平面三维精密定位平台设计与研究

　　0 引言

　　平面三维精密定位平台在精密加工、精密测试和精密机械等领域都有非常广泛的应用，其作为各类精密设备中的关键部件直接影响着系统总体性能和精度[1]。一般情况下，在精密机械设备中要实现平面内 X、Y 和转角θ 方向的调整和准确定位，通常采用运动机构叠加的办法来实现，即三个运动的机构线性叠加(即串联)，X 机构置于下方，在其上叠加 Y 机构，两个机构的运动方向相互垂直，然后在 Y 机构上叠加转角 机构，使得三个自由度的运动机构相互独立，互不影响。但是在精密机械设备纵向尺寸受到限制的情况的下，就必须对普通的平面三位定位平台结构进行改进。

　　本文设计了一种利用 THK 公司生产的十字交叉导轨[5]真正在一个平面内实现平台在 X、Y 和转角θ方向的调整和准确定位的平面三维精密定位平台，并对其运动轨迹和控制系统工作原理进行了研究。

　　1 平面三维精密定位平台组成

　　平面三维精密定位平台由上底板、执行部分和上底板三个大部分构成，其结构形式示意如图1所示，其中实现上底板在平面内三维运动的执行部分是系统组成的主要部分。执行部分由动力元件、传动链、十字交叉导轨和轴承等组成[2]。动力元件就是驱动滑块的动力源，为了提高平台运动精度和系统数字控制的要求，此处选用体积小、重量轻并带有 17 位适配器的松下伺服电机作为动力源[6]。传动链是把动力元件的动力转换成滑块的移动机构，电机输出通过行星齿轮减速后驱动滚珠丝杆转动，旋转运动变成了滚珠丝杆上螺母的直线运动。驱动块直接和螺母固联在一起，实现直线运动，从而驱动十字交叉导轨上的滑块移动，带动滑块上固定板移动。十字交叉导轨是用来实现给定滑块直线运动轨迹的导向装置，此处选用THK 公司生产的 CSR 系列导轨，以保证有较高的传动精度和可靠性。平面三维精密定位平台的上板设计成中空结构，一个方面减轻了整个定位平台质量，提高负载能力，同时为定位平台各零部件的安装和维修提供了一个可操作空间。

　　2 平面三维精密定位平台运动建模研究

　　平面三维精密定位平台运动控制的数学模型及各个符号意义如图2 所示，在平面三维精密定位平台装配调试完成后，可采用机械式对正和绝对式位置传感器等方式确定其基准位置，即确定平台上板与底板的初始相对位置，平面三维精密定位平台的运动控制以此为基准(或者称为零点)。

　　在基准位置，其结构半径 R、X1 轴机构的转动中心的基准角θX1、X2 轴机构的转动中心的基准角θ X2和 Y 轴机构的转动中心的基准角θY 均已确定。平面三维精密定位平台能够实现平面内各类相关运动，下面分别对实现所有五种平面运动时，各个电机驱动丝杠螺母运动情况进行分析，并给出了相应丝杠螺母的相对运动距离δX1，δX2，δY 的表达式。