CN103021473B - 一种直驱式运动解耦的高精度伺服平台 - Google Patents

Abstract

本发明具体公开了一种直驱式运动解耦的高精度伺服平台，包括基座、下层平台、第一导轨、上层平台、第二导轨、所述的第一导轨固定于基座上，下层平台沿第一导轨滑动，所述的第二导轨固定在下层平台上，上层平台沿第一导轨滑动，还包括第一音圈电机、滑块、滑轨和第二音圈电机，所述的滑轨设于上层平台的一端，且滑轨上设有自由滑动的滑块，滑块与第二音圈电机的动子连接；所述的第一音圈电机的动子与下层平台的一端固定连接；所述的两个音圈电机的定子均固定在固定板上，所述的下层平台和第二音圈电机上分别设有位移传感器。

Description

一种直驱式运动解耦的高精度伺服平台

技术领域

本发明涉及一种运动伺服平台，尤其涉及一种二自由度直线驱动运动解耦的高精密度伺服平台。

背景技术

    随着科学技术和工业技术的不断发展，人类的创造力不断向着微观领域发展。近年来，在微电子制造、超精密机械制造、微机器人操作及精密测量等领域中，高精密运动控制系统的重要性日益突出，这迫切需要能够在微米级、亚微米级，甚至在纳米级精度上进行定位和操作的系统和装备。因此，精密运动伺服平台的地位日益突出，对它的研究倍受国内外研究者的青睐。

    当前应用广泛的X-Y两坐标平面运动平台采用的滚珠丝杠等作为相对运动部分的串联方式，即电机—丝杠—螺母机构形式，在传统的滚珠丝杠驱动方式下，伺服电机的旋转运动通过丝杠转为直线运动，由于存在中间环节，使得机构的运动副间存在着运动间隙，运动部件的惯量大，由此限制了设备的定位精度、速度和加速度的进一步提高。因此，传统的运动平台越来越无法满足微米甚至纳米级的超精密定位和加工要求。对于精密定位平台技术，国内外相关的研究机构和商业公司都展开了广泛的探索和研究，并且开发了一些具有前沿性的技术产品和商业产品。

    现在市场上比较精密的定位平台大多采用直线电机直接驱动的方式，省去了旋转电机驱动方式的中间环节，减小了由于加工及装配误差对平台运动精度的影响。美国H2W Tech公司生产的31-0305 XY音圈电机驱动平台，是目前市场上比较成熟、定位精度较高的一款运动平台，其结构如图1a、图1b所示，该平台由上下两层平台组成，上层平台固定在下层平台上，分别由音圈电机驱动。音圈电机是基于安培力原理制造的一种新型直接驱动电机，它除了和直线电机一样可以避免旋转电机驱动中传动环节存在的间隙等不足外，在理论上其具有无限分辨率、无滞后、高响应、高加速度、高速度、体积小、力学性能好、控制方便等优点。但是从图中可以看到，当上层平台运动时，音圈电机的电缆和光栅的信号线随着平台一块运动，严重影响了整套平台的性能。图2所示为实验测得的该平台经实验测得的幅频、相频特性图，经分析系统的带宽仅在15HZ左右。

    中国专利CN101556933A提出了一种运动解耦的XY向精密定位平台，该定位平台由两个相互正交的音圈电机驱动，通过两个直线轴承组件实现两个方向上的运动解耦。该平台在工作时，工作平台气浮，由空气轴承支撑，摩擦力较小，并且该平台结构紧凑，刚度大，响应速度快。但是，由于该平台采用气浮的方式，为保证工作平台的平稳，必须有专门的控制算法来保证工作平台与空气轴承之间的气隙保持恒定，加大了系统控制的难度，增大了实际应用的复杂性和设备成本。

    中国专利CN101924450A提出了一种固定音圈电机直驱式X-Y微动平台，该平台采用音圈直动电机驱动运动平台，省去了旋转电机驱动方式的中间环节，提高了X-Y微动平台的效率、响应速度和精度，并且采用解耦部件，保证了X向和Y向音圈电机在平台运动过程中是静止的，只有电机轴在相应方向做往返直线运动，改变了微动平台的动态特性。但该平台结构不够紧凑，音圈电机轴与运动平台之间存在中间环节联轴器，增大了传递误差，降低了平台运动的精度，并且反馈元件光栅放置在音圈电机轴末端，测量电机轴的位移来代替平台的位移，存在着一定的误差，并且这种误差将是伺服控制系统无法测量的，从而严重影响了该微动平台的整体精度和性能。

    中国专利CN102723296A提出了一种双层直线电机驱动的XY运动平台，该平台采用双动子结构的X轴/Y轴直线电机进行驱动，因而驱动力较大，能够获得更高的运动速度和加速度，并且采用自适应解耦式直线电机解耦，使得平台整体结构简单，结构尺寸较小，平台运动质量较小。但该平台直线电机动子上接有信号线，且随动子运动而运动，对平台性能造成一定的影响；平台采用自适应解耦式直线电机解耦，其动子既在X方向上运动，又在Y方向上运动，因而加大了系统控制的难度。

    鉴于上述市场中及以往专利中提出的定位平台存在的一些问题，因此有必要设计一种新的精密伺服平台，在保持平台定位和操作精度高、响应速度快等优点及不增加定位平台控制算法难度的同时，从机电一体化角度对伺服平台进行创新和优化。

发明内容

    本发明的目的在于克服传统XY向定位平台中滚珠丝杠（齿轮、齿条）传动中的反向间隙、摩擦力和刚度不足等方面的缺点，同时以解决音圈电机驱动平台中驱动电缆及信号线运动影响平台精度及性能以及工作平台气浮或磁悬浮带来的系统控制难度的增加等市场上及以往专利中定位平台中存在的问题，从而提供一种结构更加合理的二自由度精密伺服平台，为该项技术在各类精密设备上的应用以及在平台上搭建纳米级超精密二级平台提供保证。该平台由音圈电机直接驱动，采用交叉滚子滑块和滑轨作为解耦机构，具有结构紧凑、精度高、响应速度快、带宽高、驱动力大及运动解耦等特点。

本发明为解决技术问题所采取的技术方案是：

 一种直驱式运动解耦的高精度伺服平台，包括基座、下层平台、第一导轨、第一音圈电机、上层平台、第二导轨、滑块、滑轨和第二音圈电机、固定板、位移传感器，所述的第一导轨固定于基座上，下层平台沿第一导轨滑动，且下层平台的一端与第一音圈电机的动子固定连接，所述的第二导轨固定在下层平台上，上层平台沿第一导轨滑动，在上层平台的一端设有滑轨，所述的滑轨上设有自由滑动的滑块，滑块与第二音圈电机的动子连接，所述的两个音圈电机的定子均固定在固定板上，所述的下层平台和第二音圈电机上分别设有位移传感器。

所述的固定板通过螺栓固定在基座上。

所述的第一导轨通过螺栓固定在基座上，所述的第二导轨通过螺栓固定在下层平台上。

所述的位移传感器为直线光栅尺和读写头。

所述的直线光栅尺一个贴于下层平台的一侧；另一个固定在第二音圈电机动子上，所述的两个直线光栅尺的读写头均固定在基座上，且两个直线光栅尺的输出信号线均从读写头上接出，并且对信号线固定。

所述的滑块为交叉滚子滑块。

所述的第一导轨和第二导轨均为交叉滚子导轨。

所述的第一音圈电机的定子和第二音圈电机的定子分别设于第一固定板和第二固定板上，所述的第一固定板和第二固定板相互垂直，且均固定于基座上。

所述的第一音圈电机和第二音圈电机均采用外部永磁、内部电磁的结构，并且永磁部分作为动子，电磁部分作为定子，所述的定子与动子之间有间隙。

所述的第一音圈电机和第二音圈电机的信号线直接从音圈电机定子上接出，并且对信号线固定。

本发明中运动解耦部件由交叉滚子滑块和滑轨组成，滑轨固定在上层平台上，滑块安装在滑轨上并且能在其上自由滑动，滑块与第二音圈电机动子连接，当第一音圈电机工作推动平台在X方向上运动时，滑轨随平台一起运动，而滑块固定不动，保证第二音圈电机固定不动，从而实现XY两个方向运动的解耦。

    本发明中上下层平台的驱动音圈电机采用外部永磁、内部电磁的结构，其输出力与输入电流具有良好的线性关系，便于控制。音圈电机以外部永磁部分作为动子，内部电磁部分作为定子，定子通过固定板固定在基座上，不随平台的运动而运动，其控制信号线直接从定子接出，因而不会因为平台的运动而运动。上下两层平台的驱动音圈电机正交布置，根据定位要求的需要，选择单电机的运动或双电机的联动，进而驱动平台在XY平面内做平面运动。音圈电机驱动的直线运动简化了传动定位的中间环节，实现了“零传动”，具有较高的精度和动态性能。

    本发明的精密伺服平台采用直线光栅作为测量平台运动位移的传感器，下层平台的直线光栅尺直接固定在下层平台上，读写头固定在基座上；而上层平台的直线光栅尺固定在第二音圈电机动子上，读写头同样固定在基座上，通过测量第二音圈电机动子的位移来代替上层平台的位移。传感器的输出信号线直接从读写头接出，信号线固定不动，从而不会对平台运动、系统性能产生影响。

本发明的具体优点如下：

    1、采用外部永磁、内部电磁的音圈直线电机，其输出力与输入电流具有良好的线性关系，易于控制。

    2、本发明提供的精密运动平台中所有驱动电缆和信号连线都在设计中创新性的置于平台的固定部件上，从而在平台运动过程中固定不动，不会对平台运动和系统性能产生影响和干扰，提高了系统刚度和响应速度，增加了系统带宽。

    3、 本发明从结构设计上具有可扩展性，可以在该平台上搭建第二级纳米超精密平台，为实现双级/多级超精密伺服平台提供了保证。

    4、采用音圈电机直接驱动的方式，减少了中间环节传动带来的误差，平台定位精度高，并且驱动力大，能够获得更大的运动加速度和速度。

    5、采用交叉滚子滑块和滑轨作为运动解耦元件，使得平台结构紧凑，并且可以选用知名厂家的成型产品，减小自行加工带来的累积误差。

6、平台结构简单，易于加工，加工成本较低。

附图说明

图1a，图1b为美国H2W公司生产的31-0305 XY音圈电机驱动平台的结构图；

图2为实验测得美国H2W公司生产的平台系统的bode图；

图3为本发明提供的音圈电机直驱运动解耦精密伺服平台的轴测图；

图4为本发明提供的音圈电机直驱运动解耦精密伺服平台的主视图；

图5为本发明提供的音圈电机直驱运动解耦精密伺服平台的左视图。

图中：1基座，2第一导轨，3下层平台，4  X方向位移传感器，5第一音圈电机的动子，6第一音圈电机的定子，7第一固定板，8第二导轨，9上层平台，10滑块，11滑轨,12第二音圈电机的动子，13第二音圈电机的定子，14第二固定板，15  Y方向位移传感器。

具体实施方式

    为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，并在兼顾考虑平台结构优化、制造工艺等因素的基础上，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。当然，过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

    图3为本发明音圈电机直驱运动解耦精密伺服平台的轴测图。本发明采用上下两层平台结构，下层工作平台由第一导轨2、下层平台3、X方向位移传感器4、第一音圈电机、第一固定板7组成，上层工作平台由第二导轨8、上层平台9、滑块10、滑轨11、第二音圈电机、第二固定板14和Y方向位移传感器15组成。第一导轨2通过螺栓固定在基座1上，第一音圈电机的定子6通过第一固定板7固定在基座1上，第一音圈电机的动子5推动下层平台沿导轨运动完成X方向的运动。第二导轨8通过螺栓固定在下层平台3上，第二音圈电机定子13通过第二固定板14固定在基座上，第二音圈电机动子12同滑块10连接，滑块10安装在滑轨11上，滑轨11通过螺栓直接固定在上层平台9上，当音圈电机动子12运动时，通过滑块10、滑轨11将运动传递给上层平台9，推动上层平台9完成Y方向的运动。 当下层平台3做X方向运动时，第二导轨8、上层平台9和滑轨11随之一起运动，而滑块10固定不动，从而实现了XY两个方向运动的解耦。当上下两层的驱动音圈电机同时工作时，上层平台9在XY平面内做平面运动，实现了两个方向上运动的耦合。

    图4为本发明音圈电机直驱运动解耦精密伺服平台的主视图，从图中可以清楚的看出平台X方向的运动。第一音圈电机采用外部动子、内部定子的结构，第一音圈电机的动子6采用永磁材料，通过螺栓与下层平台3连接在一起，第一音圈电机的定子5为通电线圈，通过螺栓固定在其第一固定板7上。因为第一音圈电机的定子5的位置固定不变，故信号线可以从通电线圈上直接接出，通过控制流入通电线圈电流，完成平台X方向运动的控制。图中的X方向位移传感器4，用于测量下层平台3在X方向上运动的位移，分为直线光栅尺和读数头两部分，直线光栅尺贴在下层平台3上，读数头通过螺钉固定在基座1上，传感器的输出信号通过与读数头相连的信号线输出。由图4可以看出，第一音圈电机的定子5和X方向位移传感器4的读数头均固定不动，因而与之相连的信号线固定不动，从而不会对系统的运动及性能造成影响。

    图5为本发明音圈电机直驱运动解耦精密伺服平台的左视图， 从图中可以清楚的看出平台Y方向的运动。第二音圈电机与第一音圈电机相同，第二音圈电机的动子12采用永磁材料，第二音圈电机的定子13为通电线圈，第二音圈电机的定子13通过螺栓与第二固定板14连接，其第二固定板14通过螺栓固定在基座上。当第二音圈电机的定子13通电时，第二音圈电机的动子12在磁力的作用下产生运动，通过滑块10、滑轨11将运动传递给上层平台9，推动上层平台9完成Y方向的运动。图中的Y方向位移传感器15，分为直线光栅尺和读数头两部分，直线光栅尺贴在第二音圈电机动子12上，读数头通过底座固定在基座1上，当上层平台9在Y方向上运动时，Y方向位移传感器15测量出第二音圈电机动子12的位移代替上层平台9的位移，输出信号通过与读数头相连的信号线反馈给计算机。由图5可以看出，第二音圈电机定子13和Y方向位移传感器15的读数头均固定不动，因而与之相连的信号线固定不动，从而解决了美国H2W公司生产的31-0305 XY音圈电机驱动平台连线的问题。

本发明音圈电机直驱运动解耦精密伺服平台在XY平面的具体工作过程如下：当只第一音圈电机通电工作时，下层平台3带动固定在其上的第二导轨8及上层平台9在X方向上运动；当只第二音圈电机通电工作时，上层平台9沿第二导轨8在Y方向上运动，而下层平台固定不动；当上下层驱动音圈电机同时通电工作时，上层平台在XY平面内做平面运动。上下层平台的直线光栅分别测量出平台在XY两个方向上的位移并反馈给计算机，从而实现平台的精密控制。

    尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，用来解释说明本发明，而不能理解为对本发明的限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种直驱式运动解耦的高精度伺服平台，包括基座、下层平台、第一导轨、上层平台和第二导轨，所述的第一导轨固定于基座上，下层平台沿第一导轨滑动，所述的第二导轨固定在下层平台上，上层平台沿第一导轨滑动，其特征在于：还包括第一音圈电机、滑块、滑轨和第二音圈电机，所述的滑轨设于上层平台的一端，且滑轨上设有自由滑动的滑块，滑块与第二音圈电机的动子连接；所述的第一音圈电机的动子与下层平台的一端固定连接；所述的两个音圈电机的定子均固定在固定板上，所述的下层平台和第二音圈电机上分别设有位移传感器；

当第一音圈电机工作推动平台在X方向上运动时，滑轨随平台一起运动，而滑块固定不动，保证第二音圈电机固定不动，从而实现XY两个方向运动的解耦；

上下两层平台的驱动音圈电机正交布置，根据定位要求的需要，选择单电机的运动或双电机的联动，进而驱动平台在XY平面内做平面运动。

2.如权利要求1所述的直驱式运动解耦的高精度伺服平台，其特征在于：所述的固定板通过螺栓固定在基座上。

3.如权利要求1所述的直驱式运动解耦的高精度伺服平台，其特征在于：所述的第一导轨通过螺栓固定在基座上，所述的第二导轨通过螺栓固定在下层平台上。

4.如权利要求1所述的直驱式运动解耦的高精度伺服平台，其特征在于：所述的位移传感器为直线光栅尺和读写头。

5.如权利要求4所述的直驱式运动解耦的高精度伺服平台，其特征在于：所述的直线光栅尺一个贴于下层平台的一侧；另一个固定在第二音圈电机动子上，所述的两个直线光栅尺的读写头均固定在基座上，且两个直线光栅尺的输出信号线均从读写头上接出，并且对其固定。

6.如权利要求1所述的直驱式运动解耦的高精度伺服平台，其特征在于：所述的滑块为交叉滚子滑块。

7.如权利要求1所述的直驱式运动解耦的高精度伺服平台，其特征在于：所述的第一导轨和第二导轨均为交叉滚子导轨。

8.如权利要求1所述的直驱式运动解耦的高精度伺服平台，其特征在于：所述的第一音圈电机的定子和第二音圈电机的定子分别设于第一固定板和第二固定板上，所述的第一固定板和第二固定板相互垂直，且均固定于基座上。

9.如权利要求1所述的直驱式运动解耦的高精度伺服平台，其特征在于：所述的第一音圈电机和第二音圈电机均采用外部永磁、内部电磁的结构，并且永磁部分作为动子，电磁部分作为定子，所述的定子与动子之间有间隙。

10.如权利要求1所述的直驱式运动解耦的高精度伺服平台，其特征在于：所述的第一音圈电机和第二音圈电机的信号线直接从音圈电机定子上接出，并且对信号线固定。