CN212471489U - 一种大行程多自由度纳米级定位装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种大行程多自由度纳米级定位装置，包括底座，所述底座顶部通过带自锁下铰链连接电动缸一端，所述电动缸另一端连接微动驱动机构一端，所述微动驱动机构另一端通过带自锁上铰链连接工作台底部。本实用新型，结构简单，大行程高精度，通过发明的驱动结构具有大行程高精度的特点，实现平台的大行程高精度，弥补了传统的高精度行程小的缺陷。多自由度，通过并联机器人机构实现了多自由的任意姿态调节，满足各种定位需求。自动化程度高，通过计算机实现整个定位和控制方法，可以高效实现定位操作提高使用效率。

Description

一种大行程多自由度纳米级定位装置

技术领域

本实用新型属于高精度定位技术领域，涉及一种大行程多自由度纳米级定位装置。

背景技术

当前计算机、微电子、精密测量与制造迅猛发展，都对纳米级的高精度测量与控制提出了要求，而纳米级的定位工作台3，实现相关工作的基础。由于高精度的定位与驱动是十分精密的***。在常见的处理方案中，都是通常通过压电驱动技术实现单轴、或者少数几个轴的微米级小范围的移动和高精度的定位。在实际应用中，如果涉及到较大的范围，需要额外附加工作工作台3，或者进行二次调整安装，不仅影响精度还影响效率，给使用和测量带来了很多问题。

随着纳米驱动、计算机控制与测量、伺服控制技术的普及，通过大形成的电动伺服机构与纳米驱动机构的融合，通过计算机实现关键的控制、锁定、数据采集，可以实现大范围的多自由度的纳米级的定位工作台，将在高精度半导体等领域具有十分广阔的应用前景。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种大行程多自由度纳米级定位装置，满足了大范围多自由度的纳米级的定位需求，克服现有方式存在的行程小，多次调整效率低的问题。

按照本实用新型提供的技术方案：一种大行程多自由度纳米级定位装置，包括底座、若干个并联的支链机构和工作台，所述若干个并联的支链机构两侧通过铰链座支撑块分别与底座、工作台连接；所述支链机构包括电动缸、微动驱动机构、激光干涉仪、光栅测量装置、带自锁上铰链及带自锁下铰链；所述底座顶部通过带自锁下铰链连接电动缸一端，所述电动缸另一端连接微动驱动机构一端，所述微动驱动机构另一端通过带自锁上铰链连接工作台底部；所述工作台侧面安装激光干涉仪，所述电动缸上安装光栅测量装置。

作为本实用新型的进一步改进，所述电动缸缸体端通过带自锁下铰链连接所述底座顶部，所述电动缸活塞端连接所述微动驱动机构一端；所述微动驱动机构采用压电陶瓷驱动器驱动。

所述光栅测量装置为光栅尺，所述光栅尺主尺安装在所述电动缸缸体上，所述光栅读数头安装在所述电动缸活塞端。

作为本实用新型的进一步改进，所述带自锁上铰链包括第一球形铰链座和第二球形铰链座，所述第一球形铰链座通过第一销轴铰接在所述工作台底部，所述第一球形铰链座一侧开有第一固定圆弧槽，另一侧连接电磁铁，所述第二球形铰链座通过第二销轴铰接在所述工作台底部，所述第二球形铰链座一侧开有第二固定圆弧槽，所述第一固定圆弧槽与所述第二固定圆弧槽中设置钢球，所述第一球形铰链座中开有第一通孔，所述第二球形铰链座中开有第二通孔，所述第一通孔与所述第二通孔中设置拉杆，所述拉杆端部通过第三销轴铰接在所述第二球形铰链座，所述拉杆另一端露出所述第一通孔，且其上安装磁吸板，所述磁吸板一端位于所述电磁铁侧面，所述第一球形铰链座与所述磁吸板之间设置弹簧，所述钢球下端部连接所述微动驱动机构上端。

作为本实用新型的进一步改进，所述电磁铁选用吸盘式圆形电磁铁，吸力达到20KG。

作为本实用新型的进一步改进，所述弹簧套设在所述拉杆外周。

作为本实用新型的进一步改进，所述带自锁下铰链与所述带自锁上铰链结构相同。

作为本实用新型的进一步改进，所述底座上面均布与所述工作台底部对应均布铰链座支撑块，所述带自锁上铰链和所述带自锁下铰链均分别连接所述铰链座支撑块。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点：

1、本实用新型结构简单，大行程高精度，通过发明的驱动结构具有大行程高精度的特点，实现平台的大行程高精度，弥补了传统的高精度行程小的缺陷。

2、本实用新型多自由度，通过并联机器人机构实现了多自由的任意姿态调节，满足各种定位需求。

3、本实用新型自动化程度高，通过计算机实现整个定位和控制方法，可以高效实现定位操作提高使用效率。

附图说明

图1 本实用新型结构原理图。

图2 本实用新型的支链的结构示意图。

图3本实用新型带自锁上铰链结构的俯视图。

图4本实用新型的另一个实施例的结构示意图。

图5本实用新型控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步的说明。

图1-5中，包括底座1、支链机构2、工作台3、带自锁上铰链21、微动驱动机构22、压电陶瓷23、电动缸24、带自锁下铰链25、第一球形铰链座211、第二球形铰链座212、弹簧213、拉杆214、电磁铁215、磁吸板216、第一销轴217、第二销轴218、钢球219、第三销轴220，微动驱动底座32、计算机等。

如图1所示，本实用新型是一种大行程多自由度纳米级定位装置，包括底座1，并联支链机构2和工作台3。

参见图2，并联支链机构2包括带自锁上铰链21，微动驱动机构22，电动缸24，带自锁下铰链25。电动缸24一端通过带自锁下铰链25连接底座1顶部，电动缸24另一端连接微动驱动机构22一端，微动驱动机构22另一端通过带自锁上铰链21连接工作台3底部。

在本实施例中，电动缸24缸体端通过带自锁下铰链25连接底座1顶部，电动缸24活塞端连接微动驱动机构22一端。

为测量电动缸24的伸缩位移，加装了光栅尺装置，光栅尺主尺安装在电动缸24缸体上，光栅读数头安装在电动缸24活塞端，当电动缸24活塞端伸缩时，就能把实时数据传递给光栅尺。在本实施例中，电动缸24为伺服电缸，选用的Exlar GX20系列12mm行程电动缸，该电动缸具有推力重复度高，位置控制准确的特点。为测量电动缸的伸缩位移，加装了光栅尺装置，光栅尺选用了海德汉的LIP382系列超高精度直线光栅尺，量程为70mm。

微动驱动机构22另一端通过带自锁上铰链21连接工作台3底部。微动驱动机构22采用压电陶瓷驱动器驱动。在本实施例中，微动驱动机构22为PI 的Q-Motion系列Q521小型线性工作台，最小位移高达2纳米，该线性工作台3采用集成式的增量式编码器实现直接位置测量，分辨率1纳米。

同时为实现工作台精确定位，在本装置一侧加装了激光干涉仪进行工作台位置的测量，可实时监测工作台3高度方向的位移。激光干涉仪选用了雷尼绍的XL-80系列，其测量精度达到±0.5ppm，分辨率达到1纳米。

参见图3，本实用新型中的带自锁上铰链21包括第一球形铰链座211和第二球形铰链座212，弹簧213，拉杆214和电磁铁215，磁吸板216，第一销轴217，第二销轴218，钢球219，第三销轴220。第一球形铰链座211通过第一销轴217铰接在工作台3底部，第一球形铰链座211一侧开有第一固定圆弧槽，另一侧通过螺纹结构连接电磁铁215，电磁铁215选用吸盘式圆形电磁铁，吸力达到20KG。第二球形铰链座212通过第二销轴218铰接在工作台3底部，第二球形铰链座212一侧开有第二固定圆弧槽。第一固定圆弧槽与第二固定圆弧槽中设置钢球219。

第一球形铰链座211中开有第一通孔，第二球形铰链座212中开有第二通孔。第一通孔与第二通孔中设置拉杆214，拉杆214端部通过第三销轴220铰接在第二球形铰链座212。拉杆214另一端露出第一通孔，且其上安装磁吸板216，磁吸板216由磁性材料制成。磁吸板216一端位于电磁铁215侧面。第一球形铰链座211与磁吸板216之间设置弹簧213，弹簧213套设在拉杆214外周。钢球219下端部连接微动驱动机构上端。

在工作台3上升时，电磁铁215处于得电状态，电磁铁215吸引磁吸板216向下移动，电磁铁215与磁吸板216之间的磁力克服了弹簧213的弹力，磁吸板216通过拉杆214带动第二球形铰链座212围绕第二销轴218转动，在图3中，第二球形铰链座212围绕第二销轴218顺时针转动。第一球形铰链座211与第二球形铰链座212之间间隙增大，钢球219在第一固定圆弧槽、第二固定圆弧槽中的受到的夹紧力变小，钢球219可以转动。

带自锁下铰链25与带自锁上铰链21结构相同，带自锁下铰链25中的球形铰链座安装在底座1顶部，带自锁下铰链25中的钢球上端部连接电动缸24缸体端。

底座1上面有6个呈60°均布的螺纹孔用来安装铰链座支撑块，同时工作台3底部也有六个同样分布的螺纹孔，与底座1相对应，这样可以保证并联的支链2移动量一致，工作台3在上升过程中保持平稳。

并联支链2两侧通过铰链座支撑块与底座1、工作台3连接。铰链座支撑块通过螺栓连接在底座1顶面、工作台3底面。

带自锁下铰链25中的球形铰链座安装在底座1顶部的铰链座支撑块上，第一球形铰链座211和第二球形铰链座212安装在工作台3底部的铰链座支撑块上。

参见图4，为本实用新型一种大范围多自由度纳米级定位装置的另一实施例，包括底座1，底座1顶部通过铰链铰接电动缸24缸体端，电动缸24活塞端通过铰链铰接电动工作台12底部，电动工作台12上部设置微动驱动底座32，微动驱动底座32顶部通过螺栓固定连接微动驱动机构22一端，微动驱动机构22另一端通过螺栓固定连接工作台3底部。该实施例中，下半部分为实现大范围的运动要求，电动缸24选用大量程的翼望SEA801系列电动缸，最大行程达到500mm。

参见图5，光栅测量装置光栅尺通过导线与第一釆集器连接；激光干涉仪通过导线与第二釆集器连接；第一釆集器与第二釆集器分别通过导线连接计算机；所述计算机分别通过导线与电动缸24伺服驱动***、电磁铁215电磁驱动***及微动驱动机构22压电驱动***连接。计算机选用了研华UNO-2372G-J021AE系列无风扇嵌入式工业控制计算机。选用的电动缸24自带增量式编码器，同时为接入光栅尺的1VPP接口信号选用了研华ADAM-6017的Modbus IO模块，该模块AD精度达到16位，采集的数据通过Modbus从机的方式提供给计算机读取。

对于电磁铁215的驱动，选用研华的ADAM-6017模块具有数字量输出端口，计算机通过Modbus协议可以控制数字量输出端口，进而可以控制继电器来控制电磁铁215的通断电。微动模块的驱动采用PI的E-873 Q-Motion伺服控制器，计算机通过RJ45网口对该伺服控制器进行控制，进而控制微动驱动机构22。对于激光干涉仪对工作台的测量数据，计算机通过USB口进行读取。

大行程多自由度纳米级定位控制方法包括如下步骤：

步骤一：包括底座1、支链机构2、工作台3，所述支链机构2包括电动缸24、电磁铁215、微动驱动机构22、激光干涉仪及光栅测量装置，带自锁上铰链21及带自锁下铰链25；

还包括第一釆集器、第二釆集器及计算机；所述光栅测量装置通过导线与第一釆集器连接；所述激光干涉仪通过导线与第二釆集器连接；所述第一釆集器与第二釆集器分别通过导线连接计算机；所述计算机分别通过导线与电动缸24伺服驱动***、电磁铁215电磁驱动***及微动驱动机构22压电驱动***连接；

步骤二：所述计算机驱动所述电动缸24的伺服驱动***，驱动所述电动缸24活塞端移动，所述光栅测量装置将光栅读数头的位移量通过第一采集器传递给所述计算机，当需要所述电动缸24位移的量到位后，所述计算机驱动所述电动缸24停止；

步骤三：所述计算机驱动启动微动驱动机构22压电驱动***中的压电陶瓷驱动器，所述压电陶瓷驱动器驱动所述微动驱动机构22在竖直方向产生位移，所述激光干涉仪将所述工作台3的位移量测量后通过第二采集器传递给所述计算机；

步骤四：计算机接收到工作台3的位移量后，当到达指定尺寸时，计算机驱动带自锁下铰链25和带自锁上铰链21自锁。

具体自锁过程如下：以带自锁上铰链21为例，计算机使电磁铁215失电，电磁铁215与磁吸板216之间的磁力消失，弹簧213从压缩状态回弹，弹簧213上部推动磁吸板216往上移动，通过拉杆214带动第二球形铰链座212围绕第二销轴218转动，在图3中，第二球形铰链座212围绕第二销轴218逆时针转动。第一球形铰链座211与第二球形铰链座212之间间隙变小，钢球219在第一固定圆弧槽、第二固定圆弧槽中的受到的夹紧力增大，钢球219锁定。带自锁下铰链25自锁同理。

Claims (8)

1.一种大行程多自由度纳米级定位装置，其特征在于：所述装置包括底座（1）、若干个并联的支链机构（2）和工作台（3），所述若干个并联的支链机构（2）两侧通过铰链座支撑块分别与底座（1）、工作台（3）连接；所述支链机构（2）包括电动缸（24）、微动驱动机构（22）、激光干涉仪、光栅测量装置、带自锁上铰链（21）及带自锁下铰链（25）；所述底座（1）顶部通过带自锁下铰链（25）连接电动缸（24）一端，所述电动缸（24）另一端连接微动驱动机构（22）一端，所述微动驱动机构（22）另一端通过带自锁上铰链（21）连接工作台（3）底部；所述工作台（3）侧面安装激光干涉仪，所述电动缸（24）上安装光栅测量装置。

2.如权利要求1所述的大行程多自由度纳米级定位装置，其特征在于：所述电动缸（24）缸体端通过带自锁下铰链（25）连接所述底座（1）顶部，所述电动缸（24）活塞端连接所述微动驱动机构（22）一端；所述微动驱动机构（22）采用压电陶瓷驱动器驱动。

3.如权利要求1所述的大行程多自由度纳米级定位装置，其特征在于：所述光栅测量装置为光栅尺，所述光栅尺主尺安装在所述电动缸（24）缸体上，光栅读数头安装在所述电动缸（24）活塞端。

4.如权利要求1所述的大行程多自由度纳米级定位装置，其特征在于：所述带自锁上铰链（21）包括第一球形铰链座（211）和第二球形铰链座（212），所述第一球形铰链座（211）通过第一销轴（217）铰接在所述工作台（3）底部，所述第一球形铰链座（211）一侧开有第一固定圆弧槽，另一侧连接电磁铁（215），所述第二球形铰链座（212）通过第二销轴（218）铰接在所述工作台（3）底部，所述第二球形铰链座（212）一侧开有第二固定圆弧槽，所述第一固定圆弧槽与所述第二固定圆弧槽中设置钢球（219），所述第一球形铰链座（211）中开有第一通孔，所述第二球形铰链座（212）中开有第二通孔，所述第一通孔与所述第二通孔中设置拉杆（214），所述拉杆（214）端部通过第三销轴（220）铰接在所述第二球形铰链座（212），所述拉杆（214）另一端露出所述第一通孔，且其上安装磁吸板（216），所述磁吸板（216）一端位于所述电磁铁（215）侧面，所述第一球形铰链座（211）与所述磁吸板（216）之间设置弹簧（213），所述钢球（219）下端部连接所述微动驱动机构上端。

5.如权利要求4所述的大行程多自由度纳米级定位装置，其特征在于：所述电磁铁（215）选用吸盘式圆形电磁铁，吸力达到20KG。

6.如权利要求4所述的大行程多自由度纳米级定位装置，其特征在于：所述弹簧（213）套设在所述拉杆（214）外周。

7.如权利要求1所述的大行程多自由度纳米级定位装置，其特征在于：所述带自锁下铰链（25）与所述带自锁上铰链（21）结构相同。

8.如权利要求1所述的大行程多自由度纳米级定位装置，其特征在于：所述底座（1）上面均布与所述工作台（3）底部对应均布铰链座支撑块，所述带自锁上铰链（21）和所述带自锁下铰链（25）均分别连接所述铰链座支撑块。

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