一種微納操作環(huán)境下的精密宏動并聯(lián)定位系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及精密制造、精密測量、精密定位領(lǐng)域，特別涉及一種微納操作環(huán)境 下的精密宏動并聯(lián)定位系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，精密制造、精密測量及精密定位技術(shù)在科研前沿和工業(yè)生 產(chǎn)中占據(jù)越來越重要的地位。如在生物工程，精密機械工程或材料科學(xué)領(lǐng)域中，常需使用微 納操作系統(tǒng)對樣本進行研究。微納操作系統(tǒng)包括觀測器，定位平臺與操縱器，現(xiàn)有商用觀測 器如掃描電子顯微鏡（SEM)等，其配備的定位平臺常采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)，精度低、易累積誤差， 不滿足高精密操作的要求。
[0003] 為達到高精度的定位要求，針對串聯(lián)結(jié)構(gòu)誤差累計大、剛度低的缺點，研究者們提 出了并聯(lián)機構(gòu)的概念；針對傳統(tǒng)機構(gòu)難以規(guī)避運動副間隙及裝配誤差等缺點，提出了柔順 機構(gòu)的概念。
[0004] 并聯(lián)機構(gòu)是指動平臺和定平臺通過至少兩個獨立的運動鏈相連接，機構(gòu)具有兩個 或兩個以上自由度，且以并聯(lián)方式驅(qū)動的一種閉環(huán)機構(gòu)。它具有高剛度、高負載以及快速響 應(yīng)等特點。目前得到廣泛應(yīng)用的有Delta機構(gòu)、Stewart機構(gòu)、Tricept機構(gòu)等。柔順機構(gòu) 是指在外力或力矩作用下，利用材料彈性變形產(chǎn)生類似傳統(tǒng)機構(gòu)運動的一種運動副形式。 它具有高精度、免裝配、無間隙和摩擦等特點。目前已被廣泛運用于微定位，微操作及微裝 配等領(lǐng)域。
[0005] 然而，由于受工作原理限制，柔順機構(gòu)通常僅具有微米級的工作空間；并聯(lián)機構(gòu) 能輕易實現(xiàn)毫米級以上工作空間，卻難達到亞微米級定位精度。為解決大行程與高精度這 一矛盾，研究者提出了宏微結(jié)合的定位方法，如K.H.帕克（K.H. PARK音譯）等人所著論文 《High Speed Micro Positioning System Based on Coarse/Fine Pair Control》中的實 驗樣機。宏微結(jié)合的定位方法，能使機構(gòu)具有毫米級行程與納米級定位精度。但該方法需 保證宏動平臺的運動能精確定位至微動平臺的工作空間內(nèi)（通常為微米或亞微米級），這 就給宏動并聯(lián)精密定位平臺提出了極高的性能要求。
[0006] 目前宏微結(jié)合的定位方法中，米用宏動并聯(lián)機構(gòu)與微動柔順機構(gòu)結(jié)合的方式相對 較少。其中宏動并聯(lián)機構(gòu)設(shè)計上通常采用電磁旋轉(zhuǎn)式電機（包括伺服電機、步進電機等） 進行驅(qū)動，需要安裝減速機構(gòu)來降低轉(zhuǎn)速，提高力矩，如高名旺所著論文：《平面并聯(lián)機器人 設(shè)計、分析與控制》中的3-RRR實驗樣機。這既增加了機構(gòu)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，不利于SEM等 空間狹小的地方應(yīng)用，又使機構(gòu)不可避免地產(chǎn)生了間隙、彈性形變及摩擦等非線性因素的 影響，降低了機構(gòu)的定位精度。此外，傳統(tǒng)直線驅(qū)動的機械傳動結(jié)構(gòu)：如王曉云（Xiaoyun Wang 音譯）等人所著論文《Experimental Identification and Active Control of Configuration Dependent Linkage Vibration in a Planar Parallel Robot〉〉中的實驗 樣機，會引入滾珠絲杠、軸承等部件的間隙誤差，導(dǎo)程誤差等非線性因素，使得機構(gòu)定位精 度通常只能達到微米級。另一方面，電磁電機工作會產(chǎn)生電磁場，在某些對電磁場有嚴格限 制的使用環(huán)境（如掃描電子顯微鏡真空腔）中并不適用。
[0007][0008] 此外，以上所提及機構(gòu)及目前已查文獻，均未考慮對并聯(lián)機構(gòu)支鏈裝配誤差進行 消除。并聯(lián)機構(gòu)尤其是平面并聯(lián)機構(gòu)，各支鏈的裝配誤差會導(dǎo)致動平臺傾斜或變形，影響機 構(gòu)定位精度。 【實用新型內(nèi)容】
[0009] 本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點與不足，提供一種微納操作環(huán)境下的 精密宏動并聯(lián)定位系統(tǒng)。
[0010] 本實用新型的目的通過以下的技術(shù)方案實現(xiàn)：
[0011] 一種微納操作環(huán)境下的精密宏動并聯(lián)定位系統(tǒng)，包括順序相連的機械本體、標定 裝置和控制裝置，通過標定裝置標定機械本體的運動學(xué)參數(shù)，輸入到控制裝置進行實時補 償，再通過控制裝置驅(qū)動機械本體按預(yù)定軌跡實現(xiàn)精密定位。
[0012] 所述的機械本體，具有兩平動一轉(zhuǎn)動的自由度，包括底座、三組以上的相同的超聲 電機驅(qū)動支鏈，以及動平臺；
[0013] 其中，底座與地面或腔體內(nèi)壁固定連接；超聲電機驅(qū)動支鏈沿底座中心軸對稱分 布且與底座固定連接，相對底座平動及轉(zhuǎn)動；動平臺與超聲電機驅(qū)動支鏈固定連接，相對超 聲電機驅(qū)動支鏈轉(zhuǎn)動。
[0014] 所述的標定裝置，包括激光位移跟蹤儀測量模塊和直線光柵測量模塊；
[0015] 其中，激光位移跟蹤儀測量模塊，用于標定運動學(xué)參數(shù)的實際值：將激光反射球、 激光跟蹤儀采集的信號輸入工控機進行處理；所述激光反射球固定連接于機械本體上；
[0016] 直線光柵測量模塊，用于反饋關(guān)節(jié)運動位置，校正動平臺原點：將銦鋼光柵尺、光 柵讀數(shù)頭采集的信號經(jīng)由光柵讀數(shù)頭細分接口輸入控制器進行處理；所述的銦鋼光柵尺固 定連接于底板上，所述光柵讀數(shù)頭固定連接于機械本體上。
[0017] 所述的控制裝置，包括直線電機控制模塊、動平臺定位控制模塊、溫度補償模塊； 用于處理各模塊信號并做出相應(yīng)的處理，驅(qū)動機械本體按預(yù)定軌跡運動；
[0018] 其中，直線電機控制模塊：通過工控機把目標位置信息輸入控制器，控制器經(jīng)計 算得出驅(qū)動量輸出到直線電機驅(qū)動器，再驅(qū)動機械本體運動；反饋環(huán)節(jié)采用直線光柵測量 模塊，從而實現(xiàn)閉環(huán)控制；
[0019] 動平臺定位控制模塊，采用奇異區(qū)域規(guī)避與逃逸控制策略，實時判斷動平臺軌跡， 當動平臺軌跡接近奇異區(qū)域邊界時，同時采取軌跡半徑縮短與變姿態(tài)的策略，規(guī)避、穿越奇 異區(qū)域，當動平臺遠離奇異區(qū)域的時候，恢復(fù)原軌跡運行，其中軌跡跟蹤采用自校正算法， 對動平臺軌跡進行實時校正，實現(xiàn)軌跡跟蹤；當動平臺因為擾動而進入奇異區(qū)域時，將采用 奇異區(qū)域逃逸策略，實現(xiàn)奇異區(qū)域的快速逃逸；
[0020] 溫度補償模塊，將溫度傳感器檢測到的溫度信號，通過控制器輸入工控機進行處 理；根據(jù)測量的運動學(xué)參數(shù)隨溫度變化規(guī)律，對運動學(xué)參數(shù)進行實時的修正補償。
[0021 ] 所述的底座，包括底板、偏心輪夾緊機構(gòu)，其中偏心輪夾緊機構(gòu)由多個對稱分布在 底板上的相同的偏心輪柱構(gòu)成；偏心輪柱嵌入底板上對應(yīng)的偏心輪定位孔中，相對底板做 旋轉(zhuǎn)調(diào)整，并通過螺釘和彈簧墊片與底板固定連接；
[0022] 所述的超聲電機驅(qū)動支鏈由主動移動副關(guān)節(jié)、被動轉(zhuǎn)動副關(guān)節(jié)I、被動轉(zhuǎn)動副關(guān) 節(jié)II組成；所述主動移動副關(guān)節(jié)由滾動直線軸承、電機固定支架、連接板、直線超聲電機組 成；所述被動轉(zhuǎn)動副關(guān)節(jié)I由關(guān)節(jié)機架、轉(zhuǎn)軸I、精密軸承I、精密軸承II、彈性變形件、鎖 緊螺母I、壓板組成；所述被動轉(zhuǎn)動副關(guān)節(jié)II由連桿、轉(zhuǎn)軸II、精密軸承III、精密軸承IV、端 蓋、鎖緊螺母II組成；所述滾動直線軸承包括導(dǎo)軌和滑塊；所述直線超聲電機包括基體與 導(dǎo)桿；
[0023] 超聲電機驅(qū)動支鏈內(nèi)部連接關(guān)系為：主動移動副關(guān)節(jié)與被動轉(zhuǎn)動副關(guān)節(jié)I固定連 接；被動轉(zhuǎn)動副關(guān)節(jié)I與被動轉(zhuǎn)動副關(guān)節(jié)II固定連接；
[0024] 主動移動副關(guān)節(jié)內(nèi)部連接關(guān)系為：所述連接板與所述滑塊固定連接；所述基體與 連接板固定連接；所述導(dǎo)桿兩端固定連接于所述電機固定支架上；
[0025] 被動轉(zhuǎn)動副關(guān)節(jié)I內(nèi)部連接關(guān)系為：所述精密軸承I、精密軸承II采用過渡配合， 分別安裝在所述關(guān)節(jié)機架上端與下端的安裝孔中；所述轉(zhuǎn)軸I與精密軸承I、精密軸承II 內(nèi)圈采用過渡配合固定連接；所述彈性變形件放置在關(guān)節(jié)機架下端安裝孔擋肩與精密軸承 II之間；所述壓板與轉(zhuǎn)軸I下端面固定連接；所述鎖緊螺母I安裝在轉(zhuǎn)軸I上端，旋緊后 鎖緊螺母I與精密軸承I端面貼合，壓板與精密軸承II端面貼合；彈性變形件受力變形，其 上下邊緣分別與關(guān)節(jié)機架下端安裝孔擋肩及精密軸承II上端面貼合；
[0026] 被動轉(zhuǎn)動副關(guān)節(jié)II內(nèi)部連接關(guān)系為：所述精密軸承III、精密軸承IV采用過渡配合 設(shè)置在所述連桿的安裝孔中；所述端蓋置入安裝孔中，配合安裝孔的擋肩壓緊精密軸承III、 精密軸承IV，使精密軸承III、精密軸承IV外圈與連桿固定連接；所述轉(zhuǎn)軸II與精密軸承III、 精密軸承IV采用過渡配合固定連接；所述鎖緊螺母II安裝在轉(zhuǎn)軸II下端，旋緊后鎖緊螺母 II，通過轉(zhuǎn)軸II軸肩壓緊精密軸承III、精密軸承IV，使精密軸承III、精密軸承IV內(nèi)圈與轉(zhuǎn)軸 II固定連接；
[0027] 所述的銦鋼光柵尺固定連接于底板上，所述光柵讀數(shù)頭固定連接于連接板上；所 述的溫度傳感器固定連接于底板上。
[0028] 所述的被動轉(zhuǎn)動副關(guān)節(jié)II采用軸承定位預(yù)緊的結(jié)構(gòu)：所述精密軸承III、精密軸承 IV為成對安裝的精密角接觸球軸承；所述被動轉(zhuǎn)動副關(guān)節(jié)I采用軸承定壓預(yù)緊的結(jié)構(gòu)：所 述精密軸承I、精密軸承II為精密角接觸球軸承，所述關(guān)節(jié)機架安裝孔中設(shè)置了所述彈性 變形件。
[0029] 所述的轉(zhuǎn)軸II兩端具有用于調(diào)整超聲電機驅(qū)動支鏈與動平臺相對高度的螺紋。
[0030] 所述的微納