CN101197197B - 大运动范围宏微双重驱动定位平台 - Google Patents

Abstract

大运动范围宏微双重驱动定位平台，本发明下平台基座配有两平行导轨，上平台基座通过滚动导轨副安装在下平台的两平行导轨上，上平台基座通过线切割加工成柔性铰链支撑的微动工作台，直线电机定子固定于下平台基座上，直线电机动子的连接架与上平台基座固定，在下平台基座的一侧安装有光栅尺，光栅尺通过固定架固定在下平台基座上，与光栅尺相配合的光栅尺读数头通过连接架与微动工作台固定。本发明的粗动台完成大范围高速运动，定位精度在微米级；微动台对粗动工作台进行定位误差及转角误差进行补偿，使定位精度达到纳米精度。

Description

大运动范围宏微双重驱动定位平台

技术领域

本发明涉及一种大运动范围高速超精密定位装置，具体涉及一种大运动范围宏微双重驱动定位平台。

背景技术

高速和高精度的超精密工作台系统在现代尖端工业生产和科学研究领域占有极其重要的地位。随着集成电路(IC)制造、微型机械电子系统(MEMS)、精密测试系统和精密加工等领域的快速发展，迫切需要能够进行大运动范围、高精度、高速定位的装置。从国际上IC加工所用圆晶片尺寸及加工线宽尺度的发展状况看，超大规模集成电路(VLSI)的线宽已进入了0.1μm范围，加工的圆晶尺寸已达到300mm。现在特征尺度90nm的IC将达到量产，未来几年内采用65nm工艺的加工方式将获得极大的发展。这些领域一般要求定位范围在几十至上百毫米、定位精度在纳米级、定位速度在米/秒。但目前存在的问题是：传统采用旋转电机和滚珠丝杠传动的工作台系统，虽然能够达到大范围的运动行程，但其定位精度仅能达到微米或亚微米级。在旋转电机和滚珠丝杠的定位装置中，滚珠丝杠是一种细而长的非刚性传动元件，扭转刚度低，且运动速度增大时，滚珠丝杠转动惯量增大、机械摩擦磨损严重，使得传动误差增大。这种机构难以实现高速运动；采用压电陶瓷驱动和柔性铰链支撑的微位移运动平台虽然精度能够达到纳米级，但其行程小，一般只能达到几十微米至上百微米；采用伺服马达、压电尺蠖驱动的运动平台系统虽然可以达到大行程，高分辨率的运动性能，但其运动速度太低。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提出一种具有大运动范围、高速定位、高精度、宽平台的特点的大运动范围宏微双重定位平台。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括下平台基座以及设置在下平台基座上的上平台基座，上平台基座上经线切割加工有微动工作平台，下平台基座的两侧设置有平行导轨，上平台基座通过滚动导轨副安装在平行导轨上，直线电机定子固定于下平台基座上，直线电机动子通过直线电机动子连接架与上平台基座相连，在下平台基座的一侧安装有光栅尺，与光栅尺相配合的光栅尺读数头通过连接架与微动工作平台相连，微动工作平台的四周开有框形直通槽，微动工作平台上还开设有安装Y向压电驱动器、X向压电驱动器的Y向压电驱动器定位槽和X向压电驱动器定位槽，且在微动工作平台还开设有安装承载平台的固定螺孔。

本发明的下平台基座上还设置有光栅尺固定架，光栅尺通过光栅尺固定架固定在下平台基座上；下平台基座还设置有两个起限位保护作用的机械限位装置；所说的上平台基座上有开设有直线电机动子固定沉孔和导轨副沉孔，直线电机动子连接架及滚动导轨副分别通过直线电机动子固定沉孔和导轨副沉孔与上平台基座相连；微动工作平台四周开设的框形直通槽的宽度为2mm；Y向压电驱动器位于第一前档块和第一后挡块之间，X向压电驱动器位于第二前挡块和第二后挡块之间，所述的第一、二前挡块均为圆弧结构，第一前挡块与Y向压电驱动器定位槽中的圆弧相切起到定位作用，第二前挡块与X向压电驱动器定位槽中的圆弧相切起到定位作用，Y向、X向压电驱动器预紧螺孔中的螺钉顶在第一、二后挡块上固定预紧；X向上，微动工作平台上开设有柔性铰链机构，该柔性铰链机构包括五个柔性铰链和三个柔性铰链臂；Y向上，微动工作平台上开有的两个对称的柔性铰链机构，每个柔性铰链机构包括六个柔性铰链和三个柔性铰链臂。

本发明采用粗动台和微动台相结合的方式解决现有高速高精密定位系统在行程、精度、速度方面不足的缺点。粗动台完成大范围高速运动，定位精度在微米级；微动台对粗动工作台进行定位误差及转角误差进行补偿，使定位精度达到纳米精度。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是上平台基座5的正面结构示意图；

图3是压电驱动器在定位槽内的安装结构示意图；

图4是微动台7沿X方向上由柔性铰链形成的双平行四杆机构结构图；

图5是微动台7在Y方向上由柔性铰链形成的转动机构结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。

参见图1，本发明粗动平台采用直线电机直接驱动上平台基座，实现大范围高速运动。粗动平台由下平台基座1、直线电机定子2、导轨3、滚动导轨副4、上平台基座5、微动工作平台7、光栅尺读数头8、连接架9、光栅尺10、安装光栅尺的固定架11、机械限位装置13、直线电机动子14、直线电机动子连接架15组成；下平台基座1配有两平行导轨3，上平台基座5通过滚动导轨副4安装在下平台的两平行导轨3上，直线电机定子2固定于下平台基座1上，直线电机动子14通过直线电机动子连接架15与上平台基座5固定，在下平台基座1的一侧安装有光栅尺10，光栅尺10通过固定架11固定在下平台基座1上，与光栅尺10相配合的光栅尺读数头8通过连接架9与微动工作台7固定，在下平台基座1上固定有两个机械限位装置13起到限位保护作用，下平台基座1通过螺栓固定在减震平台上；通过运动控制器控制直线电机动子14来驱动上平台基座5沿导轨作高速直线运动，利用光栅尺10测距系统将运动位移信号不断反馈到直线电机的控制接口从而实现粗动运动平台的闭环控制。该系统采用直线电机驱动的特点在于响应速度快、传动刚度高、行程不受限制(本发明设计的行程为300mm)、结构简单、噪音低等优点。使用精密光栅尺(分辨率为1nm)测量位移信号，从而构成运动控制闭环系统，保证了粗动平台的定位精度，该粗动台的定位精度为1μm。

参见图2，3，4，5，微动平台采用压电驱动器驱动柔性铰链机构平台实现超精密定位。微动平台由上平台基座5、安装导轨副沉孔16、微动工作平台7、Y向压电驱动器定位槽17、Y向压电驱动器预紧螺孔18、Y向柔性铰链臂19、Y向柔性铰链20、X向柔性铰链21、X向柔性铰链臂22、X向压电驱动器定位槽23、X向压电驱动器预紧螺孔24、承载平台固定螺孔25、直线电机动子固定用沉孔26、安装压电驱动器前挡块27、压电驱动器、安装压电驱动器后挡块28组成；上平台基座5上有用于安装直线电机动子用的沉孔26和安装导轨副沉孔16，上平台基座5通过滚动导轨副4安装在下平台的两平行导轨3上，微动工作平台7是在上平台基座5上经过线切割加工而成。在微动工作平台7的四周开有框形直通槽，以形成柔性铰链支撑结构，槽的宽度为2mm；在X向上，微动工作平台7上开设有安装X向压电驱动器12的X向压电驱动器定位槽23和柔性铰链机构，该柔性铰链机构包括五个柔性铰链21和三个柔性铰链臂22，在Y向上，微动工作平台7上开有的两个对称的柔性铰链机构，每个柔性铰链机构包括六个柔性铰链20和三个柔性铰链臂19；这样就在运动方向X上微动工作平台7由柔性铰链和柔性铰链臂形成结构原理如图4所示的双平行四杆机构，在垂直运动方向Y上微动工作平台7由柔性铰链形成转动结构(原理如图5所示)；X向压电驱动器定位槽23内的压电驱动器12提供运动位移方向的位移补偿，Y向压电驱动器定位槽17内的压电驱动器6的输出位移使微动工作平台7产生一个转角，用于补偿微动工作平台7的转角误差；压电驱动器在定位槽17/23中的安放形式如图4所示，压电驱动器位于前挡块27和后挡块28之间，前挡块27通过圆弧与定位槽中的圆弧相切起到定位作用，压电驱动器的预紧螺孔18/24中的螺钉顶在后挡块28上固定预紧；微动工作平台7上的承载平台固定螺孔25用于承载平台的安装。上平台基座5根据所需要求设计，厚度为15mm，材料为弹簧钢等高弹性材料。该微动系统采用柔性铰链作为支撑，具有无机械摩擦、无间隙、运动灵敏度高的特点，采用压电陶瓷驱动器作为驱动元件，精密光栅尺(分辨率为1nm)构成闭环控制，保证了微动系统具有纳米级的定位精度。该微动系统的运动范围为10μm，分辨率为1nm。

精密直线光栅尺10的贴在与下平台基座1相连的固定架11上，光栅尺读数头连接架9通过螺孔28用螺钉与微动工作台7固定，光栅尺读数头通过连接架9与微动工作台7相连。采用精密光栅尺测量宏/微运动平台的位移信号，实现整个定位系统的全闭环位置控制，从而达到大范围、高速、高精密的定位要求。本发明的整体运动范围为300mm，分辨率为1nm，运动速度最大为500mm/s。

本发明是在直线电机驱动的工作台(粗动台)进给系统基础上增加一层由压电驱动器和柔性铰链组成的微动工作台，实现进给系统的二次精定位。

整个宏/微双重驱动系统的定位过程为：在粗动台运动之前，对X向压电驱动器12施加电压使微动工作平台7有一位移，对Y向压电驱动器6施加电压使微动工作平台7产生一转角。在粗动台运动过程中，微动工作平台7不工作，粗动台的运动由计算机控制直线电机动子14，利用直线电机动子14和定子2的电磁作用力驱动直线电机动子来实现，把光栅尺读数头8测得的位移信号不断反馈到控制系统中，使直线电机的控制构成闭环系统。当定位平台距定位点一定距离时控制其降低速度，在定位平台将要到达定位点时，控制接口发出信号使直线电机停止工作，并通知微动台7开始工作，此时，如果工作台超过定位点一段距离，则由光栅尺8测得工作台偏离定位点的距离，控制系统控制微动台7使X向压电陶瓷12在原来的基础上缩短相应距离，这样微动台7在柔性铰链的弹性作用力下往回移动相应距离；如果工作台若未到达定位点，则控制系统控制X向压电陶瓷12伸长相应距离，以补偿工作台的移动偏差。在微动台工作过程中，其控制也是由光栅尺测量位移信号构成闭环系统。另外，工作台在移动的过程中会产生一定的转角，通过传感器测得转角的大小，控制系统控制Y向压电陶瓷6伸长或缩短相应距离，使微动台7转动一定角度从而补偿工作台的转角误差。这样，粗动工作台实现大行程、高速度的微米级精度定位，微动台实现粗动台的定位误差的补偿，达到纳米级的定位精度，同时也补偿了工作台的转角误差。

Claims (8)

1.大运动范围宏微双重驱动定位平台，包括下平台基座(1)以及设置在下平台基座(1)上的上平台基座(5)，其特征在于：上平台基座(5)上经线切割加工有微动工作平台(7)，下平台基座(1)的两侧设置有平行导轨(3)，上平台基座(5)通过滚动导轨副(4)安装在平行导轨(3)上，直线电机定子(2)固定于下平台基座(1)上，直线电机动子(14)通过直线电机动子连接架(15)与上平台基座(5)相连，在下平台基座(1)的一侧安装有光栅尺(10)，与光栅尺(10)相配合的光栅尺读数头(8)通过连接架(9)与微动工作平台(7)相连，微动工作平台(7)的四周开有框形直通槽，微动工作平台(7)上还开设有安装Y向压电驱动器(6)、X向压电驱动器(12)的Y向压电驱动器定位槽(17)和X向压电驱动器定位槽(23)，且在微动工作平台(7)还开设有安装承载平台的固定螺孔(25)。

2.根据权利要求1所述的大运动范围宏微双重驱动定位平台，其特征在于：所说的下平台基座(1)上还设置有光栅尺固定架(11)，光栅尺(10)通过光栅尺固定架(11)固定在下平台基座(1)上。

3.根据权利要求1所述的大运动范围宏微双重驱动定位平台，其特征在于：所说的下平台基座(1)还设置有两个起限位保护作用的机械限位装置(13)。

4.根据权利要求1所述的大运动范围宏微双重驱动定位平台，其特征在于：所说的上平台基座(5)上有开设有直线电机动子固定沉孔(26)和导轨副沉孔(16)，直线电机动子连接架(15)及滚动导轨副(4)分别通过直线电机动子固定沉孔(26)和导轨副沉孔(16)与上平台基座(5)相连。

5.根据权利要求1所述的大运动范围宏微双重驱动定位平台，其特征在于：所说的微动工作平台(7)四周开设的框形直通槽的宽度为2mm。

6.根据权利要求1所述的大运动范围宏微双重驱动定位平台，其特征在于：所说的Y向压电驱动器(6)位于第一前档块(27)和第一后挡块(28)之间，X向压电驱动器(12)位于第二前挡块(27)和第二后挡块(28)之间，所述的第一、二前挡块(27)均为圆弧结构，第一前挡块

(27)与Y向压电驱动器定位槽(17)中的圆弧相切起到定位作用，第二前挡块(27)与X向压电驱动器定位槽(23)中的圆弧相切起到定位作用，Y向、X向压电驱动器预紧螺孔(18、24)中的螺钉顶在第一、二后挡块(28)上固定预紧。

7.根据权利要求1所述的大运动范围宏微双重驱动定位平台，其特征在于：所说的X向上，微动工作平台(7)上开设有柔性铰链机构，该柔性铰链机构包括五个柔性铰链(21)和三个柔性铰链臂(22)。

8.根据权利要求1所述的大运动范围宏微双重驱动定位平台，其特征在于：所说的Y向上，微动工作平台(7)上开有的两个对称的柔性铰链机构，每个柔性铰链机构包括六个柔性铰链(20)和三个柔性铰链臂(19)。

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