CN103078568A

CN103078568A - 并联运动解耦伺服控制平台

Info

Publication number: CN103078568A
Application number: CN2012105756590A
Authority: CN
Inventors: 张震; 王鹏; 闫鹏; 刘鹏博; 叶佩青
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2012-12-26
Filing date: 2012-12-26
Publication date: 2013-05-01
Anticipated expiration: 2032-12-26
Also published as: CN103078568B

Abstract

本发明公开了一种并联运动解耦伺服控制平台，包括：基座；第一和第二直线电机；和运动平台，所述运动平台安装在所述第一和第二直线电机之间，所述运动平台的第一和第二侧边分别与所述第一和第二电机动子相连且分别在所述第一和第二电机动子的驱动下沿所述第一和第二水平方向移动。根据本发明实施例的并联运动解耦伺服控制平台，采用并联式结构，结构简单且对称，第一和第二水平方向的运动组件可以互换，便于加工及维护，并且在工作时更容易保证运动平台在运动时的水平度，从驱动力电信号的输入到运动平台的运动的执行结果在每个运动方向上更加一致，有利于控制平面运动的轨迹轮廓精度。

Description

并联运动解耦伺服控制平台

技术领域

本发明涉及两轴联动解耦机构技术领域，更具体地，涉及一种并联运动解耦伺服控制平台。

背景技术

目前广泛采用的两轴平面运动平台多采用旋转电机加滚珠丝杠等传动方式，在这种情况下，旋转电机通过丝杠将旋转运动转化为直线运动，存在传动环节，使得运动副之间存在间隙等非线性环节，且运动部分质量大，限制了平台的运动速度、加速度及控制精度等性能指标。所以开发新型驱动方式和机构（低摩擦、高加速度、运动解耦机构）的高速高精度运动系统已成为激光加工、精密光电检测等领域的重要研究内容。

目前国际以及国内精密定位平台多采用直线电机驱动的方式取代以往的旋转电机驱动方式以简化工作组件组成、减少装配和组件间隙误差。例如美国H2W Tech公司生产的31-0305xy音圈电机驱动平台，是目前市场上较为成熟及定位精度较高的一款定位平台。其理论上具有无线分辨率、无滞后、高响应、高速、体积小等优点。但是经过我们的应用发现其存在的以下不足如：音圈电机驱动线缆随各级运动平台运动对于高速轨迹跟踪控制产生干扰；底层平台驱动质量较大对于高速、高加速轨迹跟踪控制存在先天不足。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种并联的运动质量小、精度高的并联运动解耦伺服控制平台。

根据本发明实施例的并联运动解耦伺服控制平台，包括：基座；第一和第二直线电机，所述第一和第二直线电机分别安装在所述基座上且分别沿相互垂直的第一和第二水平方向延伸，所述第一和第二直线电机分别包括第一和第二电机动子，所述第一和第二电机动子分别与所述第一和第二直线电机相连且分别在所述第一和第二直线电机的驱动下沿所述第一和第二水平方向移动；和运动平台，所述运动平台安装在所述第一和第二直线电机之间，所述运动平台的第一和第二侧边分别与所述第一和第二电机动子相连且分别在所述第一和第二电机动子的驱动下沿所述第一和第二水平方向移动。

根据本发明实施例的并联运动解耦伺服控制平台，采用并联式结构，结构简单且对称，第一和第二水平方向的运动组件可以互换，便于加工及维护，并且在工作时更容易保证运动平台在运动时的水平度，从驱动力电信号的输入到运动平台的运动的执行结果在每个运动方向上更加一致，有利于控制平面运动的轨迹轮廓精度。

另外，根据本发明实施例的并联运动解耦伺服控制平台，还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一个实施例，所述运动平台大体形成为矩形，所述运动平台的第一侧边上形成有沿所述第二水平方向延伸的第一滑轨，所述第二侧边上形成有沿所述第一水平方向延伸的第二滑轨，所述第一侧边与所述第一电机动子之间设有与所述第一滑轨适配的第一滑块，所述第一滑轨可滑动地安装在所述第一滑块内以使所述运动平台在所述第二水平方向运动；所述第二侧边与所述第二电机动子之间设有与所述第二滑轨适配的第二滑块，所述第二滑轨可滑动地安装在所述第二滑块内以使所述运动平台在所述第一水平方向运动。

可选地，所述第一直线电机上形成有沿所述第一水平方向延伸的第一导轨，所述第二直线电机上形成有沿所述第二水平方向延伸的第二导轨且所述第一和第二导轨垂直相连，所述第一滑块与所述第一电机动子通过第一连接块相连且所述第一连接块下部形成有与所述第一导轨适配的第一滑槽，所述第二滑块与所述第二电机动子通过第二连接块相连且所述第二连接块下部形成有与所述第二导轨适配的第二滑槽。

优选地，所述第一和第二滑轨与所述运动平台一体形成。

根据本发明的一个实施例，还包括第一和第二位移传感器，所述第一和第二位移传感器分别安装在所述基座的第一和第二水平方向上以检测所述运动平台的移动距离。

可选地，所述第一和第二位移传感器分别包括：第一和第二光栅，所述第一和第二光栅分别安装在所述第一和第二连接块上；和第一和第二计数器，所述第一和第二计数器分别安装在所述基座的第一和第二水平方向上以计量所述第一和第二光栅在所述第一和第二水平方向上的移动距离。

根据本发明的一个实施例，所述第一和第二直线电机为音圈直线电机。

可选地，所述第一和第二直线电机的第一和第二电机动子为永磁体。

根据本发明的一个实施例，所述第一和第二直线电机的电磁线圈固定安装在所述基座上，且所述第一和第二直线电机的电缆线由所述第一和第二电机动子引出。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明实施例的并联运动解耦伺服控制平台的立体图；

图2是根据图1中所示的并联运动解耦伺服控制平台的右视图；

图3是根据图1中所示的并联运动解耦伺服控制平台的左视图；

图4是根据图1中所示的并联运动解耦伺服控制平台的俯视图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“长度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图具体描述根据本发明实施例的并联运动解耦伺服控制平台。

如图1至图4所示，根据本发明实施例的并联运动解耦伺服控制平台包括：基座10、第一直线电机20、第二直线电机30和运动平台40。

具体而言，第一直线电机20和第二直线电机30分别安装在基座10上且分别沿相互垂直的第一水平方向（如图1中所示的X向）和第二水平方向（如图1中所示的Y向）延伸。第一直线电机20和第二直线电机30分别包括第一电机动子21和第二电机动子31，第一电机动子21和第二电机动子31分别与第一直线电机20和第二直线电机30相连且分别在第一直线电机20和第二直线电机30的驱动下沿第一和第二水平方向移动。

运动平台40安装在第一直线电机20和第二直线电机30之间，运动平台40的第一和第二侧边分别与第一电机动子21和第二电机动子31相连且分别在第一电机动子21和第二电机动子31的驱动下沿第一和第二水平方向移动。

由此，根据本发明实施例的并联运动解耦伺服控制平台，采用并联式结构，结构简单且对称，第一和第二水平方向的运动组件可以互换，便于加工及维护，并且在工作时更容易保证运动平台40在运动时的水平度，从驱动力电信号的输入到运动平台40运动的执行结果在每个运动方向上更加一致，有利于控制平面运动的轨迹轮廓精度。

根据本发明的一个实施例，运动平台40大体形成为矩形，运动平台40的第一侧边上形成有沿第二水平方向延伸的第一滑轨41，第二侧边上形成有沿第一水平方向延伸的第二滑轨42。并且，第一侧边与第一电机动子21之间设有与第一滑轨41适配的第一滑块22，第一滑轨41可滑动地安装在第一滑块22内以使运动平台40在第二水平方向运动；第二侧边与第二电机动子31之间设有与第二滑轨42适配的第二滑块32，第二滑轨42可滑动地安装在第二滑块32内以使运动平台40在第一水平方向运动。

由此，通过第一滑轨41与第一滑块22以及第二滑轨42与第二滑块32的配合，可以实现运动平台40在第一和第二水平方向上的运动。

优选地，如图2和图3所示，根据本发明的一个实施例，第一直线电机20上形成有沿第一水平方向延伸的第一导轨25，第二直线电机30上形成有沿第二水平方向延伸的第二导轨35且第一导轨25和第二导轨35垂直相连。第一滑块22与第一电机动子21通过第一连接块23相连且第一连接块23下部形成有与第一导轨25适配的第一滑槽24，相应地，第二滑块32与第二电机动子31通过第二连接块33相连且第二连接块33下部形成有与第二导轨35适配的第二滑槽34。由此，通过第一导轨25和第二导轨35与第一滑块22和第二滑块32的配合，可以实现运动平台40在第一和第二水平方向上的运动，并且保证了运动平台40在第一和第二水平方向上的运动轨迹。另外，运动平台40与第一直线电机20和第二直线电机30的连接结构简单，减少了线缆对于运动平台40的非线性干扰，提高了系统刚度，增加了系统带宽。

需要理解的是，第一滑轨41与第二滑轨42与运动平台40的连接结构没有特殊限制，优选地，根据本发明的一个实施例，第一滑轨41和第二滑轨42与运动平台40一体形成。由此，在不影响其装配以及功能的前提下，可以提高运动平台40整体的结构稳定性，并且降低制备成本。

为了检测并记录运动平台40的移动距离，如图4所示，根据本发明的一个实施例，还包括第一位移传感器50和第二位移传感器60，第一位移传感器50和第二位移传感器60分别安装在基座10的第一和第二水平方向上以检测运动平台40的移动距离。

具体地，第一位移传感器50和第二位移传感器60分别包括：第一光栅51和第二光栅61，第一计数器52和第二计数器62。

其中，第一光栅51和第二光栅61分别安装在第一连接块23和第二连接块33上，也可以分别安装在第一滑槽24和第二滑槽34上。其具体安装方法没有特殊限制，将第一光栅51和第二光栅61分别贴在第一滑槽24和第二滑槽34上即可。

第一计数器52和第二计数器62分别安装在基座10的第一和第二水平方向上以计量第一光栅51和第二光栅61在第一和第二水平方向上的移动距离，从而计量运动平台在第一和第二水平方向上的移动距离。第一计数器52和第二计数器62可以通过螺钉固定安装在基座10上，并且其计量结果可以通过信号线输出。

根据本发明的一个实施例，第一直线电机20和第二直线电机30为音圈直线电机。优选地，第一直线电机20和第二直线电机30的第一电机动子21和第二电机动子31为永磁体。关于音圈直线电机以及永磁体，对于本领域普通技术人员来说，是可以理解并且容易实现的，因此不做详细描述。

根据本发明的一个实施例，第一直线电机20和第二直线电机30的电磁线圈固定安装在基座10上，且第一直线电机20和第二直线电机30的电缆线由第一电机动子21和第二电机动子31引出。由此，通过信号线可直接从电磁线圈上引出，通过控制流入电磁线圈的电流，即可完成运动平台40在第一和第二水平方向上的运动。

下面具体描述根据本发明实施例的并联运动解耦伺服控制平台的工作原理。

当只为第一直线电机20通电工作时，第一电机动子21沿第一水平方向运动，并且驱动第一滑块22，第一滑块22带动运动平台40，使运动平台40的第二滑轨42与第二滑块32形成相对运动，即运动平台40沿第一水平方向发生位移。此时，第一滑轨41与第一滑块22之间没有相对运动，除运动平台40外的运动质量只有第一电机动子21、第一滑块22、第一滑轨41、第二滑轨42、第一连接块23和第一滑槽24。第一位移传感器50测量运动平台40沿第一水平方向发生位移的距离。

当只为第二直线电机30通电工作时，第二电机动子31沿第二水平方向运动，并且驱动第二滑块32，第二滑块32带动运动平台40，使运动平台40的第一滑轨41与第一滑块22形成相对运动，即运动平台40沿第二水平方向发生位移。此时，第二滑轨42与第二滑块32之间没有相对运动，除运动平台40外的运动质量只有第二电机动子31、第二滑块32、第一滑轨41、第二滑轨42、第二连接块33和第二滑槽34。第二位移传感器60测量运动平台40沿第二水平方向发生位移的距离。

当第一直线电机20和第二直线电机30同时通电工作时，运动平台40在第一和第二水平方向形成的平面，即图1中所示的XY平面内做平面运动。第一位移传感器50和第二位移传感器60分别测量出运动平台40在第一和第二水平方向两个方向上的位移，并反馈给计算机，通过控制算法计算电机所需的控制电压，从而实现运动平台40的精密运动控制。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

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，不能理解为对本发明的限制，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

1.一种并联运动解耦伺服控制平台，其特征在于，包括：

基座；

第一和第二直线电机，所述第一和第二直线电机分别安装在所述基座上且分别沿相互垂直的第一和第二水平方向延伸，所述第一和第二直线电机分别包括第一和第二电机动子，所述第一和第二电机动子分别与所述第一和第二直线电机相连且分别在所述第一和第二直线电机的驱动下沿所述第一和第二水平方向移动；和

运动平台，所述运动平台安装在所述第一和第二直线电机之间，所述运动平台的第一和第二侧边分别与所述第一和第二电机动子相连且分别在所述第一和第二电机动子的驱动下沿所述第一和第二水平方向移动。

2.根据权利要求1所述的并联运动解耦伺服控制平台，其特征在于，所述运动平台大体形成为矩形，所述运动平台的第一侧边上形成有沿所述第二水平方向延伸的第一滑轨，所述第二侧边上形成有沿所述第一水平方向延伸的第二滑轨，

所述第一侧边与所述第一电机动子之间设有与所述第一滑轨适配的第一滑块，所述第一滑轨可滑动地安装在所述第一滑块内以使所述运动平台在所述第二水平方向运动；

所述第二侧边与所述第二电机动子之间设有与所述第二滑轨适配的第二滑块，所述第二滑轨可滑动地安装在所述第二滑块内以使所述运动平台在所述第一水平方向运动。

3.根据权利要求2所述的并联运动解耦伺服控制平台，其特征在于，所述第一直线电机上形成有沿所述第一水平方向延伸的第一导轨，所述第二直线电机上形成有沿所述第二水平方向延伸的第二导轨且所述第一和第二导轨垂直相连，

所述第一滑块与所述第一电机动子通过第一连接块相连且所述第一连接块下部形成有与所述第一导轨适配的第一滑槽，所述第二滑块与所述第二电机动子通过第二连接块相连且所述第二连接块下部形成有与所述第二导轨适配的第二滑槽。

4.根据权利要求2所述的并联运动解耦伺服控制平台，其特征在于，所述第一和第二滑轨与所述运动平台一体形成。

5.根据权利要求3所述的并联运动解耦伺服控制平台，其特征在于，还包括第一和第二位移传感器，所述第一和第二位移传感器分别安装在所述基座的第一和第二水平方向上以检测所述运动平台的移动距离。

6.根据权利要求5所述的并联运动解耦伺服控制平台，其特征在于，所述第一和第二位移传感器分别包括：

第一和第二光栅，所述第一和第二光栅分别安装在所述第一和第二连接块上；和

第一和第二计数器，所述第一和第二计数器分别安装在所述基座的第一和第二水平方向上以计量所述第一和第二光栅在所述第一和第二水平方向上的移动距离。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的并联运动解耦伺服控制平台，其特征在于，所述第一和第二直线电机为音圈直线电机。

8.根据权利要求7所述的并联运动解耦伺服控制平台，其特征在于，所述第一和第二直线电机的第一和第二电机动子为永磁体。

9.根据权利要求7所述的并联运动解耦伺服控制平台，其特征在于，所述第一和第二直线电机的电磁线圈固定安装在所述基座上，且所述第一和第二直线电机的电缆线由所述第一和第二电机动子引出。