技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本
發(fā)明屬于機(jī)械設(shè)計(jì)與制造技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種并聯(lián)式宏微高精度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。
背景技術(shù)
[0002] 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,對(duì)具有高精度和
分辨率的大尺度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的需求越來越迫切,這類平臺(tái)在諸如IC制造裝備、超精密加工和測(cè)量、
生物醫(yī)學(xué)工程、航天航空等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。
[0003] 傳統(tǒng)大尺度精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)一般采用伺服
電機(jī)驅(qū)動(dòng)和精密滾珠
絲杠傳動(dòng)的方式,也有采用直線電機(jī)
直接驅(qū)動(dòng)的方式。這類運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的傳動(dòng)部件在運(yùn)動(dòng)過程中不可避免的存在間隙、非線性摩擦、溫升、磨損等,因此難以獲得很高的運(yùn)動(dòng)精度,一般都限制在微米級(jí)別。雖然可以通過對(duì)滾珠絲杠進(jìn)行預(yù)緊消除間隙,以及采用氣浮
支撐減小
摩擦力,這可以在一定程度上提高平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)精度,但是仍然難以滿足應(yīng)用需求。為了解決常規(guī)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)傳動(dòng)部件在運(yùn)動(dòng)過程中所出現(xiàn)的不利影響,出現(xiàn)了柔性
鉸鏈機(jī)構(gòu)。這類機(jī)構(gòu)完全通過柔性鉸鏈的材料
變形傳遞運(yùn)動(dòng),因此具有運(yùn)動(dòng)無間隙、摩擦磨損,無需潤(rùn)滑的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)利用壓電陶瓷
致動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng),其運(yùn)動(dòng)精度可以達(dá)到
納米級(jí)別,因此在超精密領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。然而,受到了材料變形最大
應(yīng)力的限制,這類機(jī)構(gòu)的行程很小,一般只有幾十微米,難以滿足大尺度運(yùn)動(dòng)需求。
[0004] 為了能夠同時(shí)滿足大行程及高精度的運(yùn)動(dòng)要求,出現(xiàn)了宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái),整個(gè)系統(tǒng)有宏動(dòng)和微動(dòng)兩個(gè)部分組成,其中宏動(dòng)機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)大范圍的粗運(yùn)動(dòng),微動(dòng)機(jī)構(gòu)補(bǔ)償系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)誤差實(shí)現(xiàn)高精度的運(yùn)動(dòng),從而有效地提高系統(tǒng)的分辨率、
定位精度和
跟蹤精度,宏微雙重驅(qū)動(dòng)技術(shù)為實(shí)現(xiàn)大行程、高精度運(yùn)動(dòng)提供了有效地手段。目前的宏微平臺(tái)都是采用的在單軸或者XY運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上
串聯(lián)疊加微動(dòng)驅(qū)動(dòng)平臺(tái),如上述壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)。這種形式的宏微平臺(tái)可以在大尺度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)很高的運(yùn)動(dòng)精度及分辨率,但是串聯(lián)疊加形式的宏微平臺(tái)存在著承載能力弱、固有
頻率低、運(yùn)動(dòng)誤差耦合等缺點(diǎn),只能適用于輕載、動(dòng)態(tài)特性要求較低的場(chǎng)合。
[0005] 因此如何設(shè)計(jì)具有高精度和分辨率,且具有高承載能力,動(dòng)態(tài)性能優(yōu)異的大尺度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)和急需解決的任務(wù)。
發(fā)明內(nèi)容
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明采取的技術(shù)方案為如下。
[0007] 一種并聯(lián)式宏微高精度運(yùn)動(dòng)平臺(tái),其特征在于,第一直線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、第二直線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分別相互平行并對(duì)稱固定于
基座1的平面前后兩側(cè),第一支鏈、第二支鏈和第三支鏈?zhǔn)峭耆嗤?;終端平臺(tái)2置于第一直線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與第二直線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)之間,終端平臺(tái)2為Y字形,三個(gè)頂端分別各自通過一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸與三個(gè)支鏈的一端相連,第一支鏈、第二支鏈的另一端分別通過固定旋
轉(zhuǎn)軸鉸接在第一直線進(jìn)給平臺(tái)17上,第三支鏈的另一端通過固定
旋轉(zhuǎn)軸鉸接在第二直線進(jìn)給平臺(tái)35上;第一直線進(jìn)給平臺(tái)17通過
導(dǎo)軌滑
塊與第一直線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的
直線導(dǎo)軌相連,第二直線進(jìn)給平臺(tái)35通過導(dǎo)軌滑塊與第二直線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的直線導(dǎo)軌相連;兩個(gè)直線光柵尺分別平行于第一直線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與第二直線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的直線導(dǎo)軌;在基座1上固定安裝有平面光柵54;
[0008] 直線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的宏動(dòng)和各支鏈的微動(dòng)控制終端平臺(tái)的2的
位置,在給定了終端平臺(tái)2所需達(dá)到的位置值后,通過機(jī)構(gòu)的位置逆解,分別獲得第一直線進(jìn)給平臺(tái)17和第二直線進(jìn)給平臺(tái)35的運(yùn)動(dòng)位置量,第一直線進(jìn)給平臺(tái)17的運(yùn)動(dòng)量通過第一直線光柵尺19進(jìn)行精確測(cè)量,將第一直線進(jìn)給平臺(tái)17的運(yùn)動(dòng)誤差量反饋給第一直線進(jìn)給平臺(tái)17上的第一
伺服電機(jī)4進(jìn)行全閉環(huán)補(bǔ)償控制以保證第一直線進(jìn)給平臺(tái)17的運(yùn)動(dòng)位置;第二直線進(jìn)給平臺(tái)35的運(yùn)動(dòng)量通過第二直線光柵尺37進(jìn)行精確測(cè)量,將第二直線進(jìn)給平臺(tái)35的運(yùn)動(dòng)誤差量反饋給第二直線進(jìn)給平臺(tái)35上的第二伺服電機(jī)22進(jìn)行全閉環(huán)補(bǔ)償控制以保證第二直線進(jìn)給平臺(tái)35的運(yùn)動(dòng)位置;通過平面光柵54能測(cè)量出終端平臺(tái)2的運(yùn)動(dòng)誤差,將該誤差量利用各支鏈中的壓電陶瓷致動(dòng)器進(jìn)行補(bǔ)償。
[0009] 所述第一直線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)包括第一伺服電機(jī)支撐座3固定在基座1上;第一伺服電機(jī)4固定安裝在第一伺服電機(jī)支撐座3上;第一滾珠絲杠5通過第一
聯(lián)軸器6與第一伺服電機(jī)4的轉(zhuǎn)軸相連接;第一滾珠絲杠5在靠近第一聯(lián)軸器6的一端通過固定在基座1上的第一滾珠絲杠固定支撐座7進(jìn)行支撐轉(zhuǎn)動(dòng),第一滾珠絲杠5的另一端通過固定在基座1上的第一滾珠絲杠浮動(dòng)支撐座8進(jìn)行支撐轉(zhuǎn)動(dòng);在第一滾珠絲杠5上套接有第一絲杠
螺母9,第一絲杠螺母座10與第一絲杠螺母9固定連接;在第一滾珠絲杠5的兩側(cè)分別布置有第一直線導(dǎo)軌11和第二直線導(dǎo)軌12,第一直線導(dǎo)軌11和第二直線導(dǎo)軌12分別與第一直線滾珠絲杠5軸線相平行,且第一導(dǎo)軌11與第一滾珠絲杠5的距離和第二直線導(dǎo)軌12與第一滾珠絲杠5的距離相等,第一直線導(dǎo)軌11和第二直線導(dǎo)軌12固定安裝于基座1上;在第一直線導(dǎo)軌11上安置有第一導(dǎo)軌滑塊13和第二導(dǎo)軌滑塊14,在第二直線導(dǎo)軌12上安置有第三導(dǎo)軌滑塊15和第四導(dǎo)軌滑塊16;第一直線進(jìn)給平臺(tái)17固定安裝于第一導(dǎo)軌滑塊13、第二導(dǎo)軌滑塊14、第三導(dǎo)軌滑塊15、第四導(dǎo)軌滑塊16和第一絲杠螺母座10上,第一滾珠絲杠5的旋轉(zhuǎn)將驅(qū)動(dòng)第一絲杠螺母9沿著第一滾珠絲杠5的軸向運(yùn)動(dòng),從而能通過第一絲杠螺母座10帶動(dòng)第一直線進(jìn)給平臺(tái)17移動(dòng),在第一直線進(jìn)給平臺(tái)17外側(cè)固定安裝有第一光柵連接板18;第一直線光柵尺19的第一光柵讀數(shù)頭20與第一光柵連接板18固定連接,第一直線光柵尺19固定安裝于基座1上,且與第一滾珠絲杠5軸線相平行。
[0010] 所述第二直線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)包括第二伺服電機(jī)支撐座21固定在基座1上;第二伺服電機(jī)22固定安裝在第二伺服電機(jī)支撐座21上;第二滾珠絲杠23通過第二聯(lián)軸器24與第二伺服電機(jī)22的轉(zhuǎn)軸相連接;第二滾珠絲杠23在靠近第二聯(lián)軸器24的一端通過固定在基座1上的第二滾珠絲杠固定支撐座25進(jìn)行支撐轉(zhuǎn)動(dòng),第二滾珠絲杠23的另一端通過固定在基座1上的第二滾珠絲杠浮動(dòng)支撐座26進(jìn)行支撐轉(zhuǎn)動(dòng);在第二滾珠絲杠23上套接有第二絲杠螺母27,第二絲杠螺母座28與第二絲杠螺母27固定連接;在第二滾珠絲杠23的兩側(cè)分別布置有第三直線導(dǎo)軌29和第四直線導(dǎo)軌30,第三直線導(dǎo)軌29和第四直線導(dǎo)軌30分別與第二滾珠絲杠23軸線相平行,且第三直線導(dǎo)軌29與第二滾珠絲杠23的距離和第四直線導(dǎo)軌30與第二滾珠絲杠23的距離相等,第三直線導(dǎo)軌29和第四直線導(dǎo)軌30固定安裝于基座1上;在第三直線導(dǎo)軌29上安置有第五導(dǎo)軌滑塊31和第六導(dǎo)軌滑塊32,在第四直線導(dǎo)軌30上安置有第七導(dǎo)軌滑塊33和第八導(dǎo)軌滑塊34;第二直線進(jìn)給平臺(tái)35固定安裝于第五導(dǎo)軌滑塊31、第六導(dǎo)軌滑塊32、第七導(dǎo)軌滑塊33、第八導(dǎo)軌滑塊34和第二絲杠螺母座28上,第二滾珠絲杠23的旋轉(zhuǎn)將驅(qū)動(dòng)第二絲杠螺母27沿著第二滾珠絲杠23的軸向運(yùn)動(dòng),從而能通過第二絲杠螺母座28帶動(dòng)第二直線進(jìn)給平臺(tái)35移動(dòng);在第二直線進(jìn)給平臺(tái)35外側(cè)固定安裝有第二光柵連接板36;第二直線光柵尺37的第二光柵讀數(shù)頭38與第二光柵連接板固定連接,第二直線光柵尺37固定安裝于基座1上,且與第二滾珠絲杠23軸線相平行。
[0011] 所述第一直線進(jìn)給平臺(tái)17、第一支鏈、第二支鏈、終端平臺(tái)2上的第一轉(zhuǎn)動(dòng)軸40-1和第二轉(zhuǎn)動(dòng)軸40-2共同構(gòu)成了平行四邊形機(jī)構(gòu),限制了終端平臺(tái)2的轉(zhuǎn)動(dòng)
自由度,因此終端平臺(tái)2僅具有平面移動(dòng)自由度。
[0012] 所述支鏈的主體部分為鉸鏈基體41-1;在鉸鏈基體41-1中包含有柔性單元,通過對(duì)其變形的控制實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的微動(dòng)補(bǔ)償;柔性單元由柔性單元驅(qū)動(dòng)平臺(tái)41-1-1、柔性單元終端平臺(tái)41-1-2、與支鏈基體41-1軸線相垂直的矩形柔性鉸鏈甲41-1-3、矩形柔性鉸鏈乙41-1-4、矩形柔性鉸鏈丙41-1-5、矩形柔性鉸鏈丁41-1-6,和與支鏈基體41-1軸線相平行的矩形柔性鉸鏈戊41-1-7共同組成;柔性單元驅(qū)動(dòng)平臺(tái)41-1-1通過矩形柔性鉸鏈甲41-1-3、矩形柔性鉸鏈乙41-1-4與鉸鏈基體41-1固定連接;柔性單元終端平臺(tái)41-1-2通過矩形柔性鉸鏈丙41-1-5、矩形柔性鉸鏈丁41-1-6與鉸鏈基體41-1固定連接;柔性單元驅(qū)動(dòng)平臺(tái)41-1-1和柔性單元終端平臺(tái)41-1-2通過矩形柔性鉸鏈戊41-1-7相互固定連接;壓電陶瓷致動(dòng)器
42-1通過致動(dòng)器連接頭43-1與柔性單元驅(qū)動(dòng)平臺(tái)41-1-1固定連接;壓力
傳感器44-1通過
法蘭盤45-1與壓電陶瓷致動(dòng)器42-1的尾部固定連接,
壓力傳感器44-1的軸向與壓電陶瓷致動(dòng)器42-1的軸向保持一致;壓力傳感器44-1的另一端與預(yù)緊座46-1固定連接;預(yù)緊座46-1通過
螺栓固定連接在支鏈基體41-1上,通過螺栓預(yù)緊對(duì)壓電陶瓷致動(dòng)器42-1施加軸向預(yù)緊
載荷;支撐板47-1
覆蓋于壓電陶瓷致動(dòng)器42-1、致動(dòng)器連接頭43-1、柔性單元驅(qū)動(dòng)平臺(tái)41-1-
1、矩形柔性鉸鏈甲41-1-3、矩形柔性鉸鏈乙41-1-4、矩形柔性鉸鏈戊41-1-7的正上方并與鉸鏈基體41-1固定連接,高精度長(zhǎng)度計(jì)48-1的基體通過壓緊蓋49-1固定在支撐板47-1上;
長(zhǎng)度計(jì)48-1的測(cè)頭通過篤定在支撐板47-1上的夾緊單元50-1進(jìn)行固定,以保證長(zhǎng)度計(jì)48-1的測(cè)頭軸線與壓電陶瓷致動(dòng)器42-1的軸線相互平行;測(cè)量基座51-1固定安裝于柔性單元終端平臺(tái)41-1-2上;長(zhǎng)度計(jì)48-1的測(cè)頭始終與測(cè)量基座51-1的基準(zhǔn)面相互垂直
接觸;在支鏈基體41-1的尾端上固定連接有
配重塊52-1,以保證支鏈基體41-1在運(yùn)動(dòng)過程中保持
水平且實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)慣量的匹配。
[0013] 所述終端平臺(tái)2的下端固定連接有平面光柵讀數(shù)頭53;在基座1上固定安裝有平面光柵54;平面光柵讀數(shù)頭53與平面光柵54之間保持0.5mm的間距;平面光柵讀數(shù)頭53的光路必須沿著平面光柵54的刻線,以保證正常的測(cè)量和讀數(shù)。
[0014] 有益效果:
[0015] 1.本發(fā)明的宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)采用的并聯(lián)的結(jié)構(gòu)形式,具有承載能力大、動(dòng)態(tài)特性優(yōu)異、無運(yùn)動(dòng)誤差累積的優(yōu)點(diǎn);
[0016] 2.本發(fā)明的宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)直接對(duì)常規(guī)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的支鏈進(jìn)行改造,將柔性鉸鏈單元嵌入原有支鏈中,并且通過壓電陶瓷致動(dòng)器進(jìn)行變形量的主動(dòng)控制,這一方面通過支鏈的微動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制能實(shí)現(xiàn)終端平臺(tái)的
運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償,同時(shí)又能解決常規(guī)并聯(lián)機(jī)構(gòu)支鏈變形振動(dòng)不可控的缺點(diǎn),能夠?qū)崿F(xiàn)高的運(yùn)動(dòng)精度,而且結(jié)構(gòu)也比串聯(lián)形式的宏微平臺(tái)更加緊湊;
[0017] 3.本發(fā)明所設(shè)計(jì)的微動(dòng)調(diào)控支鏈中,在壓電陶瓷致動(dòng)器的尾端固定安裝了壓力傳感器,這種安裝方式能避免因?qū)毫鞲衅鞴潭ò惭b于致動(dòng)器前端增加運(yùn)動(dòng)部件
質(zhì)量,從而降低平臺(tái)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行性能;同時(shí)壓力傳感器能用于支鏈內(nèi)力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),為實(shí)施平臺(tái)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行精度補(bǔ)償提供更為豐富的信息;
[0018] 4.本發(fā)明所設(shè)計(jì)的微動(dòng)調(diào)控支鏈中,采用了輸入解耦的柔性單元的設(shè)計(jì)方式,保證了壓電陶瓷致動(dòng)器在運(yùn)動(dòng)過程中不會(huì)受到橫向載荷的影響,從而提高了運(yùn)動(dòng)控制的精度以及確保致動(dòng)器運(yùn)行過程中的安全性。
附圖說明
[0019] 圖1為本發(fā)明具體實(shí)施方式中并聯(lián)式宏微高精運(yùn)動(dòng)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)示意圖;
[0020] 圖2為本發(fā)明的直線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖;
[0021] 圖3為本發(fā)明的支鏈部分結(jié)構(gòu)示意圖;
[0022] 圖4為本發(fā)明的支鏈中支撐板上的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
[0023] 下面結(jié)合附圖和
實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0024] 圖1為本發(fā)明的新型并聯(lián)式宏微高精運(yùn)動(dòng)平臺(tái),圖2為本發(fā)明的直線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖,如圖1和2所示,第一直線進(jìn)給系統(tǒng)布置在基座1的左側(cè);在基座1的左側(cè)一端固定有第一伺服電機(jī)支撐座3;第一伺服電機(jī)4固定安裝在第一伺服電機(jī)支撐座3上;第一滾珠絲杠5通過第一聯(lián)軸器6與第一伺服電機(jī)4的轉(zhuǎn)軸相連接;第一滾珠絲杠5在靠近第一聯(lián)軸器6的一端通過固定在基座1上的第一滾珠絲杠固定支撐座7進(jìn)行支撐轉(zhuǎn)動(dòng),第一滾珠絲杠5的另一端通過固定在基座1上的第一滾珠絲杠浮動(dòng)支撐座8進(jìn)行支撐轉(zhuǎn)動(dòng);在第一滾珠絲杠5上套接有第一絲杠螺母9,第一絲杠螺母座10與第一絲杠螺母9固定連接;在第一滾珠絲杠5的兩側(cè)分別布置有第一直線導(dǎo)軌11和第二直線導(dǎo)軌12,第一直線導(dǎo)軌11和第二直線導(dǎo)軌12分別與第一直線滾珠絲杠5軸線相平行,且第一導(dǎo)軌11與第一滾珠絲杠5的距離和第二直線導(dǎo)軌12與第一滾珠絲杠5的距離相等,第一直線導(dǎo)軌11和第二直線導(dǎo)軌12固定安裝于基座1上;在第一直線導(dǎo)軌11上安置有第一導(dǎo)軌滑塊13和第二導(dǎo)軌滑塊14,在第二直線導(dǎo)軌12上安置有第三導(dǎo)軌滑塊15和第四導(dǎo)軌滑塊16;第一直線進(jìn)給平臺(tái)17固定安裝于第一導(dǎo)軌滑塊
13、第二導(dǎo)軌滑塊14、第三導(dǎo)軌滑塊15、第四導(dǎo)軌滑塊16和第一絲杠螺母座10上;在第一直線進(jìn)給平臺(tái)17外側(cè)固定安裝有第一光柵連接板18;第一直線光柵尺19的第一光柵讀數(shù)頭20與第一光柵連接板18固定連接,第一直線光柵尺19固定安裝于基座1上,且與第一滾珠絲杠
5軸線相平行。
[0025] 第二直線進(jìn)給系統(tǒng)對(duì)稱布置在基座1的右側(cè),且與所述第一直線進(jìn)給系統(tǒng)相互平行;在基座1的右側(cè)一端固定有第二伺服電機(jī)支撐座21;第二伺服電機(jī)22固定安裝在第二伺服電機(jī)支撐座21上;第二滾珠絲杠23通過第二聯(lián)軸器24與第二伺服電機(jī)22的轉(zhuǎn)軸相連接;第二滾珠絲杠23在靠近第二聯(lián)軸器24的一端通過固定在基座1上的第二滾珠絲杠固定支撐座25進(jìn)行支撐轉(zhuǎn)動(dòng),第二滾珠絲杠23的另一端通過固定在基座1上的第二滾珠絲杠浮動(dòng)支撐座26進(jìn)行支撐轉(zhuǎn)動(dòng);在第二滾珠絲杠23上套接有第二絲杠螺母27,第二絲杠螺母座28與第二絲杠螺母27固定連接;在第二滾珠絲杠23的兩側(cè)分別布置有第三直線導(dǎo)軌29和第四直線導(dǎo)軌30,第三直線導(dǎo)軌29和第四直線導(dǎo)軌30分別與第二滾珠絲杠23軸線相平行,且第三直線導(dǎo)軌29與第二滾珠絲杠23的距離和第四直線導(dǎo)軌30與第二滾珠絲杠23的距離相等,第三直線導(dǎo)軌29和第四直線導(dǎo)軌30固定安裝于基座1上;在第三直線導(dǎo)軌29上安置有第五導(dǎo)軌滑塊31和第六導(dǎo)軌滑塊32,在第四直線導(dǎo)軌30上安置有第七導(dǎo)軌滑塊33和第八導(dǎo)軌滑塊
34;第二直線進(jìn)給平臺(tái)35固定安裝于第五導(dǎo)軌滑塊31、第六導(dǎo)軌滑塊32、第七導(dǎo)軌滑塊33、第八導(dǎo)軌滑塊34和第二絲杠螺母座28上;在第二直線進(jìn)給平臺(tái)35外側(cè)固定安裝有第二光柵連接板36;第二直線光柵尺37的第二光柵讀數(shù)頭38與第二光柵連接板固定連接,第二直線光柵尺37固定安裝于基座1上,且與第二滾珠絲杠23軸線相平行。
[0026] 第一支鏈和第二支鏈的一端分別通過第一固定旋轉(zhuǎn)軸39-1和第二固定旋轉(zhuǎn)軸39-2鉸接在第一直線進(jìn)給平臺(tái)17上;第一支鏈和第二支鏈的另一端分別通過第一轉(zhuǎn)動(dòng)軸40-1和第二轉(zhuǎn)動(dòng)軸40-2與終端平臺(tái)2的一側(cè)相互鉸接。第三支鏈的一端通過第三固定旋轉(zhuǎn)軸39-
3鉸接在第二直線進(jìn)給平臺(tái)35上;第三支鏈的另一端通過第三轉(zhuǎn)動(dòng)軸40-3與終端平臺(tái)2的另一側(cè)鉸接。這三條支鏈的結(jié)構(gòu)完全相同,因此第一直線進(jìn)給平臺(tái)17、第一支鏈、第二支鏈和終端平臺(tái)2共同構(gòu)成了平行四邊形機(jī)構(gòu),從而限制了終端平臺(tái)2的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度,因此終端平臺(tái)2僅具有平面移動(dòng)自由度。
[0027] 如圖3所示,以第一條支鏈為例,所述結(jié)構(gòu)支鏈組成描述如下:
[0028] 第一支鏈的主體部分為鉸鏈基體41-1;在鉸鏈基體41-1中包含有柔性單元,通過對(duì)其變形的控制實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的微動(dòng)補(bǔ)償;該柔性單元由柔性單元驅(qū)動(dòng)平臺(tái)41-1-1、柔性單元終端平臺(tái)41-1-2、與支鏈基體41-1軸線相垂直的矩形柔性鉸鏈甲41-1-3、矩形柔性鉸鏈乙41-1-4、矩形柔性鉸鏈丙41-1-5、矩形柔性鉸鏈丁41-1-6,和與支鏈基體41-1軸線相平行的矩形柔性鉸鏈戊41-1-7共同組成;柔性單元驅(qū)動(dòng)平臺(tái)41-1-1通過矩形柔性鉸鏈甲41-1-3、矩形柔性鉸鏈乙41-1-4與鉸鏈基體41-1固定連接;柔性單元終端平臺(tái)41-1-2通過矩形柔性鉸鏈丙41-1-5、矩形柔性鉸鏈丁41-1-6與鉸鏈基體41-1固定連接;柔性單元驅(qū)動(dòng)平臺(tái)41-1-
1和柔性單元終端平臺(tái)41-1-2通過矩形柔性鉸鏈戊41-1-7相互固定連接;壓電陶瓷致動(dòng)器
42-1通過致動(dòng)器連接頭43-1與柔性單元驅(qū)動(dòng)平臺(tái)41-1-1固定連接;壓力傳感器44-1通過法蘭盤45-1與壓電陶瓷致動(dòng)器42-1的尾部固定連接,壓力傳感器44-1的軸向與壓電陶瓷致動(dòng)器42-1的軸向保持共線;壓力傳感器44-1的另一端與預(yù)緊座46-1固定連接;預(yù)緊座46-1通過螺栓固定連接在支鏈基體41-1上,通過螺栓預(yù)緊對(duì)壓電陶瓷致動(dòng)器42-1施加軸向預(yù)緊載荷;支撐板47-1固定安裝于鉸鏈基體41-1上且覆蓋在壓電陶瓷致動(dòng)器42-1、致動(dòng)器連接頭
43-1、柔性單元驅(qū)動(dòng)平臺(tái)41-1-1、矩形柔性鉸鏈甲41-1-3、矩形柔性鉸鏈乙41-1-4、矩形柔性鉸鏈戊41-1-7的正上方,;如圖4所示,高精度長(zhǎng)度計(jì)48-1的基體通過壓緊蓋49-1固定在支撐板47-1上;長(zhǎng)度計(jì)48-1的測(cè)頭通過篤定在支撐板47-1上的夾緊單元50-1進(jìn)行固定,以保證長(zhǎng)度計(jì)48-1的測(cè)頭軸線與壓電陶瓷致動(dòng)器42-1的軸線相互平行;測(cè)量基座51-1固定安裝于柔性單元終端平臺(tái)41-1-2上;長(zhǎng)度計(jì)48-1的測(cè)頭始終與測(cè)量基座51-1的基準(zhǔn)面相互垂直接觸;在支鏈基體41-1的尾端上固定連接有配重塊52-1,以保證支鏈基體41-1在運(yùn)動(dòng)過程中保持水平且實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)慣量的匹配。
[0029] 如圖1所示,在終端平臺(tái)2的下端固定連接有平面光柵讀數(shù)頭53;在基座1上固定安裝有平面光柵54;平面光柵讀數(shù)頭53與平面光柵54之間保持0.5mm的間距,該間距大小保證了平面光柵54能正常工作;同時(shí),平面光柵讀數(shù)頭53的光路必須沿著平面光柵54的刻線,以保證正常的測(cè)量和讀數(shù)。
[0030] 本發(fā)明所述的并聯(lián)式宏微高精運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的工作過程詳述如下:
[0031] 首先為了保證各支鏈中壓電陶瓷致動(dòng)器在運(yùn)動(dòng)過程中不會(huì)受到拉力的作用,以免影響運(yùn)動(dòng)控制的精度以及破壞致動(dòng)器,需要對(duì)各壓電陶瓷致動(dòng)器施加軸向預(yù)緊載荷。以壓電陶瓷致動(dòng)器42-1的軸向預(yù)緊載荷施加方式為例進(jìn)行說明:先松開預(yù)緊座46-1兩端的緊固螺栓,并在預(yù)緊座46-1的尾部施加軸向推力,觀測(cè)壓力傳感器44-1所測(cè)得的壓力大小,是否達(dá)到所需施加的軸向預(yù)緊載荷的大小,通過調(diào)節(jié)推力的大小直至達(dá)到所需的預(yù)緊載荷值,此時(shí)擰緊預(yù)緊座46-1上的緊固螺栓。當(dāng)完成壓電陶瓷致動(dòng)器42-1的軸向預(yù)緊后,將長(zhǎng)度計(jì)48-1所測(cè)得的支鏈柔性單元的軸向變形值置零。
[0032] 當(dāng)完成所有支鏈的壓電陶瓷致動(dòng)器的軸向預(yù)緊,以及支鏈變形量的初始化設(shè)置后,就能進(jìn)行平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制。該并聯(lián)式宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)所需控制的是終端平臺(tái)的2的位置,該位置是通過直線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的宏動(dòng)和各支鏈的微動(dòng)共同實(shí)現(xiàn)。在給定了終端平臺(tái)2所需達(dá)到的位置值后,通過機(jī)構(gòu)的位置逆解,能分別獲得第一直線進(jìn)給平臺(tái)17和第二直線進(jìn)給平臺(tái)35的運(yùn)動(dòng)位置量。這里以第一直線進(jìn)給系統(tǒng)為例說明在獲得第一直線進(jìn)給平臺(tái)17的位置量后的運(yùn)動(dòng)控制過程:當(dāng)通過機(jī)構(gòu)逆解獲得第一直線進(jìn)給系統(tǒng)平臺(tái)17的位置量后,由于第一直線進(jìn)給平臺(tái)17與第一絲杠螺母9是通過第一絲杠螺母座10固定連接的,因此第一直線進(jìn)給平臺(tái)17與第一絲杠螺母9的位置量是相同的,而第一絲杠螺母9在第一滾珠絲杠5上的軸向位置量要求能轉(zhuǎn)換為第一伺服電機(jī)4的位置控制指令,第一伺服電機(jī)4將根據(jù)位置控制指令
驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸旋轉(zhuǎn),并通過第一聯(lián)軸器6帶動(dòng)第一滾珠絲杠5旋轉(zhuǎn),第一滾珠絲杠5的旋轉(zhuǎn)將驅(qū)動(dòng)第一絲杠螺母9沿著第一滾珠絲杠5的軸向運(yùn)動(dòng),從而能通過第一絲杠螺母座10帶動(dòng)第一直線進(jìn)給平臺(tái)17移動(dòng)。由于第一直線光柵尺19的第一光柵讀數(shù)頭20通過第一光柵連接板18固定連接與第一直線進(jìn)給平臺(tái)17上,因此第一直線進(jìn)給平臺(tái)17的運(yùn)動(dòng)量能通過第一直線光柵尺19進(jìn)行精確測(cè)量,將第一直線進(jìn)給平臺(tái)17的運(yùn)動(dòng)誤差量反饋給第一伺服電機(jī)4進(jìn)行全閉環(huán)補(bǔ)償控制以保證第一直線進(jìn)給平臺(tái)17的運(yùn)動(dòng)位置。
[0033] 通過平面光柵54能測(cè)量出終端平臺(tái)2的運(yùn)動(dòng)誤差,將該誤差量利用各支鏈中的壓電陶瓷致動(dòng)器進(jìn)行補(bǔ)償,這里以第一支鏈為例說明終端平臺(tái)2的運(yùn)動(dòng)誤差微動(dòng)補(bǔ)償過程:首先將平面光柵54測(cè)得的終端平臺(tái)2的運(yùn)動(dòng)誤差量進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解,獲得第一支鏈所需補(bǔ)償?shù)妮S向運(yùn)動(dòng)量,該軸向運(yùn)動(dòng)量正是第一支鏈所需的輸出運(yùn)動(dòng)量。根據(jù)所需的運(yùn)動(dòng)量輸出值,利用壓電陶瓷致動(dòng)器42-1驅(qū)動(dòng)支鏈基體41中的柔性單元發(fā)生變形,并通過長(zhǎng)度計(jì)48-1實(shí)時(shí)測(cè)量支鏈基體41-1中的柔性單元的變形量,將運(yùn)動(dòng)輸出誤差量反饋給壓電陶瓷致動(dòng)器42-1進(jìn)行全閉環(huán)補(bǔ)償控制以保證第一支鏈的軸向運(yùn)動(dòng)輸出量。由于柔性單元的變形能實(shí)現(xiàn)非常高精度的控制,且所選用的長(zhǎng)度計(jì)能實(shí)現(xiàn)納米級(jí)別測(cè)量精度,因此在直線進(jìn)給系統(tǒng)宏動(dòng)的
基礎(chǔ)上,利用支鏈中的微動(dòng)補(bǔ)償能實(shí)現(xiàn)終端平臺(tái)2的高精運(yùn)動(dòng)。另外,在高動(dòng)態(tài)運(yùn)行過程中,能結(jié)合各支鏈中的壓力傳感器進(jìn)行動(dòng)力學(xué)控制,以保證平臺(tái)更為優(yōu)異的動(dòng)態(tài)性能及更高的動(dòng)態(tài)軌跡跟蹤精度。
[0034] 需要說明的是為何在運(yùn)動(dòng)過程僅考慮各支鏈中柔性單元的軸向變形量,以及為何不考慮彎曲變形量,這里同樣以第一支鏈為例進(jìn)行說明:首先由于矩形柔性鉸鏈的
剛度相比于其余部分非常小,因此在運(yùn)動(dòng)過程中相比于矩形柔性鉸鏈忽略掉其余部分所發(fā)生的變形量;在第一支鏈運(yùn)動(dòng)過程中,由于第一支鏈兩端分別通過第一固定旋轉(zhuǎn)軸39-1和第一轉(zhuǎn)動(dòng)軸40-1進(jìn)行鉸接,其轉(zhuǎn)動(dòng)
摩擦力較小,因此第一支鏈認(rèn)為是一二力桿,在運(yùn)動(dòng)過程中主要受到軸向力的作用,橫向力及彎矩非常小,因此忽略橫向力及彎矩,因此支鏈基體41-1中的柔性單元主要發(fā)生軸向變形;另外,矩形鉸鏈甲41-1-3、矩形鉸鏈乙41-1-4、矩形鉸鏈丙41-1-5、矩形鉸鏈丁41-1-6的橫向布置方式,使得鉸鏈基體41-1中的柔性單元的軸向剛度較小,而橫向剛度較大,因此運(yùn)動(dòng)過程中更易發(fā)生軸向變形。綜合上述原因,在微動(dòng)補(bǔ)償中,僅需控制各支鏈中柔性單元的軸向變形量。
[0035] 另外,在柔性單元驅(qū)動(dòng)平臺(tái)41-1-1和柔性單元終端平臺(tái)41-1-2之間通過矩形柔性鉸鏈戊41-1-7進(jìn)行連接,其主要原因是為了保證當(dāng)柔性單元終端平臺(tái)41-1-2發(fā)生橫向或扭轉(zhuǎn)變形時(shí),矩形柔性鉸鏈戊41-1-7能吸收這些位移量,而減小在柔性單元驅(qū)動(dòng)平臺(tái)41-1-1與壓電陶瓷致動(dòng)器42-1相連接處的橫向載荷及轉(zhuǎn)矩,從而全面保護(hù)壓電陶瓷42-1的控制精度以及工作過程中的安全性。