压电驱动六自由度柔顺定位系统，其特征在于：所述驱动支链侧面与动平台边缘平面重合，驱动支链的两倾斜支链末端设置有轴线正交型虎克铰。
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