CN110905909B - 一种平面三自由度精密定位平台、其使用方法与控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种平面三自由度精密定位平台、其使用方法与控制方法。该定位平台包括基座以及位于基座上的动平台、传动机构以及四个音圈电机；传动机构包含四条柔性支链，每条柔性支链包含三个柔性P单元与一个柔性R单元，通过柔性P单元的结构设计、各柔性P单元的连接设计、柔性R单元的结构设计以及与柔性P单元的连接设计实现了沿X轴与Y轴的平动以及绕Z轴的转动。与现有技术相比，本发明解决了传动机构的运动范围与运动刚度和运动精度之间的矛盾，定位平台具有大运动范围、高输出刚度和高运动精度；同时可有效弥补音圈电机推力不足的问题，冗余驱动支链的加入减小了音圈电机的驱动力峰值要求。

Description

一种平面三自由度精密定位平台、其使用方法与控制方法

技术领域

本发明涉及精密定位技术领域，特别涉及一种平面三自由度精密定位平台、其使用方法与控制方法。

背景技术

传动机构一直是机械装备实现功能的基础，而精密传动机构更是现代精密工程领域需要迫切发展的关键技术之一。

传统刚性机构依靠运动副进行力和位移的传递，由于构件间不可避免地存在着间隙、摩擦和磨损，很难达到微米或者微米以下的运动精度。柔顺并联机构通过结构的弹性变形传递力和位移，彻底消除了运动副传动过程中的空程和机械摩擦，因而可以获得极高的位移分辨率和重复定位精度。

目前平面三自由度精密定位平台大多采用压电陶瓷驱动，尽管具有较高的运动精度，但是由于压电陶瓷的变形特点仅能提供微米级的运动范围，严重限制了精密运动平台的应用范围。

为了解决这一问题，中国专利CN109848932A中公开了一种采用音圈电机驱动和柔性簧片传动的精密运动平台，该定位平台具有毫米级甚至厘米级的运动范围，但是由于音圈电机的输出力有限，导致此类精密定位平台的输出刚度都比较低，平台运动时的响应速度和抗干扰能力较差，同时机构在高速运动场合极易产生振动，影响了机构的运动精度和效率。

中国专利CN202448118U公开了一种二平动长行程并联精密定位平台，包括两层柔顺机构板，每层柔顺机构板包括两个平行设置的分体，每个分体由三个复合板簧式柔性铰链组成。该定位平台具有较高的输出刚度，为了达到厘米级的位移需要选用驱动力较大的音圈电机，不仅增加了机构的体积，长时间工作时也会导致机构发热严重。同时该机构只有两个平动自由度，无法对末端平台的转动进行调节。

发明内容

针对上述技术现状，本发明提供一种精密定位平台，可实现平面二自由度的平移以及沿平面的转动，并且具有大运动范围、高输出刚度和高运动精度。

本发明的技术方案为：一种平面三自由度精密定位平台，包括基座以及位于基座上的动平台、传动机构以及四个音圈电机；

所述传动机构包含四条完全相同的柔性支链，所述柔性支链以动平台为中心呈中心对称分布；每条支链对应连接一个音圈电机；

每条柔性支链由三个结构完全相同的柔性P单元与一个柔性R单元组成；

如图1所示，所述柔性P单元包含U型支架(即由底板与两个互相平行的侧板组成)、第一连接板、第二连接板以及四个弹簧片组成；四个弹簧片分别记作第一弹簧片、第二弹簧片、第三弹簧片与第四弹簧片，其中第一弹簧片与第二弹簧片完全相同，第三弹簧片与第四弹簧片完全相同；

所述第一连接板的两端分别连接第一弹簧片与第二弹簧片的一端，第一弹簧片与第二弹簧片的另一端分别连接U型支架开口端的两侧，形成近似“凹”型结构；

所述第二连接板的两端分别连接第三弹簧片与第四弹簧片一端，使第三弹簧片与第四弹簧片平行，形成U型结构，所述U型结构的开口端固定在第一连接板的两端之间；

如图2所示，所述柔性R单元由两块弯曲相同的弹簧片组成，两块弹簧片互相垂直形成三角形结构，与动平台的四周相连；

所述柔性支链中，两个柔性P单元(记作柔性P单元A与柔性P单元B)，对称分布在第三个柔性P单元(记作柔性P单元C)的两侧，并且柔性P单元A与柔性P单元B的第二连接板分别与柔性P单元C的U型支架的两侧板固定连接；柔性P单元C的U形支架的底板与对应音圈电机的动子固定连接，柔性P单元C的第二连接板通过连接件固定连接柔性R单元中两弹簧片相连接的部分。

作为优选，U型支架的两个侧板在开口端分别向内弯曲形成直角，使第一弹簧片与第二弹簧片互相平行。

作为优选，所述平面三自由度精密定位平台还包括线性伺服放大器，通过线性伺服放大器将指令信号放大后作用于音圈电机，线性放大器可有效降低驱动器的输出纹波，从而保障音圈电机运动的精确度和线性度。

作为优选，所述平面三自由度精密定位平台还包括动平台位移传感器，用于采集动平台产生的位移信号。作为一种实现方式，所述位移传感器包括反射镜与激光位移传感器，用于反射激光位移传感器发出的激光信号。

本发明中，柔性支链包含三个柔性P单元与一个柔性R单元，通过连接设计，使动子运动时与动子相连的柔性P单元A与柔性P单元B的弹簧片发生形变，从而约束音圈电机动子沿轴向运动，而柔性P单元C中的弹簧片不发生形变。通过控制各音圈电机中动子的收缩与伸长，可控制四条支链中柔性P单元C中弹簧片是否发生形变，从而实现动平台在平面的运动，具体控制方法如下：

沿着以动平台为中心的环绕方向，四个柔性支链分别记为第一柔性支链、第二柔性支链、第三柔性支链与第四柔性支链；与其相对应的音圈电机分别记为第一音圈电机、第二音圈电机、第三音圈电机、第四音圈电机；

对四个音圈电机控制如下：

当控制第二音圈电机与第四音圈电机分别伸长和缩短，此过程中，第二柔性支链与第四柔性支链中的柔性P单元A与柔性P单元B中的弹簧片发生形变朝向X+方向弯曲，第一柔性支链与第三柔性支链中的柔性P单元C中的四个弹簧片也发生形变朝向X+方向弯曲，使第二音圈电机与第四音圈电机的动子均沿X+方向运动。同理，当控制第二音圈电机与第四音圈电机分别缩短与伸长，可实现平台沿X﹣方向平动。

当控制第一音圈电机与第三音圈电机分别伸长和缩短，此过程中，第一柔性支链与第三柔性支链中的柔性P单元A与柔性P单元B中的弹簧片发生形变朝向Y﹣方向弯曲，同时第二柔性支链与第四柔性支链中的柔性P单元C中的四个弹簧片也发生形变朝向Y﹣方向弯曲，从而带动平台沿Y﹣轴方向平动。同理，当控制第一音圈电机与第三音圈电机分别缩短与伸长，可实现平台沿Y﹢方向平动。

当控制四个音圈电机同时伸长，即，第一音圈电机的动子沿轴向Y﹣方向运动、第二音圈电机的动子沿轴向X﹢方向运动、第三音圈电机的动子沿轴向Y+方向运动，第四音圈电机的动子沿轴向X﹣方向运动。此过程中，第一柔性支链中，不仅柔性P单元A与柔性P单元B中的弹簧片朝Y﹣方向发生形变，并且柔性P单元C中的弹簧片也发生形变并且朝向X+方向；同理，第二柔性支链中，不仅柔性P单元A与柔性P单元B中的弹簧片朝X﹢方向发生形变，并且柔性P单元C中的弹簧片也发生形变并且朝向Y+方向；同理，第三柔性支链中，不仅柔性P单元A与柔性P单元B中的第三弹簧片与第四弹簧片朝Y+方向发生形变，并且柔性P单元C中的弹簧片也发生形变并且朝向X﹣方向；同理，第四柔性支链中，不仅柔性P单元A与柔性P单元B中的弹簧片朝X-方向发生形变，并且柔性P单元C中的第三弹簧片与第四弹簧片也发生形变并且朝向Y﹣方向；因此，通过连接件使各柔性R单元中的弹性簧片绕连接部位转动，实现动平台在XY平面的顺时针转动。

同理，当控制控制四个音圈电机同时缩短，可实现动平台在XY平面的逆时针转动。

本发明的精密定位平台的控制过程为：控制器发出指令信号至音圈电机，驱动音圈电机的动子到达指定的位移，传送机构的柔性支链发生弹性变形，将驱动的力和位移传递到动平台，使动平台运动。

作为优选，通过线性伺服放大器将指令信号放大后作用于音圈电机。

作为优选，采用位移传感器测量动平台的位姿，通过闭环控制算法对动平台的位姿进行实时校正，保证定位平台的运动精度。

本发明中，传动机构包含四条柔性支链，每条柔性支链连接一个音圈电机，每条柔性支链包含三个柔性P单元与一个柔性R单元，通过柔性P单元的结构设计、各柔性P单元的连接设计、柔性R单元的结构设计以及与柔性P单元的连接设计实现了动平台沿X轴与Y轴的平动以及绕Z轴的转动。与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明的定位平台是一种柔性并联定位平台，通过柔性支链的弹性变形实现大范围无间隙传动，使动平台平动的运动范围大、可减小寄生运动，可提高平动线性度；动平台的转动不仅具有较大的转动范围，而且还具有较高的转动精度；

(2)本发明中，柔性支链提高了传动机构的输出刚度，同时了降低了音圈电机的峰值驱动力；

(3)本发明中，四条柔性支链采用正交的布置方式，实现了平面柔顺并联机构的平动解耦；

(4)本发明中，动平台可实现平面三自由度的精确运动(沿X轴与Y轴的平动以及绕Z轴的转动)，传动机构为一体化的整体式结构，可采用线切割工艺一体化加工成型，减少了机械装配误差对机构运动精度的影响。

因此，本发明解决了传动机构的运动范围与运动刚度和运动精度之间的矛盾，提供了一种新型的具有大运动范围、高输出刚度和高运动精度的柔性并联定位平台。

附图说明

图1是本发明实施例中精密定位平台的整体结构图。

图2是图1中的传动机构的结构示意图。

图3是图2中柔性支链的结构示意图。

图4是柔性支链中柔性P单元的结构示意图。

图5是柔性支链中柔性R单元的结构示意图。

图6位平台的控制架构图。

图1至图5中的附图标记为：传动机构1、第一激光位移传感器2、第一反射镜3、第一音圈电机4、第二激光位移传感器5、第二反射镜6、第二音圈电机7、第三激光位移传感器8、第三反射镜9、第三音圈电机10、第四音圈电机11、基座12、第一柔性运动支链13、动平台14、柔性P单元A15、柔性P单元C16、柔性P单元B17、柔性R单元18、第一弹簧片19、第二弹簧片20、第三弹簧片21、第四弹簧片22、第五弹簧片23、第六弹簧片24、第二柔性支链25、第三柔性支链26、第四柔性支链27、连接件28、U型支架29、第一连接板30、第二连接板31。

具体实施方式

下面结合实施例与附图对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

如图1所示，精密定位平台包括基座12，位于基座12上的动平台14、传动机构1，四个音圈电机，即第一音圈电机4、第二音圈电机7、第三音圈电机10、与第四音圈电机11。

如图2所示，传动机构1包含四条完全相同的柔性支链，即第一柔性支链13、第二柔性支链25、第三柔性支链26与第四柔性支链27。并且，四条柔性支链以动平台14为中心呈中心对称分布，且四条支链呈90度正交分布。每条柔性支链对应连接一个音圈电机，即第一柔性支链13连接第一音圈电机4、第二柔性支链25连接第二音圈电机7、第三柔性支链26连接第三音圈电机10，第四柔性支链27连接第四音圈电机11。

如图3所示，每条柔性支链由三个结构完全相同的柔性P单元，即柔性P单元A15、柔性P单元B17与柔性P单元C16，以及一个柔性R单元18组成。

如图4所示，柔性P单元由U型支架29以及第一连接板30、第二连接板31以及四个弹簧片组成。所述U型支架29是由底板与两个互相平行的侧板组成，形成U字型结构，本实施例中，在U字型结构的开口端两个侧板分别向内弯曲形成直角。四个弹簧片分别记作第一弹簧片19、第二弹簧片20、第三弹簧片21与第四弹簧片22。其中，第一弹簧片19与第二弹簧片20完全相同，第三弹簧片21与第四弹簧片22完全相同。

第一连接板30的两端分别固定连接第一弹簧片19与第二弹簧片20的一端，第一弹簧片19的另一端固定连接U型支架29开口端的一侧，第二弹簧片20的另一端固定连接U型支架29开口端的另一侧，并且第一弹簧片19与第二弹簧片20互相平行，形成凹字型结构。

第二连接板31的两端分别连接第三弹簧片21与第四弹簧片22一端，使第三弹簧片21与第四弹簧片22平行，形成U字型结构，并且U字型结构的开口端固定连接在第一连接板30的两端之间。

如图5所示，柔性R单元18由两块相同的弹簧片组成，即第五弹簧片23与第六弹簧片24。第五弹簧片23与第六弹簧片24互相垂直形成三角形结构。每个柔性支链中的柔性R单元分别设置在动平台14的四角，与动平台形成正方形结构。

如图3所示，柔性支链中，柔性P单元A15与柔性P单元B17对称分布在柔性P单元C16的两侧，并且柔性P单元A15与柔性P单元B17的第二连接板31与柔性P单元C16的U型支架的两侧板固定连接。柔性P单元C16中，U形支架的底板与对应音圈电机的动子固定连接，柔性P单元C16的第二连接板31通过连接件28固定连接柔性R单元18中两弹簧片相连接的部位。

如图1所示，精密定位平台还包括三个反射镜，即第一反射镜3、第二反射镜6与第三反射镜9，以及三个激光位移传感器，即第一激光位移传感器2、第二激光位移传感器5与第三激光位移传感器8。

精密定位平台还包括四个线性伺服放大器，图1中未示出，用于放大上位机输出至四个音圈电机的指令信号。

当控制第一音圈电机4与第三音圈电机10分别伸长和缩短，此过程中，第一柔性支链13与第三柔性支链26中的柔性P单元A15与柔性P单元B17中的弹簧片发生形变朝向Y-方向弯曲，而第一柔性支链13与第三柔性支链26中的柔性P单元C16中的四个弹簧片均不发生形变，使第一音圈电机4与第三音圈电机10的动子均沿Y-方向运动，通过连接件28使第一柔性支链13与第三柔性支链26中柔性R单元18沿Y-方向运动，从而带动动平台14沿Y-轴方向平动。同理，当控制第一音圈电机4与第三音圈电机10分别缩短与伸长，可实现平台沿Y+方向平动。

当控制第二音圈电机7与第四音圈电机11分别伸长和缩短，此过程中，第二柔性支链25与第四柔性支链27中的柔性P单元A与柔性P单元B中的弹簧片发生形变朝向X+方向弯曲，而第二柔性支链25与第四柔性支链27中的柔性P单元C中的四个弹簧片均不发生形变，使第二音圈电机7与第四音圈电机11的动子均沿X+方向运动，通过连接件28使第二柔性支链25与第四柔性支链27中柔性R单元沿X+方向运动，从而带动动平台14沿Y+轴方向平动。同理，当控制第二音圈电机7与第四音圈电机11分别分别缩短与伸长，可实现平台沿X-方向平动。

当控制四个音圈电机同时伸长，即，第一音圈电机4的动子沿轴向Y-方向运动、第二音圈电机7的动子沿轴向X+方向运动、第三音圈电机10的动子沿轴向Y+方向运动，第四音圈电机11的动子沿轴向X-方向运动。此过程中，第一柔性支链13中，不仅柔性P单元A与柔性P单元B中的弹簧片朝Y-方向发生形变，并且柔性P单元C中的弹簧片也发生形变并且朝向X+方向；同理，第二柔性支链25中，不仅柔性P单元A与柔性P单元B中的弹簧片朝X+方向发生形变，并且柔性P单元C中的弹簧片也发生形变并且朝向Y+方向；同理，第三柔性支链26中，不仅柔性P单元A与柔性P单元B中的弹簧片朝Y+方向发生形变，并且柔性P单元C中的弹簧片也发生形变并且朝向X-方向；同理，第四柔性支链27中，不仅柔性P单元A与柔性P单元B中的弹簧片朝X-方向发生形变，并且柔性P单元C中的弹簧片也发生形变并且朝向Y-方向；因此，通过连接件28使各柔性R单元中的弹性簧片绕连接部位转动，实现动平台在XY平面的顺时针转动。

同理，当控制控制四个音圈电机同时缩短，可实现动平台在XY平面的逆时针转动。

第一反射镜3与第一激光位移传感器2、第二反射镜6与第二激光位移传感器5、第三反射镜9与第三激光位移传感器8用于采集动平台三条边上的位移变化量，通过位姿解算可以得到动平台中心点处的沿X轴与Y轴的平动以及绕Z轴的转动。通过闭环控制算法对动平台的位姿进行实时校正，保证机构的运动精度。

该精密定位平台的控制过程如图6所示，控制器发出指令信号，通过线性伺服放大器将该指令信号放大后作用于音圈电机，驱动音圈电机的动子到达指定的位移，传动机构的柔性支链发生弹性变形，将驱动的力和位移传递到动平台，使动平台产生平面三自由度精确运动。采用激光位移传感器测量动平台的位姿，通过闭环控制算法对动平台的位姿进行实时校正，保证定位平台的运动精度。

以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种平面三自由度精密定位平台，其特征是：包括基座以及位于基座上的动平台、传动机构以及四个音圈电机；

所述传动机构包含四条完全相同的柔性支链，所述柔性支链以动平台为中心呈中心对称分布，且四条柔性支链呈90度正交分布；每条柔性支链对应连接一个音圈电机；

每条柔性支链由三个结构完全相同的柔性P单元与一个柔性R单元组成；

所述柔性P单元包含U型支架、第一连接板、第二连接板以及四个弹簧片，U型支架即由底板与两个互相平行的侧板组成；四个弹簧片分别记作第一弹簧片、第二弹簧片、第三弹簧片与第四弹簧片，其中第一弹簧片与第二弹簧片完全相同，第三弹簧片与第四弹簧片完全相同；

第一连接板的一端连接第一弹簧片的一端，第一连接板的另一端连接第二弹簧片的一端，第一弹簧片的另一端连接U型支架开口端的一侧，第二弹簧片的另一端连接U型支架开口端的另一侧，形成凹字型结构；

第二连接板的一端连接第三弹簧片的一端，第二连接板的另一端连接第四弹簧片一端，使第三弹簧片与第四弹簧片平行，形成U字型结构，所述U字型结构的开口端固定在第一连接板的两端之间；

所述柔性R单元由两块完全相同的弹簧片组成，两块弹簧片互相垂直形成三角形结构，与动平台的四周相连；

所述柔性支链中，三个柔性P单元分别记作柔性P单元A、柔性P单元B与柔性P单元C，柔性P单元A与柔性P单元B对称分布在柔性P单元C的两侧，并且柔性P单元A与柔性P单元B的第二连接板分别与柔性P单元C的U型支架的两侧板固定连接；柔性P单元C的U形支架的底板与对应音圈电机的动子固定连接，柔性P单元C的第二连接板通过连接件固定连接柔性R单元中两弹簧片相连接的部分。

2.如权利要求1所述的平面三自由度精密定位平台，其特征是：所述U型支架的两个侧板在开口端分别向内弯曲形成直角，使第一弹簧片与第二弹簧片互相平行。

3.如权利要求1所述的平面三自由度精密定位平台，其特征是：所述平面三自由度精密定位平台还包括线性伺服放大器，用于放大上位机输出至音圈电机的指令信号，产生音圈电机的驱动电流。

4.如权利要求1所述的平面三自由度精密定位平台，其特征是：所述平面三自由度精密定位平台还包括动平台位移传感器，用于采集动平台产生的位移信号。

5.如权利要求4所述的平面三自由度精密定位平台，其特征是：所述位移传感器包括反射镜。

6.如权利要求1至5中任一权利要求所述的平面三自由度精密定位平台的使用方法，其特征是：沿着以动平台为中心的环绕方向，四个柔性支链分别记为第一柔性支链、第二柔性支链、第三柔性支链与第四柔性支链；与其相对应的音圈电机分别记为第一音圈电机、第二音圈电机、第三音圈电机、第四音圈电机；

对四个音圈电机控制如下：

控制第二音圈电机与第四音圈电机分别伸长和缩短，实现动平台沿X轴正方向的平动；当控制第二音圈电机与第四音圈电机分别缩短与伸长，实现动平台沿X轴负方向平动；

控制第一音圈电机与第三音圈电机分别伸长和缩短，实现动平台沿Y轴负方向平动；当控制第一音圈电机与第三音圈电机分别缩短与伸长，实现动平台沿Y轴正方向平动；

控制四个音圈电机同时伸长，实现动平台在XY平面的顺时针转动；

控制四个音圈电机同时缩短，实现动平台在XY平面的逆时针转动。

7.如权利要求1至5中任一权利要求所述的平面三自由度精密定位平台的控制方法，其特征是：控制器发出指令信号至音圈电机，驱动音圈电机的动子到达指定的位移，传动机构的柔性支链发生弹性变形，将驱动的力和位移传递到动平台，使动平台产生平面三自由度精确运动。

8.如权利要求7所述的平面三自由度精密定位平台的控制方法，其特征是：通过线性伺服放大器将指令信号放大后作用于音圈电机。

9.如权利要求7所述的平面三自由度精密定位平台的控制方法，其特征是：采用激光位移传感器测量动平台的位姿，通过闭环控制算法对动平台的位姿进行实时校正。