基于重心驱动原理的并联XY运动平台的制作方法

本发明涉及超精密定位平面驱动设备领域，尤其涉及基于重心驱动原理的并联xy运动平台。

背景技术：

目前芯片制造集成、微型零件装配以及量子材料制备等领域发展十分迅速，这些领域中工件的运行轨迹非常复杂，而且运动精度一般要求在数十纳米范围内，这就对运动平台的加速度与速度、伺服系统的快速响应能力提出了很高的要求。

现有的技术中，串联运动平台结构比较简单易于设计，但是两轴动力学不匹配与误差累积等问题，限制了它的高加速度和动态轨迹精度；多铰链结构并联xy运动平台可克服串联结构所产生的技术难题，但是运动学非线性解耦与作业空间有限等问题严重制约了它的广泛应用；而且现在的多铰链结构并联xy运动平台并未引入重心驱动技术，使得一方面现有的并联结构中工作台的重心与驱动力在不同的平面，另一方面驱动力的作用位置随工作台的运动而变化，引起了工作台的扭转变形。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提出一种基于重心驱动原理的并联xy运动平台，以降低运动平台水平方向运动过程中产生的扭转与振动，提高运动平台的响应速度。本发明的基于重心驱动原理的并联xy运动平台，包括安装底座、运动平台、驱动组件和解耦组件，所述运动平台、驱动组件和解耦组件设置在所述安装底座上，其中，所述解耦组件用于在x轴方向和y轴方向解耦地引导所述运动平台；所述驱动组件包括：用于驱动所述运动平台沿x轴移动的x方向电机，和用于驱动所述运动平台沿y轴移动的两个y方向电机，其中，所述x方向电机、两个y方向电机分别与所述运动平台相连接，使得所述x方向电机、两个y方向电机的电机输出力的合力能够通过所述运动平台的重心并且指向所述运动平台的目标位置。

优选地，所述解耦组件包括至少一个十字交叉双层导轨机构，所述十字交叉双层导轨机构包括上层导轨、上层滑块、下层导轨和下层滑块，所述上层导轨与所述上层滑块相互配合，所述上层滑块能相对于所述上层导轨沿第一方向移动，所述下层导轨固定在所述安装底座上，所述下层导轨与所述下层滑块相互配合，所述下层滑块能相对于所述下层导轨沿垂直于第一方向的第二方向移动，所述上层滑块与所述下层滑块彼此固定，使得所述上层滑块能与所述下层滑块一起相对于所述下层导轨沿所述第二方向移动。

优选地，所述解耦组件包括三个十字交叉双层导轨机构，其中一个十字交叉双层导轨机构的所述上层滑块沿x方向导向，另外两个十字交叉双层导轨机构的所述上层滑块沿y方向导向。

优选地，所述上层滑块和下层滑块分别为槽形滑块，所述上层导轨和下层导轨分别能移动地配合在所述槽形滑块的槽中。

优选地，所述并联xy运动平台还包括检测组件和控制系统，所述检测组件包括位移传感器，用于检测所述运动平台在x轴方向和y轴方向的位移，所述控制系统用于基于所检测的位移控制所述驱动组件，使得所述x方向电机、两个y方向电机的电机输出力的合力通过所述运动平台的重心并且指向所述运动平台的目标位置。

优选地，所述位移传感器包括x方向光栅尺和y方向光栅尺，分别用于检测所述运动平台在x轴方向和y轴方向的位移。

优选地，所述检测组件还包括用于检测所述运动平台在xy运动平面内所受的扭矩的扭矩传感器，和/或用于检测所述x方向电机、两个y方向电机的电机输出力的力传感器，并将检测到的扭矩信号和/或力信号反馈至所述控制系统。

优选地，所述x方向电机和两个y方向电机分别为音圈电机。

本发明的并联xy运动平台，通过适当布置所述x方向电机、两个y方向电机能够确保各电机驱动力的合力通过运动平台重心，有利于降低运动平台移动过程中所发生的振动，防止运动平台移动过程中水平方向所发生的扭转；同时驱动力的合力的方向与运动平台的目标移动位移的方向一致，可有效提高运动平台的响应速度和效率。

附图说明

图1是本发明实施例的基于重心驱动原理的并联xy运动平台的整体结构示意图；

图2是本发明实施例的基于重心驱动原理的并联xy运动平台隐藏运动平台后的结构示意图；

图3是本发明实施例的基于重心驱动原理的并联xy运动平台的解耦组件的结构示意图；

图4是本发明实施例的电机输出力计算示意图。

具体实施方式

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。

图1是本发明实施例的基于重心驱动原理的并联xy运动平台的整体结构示意图。如图1所示，所述并联xy运动平台包括安装底座10、运动平台20、驱动组件50和解耦组件30。所述运动平台20、驱动组件50和解耦组件30设置在所述安装底座上10，所述解耦组件用于在x轴方向和y轴方向解耦地引导所述运动平台，所述驱动组件50用于驱动运动平台20在由x轴和y轴形成的xy平面内运动。

所述驱动组件包括用于驱动所述运动平台20沿x轴移动的x方向电机57和用于驱动所述运动平台沿y轴移动的两个y方向电机58，其中，所述x方向电机57、两个y方向电机58分别与所述运动平台20相连接，使得所述x方向电机57、两个y方向电机58的电机输出力的合力能够通过所述运动平台20的重心并且指向所述运动平台20的目标位置。

在本发明的一个优选实施方式中，所述x方向电机、两个y方向电机分别为音圈电机。参照图1和图2，驱动组件50用于驱动运动平台20的移动、平衡运动平台20移动过程中在xy平面所受的外部扭矩，使驱动力的合力通过运动平台20的重心，并且使驱动力合力与运动平台20的目标移动位移方向相同。驱动组件50包括x方向电机支座51、两个y方向电机支座52、x方向电机滑块53、两个y方向电机滑块54、x方向电机导轨55、两个y方向电机导轨56、x方向电机57、两个y方向电机58、x方向电机连结件59、两个y方向电机连结件60。其中，x方向电机支座51、y方向电机支座52的底部固定在安装底座10上，侧面分别与x方向电机滑块53、y方向电机滑块54连接；x方向电机57、y方向电机58一端分别与x方向电机导轨55、y方向电机导轨56连接，另一端分别与x方向电机连结件59、y方向电机连结件60连接；x方向电机导轨55与x方向电机滑块53相配合，实现x方向电机57在受到y方向力时沿y方向滑动，y方向电机导轨56与y方向电机滑块54相配合，实现y方向电机58在受到x方向力时沿x方向滑动。

运动平台20固定安装在解耦组件30上。运动平台20的侧端面分别与x方向电机连接件59、两个y方向电机连接件60固定连接，例如螺钉连接或焊接；x方向电机连结件59与x方向电机57连接，保证当x方向电机57在x方向伸缩时，运动平台20在x方向一起移动；y方向电机连结件60分别与两个y方向电机58连接，保证当y方向电机58在y方向伸缩时，运动平台20在y方向一起移动。

优选地，所述解耦组件30包括至少一个十字交叉双层导轨机构，所述十字交叉双层导轨机构包括上层导轨、上层滑块、下层导轨和下层滑块。其中，所述上层导轨与所述上层滑块相互配合，所述上层滑块能相对于所述上层导轨沿第一方向移动，所述下层导轨固定在所述安装底座上，所述下层导轨与所述下层滑块相互配合，所述下层滑块能相对于所述下层导轨沿垂直于第一方向的第二方向移动，所述上层滑块与所述下层滑块彼此固定，使得所述上层滑块能与所述下层滑块一起相对于所述下层导轨沿所述第二方向移动。

参照图2和3，在一个优选的实施方式中，解耦组件30包括三个十字交叉双层导轨机构，即第一十字交叉双层导轨机构、第二十字交叉双层导轨机构和第三十字交叉双层导轨机构。其中，第一和第二十字交叉双层导轨机构的所述上层滑块沿y方向导向，第三十字交叉双层导轨机构的所述上层滑块沿x方向导向，优选地，所述上层滑块和下层滑块分别为槽形滑块，所述上层导轨和下层导轨分别能移动地配合在所述槽形滑块的槽中。如图2和3所示，第一十字交叉双层导轨机构包括第一上层导轨31、第一上层滑块32、第一l形联结件33、第一下层滑块34、第一下层导轨35。第一下层导轨35例如通过螺钉固定在安装底座10上，第一下层导轨35上设有第一下层滑块34，第一下层滑块34与第一上层滑块32通过第一l形联结件33相固定，第一上层滑块32上设有第一上层导轨31，第一上层导轨31与运动平台20例如通过螺钉固定连接。

第二十字交叉双层导轨机构包括第二上层导轨36、第二上层滑块37、第二l形联结件38、第二下层滑块39、第二下层导轨40。第二下层导轨40例如通过螺钉固定在安装底座10上，第二下层导轨40上设有第二下层滑块39，第二下层滑块39与第二上层滑块37通过第二l形联结件38相固定，第二上层滑块37上设有第二上层导轨36，第二上层导轨36与运动平台20例如通过螺钉固定连接。

第三十字交叉双层导轨机构包括第三上层导轨41、第三上层滑块42、第三l形联结件43、第三下层滑块44、第三下层导轨45。第三下层导轨45例如通过螺钉固定在安装底座10上，第三下层导轨45上设有第三下层滑块44，第三下层滑块44与第三上层滑块42通过第三l形联结件43相固定，第三上层滑块42上设有第三上层导轨41，第三上层导轨41与运动平台20例如通过螺钉连接。

所述并联xy运动平台还可以包括检测组件和控制系统，所述检测组件包括位移传感器，用于检测所述运动平台在x轴方向和y轴方向的位移，所述控制系统用于基于所检测的位移控制所述驱动组件，使得所述x方向电机、两个y方向电机的电机输出力的合力通过所述运动平台的重心并且指向所述运动平台的目标位置。所述检测组件还可以包括扭矩传感器和/或力感器，扭矩传感器用于检测所述运动平台在xy运动平面内所受的扭矩，力传感器用于测量各电机的输出力，实现反馈。通过检测组件和控制系统能够实现运动平台和驱动组件的闭环控制，提高运动平台抗干扰的能力。

优选地，位移传感器包括检测运动平台20在x方向位移的x方向光栅尺和检测运动平台20在y方向位移的y方向光栅尺。其中，x方向光栅尺包括x方向标准光栅71、x方向光栅尺读数头73、x方向光栅尺安装座75；x方向光栅尺安装座75侧面与第三l形联结件43相连接，x方向光栅尺读数头73安装在x方向光栅尺安装座75上，x方向标准光栅71固定在运动平台20底部；x方向光栅尺读数头73用于检测x方向标准光栅71在x方向移动的距离。y方向光栅尺包括y方向标准光栅72、y方向光栅尺读数头74、y方向光栅尺安装座76；y方向光栅尺安装座76侧面与第二l形联结件38相连接，y方向光栅尺读数头74安装在y方向光栅尺安装座76上，y方向标准光栅72固定在运动平台底20底部；y方向光栅尺读数头74用于检测y方向标准光栅72在y方向移动的距离。

下面具体描述本发明实施例的基于重心驱动原理的并联xy运动平台的工作原理。

当只有x方向电机57通电工作时，x方向电机57驱动运动平台20沿x方向移动，运动平台20带动第三上层导轨41、第二下层滑块39、第一下层滑块34沿x方向移动；而第三上层滑块42与第三下层轨道45之间、第二上层轨道36与第二下层滑块39之间、第一上层轨道31与第一下层滑块34之间，均未发生相对移动；x方向光栅尺读数头73检测运动平台20沿x方向所移动的距离并反馈回控制系统。

当只有y方向电机58通电工作时，y方向电机58驱动运动平台20沿y方向移动，运动平台20带动第三下层滑块44、第二上层导轨36、第一上层导轨31沿y方向移动；而第三上层导轨41与第三下层滑块44之间、第二下层导轨40与第二上层滑块37之间、第一下层轨道35与第一上层滑块32之间，均未发生相对移动；y方向光栅尺读数头74检测运动平台20沿y方向所移动的距离并反馈回控制系统。

当x方向电机57与y方向电机58同时通电工作时，运动平台实现x方向和y方向的平面移动，根据x方向电机57与y方向电机58的输出力在运动平台20上的作用位置、运动平台20的重心位置和目标位置能够计算出x方向电机、两个y方向电机的电机输出力，使得所述x方向电机、两个y方向电机的电机输出力的合力通过所述运动平台的重心并且指向所述运动平台的目标位置，从而有效提高运动平台响应速度和效率。

如图4所示，运动平台的重心目前所处位置位于w点，重心目标位置位于p点，w点和p点连线与y方向成β角，w点和p点在x方向上相距a，w点和p点在y方向上相距b；x方向电机的输出力为fx，与运动平台目前重心位置w点在y方向上相距sx；y方向第一电机的输出力为fy1，与运动平台目前重心位置w点在x方向上相距sy1；y方向第二电机的输出力为fy2，与运动平台目前重心位置w点在x方向上相距sy2，当x方向电机的输出力为fx、y方向第一电机的输出力为fy1和y方向第二电机的输出力为fy2满足方程组时，可保证各电机输出力的合力通过所述运动平台的重心w并且指向所述运动平台的目标位置p。

本发明的并联xy运动平台，能够确保各电机输出力的合力通过运动平台重心，有利于降低运动平台移动过程中所发生的振动，防止运动平台移动过程中水平方向所发生的扭转；同时驱动力的合力的方向指向运动平台的目标位置，可有效提高运动平台的响应速度和效率。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。