本發(fā)明涉及精密制造、精密測量、精密定位領(lǐng)域，特別涉及一種微納操作環(huán)境下的精密宏動并聯(lián)定位系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，精密制造、精密測量及精密定位技術(shù)在科研前沿和工業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)越來越重要的地位。如在生物工程，精密機(jī)械工程或材料科學(xué)領(lǐng)域中，常需使用微納操作系統(tǒng)對樣本進(jìn)行研究。微納操作系統(tǒng)包括觀測器，定位平臺與操縱器，現(xiàn)有商用觀測器如掃描電子顯微鏡(SEM)等，其配備的定位平臺常采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)，精度低、易累積誤差，不滿足高精密操作的要求。為達(dá)到高精度的定位要求，針對串聯(lián)結(jié)構(gòu)誤差累計大、剛度低的缺點，研究者們提出了并聯(lián)機(jī)構(gòu)的概念；針對傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)難以規(guī)避運(yùn)動副間隙及裝配誤差等缺點，提出了柔順機(jī)構(gòu)的概念。并聯(lián)機(jī)構(gòu)是指動平臺和定平臺通過至少兩個獨立的運(yùn)動鏈相連接，機(jī)構(gòu)具有兩個或兩個以上自由度，且以并聯(lián)方式驅(qū)動的一種閉環(huán)機(jī)構(gòu)。它具有高剛度、高負(fù)載以及快速響應(yīng)等特點。目前得到廣泛應(yīng)用的有Delta機(jī)構(gòu)、Stewart機(jī)構(gòu)、Tricept機(jī)構(gòu)等。柔順機(jī)構(gòu)是指在外力或力矩作用下，利用材料彈性變形產(chǎn)生類似傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動的一種運(yùn)動副形式。它具有高精度、免裝配、無間隙和摩擦等特點。目前已被廣泛運(yùn)用于微定位，微操作及微裝配等領(lǐng)域。然而，由于受工作原理限制，柔順機(jī)構(gòu)通常僅具有微米級的工作空間；并聯(lián)機(jī)構(gòu)能輕易實現(xiàn)毫米級以上工作空間，卻難達(dá)到亞微米級定位精度。為解決大行程與高精度這一矛盾，研究者提出了宏微結(jié)合的定位方法，如K.H.帕克(K.H.PARK音譯)等人所著論文《HighSpeedMicroPositioningSystemBasedonCoarse/FinePairControl》中的實驗樣機(jī)。宏微結(jié)合的定位方法，能使機(jī)構(gòu)具有毫米級行程與納米級定位精度。但該方法需保證宏動平臺的運(yùn)動能精確定位至微動平臺的工作空間內(nèi)(通常為微米或亞微米級)，這就給宏動并聯(lián)精密定位平臺提出了極高的性能要求。目前宏微結(jié)合的定位方法中，采用宏動并聯(lián)機(jī)構(gòu)與微動柔順機(jī)構(gòu)結(jié)合的方式相對較少。其中宏動并聯(lián)機(jī)構(gòu)設(shè)計上通常采用電磁旋轉(zhuǎn)式電機(jī)(包括伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等)進(jìn)行驅(qū)動，需要安裝減速機(jī)構(gòu)來降低轉(zhuǎn)速，提高力矩，如高名旺所著論文：《平面并聯(lián)機(jī)器人設(shè)計、分析與控制》中的3-RRR實驗樣機(jī)。這既增加了機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，不利于SEM等空間狹小的地方應(yīng)用，又使機(jī)構(gòu)不可避免地產(chǎn)生了間隙、彈性形變及摩擦等非線性因素的影響，降低了機(jī)構(gòu)的定位精度。此外，傳統(tǒng)直線驅(qū)動的機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)：如王曉云(XiaoyunWang音譯)等人所著論文《ExperimentalIdentificationandActiveControlofConfigurationDependentLinkageVibrationinaPlanarParallelRobot》中的實驗樣機(jī),會引入滾珠絲杠、軸承等部件的間隙誤差，導(dǎo)程誤差等非線性因素，使得機(jī)構(gòu)定位精度通常只能達(dá)到微米級。另一方面，電磁電機(jī)工作會產(chǎn)生電磁場，在某些對電磁場有嚴(yán)格限制的使用環(huán)境(如掃描電子顯微鏡真空腔)中并不適用。公開號為CN1562578A的專利提出了一種宏微一體化的新型精密定位并聯(lián)機(jī)器人，其思路是采用了柔順鉸鏈部分代替?zhèn)鹘y(tǒng)運(yùn)動副以消除間隙。該方案的缺陷在于使機(jī)構(gòu)的剛度及承重能力下降，高速定位運(yùn)動中容易產(chǎn)生振動。此外，以上所提及機(jī)構(gòu)及目前已查文獻(xiàn)，均未考慮對并聯(lián)機(jī)構(gòu)支鏈裝配誤差進(jìn)行消除。并聯(lián)機(jī)構(gòu)尤其是平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)，各支鏈的裝配誤差會導(dǎo)致動平臺傾斜或變形，影響機(jī)構(gòu)定位精度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點與不足，提供一種微納操作環(huán)境下的精密宏動并聯(lián)定位系統(tǒng)。本發(fā)明的另一目的在于提供一種微納操作環(huán)境下的精密宏動并聯(lián)定位方法。本發(fā)明的目的通過以下的技術(shù)方案實現(xiàn)：一種微納操作環(huán)境下的精密宏動并聯(lián)定位系統(tǒng)，包括順序相連的機(jī)械本體、標(biāo)定裝置和控制裝置，通過標(biāo)定裝置標(biāo)定機(jī)械本體的運(yùn)動學(xué)參數(shù)，輸入到控制裝置進(jìn)行實時補(bǔ)償，再通過控制裝置驅(qū)動機(jī)械本體按預(yù)定軌跡實現(xiàn)精密定位。所述的機(jī)械本體，具有兩平動一轉(zhuǎn)動的自由度，包括底座、三組以上的相同的超聲電機(jī)驅(qū)動支鏈，以及動平臺；其中，底座與地面或腔體內(nèi)壁固定連接；超聲電機(jī)驅(qū)動支鏈沿底座中心軸對稱分布且與底座固定連接，相對底座平動及轉(zhuǎn)動；動平臺與超聲電機(jī)驅(qū)動支鏈固定連接，相對超聲電機(jī)驅(qū)動支鏈轉(zhuǎn)動。所述的標(biāo)定裝置，包括激光位移跟蹤儀測量模塊和直線光柵測量模塊；其中，激光位移跟蹤儀測量模塊，用于標(biāo)定運(yùn)動學(xué)參數(shù)的實際值：將激光反射球、激光跟蹤儀采集的信號輸入工控機(jī)進(jìn)行處理；所述激光反射球固定連接于機(jī)械本體上；直線光柵測量模塊，用于反饋關(guān)節(jié)運(yùn)動位置，校正動平臺原點：將銦鋼光柵尺、光柵讀數(shù)頭采集的信號經(jīng)由光柵讀數(shù)頭細(xì)分接口輸入控制器進(jìn)行處理；所述的銦鋼光柵尺固定連接于底板上，所述光柵讀數(shù)頭固定連接于機(jī)械本體上。所述的控制裝置，包括直線電機(jī)控制模塊、動平臺定位控制模塊、溫度補(bǔ)償模塊；用于處理各模塊信號并做出相應(yīng)的處理，驅(qū)動機(jī)械本體按預(yù)定軌跡運(yùn)動；其中，直線電機(jī)控制模塊:通過工控機(jī)把目標(biāo)位置信息輸入控制器，控制器經(jīng)計算得出驅(qū)動量輸出到直線電機(jī)驅(qū)動器，再驅(qū)動機(jī)械本體運(yùn)動；反饋環(huán)節(jié)采用直線光柵測量模塊，從而實現(xiàn)閉環(huán)控制；動平臺定位控制模塊，采用奇異區(qū)域規(guī)避與逃逸控制策略，實時判斷動平臺軌跡，當(dāng)動平臺軌跡接近奇異區(qū)域邊界時，同時采取軌跡半徑縮短與變姿態(tài)的策略，規(guī)避、穿越奇異區(qū)域，當(dāng)動平臺遠(yuǎn)離奇異區(qū)域的時候，恢復(fù)原軌跡運(yùn)行，其中軌跡跟蹤采用自校正算法，對動平臺軌跡進(jìn)行實時校正，實現(xiàn)軌跡跟蹤；當(dāng)動平臺因為擾動而進(jìn)入奇異區(qū)域時，將采用奇異區(qū)域逃逸策略，實現(xiàn)奇異區(qū)域的快速逃逸；溫度補(bǔ)償模塊，將溫度傳感器檢測到的溫度信號，通過控制器輸入工控機(jī)進(jìn)行處理；根據(jù)測量的運(yùn)動學(xué)參數(shù)隨溫度變化規(guī)律，對運(yùn)動學(xué)參數(shù)進(jìn)行實時的修正補(bǔ)償。所述的底座，包括底板、偏心輪夾緊機(jī)構(gòu)，其中偏心輪夾緊機(jī)構(gòu)由多個對稱分布在底板上的相同的偏心輪柱構(gòu)成；偏心輪柱嵌入底板上對應(yīng)的偏心輪定位孔中，相對底板做旋轉(zhuǎn)調(diào)整，并通過螺釘和彈簧墊片與底板固定連接；所述的超聲電機(jī)驅(qū)動支鏈由主動移動副關(guān)節(jié)、被動轉(zhuǎn)動副關(guān)節(jié)Ⅰ、被動轉(zhuǎn)動副關(guān)節(jié)Ⅱ組成；所述主動移動副關(guān)節(jié)由滾動直線軸承、電機(jī)固定支架、連接板、直線超聲電機(jī)組成；所述被動轉(zhuǎn)動副關(guān)節(jié)Ⅰ由關(guān)節(jié)機(jī)架、轉(zhuǎn)軸Ⅰ、精密軸承Ⅰ、精密軸承Ⅱ、彈性變形件、鎖緊螺母Ⅰ、壓板組成；所述被動轉(zhuǎn)動副關(guān)節(jié)Ⅱ由連桿、轉(zhuǎn)軸Ⅱ、精密軸承Ⅲ、精密軸承Ⅳ、端蓋、鎖緊螺母Ⅱ組成；所述滾動直線軸承包括導(dǎo)軌和滑塊；所述直線超聲電機(jī)包括基體與導(dǎo)桿；超聲電機(jī)驅(qū)動支鏈內(nèi)部連接關(guān)系為：主動移動副關(guān)節(jié)與被動轉(zhuǎn)動副關(guān)節(jié)Ⅰ固定連接；被動轉(zhuǎn)動副關(guān)節(jié)Ⅰ與被動轉(zhuǎn)動副關(guān)節(jié)Ⅱ固定連接；主動移動副關(guān)節(jié)內(nèi)部連接關(guān)系為：所述連接板與所述滑塊固定連接；所述基體與連接板固定連接；所述導(dǎo)桿兩端固定連接于所述電機(jī)固定支架上；被動轉(zhuǎn)動副關(guān)節(jié)Ⅰ內(nèi)部連接關(guān)系為：所述精密軸承Ⅰ、精密軸承Ⅱ采用過渡配合，分別安裝在所述關(guān)節(jié)機(jī)架上端與下端的安裝孔中；所述轉(zhuǎn)軸Ⅰ與精密軸承Ⅰ、精密軸承Ⅱ內(nèi)圈采用過渡配合固定連接；所述彈性變形件放置在關(guān)節(jié)機(jī)架下端安裝孔擋肩與精密軸承Ⅱ之間；所述壓板與轉(zhuǎn)軸Ⅰ下端面固定連接；所述鎖緊螺母Ⅰ安裝在轉(zhuǎn)軸Ⅰ上端，旋緊后鎖緊螺母Ⅰ與精密軸承Ⅰ端面貼合，壓板與精密軸承Ⅱ端面貼合；彈性變形件受力變形，其上下邊緣分別與關(guān)節(jié)機(jī)架下端安裝孔擋肩及精密軸承Ⅱ上端面貼合；被動轉(zhuǎn)動副關(guān)節(jié)Ⅱ內(nèi)部連接關(guān)系為：所述精密軸承Ⅲ、精密軸承Ⅳ采用過渡配合設(shè)置在所述連桿的安裝孔中；所述端蓋置入安裝孔中，配合安裝孔的擋肩壓緊精密軸承Ⅲ、精密軸承Ⅳ，使精密軸承Ⅲ、精密軸承Ⅳ外圈與連桿固定連接；所述轉(zhuǎn)軸Ⅱ與精密軸承Ⅲ、精密軸承Ⅳ采用過渡配合固定連接；所述鎖緊螺母Ⅱ安裝在轉(zhuǎn)軸Ⅱ下端，旋緊后鎖緊螺母Ⅱ，通過轉(zhuǎn)軸Ⅱ軸肩壓緊精密軸承Ⅲ、精密軸承Ⅳ，使精密軸承Ⅲ、精密軸承Ⅳ內(nèi)圈與轉(zhuǎn)軸Ⅱ固定連接；所述的銦鋼光柵尺固定連接于底板上，所述光柵讀數(shù)頭固定連接于連接板上；所述的溫度傳感器固定連接于底板上。所述的被動轉(zhuǎn)動副關(guān)節(jié)Ⅱ采用軸承定位預(yù)緊的結(jié)構(gòu)：所述精密軸承Ⅲ、精密軸承Ⅳ為成對安裝的精密角接觸球軸承；所述被動轉(zhuǎn)動副關(guān)節(jié)Ⅰ采用軸承定壓預(yù)緊的結(jié)構(gòu)：所述精密軸承Ⅰ、精密軸承Ⅱ為精密角接觸球軸承，所述關(guān)節(jié)機(jī)架安裝孔中設(shè)置了所述彈性變形件。所述的轉(zhuǎn)軸Ⅱ兩端具有用于調(diào)整超聲電機(jī)驅(qū)動支鏈與動平臺相對高度的螺紋。所述的微納操作環(huán)境包括掃描電子顯微鏡SEM腔體，掃描探針顯微鏡SPM腔體。本發(fā)明的另一目的通過以下的技術(shù)方案實現(xiàn)：一種微納操作環(huán)境下的精密宏動并聯(lián)定位方法，包含標(biāo)定方法和控制方法，其中標(biāo)定方法包括以下順序的步驟：S1.把激光反射球放置于底板的定位孔中，使用激光跟蹤儀對底板建立世界坐標(biāo)系；S2.分別在轉(zhuǎn)軸Ⅰ、轉(zhuǎn)軸Ⅱ、動平臺的定位孔中放置激光反射球，通過激光跟蹤儀標(biāo)定運(yùn)動學(xué)參數(shù)實際值，輸入工控機(jī)進(jìn)行修正；運(yùn)動學(xué)參數(shù)包括ΔA1A2A3外接圓直徑、ΔC1C2C3外接圓直徑，以及B1C1、B2C2、B3C3的長度；S3.動平臺工作原點的標(biāo)定：通過激光跟蹤儀先使動平臺運(yùn)動到世界坐標(biāo)系原點，再通過微調(diào)銦鋼光柵尺的參考零點，使光柵讀數(shù)頭與銦鋼光柵尺零點重合；S4.系統(tǒng)啟動；初始化時，通過每個超聲電機(jī)驅(qū)動支鏈的單獨運(yùn)動，搜尋銦鋼光柵尺參考零點；分別定位后，動平臺原點與世界坐標(biāo)系原點重合；S5.通過溫度傳感器長時間測量各運(yùn)動學(xué)參數(shù)實際值，記錄下參數(shù)隨溫度升降的變化規(guī)律；在運(yùn)行中根據(jù)實測溫度實時補(bǔ)償運(yùn)動學(xué)參數(shù)；控制方法包括以下順序的步驟：S1.利用所述標(biāo)定方法，通過銦鋼光柵尺參考零點檢測動平臺零位，進(jìn)行初始化復(fù)位操作；S2.規(guī)劃動平臺運(yùn)動軌跡，利用銦鋼光柵尺位置信號，通過增量式編碼器接口輸入工控機(jī)；工控機(jī)計算并生成相應(yīng)控制信號，通過D/AC轉(zhuǎn)換電路輸出到直線電機(jī)驅(qū)動器，使直線超聲電機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)運(yùn)動；A/DC轉(zhuǎn)換電路實時轉(zhuǎn)換溫度傳感器溫度信號并輸入工控機(jī)處理，實現(xiàn)運(yùn)動學(xué)參數(shù)的溫度補(bǔ)償；S3.運(yùn)動過程中根據(jù)直線光柵測量模塊所測信號實時檢測軌跡位置，采用奇異區(qū)域的規(guī)避與逃逸控制策略；S4.運(yùn)動過程中通過直線光柵測量模塊信號進(jìn)行運(yùn)動學(xué)正解，計算動平臺位置；對比動平臺末端實際位置與目標(biāo)位置的偏差，運(yùn)行自校正算法，產(chǎn)生控制信號；控制信號通過D/AC轉(zhuǎn)換電路輸出到直線電機(jī)驅(qū)動器，直線超聲電機(jī)響應(yīng)控制信號運(yùn)動并補(bǔ)償偏差。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點和有益效果：一、機(jī)械部分：在結(jié)構(gòu)設(shè)計上：(1)采用高精度的角接觸球軸承，可通過調(diào)整消除游隙，達(dá)到消除旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)間隙的目的；采用預(yù)緊的高精度線性導(dǎo)軌，可消除平動關(guān)節(jié)間隙；(2)加寬線性導(dǎo)軌、關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸簡支梁支承方式及高剛度桿件的配合，使裝置即使在大負(fù)載的情況下仍能保證定位精度；(3)設(shè)計了簡單有效的轉(zhuǎn)軸高度調(diào)整機(jī)構(gòu)以消除各支鏈裝配誤差給動平臺帶來的影響；(4)對稱的3-PRR構(gòu)型，光柵尺采用低熱膨脹系數(shù)的銦剛，盡量減少了熱脹冷縮帶來的影響；(5)機(jī)械本體結(jié)構(gòu)緊湊，有利于微型化，在對尺寸有限制的使用環(huán)境中具有廣泛實用性；(6)機(jī)構(gòu)的固定方式采用非破壞的夾緊方式，適用于封閉腔體或無安裝孔的工作環(huán)境。在驅(qū)動方式上采用超聲直線電機(jī)驅(qū)動：(1)相比傳統(tǒng)電磁電機(jī)響應(yīng)速度快，具有斷電自鎖、低速大力矩、運(yùn)動無間隙的特性，因而不需要減速器，減少了摩擦力的構(gòu)成；(2)不產(chǎn)生磁場，適用于要求無磁場的環(huán)境；(3)結(jié)構(gòu)緊湊，易于實現(xiàn)小型化和輕量化。二、標(biāo)定部分：(1)采用激光跟蹤儀與光柵尺同時標(biāo)定動平臺原點，保證了參數(shù)的準(zhǔn)確性；(2)運(yùn)動學(xué)參數(shù)與溫度變化的關(guān)系經(jīng)過測定后實時補(bǔ)償，把溫度變化所產(chǎn)生的影響降到最低。三、控制部分：(1)驅(qū)動關(guān)節(jié)采用光柵尺實現(xiàn)閉環(huán)控制，關(guān)節(jié)空間使用模型參考自適應(yīng)算法實現(xiàn)精密定位；(2)平臺運(yùn)動采用自校正控制算法實現(xiàn)精密定位與軌跡跟蹤，同時采取奇異區(qū)域規(guī)避與逃逸控制策略，確保機(jī)構(gòu)具有良好的運(yùn)動性能。附圖說明圖1為本發(fā)明所述的一種微納操作環(huán)境下的精密宏動并聯(lián)定位系統(tǒng)的總示意圖；圖2為圖1所述系統(tǒng)的底座部分示意圖；圖3為圖1所述系統(tǒng)的超聲電機(jī)驅(qū)動支鏈中主動移動副關(guān)節(jié)的爆炸示意圖；圖4為圖1所述系統(tǒng)的超聲電機(jī)驅(qū)動支鏈中被動轉(zhuǎn)動副關(guān)節(jié)Ⅰ的爆炸示意圖；圖5為圖1所述系統(tǒng)的超聲電機(jī)驅(qū)動支鏈中被動轉(zhuǎn)動副關(guān)節(jié)Ⅱ的爆炸示意圖；圖6為圖1所述系統(tǒng)的用于調(diào)整消除支鏈裝配誤差的調(diào)整機(jī)構(gòu)剖視圖；圖7為圖1所述系統(tǒng)的機(jī)械機(jī)構(gòu)原理圖；圖8為本發(fā)明所述的一種微納操作環(huán)境下的精密宏動并聯(lián)定位方法中標(biāo)定方法的流程圖；圖9為本發(fā)明所述的一種微納操作環(huán)境下的精密宏動并聯(lián)定位方法中控制方法的流程圖；圖10為本發(fā)明所述的一種微納操作環(huán)境下的精密宏動并聯(lián)定位方法中奇異區(qū)域規(guī)避與逃逸控制策略流程圖。具體實施方式下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。說明書附圖中：1-底座；11-底板；12-偏心輪夾緊機(jī)構(gòu)；121-偏心輪柱；2-超聲電機(jī)驅(qū)動支鏈；21-主動移動副關(guān)節(jié)；211-滾動直線軸承；2111-導(dǎo)軌；2112-滑塊；212-電機(jī)固定支架；213-連接板；214-直線超聲電機(jī)；2141-基體；2142-導(dǎo)桿；22-被動轉(zhuǎn)動副關(guān)節(jié)Ⅰ；221-關(guān)節(jié)機(jī)架；222-轉(zhuǎn)軸Ⅰ、223-精密軸承Ⅰ；224-精密軸承Ⅱ；225-鎖緊螺母Ⅰ；226-彈性變形件；227-壓板；23-被動轉(zhuǎn)動副關(guān)節(jié)Ⅱ；231-連桿；232-精密軸承Ⅲ；233-精密軸承Ⅳ；234-轉(zhuǎn)軸Ⅱ；235-端蓋；236-鎖緊螺母Ⅱ；3-動平臺；41-工控機(jī)；42-控制器；421-D/AC轉(zhuǎn)換電路；422-增量式編碼器接口；423-A/DC轉(zhuǎn)換電路；43-直線電機(jī)驅(qū)動器；44-光柵讀數(shù)頭細(xì)分接口；451-激光反射球；452-激光跟蹤儀；461-銦鋼光柵尺；462-光柵讀數(shù)頭；47-溫度傳感器。圖1為本發(fā)明定位系統(tǒng)總示意圖，圖中示出：一種微納操作環(huán)境下的精密宏動并聯(lián)定位系統(tǒng)，包括順序相連的機(jī)械本體、標(biāo)定裝置、控制裝置；整個系統(tǒng)通過標(biāo)定裝置標(biāo)定機(jī)械本體的運(yùn)動學(xué)參數(shù)，輸入到控制裝置進(jìn)行實時補(bǔ)償，再通過控制裝置驅(qū)動機(jī)械本體按預(yù)定軌跡實現(xiàn)精密定位。機(jī)械本體，具有兩平動一轉(zhuǎn)動的自由度，包括底座1、三組以上的相同的超聲電機(jī)驅(qū)動支鏈2及動平臺3；所述底座1與地面或腔體內(nèi)壁固定連接，在不破壞地面...