一種反對稱並聯直驅運動解耦高精度伺服平臺的製作方法

2023-06-13 08:52:06 1

本發明涉及一種運動伺服平臺，尤其涉及一種二自由度反對稱並聯直驅運動解耦高精度伺服平臺。

背景技術：

隨著科學技術和工業技術的不斷發展，人類的創造力不斷向著微觀領域發展。近年來，在智能微納器件、微電子和超精密機械製造、精密測量等領域中，超精密伺服技術已逐步成為信息存儲、精密成像、精密機械製造、半導體裝備等新興行業的核心技術，這迫切需要能夠在微米級、亞微米級，甚至在納米級精度上進行定位和操作的系統和裝備。因此，建立一種高精密運動伺服平臺對科學研究和工業製造都具有非常大的理論意義和現實意義。

傳統串聯式二維平面運動平臺多採用旋轉電機加滾珠絲槓等方式驅動，該串聯式平臺是由底層旋轉電機通過絲槓將旋轉運動轉化為直線運動，從而帶動上層旋轉驅動電機和平板一起運動，但該傳動方式致使底層旋轉電機的負載質量大於上層電機的負載質量，限制了設備的定位精度、速度和加速度的進一步提高，在設計上存在先天的不對稱性。而並聯式平臺以其高對稱性，以及完全獨立的運動解耦機構在互換性和高速高加速軌跡跟蹤控制方面具有其獨特優勢。

音圈電機是一種利用永恆磁場或通電線圈導體產生的磁場中磁極的相互作用將電能轉化為機械能並產生有規律的直線型及有限擺角的動力裝置。它不僅在理論上其具有無限解析度、無滯後、高加速度、高響應、高速度、體積小、控制方便、力學性能好等優點，可以避免旋轉電機驅動中傳動環節存在的間隙等不足外，是精密機械製造等領域理想的動力裝置。

技術實現要素：

本發明的目的是為克服上述現有技術的不足，提供一種運動平板質量小、負載能力大、互換性和精度高的反對稱並聯直驅運動解耦高精度伺服平臺，。

為實現上述目的，本發明採用下述技術方案：

一種反對稱並聯直驅運動解耦高精度伺服平臺，包括基座、運動平板、第一導軌和第二導軌，所述第一導軌和第二導軌均固定在運動平板上，且第一導軌和第二導軌相互垂直；所述基座上設置有與第一導軌平行的第一滑軌和與第二導軌平行的第二滑軌，所述第一滑軌和第二滑軌均配合設置直線驅動裝置，第一滑軌和第二導軌之間通過第一滑塊連接，第二滑軌和第一導軌之間通過第二滑塊連接；

第一滑軌上的直線驅動裝置驅動第一滑塊移動進而帶動運動平板在X方向運動，第二滑軌上的直線驅動裝置驅動第二滑塊移動進而帶動運動平板在Y方向運動，從而實現XY兩個運動方向的運動解耦。

通過在運動平板上設置相互垂直的第一導軌和第二導軌，在基座上設置分別與第一導軌和第二導軌連接的第一滑軌和第二滑軌，並分別設置直線驅動裝置，第一滑軌和第二滑軌上的直線驅動裝置分別工作，可以使運動平板在二維運動平面的運動解耦；第一滑軌和第二滑軌上的直線驅動裝置同時工作，可以使運動平板在二維運動平面內做平面運動。

所述直線驅動裝置固定於底座上，第一滑軌上的所述直線驅動裝置與第一滑軌之間設有第一推力連接架，第二滑軌上的所述直線驅動裝置與第二滑軌之間設有第二推力連接架。直線驅動裝置直接作用於推力連接架，推力連接架將直線驅動裝置的推力傳遞給運動平板，進而帶動運動平板運動。

所述第一推力連接架一端與直線驅動裝置連接，第一推力連接架另一端與第一滑塊固接。第一推力連接架端部與第一滑塊固接，第一滑塊與設置於運動平板上的第二導軌配合，既能在X方向的直線驅動裝置工作時將推力傳遞給運動平板帶動其沿該方向運動，也能在Y方向直線驅動裝置工作時，不影響運動平板的運動。

所述第二推力連接架一端與直線驅動裝置連接，第二推力連接架另一端與第二滑塊固接。第二推力連接架端部與第二滑塊固接，第二滑塊與設置於運動平板上的第一導軌配合，既能在Y方向的直線驅動裝置工作時將推力傳遞給運動平板帶動其沿該方向運動，也能在X方向直線驅動裝置工作時，不影響運動平板的運動。

所述運動平板、第一滑塊和第二滑塊上固定有位移傳感器。位移傳感器用來測量運動平板在X方向或Y方向上運動的位移。

所述位移傳感器為直線光柵尺，包括標尺光柵和讀數頭，標尺光柵固定在第一滑塊或第二滑塊上，讀數頭固定在運動平板上，所述直線光柵尺的輸出信號線從讀數頭上接出。採用直線光柵尺檢測位移，具有檢測範圍大，檢測精度高，響應速度快的特點，可以更準確快速的測定運動平板的運動位移。

優選的，所述直線驅動裝置在基座的四側水平方向以反對稱形式布設。

所述第一滑軌和第二滑軌均布設兩條，兩條第一滑軌和兩條第二滑軌圍成正方形，正方形的中心與第一導軌和第二導軌的交叉點位於同一豎直方向上。

通過對稱布置在基座四側的滑軌以及反對稱布置在基座上的直線驅動裝置，可以共同支撐運動平臺，增大了運動平臺支撐剛度，在向任一個運動方向上同時施加同向驅動力，保證運動平板質量中心處轉矩始終為零，從而避免了因任一方向驅動力偏離運動平板質量中心產生的扭轉。

所述第一導軌布設在運動平板下部的凹槽內較高位置處，所述第二導軌布設在運動平板下部較低位置處；或者，所述第二導軌布設在運動平板下部的凹槽內較高位置處，所述第一導軌布設在運動平板下部較低位置處。將第一導軌和第二導軌在高低不同位置處布設，使第一導軌和第二導軌相互之間不會影響彼此的工作，保證運動平板沿第一導軌和第二導軌的準確運動。

優選的，所述直線驅動裝置為音圈電機。音圈電機具有高精度、高頻響的特點，可以避免旋轉電機驅動中的問題，是一種精密機械領域理想的動力裝置。

所述音圈電機採用外部永磁、內部電磁的結構，並且永磁部分作為定子，電磁部分作為動子，所述的定子和動子之間有間隙。

所述第一滑塊和第二滑塊均為滾珠直線導軌滑塊，所述第一導軌、第二導軌、第一滑軌和第二滑軌均為滾珠直線導軌。滾珠直線導軌可以同時受壓力和橫向(左右)力。

本發明的工作原理為：

通過使基座上的第一滑軌和運動平板上的第二導軌通過第一滑塊連接，使基座上的第二滑軌和運動平板上的第一導軌通過第二滑塊連接，推力連接架、直線驅動裝置、運動平板連接成一體，由第一滑軌上的直線驅動裝置驅動第一滑塊移動進而帶動運動平板在X方向運動，第二滑軌上的直線驅動裝置驅動第二滑塊移動進而帶動運動平板在Y方向運動，從而實現XY兩個運動方向的運動解耦。

第一滑軌和第二滑軌上的直線驅動裝置同時工作，運動平板在XY平面內做平面運動。

本發明的有益效果為：

本發明伺服平臺採用外部永磁、內部電磁的音圈電機，其輸出力與輸入電流具有良好的線性關係，易於控制。

本發明伺服平臺採用音圈電機直接驅動的方式，減少了中間環節傳動帶來的誤差，平臺定位精度高，並且驅動力大，能夠獲得更大的運動加速度和速度。

本發明伺服平臺採用同時作為推力體和連接體的推力連接架將兩條空間垂直交叉長導軌和四條正方形布置短導軌連接一體形成，實現運動平板的類似簡支梁對稱支撐和兩個運動方向上的運動解耦，避免了運動平板豎直方向的精度誤差。

本發明伺服平臺採用反對稱布置音圈電機組在兩個中的任一個運動方向上同時施加同向驅動力，保證運動平板質量中心處轉矩始終為零，從而避免了因任一方向驅動力偏離運動平板質量中心產生的扭轉。

本發明伺服平臺採用滾珠直線導軌和導軌滑塊作為運動解耦元件，使平臺結構緊湊，並且可以選用知名廠家的成型產品，減小自行加工帶來的累計誤差。

本發明伺服平臺為反對稱並聯結構，易加工、製造成本低、互換性高。

附圖說明

圖1為本發明提供的反對稱並聯直驅運動解耦高精度伺服平臺的軸測圖；

圖2為本發明提供的反對稱並聯直驅運動解耦高精度伺服平臺的主視圖；

圖3為本發明提供的反對稱並聯直驅運動解耦高精度伺服平臺的左視圖；

圖4為本發明提供的反對稱並聯直驅運動解耦高精度伺服平臺的俯視圖；

圖中，1基座，2第一推力連接架，3第二音圈電機固定架，4短滑軌，5第二推力連接架，6短滑軌滑塊，7第一音圈電機固定架，8第二長導軌，9第二位移傳感器，10長導軌滑塊，11運動平板，12第一長導軌，13音圈電機，14第一位移傳感器。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例的附圖，並在兼顧考慮平臺結構優化、製造工藝等因素的基礎上，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整的描述。當然參考附圖描述的實施例只是示例性的，目的在用於解釋本發明，而不能理解為對本發明的過多限制。

在本發明中，術語如「上」、「下」、「左」、「右」、「前」、「後」、「豎直」、「水平」、「側」、「底」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，只是為了便於講述本發明各部件或元件結構關係而確定的關係詞，並非特指本發明中任一部件或元件，不能理解為對本發明的限制。

本發明中，術語「第一」、「第二」僅用於區分不同方向上部件或元件，而不能理解為指示或暗示某技術特徵的數量。

本發明中，術語如「固定」、「相連」、「連接」、「貼」等應做廣義理解，表示可以是固定連接，也可以是一體地連接或可拆卸連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連。對於本領域的相關科研或技術人員，可以根據具體情況確定上述術語在本發明中的具體含義，不能理解為對本發明的限制。

如圖1所示，圖1為本發明反對稱並聯直驅運動解耦高精度伺服平臺軸測圖。本發明採用音圈電機反對稱布置和簡支梁支撐結構，運動平板11下層導軌結構由基座1、短滑軌4、短滑軌滑塊6、第一推力連接架2、第二推力連接架5組成，上層導軌結構由運動平板11、第一長導軌12、第二長導軌8、長導軌滑塊10組成，中間兩個第一推力連接架2和兩個第二推力連接架5按反對稱布置，並與四臺音圈電機13連接，音圈電機13再分別與第一直線電機固定架7和第二直線電機固定架3連接。

第一直線電機固定架7和第二直線電機固定架3通過螺栓與基座1固定連接，短滑軌4按正方形布置通過螺栓與基座1固定連接，第一長導軌12和第二長導軌8按空間垂直交叉布置通過螺栓與運動平板11固定連接，音圈電機13定子通過螺栓與第一直線電機固定架7和第二直線電機固定架3固定連接，兩個反對稱布置的第一推力連接架2和兩個反對稱布置的第二推力連接架5通過螺栓與上下層中的四個短滑軌滑塊6和四個長導軌滑塊10固定連接，且兩條空間垂直交叉第一長導軌12和第二長導軌8交叉點與四條正方形布置短滑軌4對稱中心在同一豎直方向上，其中第一長導軌12和第二長導軌8中任一長導軌都與按正方形布置兩條短滑軌4空間垂直或平行布置，四臺反對稱布置音圈電機13通過螺栓與兩個反對稱布置的第一推力連接架2和兩個反對稱布置的第二推力連接架5固定連接。第一音圈電機固定架7和第二音圈電機固定架3通過螺栓反對稱布置固定在基座1上。在Y向反對稱布置音圈電機13驅動第一推力連接支架2實現Y方向的短滑軌和短滑軌滑塊之間滑動，進而運動平板11隨之一起Y方向運動，在X向反對稱布置音圈電機13驅動第二推力連接支架5實現X方向的短滑軌和短滑軌滑塊之間滑動，進而運動平板11隨之一起X方向運動，當四臺音圈電機13同時工作時，運動平板13在XY平面內做平面運動，實現了二維運動平臺在兩個方向上的運動解耦。

短滑軌4包括四條固定在基座1上方成正方形分布的短滑軌；長導軌包括兩條固定在運動平板11下方成空間垂直交叉高位置的第一長導軌12和低位置的第二長導軌8；短滑軌滑塊6和長導軌滑塊10分別與短滑軌和長導軌匹配，實現導軌方向自由滑動；推力連接架包括兩個與短滑軌滑塊6、第一長導軌滑塊10相連接成反對稱布置的第一推力連接架2和兩個與短滑軌滑塊6、第二長導軌滑塊10相連接成反對稱布置的第二推力連接架5；音圈電機包括兩臺與第一推力連接架2相連接按反對稱布置的第一組音圈電機和兩臺與第二推力連接架5相連按反對稱布置的第二組音圈線電機；音圈電機固定架包括固定支撐兩個與第一組音圈電機連接的第一音圈電機固定架7和兩個與第二組音圈電機連接的第二音圈電機固定架3；運動平板11與運動平板上部空間垂直交叉的第一長導軌12和第二長導軌8相連接；運動平板11與第一長導軌滑塊10和第二長導軌滑塊10之間分別設有第一位移傳感器和第二位移傳感器；第一組兩臺反對稱布置音圈電機推動第一推力連接架，從而驅動運動平板在第一水平方向移動；第二組兩臺反對稱布置音圈電機推動第二推力連接架，從而驅動運動平板在第二水平方向移動。

本發明中通過兩個反對稱布置的第一推力連接架和兩個反對稱布置的第二推力連接架上的八個滾珠導軌滑塊將基座上成正方形布置的短導軌與運動平板下兩條空間垂直交叉的第一長導軌和第二長導軌連接一體形成，並由第一組反對稱布置音圈電機同時推動運動平板在第一運動方向運動，另外第二組兩臺反對稱布置音圈電機同時推動運動平板在第二運動方向運動，實現兩個運動方向的運動解耦。

四臺音圈電機均採用外部永磁、內部電磁的結構，並且永磁部分作為定子分別固定在第一音圈電機固定架7和第二音圈電機固定架3，電磁部分作為動子分別固定在第一推力連接架2和第二推力連接架5，且音圈電機的信號線直接從音圈電機動子接出，並且對信號線固定。

短滑軌滑塊6、長導軌滑塊10均為滾珠直線導軌滑塊。

短滑軌4、第一長導軌12、第二長導軌8為滾珠直線導軌。

如圖2所示，圖2為本發明反對稱並聯直驅運動解耦高精度伺服平臺主視圖，從圖中可以清楚的看出平臺X方向的運動。第二直線電機固定架3通過螺栓固定在基座1上，音圈電機13與第二推力連接架5通過螺栓連接，當音圈電機13工作時，反對稱布置第二推力連接架5通過滑塊帶動運動平板11沿X軸方向運動。X方向位移傳感器14，用於測量運動平板在X方向的位移，分為直線光柵尺和讀書頭兩部分，直線光柵尺貼在第一長導軌滑塊10側面上，讀數頭通過螺栓固定在運動平板下方，傳感器的輸出信號通過與讀數頭連接的信號線輸出。

如圖3所示，圖3為本發明反對稱並聯直驅運動解耦高精度伺服平臺左視圖，從圖中可以清楚的看出平臺Y方向的運動。第一直線電機固定架7通過螺栓固定在基座1上，音圈電機13與第一推力連接架2通過螺栓連接，當音圈電機13工作時，反對稱布置第一推力連接架2通過滑塊帶動運動平板11沿Y軸方向運動。Y方向位移傳感器9，用於測量運動平板在Y方向的位移，分為直線光柵尺和讀書頭兩部分，直線光柵尺貼在第二長導軌滑塊10靠近運動平臺一側面上，讀數頭通過螺栓固定在運動平板下方，傳感器的輸出信號通過與讀數頭連接的信號線輸出。

如圖4所示，圖4為本發明反對稱並聯直驅運動解耦高精度伺服平臺俯視圖，從圖中可以清楚的看出平臺XY平面內的解耦運動。四臺反對稱布置音圈電機13通過螺栓與兩個反對稱布置的第一推力連接架2和兩個反對稱布置的第二推力連接架5固定連接。在Y方向反對稱布置音圈電機13驅動第一推力連接架2實現導軌和導軌滑塊之間滑動，進而運動平板11隨之一起Y方向運動；在X方向反對稱布置音圈電機13驅動第二推力連接架5實現導軌和導軌滑塊之間滑動，進而運動平板11隨之一起X方向運動，在四臺音圈電機13同時工作時，運動平板13在XY平面內做平面運動，實現了兩個方向上的運動的解耦。

本發明致力於克服傳統二維運動平臺中底層旋轉電機通過滾珠絲槓等傳動副帶來的反向間隙、摩擦力、負載質量大和剛度不足等問題，並解決以往音圈電機驅動平臺中氣浮或磁懸浮支撐豎直方向誤差以及因驅動力偏離運動平板質量中心引起的扭轉誤差等問題，可以達到減小和解決類似懸臂梁並聯雙驅運功平臺中豎直方向精度誤差和運動平板水平面內扭轉問題。該平臺由四臺反對稱布置音圈電機直接驅動，採用兩條空間垂直交叉長導軌和基座上四條對稱布置短導軌共同支撐形式，具有結構緊湊、負載小、互換性高、行程大、精度高及運動解耦等特點。

本發明採用反對稱並聯二維直驅結構，運動平板下部連接兩條空間垂直交叉長導軌，基座上方固定四臺反對稱均布直線電機推動推力連接架，從而推動長導軌和運動平板，提高了運動平臺剛度和負載能力，抑制了運動平板豎直方向振動和水平面內扭轉；整個平臺採用反對稱布置支撐，此種類似簡支梁支撐形式有效抑制了平臺運動引起的振動對豎直方向精度的影響；所述的運動平板兩軸向，各有兩臺反對稱直線電機施加同向推力，使運動平板質量中心處轉矩始終為零，從而有效抑制了運動平板在水平面內扭轉。

上述雖然結合附圖對本發明的具體實施方式進行了描述，但並非對本發明保護範圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護範圍以內。