一种三自由度宏微运动并联结构装置及控制方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种三自由度宏微运动并联结构装置及控制方法，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。本发明专利技术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。

A three degree of freedom macro micro parallel structure and its control method

The invention discloses a three degree of freedom macro micro motion parallel structure device and a control method, including a mechanical body part, a detection part and a control part; a mechanical body part includes an air floating platform, a platform static base, a micro motion platform, a macro motion support chain driving the micro motion of the micro motion platform, a micro motion support chain driving the micro motion platform precision, and a detection part includes a grating displacement sensor The control part includes voice coil motor servo amplifier, linear precision unit servo amplifier, motion control card, data acquisition card and computer. The macro motion of the voice coil linear motor of the invention ensures track tracking and motion range, the micro motion driven by the linear precision drive unit realizes high-precision positioning control, the macro motion and micro motion integration solves the contradiction between large stroke and high precision, and realizes high-precision positioning control in a large working space.

【技术实现步骤摘要】
一种三自由度宏微运动并联结构装置及控制方法
本专利技术涉及精密定位领域，具体涉及一种三自由度宏微运动并联结构装置及控制方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本专利技术提供一种三自由度宏微运动并联结构装置及控制方法。为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：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。本专利技术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专利技术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)本专利技术采用宏/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)本专利技术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)本专利技术的并联结构平台，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是本专利技术的总体结构示意图；图2是本专利技术的正视图；图3是本专利技术的俯视图；图4是本专利技术的宏动驱动部分结构示意图；图5是本专利技术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，对本专利技术作进一步地详细说明，但本专利技术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-本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：张宪民，姚锡森，邱志成，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44