CN102543217B - 宏微驱动二维一体式微定位平台 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种宏微驱动二维一体式微定位平台，其特征在于：包括基座、固定于基座上的柔顺性平台本体、与柔顺性平台本体连接的两个音圈电机、四个压电陶瓷驱动器和两个位移传感器，以及与所述两个音圈电机、四个压电陶瓷驱动器和两个位移传感器信号连接的控制器。本发明采用并联解耦全柔顺性机构，具有并联机构优点、柔顺性机构优点、解耦机构优点；宏动、微动平台一体式设计：可采用同一块材料一体加工出来，制造简便；宏动、微动平台运动解耦设计：易于进行运动控制，提高定位精度。
Description
技术领域
本发明涉及精密定位平台，特别是一种基于音圈电机和压电陶瓷驱动器，能实现二维空间内宏微双重驱动的长行程一体式精密定位平台。适合于集成电路封装、微机电系统制造、激光加工、生物医学、微操作、微装配等精密定位工程领域。
背景技术
目前，集成电路封装、微机电系统制造、激光加工、微操作、微装配等领域对大行程、高速、高精度定位系统的需求日益迫切。因此，各种精密定位系统和装置被研制开发出来。
传统二维平动高精度微定位平台采用串联结构，即一个平台堆叠或镶嵌在另一个平台上，这样第二个平台作为第一个平台的负载，增加了运动部件的惯量，限制了整个系统的速度和加速度。现有的并联结构定位平台大多采用旋转式电机与滚珠丝杠、直线电机等单一驱动器，虽然能够达到大行程的运动范围，但其定位精度仅能达到微米或亚微米级，且响应速度低。采用压电陶瓷、超磁致驱动器的微定位平台虽然能够达到纳米级定位，但其行程小，一般只能达到几十至几百微米；采用伺服马达、压电蠕动式电机的定位平台虽然可以达到大行程，但其运动速度太低。
最近发明的宏/微双重驱动的微定位平台采用音圈电机和压电陶瓷驱动器相结合（专利号2005100110286.2）或采用平面电机与超磁致驱动器相结合（专利号200720105428.8）。前者的宏动平台采用直线滑动导轨机构，使平台存在相对较大的摩擦力，限制了定位平台速度和精度的提高，且解耦机构复杂；其微动平台采用压电陶瓷驱动器直接驱动，难免对宏动平台产生大的作用力，使宏、微动平台之间存在耦合运动。后者的宏动平台采用平面电机驱动，微动平台由两个超磁致驱动器直接驱动，因此也对宏动平台产生较大作用力，使宏、微动平台之间存在耦合运动。
发明内容
有鉴于此，有必要针对背景技术中提到的问题，克服现有二维平动宏微双重驱动定位平台的不足，提供一种基于音圈电机和压电陶瓷驱动器的微定位平台。该精密定位平台的特点是宏、微动平台均采用并联结构和全柔顺性结构，定位平台由宏、微平台串联构成，不仅能实现大行程的运动范围，而且减少了微动与宏动平台之间的耦合运动。该精密定位平台的整个平台本体是一体化结构，可以由一块板材料加工而成。该定位平台具有结构紧凑、运动解耦、结构简单等优点，可应用于精密定位领域。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种宏微驱动二维一体式微定位平台，其特征在于：包括基座、固定于基座上的柔顺性平台本体、与柔顺性平台本体连接的两个音圈电机、四个压电陶瓷驱动器和两个位移传感器、以及与所述两个音圈电机、四个压电陶瓷驱动器和两个位移传感器信号连接的控制器。
所述柔顺性平台本体包括呈正方形排列的宏动平台导轨及位于宏动平台导轨内的宏动平台；所述宏动平台导轨与所述基座之间设有垫片，宏动平台导轨包括呈正方形排列的四分体，每个分体均由三个并排设置的复合板簧片式柔性铰链组成，用以实现大行程运动范围和运动解耦；该三个柔性铰链分别包括四个U型柔性板簧片，其中，位于两端的柔性铰链的柔性板簧片开口相对，位于中间的柔性铰链的柔性板簧片的开口朝向宏动平台中部；每一分体的中间的柔性铰链上固定一个连接柔性板簧片的开口两端的连杆，用于消除四个柔性板簧片的弯曲变形。
所述宏动平台上由外向内顺序设置呈正方形排列的内设四个位移放大机构、微动平台导轨及输出平台，所述四个压电陶瓷驱动器分别设置于所述四个位移放大机构内，所述微动平台导轨包括四个分别设置于所述输出平台的四个角的直角板簧片式柔性铰链，每个直角板簧片式柔性铰链的一端连接输出平台，另一端与宏动平台连接；所述宏动平台导轨通过该四个位移放大机构与所述微动平台导轨的直角板簧片式柔性铰链连接，两个相对的压电陶瓷驱动器通过位移放大机构的输出端共同驱动所述输出平台沿一维方向的微运动，输出平台的运动由与之连接的微动平台导轨导引，输出平台将力作用于微动平台导轨。
所述两个音圈电机的动子分别通过一个连接头连接宏动平台导轨的两个相邻的分体，每个音圈电机的定子通过一个电机支架与基座连接。
所述每个位移传感器通过一块定位板与基座相连，每个位移传感器的探头与通过一个垫片固定在输出平台的边缘的一个测量板相对，并保持测量距离。
所述控制器由一台计算机及其串口和与该计算机连接的D/A数模转换器组成。
所述控制器包括一台设有USB或RS232串口的计算机、与该计算机连接的D/A数模转换器和与D/A数模转换器连接的两个音圈电机驱动器和四个电压放大器，所述两个音圈电机驱动器分别与所述两个音圈电机信号连接，所述四个电压放大器分别与所述四个压电陶瓷驱动器信号连接，所述计算机通过USB或RS232串口采集所述位移传感器的数字输出量，两个位移传感器将输出平台的位置信息反馈到控制器，形成闭环反馈，所述控制器采用PID控制算法通过D/A数模转换器输出六路模拟电压信号，再经由所述两个音圈电机驱动器和所述两个电压放大器分别控制两个音圈电机和四个压电陶瓷驱动器的输出，调整输出平台的位置和运动，达到需要的定位和精度。
所述两个音圈电机、两个位移传感器均相互垂直设置，所述固定在输出平台的边缘的两个测量板也相互垂直设置。
所述位移传感器为激光位移传感器。
与技术相比，本发明的优点在于：
本发明的宏动平台采用并联结构，将驱动部件全部置于底座上，降低了机构的运动惯量，提高了系统刚度和承载能力，改善了系统的动态特性，同时缩短了运动环节，减少了系统累计误差。
本发明的宏动平台采用新型柔顺性结构作为解耦机构和位移传递导轨，具有无间隙、无摩擦、免润滑、不发热、高精度、高稳定性、结构紧凑等优点。
本发明的宏动平台采用音圈电机直接驱动，省去了中间传动环节，并且提供大行程运动范围和亚微米级的定位精度。
本发明的微动平台采用四个压电陶瓷通过位移放大机构驱动，大大降低了对宏动平台的作用力，减少了微动平台与宏动平台之间的运动耦合，并将系统定位精度提高到纳米级且提高频响速度。
本发明的宏动和微动平台分别采用两条冗余运动支链，微动平台还采用冗余驱动，能够有效提高平台的刚度和承载能力，满足高承载能力下精密定位的要求。另外，宏动平台也可以采用四个音圈电机冗余驱动，能够更进一步提高平台的刚度和承载能力。
本发明的输出平台可由激光位移传感器或激光干涉仪提供位置反馈，再加上良好的结构对称性，可以较好的保证系统的大行程和高速高精度，使系统既满足厘米级的运动范围和高速高加速度的要求，又能达到纳米级的定位精度。
综上所述，本发明的优点可概括为：
1、并联解耦全柔顺性机构：具有并联机构优点、柔顺性机构优点、解耦机构优点；
2、宏动、微动平台一体式设计：可采用同一块材料一体加工出来，制造简便；
3、宏动、微动平台运动解耦设计：易于进行运动控制，提高定位精度。
附图说明
图1是本发明实施例的立体结构示意图；
图2是本发明实施例的柔顺性平台本体的平面结构示意图；
图3是本发明实施例的控制器的模块结构示意图。
具体实施方式
如图1及图2所示，本实施例之宏微驱动二维一体式微定位平台，包括基座4、固定于基座4上柔顺性平台本体、与柔顺性平台本体连接的两个音圈电机5、四个压电陶瓷驱动器8和两个位移传感器10、以及一个控制器（图中未示出）。所述柔顺性平台本体包括宏动平台导轨2、宏动平台13及位于宏动平台13的中部的微动平台即输出平台1。
所述宏动平台导轨2与所述基座4通过之间均匀设有的8个垫片（图中未示出）固定，宏动平台导轨2包括呈正方形排列的四分体2，每个分体2均由三个并排设置的复合板簧片式柔性铰链21组成，用以实现大行程运动范围和运动解耦；该三个柔性铰链21分别包括四个U型柔性板簧片17，其中，位于两端的柔性铰链21的柔性板簧片17开口相对，位于中间的柔性铰链21的柔性板簧片17的开口朝向宏动平台13中部；每一分体2的中间的柔性铰链21上固定一个连接柔性板簧片17的开口两端的连杆3，用于消除四个柔性板簧片17的弯曲变形，以增大所述宏动平台13的位移，从而增大微动平台即输出平台1的位移。
所述宏动平台13设置于所述宏动平台导轨2内部，宏动平台13上由外向内顺序设置呈正方形排列的四个位移放大机构14、微动平台导轨18及输出平台1。所述微动平台导轨18包括设置于输出平台1的四个角的四个直角板簧片式柔性铰链181。每个直角板簧片式柔性铰链181的一端连接输出平台1，另一端与宏动平台13连接。所述宏动平台导轨2通过该四个位移放大机构14与所述微动平台导轨18的直角板簧片式柔性铰链181连接。位移放大机构14的输出端驱动输出平台1，输出平台1的运动由与之连接的微动平台导轨18导引，输出平台1将力作用于微动平台导轨18。所述四个位移放大机构14内分别设置四个压电陶瓷驱动器8，每一压电陶瓷驱动器8的尾端通过一个调节螺栓9将其与所述位移放大机构14进行旋紧。所述两个相对的压电陶瓷驱动器8通过位移放大机构14共同驱动所述输出平台1沿一维方向的微运动。
两个音圈电机5的动子分别通过一个连接头6连接柔顺性平台本体的两个相邻的分体2，每个音圈电机5的定子通过一个电机支架7与基座4连接。每个所述音圈电机5驱动所述输出平台1沿一维方向的宏运动。
每个位移传感器10通过一块定位板11与基座4相连，每个位移传感器10的探头101与通过一个垫片（图中未示出）固定在输出平台1的边缘的一个测量板12相对，并保持一定测量距离。
所述位移传感器10为激光位移传感器。
所述控制器与两个音圈电机5、四个压电陶瓷驱动器8及两个位移传感器10相连，两个位移传感器10将输出平台1的位置信息反馈到控制器，形成闭环反馈，所述控制器控制两个音圈电机5和四个压电陶瓷驱动器8的输出，就可实现宏微双重驱动，调整输出平台1的位置和运动，达到需要的定位和精度。
所述控制器可以由一台计算机及其串口、与计算机连接的D/A数模转换器及与D/A数模转换器连接的音圈电机驱动器和电压放大器组成。
如图3所示，本实施例的控制器由计算机及其串口、与计算机相连接的D/A数模转换器及与D/A数模转换器连接的两个音圈电机驱动器和四个电压放大器共同组成，两个音圈电机驱动器分别与所述两个音圈电机5连接，四个电压放大器分别与所述四个压电陶瓷驱动器8连接。所述计算机通过USB或RS232串口采集所述位移传感器10的数字输出量，两个位移传感器10将输出平台1的位置信息通过USB或RS232串口反馈到计算机，形成闭环反馈，所述计算机采用某种控制算法（例如PID控制算法）通过D/A数模转换器输出六路模拟电压信号，再经过两个音圈电机驱动器和四个电压放大器以分别控制两个音圈电机5和四个压电陶瓷驱动器8的输出。
所述两个音圈电机5、两个位移传感器10均相互垂直设置。相应的，所述固定在输出平台1的边缘的两个测量板12也相互垂直设置。
本发明通过采用位移放大机构14，压电陶瓷驱动器8的用以驱动输出平台1的输出位移被放大，但其输出力被缩小，所以由压电陶瓷驱动器8驱动的微动平台施加于宏动平台13的作用力减小，因此大大减轻了宏动、微动平台之间的耦合运动。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种宏微驱动二维一体式微定位平台，其特征在于：包括基座、固定于基座上的柔顺性平台本体、与柔顺性平台本体连接的两个音圈电机、四个压电陶瓷驱动器和两个位移传感器、以及与所述两个音圈电机、四个压电陶瓷驱动器和两个位移传感器信号连接的控制器；
所述柔顺性平台本体包括呈正方形排列的宏动平台导轨及位于宏动平台导轨内的宏动平台；所述宏动平台导轨与所述基座之间设有垫片，宏动平台导轨包括呈正方形排列的四分体，每个分体均由三个并排设置的复合板簧片式柔性铰链组成，用以实现大行程运动范围和运动解耦；该三个柔性铰链分别包括四个U型柔性板簧片，其中，位于两端的柔性铰链的柔性板簧片开口相对，位于中间的柔性铰链的柔性板簧片的开口朝向宏动平台中部；每一分体的中间的柔性铰链上固定一个连接柔性板簧片的开口两端的连杆，用于消除四个柔性板簧片的弯曲变形。
2.根据权利要求1所述的定位平台，其特征在于：所述宏动平台上由外向内顺序设置呈正方形排列的内设四个位移放大机构、微动平台导轨及输出平台，所述四个压电陶瓷驱动器分别设置于所述四个位移放大机构内，所述微动平台导轨包括四个分别设置于所述输出平台的四个角的直角板簧片式柔性铰链，每个直角板簧片式柔性铰链的一端连接输出平台，另一端与宏动平台连接；所述宏动平台导轨通过该四个位移放大机构与所述微动平台导轨的直角板簧片式柔性铰链连接，两个相对的压电陶瓷驱动器通过位移放大机构的输出端共同驱动所述输出平台沿一维方向的微运动，输出平台的运动由与之连接的微动平台导轨导引，输出平台将力作用于微动平台导轨。
3.根据权利要求1所述的定位平台，其特征在于：所述两个音圈电机的动子分别通过一个连接头连接宏动平台导轨的两个相邻的分体，每个音圈电机的定子通过一个电机支架与基座连接。
4.根据权利要求1或2所述的定位平台，其特征在于：所述每个位移传感器通过一块定位板与基座相连，每个位移传感器的探头与通过一个垫片固定在输出平台的边缘的一个测量板相对，并保持测量距离。
5.根据权利要求1所述的定位平台，其特征在于：所述控制器由一台计算机及其串口和与该计算机连接的D/A数模转换器组成。
6.根据权利要求5所述的定位平台，其特征在于：所述控制器包括一台设有USB或RS232串口的计算机、与该计算机连接的D/A数模转换器和与D/A数模转换器连接的两个音圈电机驱动器和四个电压放大器，所述两个音圈电机驱动器分别与所述两个音圈电机信号连接，所述四个电压放大器分别与所述四个压电陶瓷驱动器信号连接，所述计算机通过USB或RS232串口采集所述位移传感器的数字输出量，两个位移传感器将输出平台的位置信息反馈到控制器，形成闭环反馈，所述控制器采用PID控制算法通过D/A数模转换器输出六路模拟电压信号，再经由所述两个音圈电机驱动器和所述两个电压放大器分别控制两个音圈电机和四个压电陶瓷驱动器的输出，调整输出平台的位置和运动，达到需要的定位和精度。
7.根据权利要求4所述的定位平台，其特征在于：所述两个音圈电机、两个位移传感器均相互垂直设置，所述固定在输出平台的边缘的两个测量板也相互垂直设置。
8.根据权利要求1所述的定位平台，其特征在于：所述位移传感器为激光位移传感器。
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