一种二自由度宏微精密定位平台装置的制作方法

本实用新型涉及机器人精密定位领域，具体涉及一种二自由度宏微精密定位平台装置。

背景技术：

传统的机器人定位系统由于引入了摩擦、间隙、变形等缺陷，存在装配误差、低速爬行现象、响应速度慢和灵敏度不高等问题，并且很难突破微米级精度的瓶颈。为了满足这些需求，迫切需要一种具有大行程、高分辨率、高灵敏度又具有高精度的宏/微双重驱动精密定位系统。

宏动平台由无铁心式直线电机驱动，能实现高速运行和低速运动，运动加速度相对丝杆、同步带、齿轮齿条有很大优势。同时直线电机定子与动子由气隙配合，无机械接触，无摩擦和噪声，装置的摩擦仅存于直线导轨的滑轨与滑块之间。基于压电陶瓷驱动与柔性铰链配合的微动平台很好的解决了传统机械传动定位装置存在的摩擦、响应速度慢等问题，可以使定位装置趋于微型化、高速化，定位精度等级达到纳米级。该装置采用了杠杆放大的柔性铰链组，解决压电陶瓷驱动器行程小的问题，使压电陶瓷驱动的微动平台可以在更大的行程范围内运动。

技术实现要素：

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本实用新型提供一种二自由度宏微精密定位平台装置，使得精密定位平台可以兼顾大行程、高分辨率、高灵敏度等特点。

本实用新型采用如下技术方案：

一种二自由度宏微精密定位平台装置，包括定位平台本体部分、检测部分及控制部分；

所述定位平台本体部分包括气浮平台，所述气浮平台上设置定位平台底座，所述定位平台底座设置x轴导轨，所述x轴导轨上设置x轴宏动平台，所述x轴宏动平台设置y轴导轨，所述y轴导轨上设置y轴宏动平台，xy轴微动平台通过四组相同的柔性铰链设置在y轴宏动平台上；

还包括驱动x轴导轨运动的x轴直线电机、驱动y轴导轨运动的y轴直线电机及驱动柔性铰链发生变形进一步使xy轴微动平台运动的压电陶瓷驱动器；

所述检测部分包括用于检测xy轴微动平台位移信号的电容位移传感器、用于检测x轴宏动平台位移的x轴光栅位移传感器及用于检测y轴宏动平台运动位移的y轴光栅位移传感器；

所述控制部分包括数据采集卡、运动控制卡、计算机、压电陶瓷控制器及直线电机伺服放大器；

所述检测部分的检测信息输入数据采集卡进一步输入到计算机，计算机与运动控制卡相互连接，所述运动控制卡分别与压电陶瓷控制器及直线电机伺服放大器相互连接。

所述四组相同的柔性铰链围成四边形，相邻角度为90度。

所述x轴导轨由两条平行设置的导轨构成，两条导轨相距200mm；

所述y轴导轨由两条平行设置的导轨构成，两条导轨相距170mm。

本实用新型还包括压力传感器，所述压电陶瓷驱动器的头端紧靠柔性铰链端面，其尾端紧靠压力传感器，压电陶瓷驱动器及压力传感器安装需要施加预紧力后由压电驱动器紧固件连接y轴宏动平台，压力传感器检测预紧力大小信息输入数据采集卡。

本实用新型中x轴直线电机及y轴直线电机均为无铁心式直线电机。

本实用新型二自由度宏微精密定位平台装置的控制过程，包括如下：

利用相应的传感器监测当前xy轴微动平台的位置信息，将位置信息经过数据采集卡输入计算机；

计算机将接收到的位置信息与预设的目标位置信息进行对比，经运动轨迹算法处理出所需要的粗位移增量及微位移增量；

将粗位移增量信息经过运动控制卡、直线电机伺服放大器驱动x轴直线电机及y轴直线电机工作，直线电机带动宏动平台运动，光栅位移传感器同时检测x轴导轨及y轴导轨的位置信息，传送至计算机；

将微位移增量信息经过运动控制卡、压电陶瓷控制器使压电陶瓷驱动器工作，xy微动平台产生运动，电容位移传感器同时产生反馈信息传送至计算机；

计算机将电容位移传感器的反馈信息采用反馈控制算法进行处理，将处理后的粗位移增量及微位移增量，再传送至运动控制卡，再驱动直线电机和压电陶瓷驱动器实现闭环控制。

所述压电陶瓷驱动器在初始化时需要保持在最大输出值电压的中值。

本实用新型的有益效果：

(1)本实用新型的定位平台底座固定于气浮平台，气浮平台的固有频率低、阻振性强，能够最大限度的控制振动的影响，为精密定位系统提供更好的条件；

(2)本实用新型采用无铁心式直线电机驱动宏动平台，能实现高速运行和低速运动，运动加速度相对丝杆、同步带、齿轮齿条有很大优势。同时直线电机定子与动子由气隙配合，无机械接触，无摩擦和噪声，装置的摩擦仅存于直线导轨的滑轨与滑块之间；

(3)本实用新型采用压电陶瓷驱动微动平台，压电陶瓷驱动器刚度大、负载能力高、快速反应、使用寿命长并且位置分辨率高；压电陶瓷驱动器采用可调预紧力固定方式，可以一定程度消除间隙对定位的影响；

(4)本实用新型装置的微动平台由杠杆放大的柔性铰链与压电陶瓷驱动器相连，采用了四组完全相同的杠杆放大柔性铰链，并且互成90°对称分布，对称分布的结构有效地减小了微动平台x方向和y方向的运动耦合误差，使控制方法更加简单并提高定位精度。基于杠杆放大的柔性铰链组可以拓宽压电陶瓷驱动器的行程范围，便于配合宏动平台的运动；

(5)本实用新型采用宏/微双重驱动的定位方式，具有大行程、高分辨率、高灵敏度、快速响应等特点。宏动平台实现大范围的粗定位，快速到达目标定位坐标附近，微动平台实现小范围的微定位，对定位平台进行微调，达到精密定位。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是图1的主视图；

图3是图1的左视图；

图4是图1的俯视图；

图5是图1中xy轴微动平台的结构示意图；

图6是图1的拆分示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例

如图1-图6所示，一种基于压电陶瓷驱动的二自由度宏微精密定位平台装置，包括定位平台本体部分、检测部分及控制部分。

——定位平台本体部分包括：

气浮平台13固定于地面，定位平台底座12被五个m6六角螺栓固定在气浮平台的面包板上，定位平台底座设置四个规格相同的直线导轨11，两条直线导轨沿着x轴方向平行放置构成x轴导轨，两个平行导轨相距200mm，x轴宏动平台通过滑块固定在x轴导轨可沿x方向上运动。其余两条直线导轨沿着y方向平行设置构成y轴导轨，两条直线导轨相距170mm设置在x轴宏动平台上，y轴宏动平台2设置在y轴导轨上，可沿y方向运动。

xy轴微动平台3通过四组完全相同的柔性铰链连接在y轴宏动平台2上，相邻组柔性铰链成90度。

——检测部分

所述检测部分由两部分构成，包括宏动检测部分及微动检测部分。

宏动检测部分：x轴光栅位移传感器15光栅尺部分固定在定位平台底座12，其检测头部分与x轴宏动平台14连接；

y轴光栅位移传感器9光栅尺部分通过光栅位移传感器连接块固定在x轴宏动平台14，其检测头部分与y轴宏动平台连接；两个方向的光栅位移传感器分别检测x与y方向的宏动平台的宏动位移信息，经由数据采集卡18后，将位移信息转换为数字信号传递至计算机20。

微动检测部分：电容传感器固定件8固定于y轴宏动平台2，两个电容位移传感器7分别垂直于x、y轴安装在电容传感器固定件8上，两个电容位移传感器传感器之间有微动平台检测块22固定于xy轴微动平台3背面，当xy轴微动平台3移动时微动平台检测块22相对电容位移传感器7产生运动，传感器极距发生变化，进而传感器发出信号传至数据采集卡18，然后再由计算机20接收信号。

控制部分包括直线电机驱动控制及压电陶瓷驱动控制。

直线电机驱动控制：x轴直线电机10定子连接在定位平台底座12上，动子连接在x轴宏动平台14上，y轴直线电机1的定子与x轴宏动平台14上，其动子与y轴宏动平台连接；位置信息由x、y方向的光栅位移传感器确定，当定位坐标需要改变时，计算机由检测部分的反馈信息计算x、y位移增量，经由运动控制卡19、直线电机伺服放大器17分别传递至x、y直线电机带动宏动平台移动，从而实现粗运动使xy轴微动平台3到达目标定位坐标附近，剩余偏差由压电陶瓷驱动控制部分补偿。

压电陶瓷驱动控制部分：用于驱动xy轴微动平台运动，主要是驱动x方向及驱动y方向的微位移。压电陶瓷驱动器6头端紧靠柔性铰链端面，尾端紧靠压力传感器5，压电陶瓷驱动器和压力传感器5的安装需要施加预紧力由压电驱动器紧固件4设置在y轴宏动平台上，实际预紧力由压力传感器反馈信息到数据采集卡，输入计算机；

当直线电机完成粗运动以后，计算机计算微动部分所需补偿剩余偏差，经由运动控制卡19、压电陶瓷控制器16将控制信号输出至压电陶瓷驱动器16，压电陶瓷驱动器16头端产生压力，压力使柔性铰链24发生变形进而驱动xy轴微动平台至目标定位坐标，完成精确定位。

直线电机驱动控制的宏动平台有效行程为120mm×120mm；

xy轴微动平台有效行程为405um×405um，动态定位分辨率为1nm；

本实用新型的控制过程包括如下步骤：

第一步利用光栅位移传感器和电容位移传感器检测当前微动平台的位置，将位置信息经过数据采集卡传送至计算机中；

第二步计算机将接收到的位置信息与目标位置信息对比，经由计算机内的运动轨迹算法处理出所需的粗位移增量和微位移增量；

第三步将粗位移增量信息经过运动控制卡、直线电机伺服放大器驱动直线电机工作，直线电机带动宏动平台运动，光栅位移传感器同时产生反馈信息传送至计算机；将微位移增量信息经过运动控制卡、压电陶瓷控制器使压电陶瓷驱动器工作，xy微动平台产生运动，电容位移传感器同时产生反馈信息传送至计算机；

第四步计算机将所述第三步骤产生的反馈信息用计算机内的反馈控制算法进行处理，将处理后的信息再传送至运动控制卡，进而再驱动直线电机和压电陶瓷驱动器，实现闭环控制，达到定位平台按要求保持的高速、高精度同步运动。

所述压电陶瓷驱动控制部分的偏差值正负符号未定，故压电陶瓷驱动器在初始化时需要保持在最大输出值电压的中值，在需要压电陶瓷驱动器补偿偏差时可灵活快速调节，增加所述装置的快速性；

如图4微动部分结构示意图中，柔性铰链为两级杠杆放大机构，第一级放大倍数为i1＝30/15＝2.0，第二级放大倍数为i2＝45/10＝4.5，总放大倍数为i＝i1×i2＝2.0×4.5＝9.0。

图1中的虚线指示了各个设备之间的连线关系，方向箭头表明了检测和控制信号流的传递方向。

在本实施例中，直线电机采用横川lm300-x1无铁心系列直线电机，有效行程150mm,峰值推力144n，分辨率1.0um；直线电机驱动器采用横川vc||-08-230驱动器；光栅位移传感器采用意大利givimisuer公司isa2320光栅传感器，有效检测行程120mm，分辨率0.5um。

压电陶瓷驱动器采用pi公司型号p-840.3压电陶瓷驱动器，最大行程45um,峰值推力1000n，谐振频率10khz，亚纳米级分辨；该压电陶瓷促动器为全瓷绝缘，使用时无需润滑，不会造成磨损；驱动器几何尺寸为12mm×68mm。电控单元为pi公司e-503压电陶瓷控制器。

本实例采用spfo-b型自动充气平衡隔振平台，规格600mm×600mm×500mm,隔振效果强，固有隔振频率为1hz,平台平面度小于0.05mm/m2，振幅小于1.2um；压力传感器为l10m微小型测力传感器，体积小，重量轻，适用于量程1000n。导轨采用米思米微型精密导轨，型号为sse2bl10-295；采用capancdt—电容式位移传感器和测量系统，传感器型号为cs05，静态分辨率0.0375nm,动态分辨率为1nm，适用于微小直线位移测量。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。