CN102943839A - 一种精密定位隔振平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种精密定位隔振平台，它包括定位隔振装置和主动控制器，两者之间通过电气连接，主动控制器对定位隔振装置进行位置控制和振动控制。定位隔振装置包括分布在正三角形顶点的三支撑腿及其共同支撑的一块负载平板。每一个支撑腿中有一个螺旋弹簧作为主要支撑部件。一个位移传感器布置在连接板下方检测连接板位移，负载平台对应支撑腿的位置安装有垂向速度传感器。主动控制器为主从开放式结构形式，由上位控制计算机和下位执行控制器组成，保证负载平台保持在设定位置，并有效的隔离地基振动对平台精度的影响。本发明可广泛应用于精密加工、精密测量、光学实验等对平面位置精度有特殊要求的领域。

Description

一种精密定位隔振平台

技术领域

本发明属于精密定位隔振领域，具体涉及一种精密定位隔振平台。它的主要功能是保证放置在负载平板上的设备具有较高的垂向定位精度，并能有效的隔离地基振动。

背景技术

随着制造业从精密制造到超精密制造的转变，以及对测量技术、光学实验精度的要求不断提高，支撑平台的定位精度对设备的整体性能的影响逐渐增大，这就对支撑平台的定位精度提出了更高的要求。例如，各种显微镜的支撑系统、光学成像光刻工件及光学检测系统的基准平台、微小机构及零件的装配平台等对定位精度有严格的限定。

影响定位精度有两个主要的因素，一个是支撑装置自身的所能达到的定位精度，二是地面的垂向振动的影响。支撑装置的结构形式、传感器性能参数、不同类型的作动器、控制软硬件系统都会对定位精度造成影响。另一方面，机电系统中不可避免的振动现象对产品制造精度、测量精度的不良影响日益突出。例如，半导体芯片制造的光刻精度已经进入一百纳米以下，这就使得环境振动对光刻精度的影响变得十分明显，微小的振动都会影响到芯片的加工精度，缩短机械设备的使用寿命。再比如，精密光学实验中，实验台微小的振动会导致光路发生变化，使得实验结果严重偏离实际值，造成很大的误差。在一般所处的环境中存在大量振动源，如机器运转、车辆行驶、人员走动等引起地面振动，以及空调对流、声音等都会对实验台造成影响。因此为了满足精密制造、精密测量以及光学实验等对定位精度的严格要求，需要对精密定位隔振平台作深入的研究。

目前，支撑装置一般采用滚珠直线导轨、滚珠丝杠等部件，由于是接触约束副，存在间隙、摩擦等问题，间隙碰撞、非线性摩擦力会大大增加控制难度，影响最终的控制精度。常见的主动作动器有如下几种，压电作动器、气动作动器、液压作动器、磁致伸缩作动器。压电作动器存在驱动力、变形量小的缺点，不适合作为大位移的驱动器。气压和液压作动器的缺点是设备庞大，需要额外设备供气供液，而且有严重的延时性，控制精度不高，不适合用作精密的控制场合。磁致伸缩作动器适合高频，大驱动力的隔振场合，但是其价格非常昂贵。

发明内容

为了克服目前常用的支撑平台的精度不足问题，本发明提供一种基于音圈电机和柱面气浮导轨的精密定位隔振平台，该隔振平台行程大、响应快、隔振性能好、定位精度高。

本发明提供的一种定位隔振平台，它包括定位隔振装置和主动控制器，两者之间通过电气连接，主动控制器对定位隔振装置进行位置控制和振动控制。

作为上述技术方案的改进，所述定位隔振装置包括三个结构相同的支撑腿，以及三个速度传感器，三个支撑腿分别位于负载平板的三个角并共同对其进行支撑，三个速度传感器安装在负载平板对应三个支撑腿的位置，用于检测负载平板的三个角处垂向的绝对速度。

作为上述技术方案的进一步改进，每个所述支撑腿均包括音圈电机、气浮导轨、螺旋弹簧、柔性块和位移传感器；音圈电机定子与基板相连，音圈电机动子与U型连接架相连；脚垫座固定在基座上，脚垫螺钉的一端通过螺纹与脚垫座连接，气浮导轨由气浮导轨外部套筒和气浮圆柱组成，气浮圆柱位于气浮导轨外部套筒内部，气浮圆柱能够沿着气浮导轨外部套筒的内壁上下滑动；气浮导轨外部套筒固定在基座的一个立柱上，螺旋弹簧上端固定在气浮圆柱的下端，另一端与螺旋弹簧夹持板连接；螺旋弹簧夹持板由脚垫螺钉支撑；连接板一端与气浮圆柱的上端相连，连接板另一端与U型连接架相连；柔性块固定在连接板的中间位置；位移传感器通过位移传感器安装板固定在基座的另一个立柱上；位移传感器探测头正好位于连接板固定柔性块位置的下方，用于检测柔性块处的垂向位移；柔性块与负载平板固定，对负载平板进行支撑，速度传感器固定在支撑腿上方的负载平板上，用于检测负载平板此处的速度信号；限位螺钉的一端通过螺纹连接在音圈电机定子上，其另一端位于负载平板的沉头孔中，但未与负载平板相接触。

作为上述技术方案的另一进一步改进，所述柔性块为水平方向上十字交叉的柔性铰链组成。

作为上述技术方案的更进一步改进，主动控制器由上位控制机和下位执行器组成，两者之间通过总线连接通信，下位执行器用于采集定位隔振装置的位移信号和速度信号，并传送给上位控制机，上位控制机对位移信号和速度信号分别作差值运算和PID处理，得到控制指令，定位隔振装置根据控制指令进行位置控制和振动控制。

作为上述技术方案的再进一步改进，下位执行器包括数据采集卡、信号调理卡和音圈电机驱动器；数据采集卡的A/D采集通道与信号调理卡相连；数据采集卡的D/A通道与音圈电机驱动器相连；信号调理卡与三个位移传感器、三个速度传感器相连；音圈电机驱动器与三个音圈电机动子相连。

作为上述技术方案的再进一步改进，上位机中设置有减法器和PID算法模块；减法器用于对位移传感器检测的位移信号和速度信号进行差值运算，PID算法模块对差值进行PID处理，作为控制指令驱动音圈电机的动作，实现位置控制和振动控制。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

1)本发明采用三个音圈电机作为主动隔振装置的作动器，由于音圈电机结构简单、噪音低、效率高，且具有很高的分辨率、无滞后、高响应、高加速度、力特性好，能很好的应用于精密定位隔振中。三个音圈电机共同支撑负载平板，通过调整各个电机的输出力的大小，能够保证负载平板的水平位置精度，改善了以往只有单一驱动带来负载平板水平精度不高的弊端，使得精密定位隔振平台的性能大为改善。

2)采用柱面气浮导轨作为垂向移动副，由于气浮导轨基于空气轴承的基本原理，可以实现无摩擦和无振动的平滑移动。它具有运动精度高、清洁无污染等特点。同时还具有误差均化作用，因而可用比较低的制造精度来获得较高的导向精度。每个支撑腿通过柔性块与负载平板相连，柔性块为圆柱体上切割形成的水平方向上十字交叉的柔性铰链，在水平方向上具有较低的刚度，而在垂向上可以具有较大的支撑能力，能够很好的解决三个支撑腿在垂向上的耦合。气浮导轨下端与螺旋弹簧连接，弹簧作为主支撑部件能够抵消负载的重力作用，大大减小音圈电机的力的输出，从而节省了能量，同时也避免音圈电机电流过大造成的发热。同时弹簧下面的高度可调脚垫可以根据三弹簧不同压缩量来预调整平台的水平。

3)上层控制的主控机采用嵌入式工业控制计算机，采用下位机开放式控制方式，使得本发明能具有高速数据处理能力和实时数据交互能力。采用开放式结构体系，方便增加或改变其硬件配置。采用包含位置控制和振动控制的主动控制方式，保证负载平板具有较高的位置精度，同时能衰减地基振动，便面负载平板收到地基振动而发生扰动影响定位精度。

本发明可广泛应用于精密加工、精密测量、光学实验等对平面位置精度有特殊要求的领域。

附图说明

图1是本发明定位隔振装置的示意图，其中：1负载平板、2支撑腿、3速度传感器；

图2是图1的俯视图；

图3是本发明的中支撑腿2的结构示意图，其中：2.0基座、2.11脚垫座、2.12脚垫螺钉、2.21螺旋弹簧夹持板、2.22螺旋弹簧、2.31气浮导轨外部套筒、2.32气浮圆柱、2.4连接板、2.5柔性块、2.61音圈电机定子、2.62音圈电机动子、2.63U型连接架、2.71位移传感器安装板、2.72位移传感器；

图4是本发明的局部剖视图，其中：1.0限位螺钉；

图5是柔性块示意图；

图6是控制系统结构示意图，其中：4上位控制机、5下位执行器、5.1DMM-32-AT多功能数据采集卡、5.2信号调理卡、5.3音圈电机驱动器；

图7是本发明控制原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明由两部分组成，它包括定位隔振装置和主动控制器，两者之间通过电气连接。所述主动控制器与定位隔振装置通过电气连接，定位隔振装置利用位移传感器、速度传感器检测负载平板的位移、速度，通过电气连接传输给主动控制器。主动控制器利用接收的传输信号，计算获得控制信号。控制信号由主动控制器通过电气连接传输给定位隔振装置中的执行器即音圈电机，驱动音圈电机动作。

如图1为基于音圈电机气浮导轨的定位隔振装置，三个支撑腿2分别位于负载平板1的三个角共同对其进行支撑，三个速度传感器3安装在负载平板1对应三个支撑腿2的位置，检测负载平板的三个角处垂向的绝对速度。图2为图1的俯视图，三支撑腿2正好成等边三角形分布，三速度传感器3同样成正三角形分布。

图3是本发明的中支撑腿2的结构示意图。音圈电机定子2.61与基板2.0相连，音圈电机动子2.62与U型连接架2.63相连。脚垫座2.1固定在基座2.0上，脚垫螺钉2.12的一端通过螺纹与脚垫座2.11连接，通过调整螺纹旋入深度，可以调整脚垫螺钉2.12的高度。气浮导轨由气浮导轨外部套筒2.31和气浮圆柱2.32组成，气浮圆柱2.32位于气浮导轨外部套筒2.31内部，气浮圆柱2.32可以沿着气浮导轨外部套筒2.31的内壁上下滑动。气浮导轨外部套筒2.31固定在基座2.0的一个立柱上，螺旋弹簧2.22上端固定在气浮圆柱2.32的下端，另一端与螺旋弹簧夹持板2.21连接。螺旋弹簧夹持板2.21由脚垫螺钉2.12支撑。连接板2.4一端与气浮圆柱2.32的上端相连，连接板2.4另一端与U型连接架2.63相连。柔性块2.5固定在连接板2.4的中间位置。位移传感器2.72通过位移传感器安装板2.71固定在基座2.0的另一个立柱上。位移传感器2.72探测头正好位于连接板2.4固定柔性块2.5位置的下方，用于检测柔性块2.5处的垂向位移。图4中，柔性块2.5与负载平板1固定，对负载平板1进行支撑，速度传感器3固定在支撑腿2上方的负载平板1上，用于检测负载平板此处的速度信号。限位螺钉1.0的一端通过螺纹连接在音圈电机定子2.61上，其另一端位于负载平板1的沉头孔中，但未与负载平板1相接触。限位螺钉1.0可以限制负载平板1在水平向和垂向的位移，以避免发生意外造成设备的损失。

图5是柔性块2.5的结构示意图，柔性块为水平方向上十字交叉的柔性铰链组成，其上部与下部在水平方向上刚度较低，因为可以很好的解除负载平板1由于三个垂向移动副限制下的水平向和垂向运动的耦合。这种结构在垂向上具有很大的刚度，因而并没有降低其垂向负载能力。

图6是控制系统结构示意图，主动控制器按照主从开放式控制结构设计，由上位控制机4和下位执行器5组成，两者之间通过总线(如PC/104总线)连接通信。上位控制机4为工控机(如PC/104工控机)，用于接受下位执行器5所传给它的速度信号和位移信号，并生成控制所需的信息，通过总线发送给下位执行器5。下位执行器5由数据采集卡(如DMM-32-AT多功能数据采集卡)5.1、信号调理卡5.2、音圈电机驱动器5.3组成。数据采集卡5.1的A/D采集通道与信号调理卡5.2相连。数据采集卡5.1的D/A通道与音圈电机驱动器5.3相连。信号调理卡5.2用屏蔽双绞线与三个位移传感器2.72、三个速度传感器3相连。音圈电机驱动器5.3用屏蔽双绞线与三个音圈电机动子2.62相连。

上位机4中设置有减法器和PID算法模块(如增量式PID算法)，减法器分别将接收到的速度信号和位移信号作差值运算，PID算法模块用于将减法器计算后的信号进行比例、微分、积分运算处理，输出控制指令。

图7为本发明控制原理图，本发明采用包含位置控制和振动控制的主动控制方式，即定位-隔振复合控制方式。位置控制是由上位机4、下位执行器5、位移传感器2.72、音圈电机定子2.61和音圈电机动子2.62共同完成。位移传感器2.72检测平板1的位移，通过下位执行器5的采集传送到上位机4中，上位机4中减法器将检测到的位移信号与用户设定值做差，之后经过上位机4中的PID算法模块计算，得出的命令指令驱动音圈电机的动作，从而保证平台在垂向上处于一定的位置。振动控制是由上位机4、下位执行器5、速度传感器3、音圈电机定子2.61和音圈电机动子2.62共同完成。速度传感器3检测平板1的速度，通过下位执行器5的采集传送到上位机4中，上位机4中减法器将检测到的速度信号与零值做差，之后经过上位机4中的PID算法模块计算，得出的命令指令驱动音圈电机的动作，对平台提供“天棚阻尼”力，减小平台收到地基的强迫振动产生的振动。两种控制同时作用，使平台能精确地维持在一定的水平高度上。

本发明的工作原理如下，负载平板1用于承载相关设备，三支撑腿2分别位于负载平板1三个角处，共同对其进行支撑。支撑腿2中主要承载部件为螺旋弹簧2.22，它作为整个负载的主要支撑部件，气浮导轨与螺旋弹簧相连，限制每个支撑腿中的运动部件只能垂向运动，每个支撑腿2通过柔性块2.5与负载平板1连接，柔性块2.5在水平方向上具有较低的刚度，能够解决负载平板1因为三个气浮导轨(垂向移动副)的限制造成运动耦合。根据负载位置不同，三个支撑腿受力也不同，弹簧下面有可调整高度的脚垫机构，可以预先调整每个支撑腿的位置，保证初始的调平精度。音圈电机与弹簧并联，对系统提供主动控制力。

三个位移传感器2.72、速度传感器3检测支撑腿位置负载平板的垂向位置信号和垂向绝对速度信号，通过屏蔽双绞线传输给信号调理卡5.2，由信号调理卡5.2对采集信号进行整形、放大、滤波，后经过数据采集卡5.1完成采集。数据采集卡5.1将采集后的数字信号通过总线传输给上位工控机4进行处理，通过控制算法计算后形成的数字指令通过总线传递给数据采集卡5.1进行数模转换得到模拟指令，模拟指令最后传输给音圈电机驱动器5.3驱动音圈电机动子2.62。

负载平台1的位置精度通过位置控制实现，位移传感器检测的位移信号与设定值的差值经由位置控制器中的PID算法模块计算后，作为控制指令驱动音圈电机的动作，整个结构为闭环系统，通过调整PID算法模块中的参数，可以获得较高的水平位置精度，由于负载质量主要有弹簧承载，因而大大减小了电机输出力。速度传感器检测平台的绝对速度信号，绝对速度信号经过振动控制器中的PID算法模块计算后，作为控制指令驱动音圈电机的动作，整个结构为闭环系统，通过调整PID算法模块中的参数，可以提供合理的阻尼力，可以有效的减小地基振动对平台的影响，由于该阻尼力是跟绝对速度相关的，因此成为“天棚阻尼”。因为系统为弹簧支撑，弹簧作为被动隔振原件可以有效的隔离高频振动，加上振动控制提供的“天棚阻尼”的作用，不影响高频隔振效果的基础上能够减小低频段装置的振动幅值传递率。定位-隔振复合控制能够保证装置具有较好的水平定位精度。

本发明可以自动实现对低频振动的有效隔离，保证平台的具有很高的水平精度，对于精密加工、精密测量、光学实验等对平面位置精度有特殊要求的领域而言，该发明具有重要的作用。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替代，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种定位隔振平台，它包括定位隔振装置和主动控制器，两者之间通过电气连接，主动控制器对定位隔振装置进行位置控制和振动控制。

2.根据权利要求1所述的定位隔振平台，其特征在于，所述定位隔振装置包括三个结构相同的支撑腿(2)，以及三个速度传感器(3)，三个支撑腿(2)分别位于负载平板(1)的三个角并共同对其进行支撑，三个速度传感器(3)安装在负载平板(1)对应三个支撑腿(2)的位置，用于检测负载平板(1)的三个角处垂向的绝对速度。

3.根据权利要求2所述的定位隔振平台，其特征在于，每个所述支撑腿(2)均包括音圈电机、气浮导轨、螺旋弹簧(2.22)、柔性块(2.5)和位移传感器(2.72)；

音圈电机定子(2.61)与基板(2.0)相连，音圈电机动子(2.62)与U型连接架(2.63)相连；脚垫座(2.1)固定在基座(2.0)上，脚垫螺钉(2.12)的一端通过螺纹与脚垫座(2.11)连接，气浮导轨由气浮导轨外部套筒(2.31)和气浮圆柱(2.32)组成，气浮圆柱(2.32)位于气浮导轨外部套筒(2.31)内部，气浮圆柱(2.32)能够沿着气浮导轨外部套筒(2.31)的内壁上下滑动；气浮导轨外部套筒(2.31)固定在基座(2.0)的一个立柱上，螺旋弹簧(2.22)上端固定在气浮圆柱(2.32)的下端，另一端与螺旋弹簧夹持板(2.21)连接；螺旋弹簧夹持板(2.21)由脚垫螺钉(2.12)支撑；连接板(2.4)一端与气浮圆柱(2.32)的上端相连，连接板(2.4)另一端与U型连接架(2.63)相连；柔性块(2.5)固定在连接板(2.4)的中间位置；位移传感器(2.72)通过位移传感器安装板(2.71)固定在基座(2.0)的另一个立柱上；位移传感器(2.72)探测头正好位于连接板(2.4)固定柔性块(2.5)位置的下方，用于检测柔性块(2.5)处的垂向位移；柔性块(2.5)与负载平板(1)固定，对负载平板(1)进行支撑，速度传感器(3)固定在支撑腿(2)上方的负载平板(1)上，用于检测负载平板此处的速度信号；限位螺钉(1.0)的一端通过螺纹连接在音圈电机定子(2.61)上，其另一端位于负载平板(1)的沉头孔中，但未与负载平板(1)相接触。

4.根据权利要求1或2或3所述的定位隔振平台，其特征在于，所述柔性块(2.5)为水平方向上十字交叉的柔性铰链组成。

5.根据权利要求1或2或3所述的定位隔振平台，其特征在于，主动控制器由上位控制机(4)和下位执行器(5)组成，两者之间通过总线连接通信，下位执行器(5)用于采集定位隔振装置的位移信号和速度信号，并传送给上位控制机(4)，上位控制机(4)对位移信号和速度信号分别作差值运算和PID处理，得到控制指令，定位隔振装置根据控制指令进行位置控制和振动控制。

6.根据权利要求5所述的定位隔振平台，其特征在于，下位执行器(5)包括数据采集卡(5.1)、信号调理卡(5.2)和音圈电机驱动器(5.3)；数据采集卡(5.1)的A/D采集通道与信号调理卡(5.2)相连；数据采集卡(5.1)的D/A通道与音圈电机驱动器(5.3)相连；信号调理卡(5.2)与三个位移传感器(2.72)、三个速度传感器(3)相连；音圈电机驱动器(5.3)与三个音圈电机动子(2.62)相连。

7.根据权利要求6所述的定位隔振平台，其特征在于，上位机(4)中设置有减法器和PID算法模块；减法器用于对位移传感器检测的位移信号和速度信号进行差值运算，PID算法模块对差值进行PID处理，作为控制指令驱动音圈电机的动作，实现位置控制和振动控制。

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