一種微納操作環(huán)境下的精密宏動(dòng)并聯(lián)定位系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及精密制造、精密測(cè)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(dòng)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(cè)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(lái)越重要的地位。如在生物工程，精密機(jī)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(duì)樣本進(jìn)行研究。微納操作系統(tǒng)包括觀測(cè)器，定位平臺(tái)與操縱器，現(xiàn)有商用觀測(cè) 器如掃描電子顯微鏡（SEM)等，其配備的定位平臺(tái)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(dá)到高精度的定位要求，針對(duì)串聯(lián)結(jié)構(gòu)誤差累計(jì)大、剛度低的缺點(diǎn)，研究者們提 出了并聯(lián)機(jī)構(gòu)的概念；針對(duì)傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)難以規(guī)避運(yùn)動(dòng)副間隙及裝配誤差等缺點(diǎn)，提出了柔順 機(jī)構(gòu)的概念。
[0004] 并聯(lián)機(jī)構(gòu)是指動(dòng)平臺(tái)和定平臺(tái)通過(guò)至少兩個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)鏈相連接，機(jī)構(gòu)具有兩個(gè) 或兩個(gè)以上自由度，且以并聯(lián)方式驅(qū)動(dòng)的一種閉環(huán)機(jī)構(gòu)。它具有高剛度、高負(fù)載以及快速響 應(yīng)等特點(diǎn)。目前得到廣泛應(yīng)用的有Delta機(jī)構(gòu)、Stewart機(jī)構(gòu)、Tricept機(jī)構(gòu)等。柔順機(jī)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(lèi)似傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的一種運(yùn)動(dòng)副形式。 它具有高精度、免裝配、無(wú)間隙和摩擦等特點(diǎn)。目前已被廣泛運(yùn)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(jī)構(gòu)通常僅具有微米級(jí)的工作空間；并聯(lián)機(jī)構(gòu) 能輕易實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)以上工作空間，卻難達(dá)到亞微米級(jí)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(shí) 驗(yàn)樣機(jī)。宏微結(jié)合的定位方法，能使機(jī)構(gòu)具有毫米級(jí)行程與納米級(jí)定位精度。但該方法需 保證宏動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)能精確定位至微動(dòng)平臺(tái)的工作空間內(nèi)（通常為微米或亞微米級(jí)），這 就給宏動(dòng)并聯(lián)精密定位平臺(tái)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(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)與微動(dòng)柔順機(jī)構(gòu)結(jié)合的方式相對(duì) 較少。其中宏動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)上通常采用電磁旋轉(zhuǎn)式電機(jī)（包括伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等） 進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，需要安裝減速機(jī)構(gòu)來(lái)降低轉(zhuǎn)速，提高力矩，如高名旺所著論文：《平面并聯(lián)機(jī)器人 設(shè)計(jì)、分析與控制》中的3-RRR實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。這既增加了機(jī)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(jī)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(jī)構(gòu)的定位精度。此外，傳統(tǒng)直線驅(qū)動(dòng)的機(jī)械傳動(dòng)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(shí)驗(yàn) 樣機(jī)，會(huì)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(jī)構(gòu)定位精 度通常只能達(dá)到微米級(jí)。另一方面，電磁電機(jī)工作會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)，在某些對(duì)電磁場(chǎng)有嚴(yán)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(jī)構(gòu)及目前已查文獻(xiàn)，均未考慮對(duì)并聯(lián)機(jī)構(gòu)支鏈裝配誤差進(jìn)行 消除。并聯(lián)機(jī)構(gòu)尤其是平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)，各支鏈的裝配誤差會(huì)導(dǎo)致動(dòng)平臺(tái)傾斜或變形，影響機(jī) 構(gòu)定位精度。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0009] 本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種微納操作環(huán)境下的 精密宏動(dòng)并聯(lián)定位系統(tǒng)。
[0010] 本實(shí)用新型的目的通過(guò)以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0011] 一種微納操作環(huán)境下的精密宏動(dòng)并聯(lián)定位系統(tǒng)，包括順序相連的機(jī)械本體、標(biāo)定 裝置和控制裝置，通過(guò)標(biāo)定裝置標(biāo)定機(jī)械本體的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，輸入到控制裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ) 償，再通過(guò)控制裝置驅(qū)動(dòng)機(jī)械本體按預(yù)定軌跡實(shí)現(xiàn)精密定位。
[0012] 所述的機(jī)械本體，具有兩平動(dòng)一轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度，包括底座、三組以上的相同的超聲 電機(jī)驅(qū)動(dòng)支鏈，以及動(dòng)平臺(tái)；
[0013] 其中，底座與地面或腔體內(nèi)壁固定連接；超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)支鏈沿底座中心軸對(duì)稱(chēng)分 布且與底座固定連接，相對(duì)底座平動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)；動(dòng)平臺(tái)與超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)支鏈固定連接，相對(duì)超 聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)支鏈轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0014] 所述的標(biāo)定裝置，包括激光位移跟蹤儀測(cè)量模塊和直線光柵測(cè)量模塊；
[0015] 其中，激光位移跟蹤儀測(cè)量模塊，用于標(biāo)定運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的實(shí)際值：將激光反射球、 激光跟蹤儀采集的信號(hào)輸入工控機(jī)進(jìn)行處理；所述激光反射球固定連接于機(jī)械本體上；
[0016] 直線光柵測(cè)量模塊，用于反饋關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)位置，校正動(dòng)平臺(tái)原點(diǎn)：將銦鋼光柵尺、光 柵讀數(shù)頭采集的信號(hào)經(jīng)由光柵讀數(shù)頭細(xì)分接口輸入控制器進(jìn)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(jī)械本體上。
[0017] 所述的控制裝置，包括直線電機(jī)控制模塊、動(dòng)平臺(tái)定位控制模塊、溫度補(bǔ)償模塊； 用于處理各模塊信號(hào)并做出相應(yīng)的處理，驅(qū)動(dòng)機(jī)械本體按預(yù)定軌跡運(yùn)動(dòng)；
[0018] 其中，直線電機(jī)控制模塊：通過(guò)工控機(jī)把目標(biāo)位置信息輸入控制器，控制器經(jīng)計(jì) 算得出驅(qū)動(dòng)量輸出到直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，再驅(qū)動(dòng)機(jī)械本體運(yùn)動(dòng)；反饋環(huán)節(jié)采用直線光柵測(cè)量 模塊，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制；
[0019] 動(dòng)平臺(tái)定位控制模塊，采用奇異區(qū)域規(guī)避與逃逸控制策略，實(shí)時(shí)判斷動(dòng)平臺(tái)軌跡， 當(dāng)動(dòng)平臺(tái)軌跡接近奇異區(qū)域邊界時(shí)，同時(shí)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(dāng)動(dòng)平臺(tái)遠(yuǎn)離奇異區(qū)域的時(shí)候，恢復(fù)原軌跡運(yùn)行，其中軌跡跟蹤采用自校正算法， 對(duì)動(dòng)平臺(tái)軌跡進(jìn)行實(shí)時(shí)校正，實(shí)現(xiàn)軌跡跟蹤；當(dāng)動(dòng)平臺(tái)因?yàn)閿_動(dòng)而進(jìn)入奇異區(qū)域時(shí)，將采用 奇異區(qū)域逃逸策略，實(shí)現(xiàn)奇異區(qū)域的快速逃逸；
[0020] 溫度補(bǔ)償模塊，將溫度傳感器檢測(cè)到的溫度信號(hào)，通過(guò)控制器輸入工控機(jī)進(jìn)行處 理；根據(jù)測(cè)量的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)隨溫度變化規(guī)律，對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的修正補(bǔ)償。
[0021 ] 所述的底座，包括底板、偏心輪夾緊機(jī)構(gòu)，其中偏心輪夾緊機(jī)構(gòu)由多個(gè)對(duì)稱(chēng)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(duì)應(yīng)的偏心輪定位孔中，相對(duì)底板做 旋轉(zhuǎn)調(diào)整，并通過(guò)螺釘和彈簧墊片與底板固定連接；
[0022] 所述的超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)支鏈由主動(dòng)移動(dòng)副關(guān)節(jié)、被動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)副關(guān)節(jié)I、被動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)副關(guān) 節(jié)II組成；所述主動(dòng)移動(dòng)副關(guān)節(jié)由滾動(dòng)直線軸承、電機(jī)固定支架、連接板、直線超聲電機(jī)組 成；所述被動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)副關(guān)節(jié)I由關(guān)節(jié)機(jī)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(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)直線軸承包括導(dǎo)軌和滑塊；所述直線超聲電機(jī)包括基體與 導(dǎo)桿；
[0023] 超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)支鏈內(nèi)部連接關(guān)系為：主動(dòng)移動(dòng)副關(guān)節(jié)與被動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)副關(guān)節(jié)I固定連 接；被動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)副關(guān)節(jié)I與被動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)副關(guān)節(jié)II固定連接；
[0024] 主動(dòng)移動(dòng)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(jī)固定支架上；
[0025] 被動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)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(guò)渡配合， 分別安裝在所述關(guān)節(jié)機(jī)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(guò)渡配合固定連接；所述彈性變形件放置在關(guān)節(jié)機(jī)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(jī)架下端安裝孔擋肩及精密軸承II上端面貼合；
[0026] 被動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)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(guò)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(guò)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(guò)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(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)安裝的精密角接觸球軸承；所述被動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)支鏈與動(dòng)平臺(tái)相對(duì)高度的螺紋。
[0030] 所述的微納