CN103170845A - 一种同轴宏微复合直线运动平台装置及其精度补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同轴宏微复合直线运动平台装置及其精度补偿方法。包括有宏运动装置、微运动装置、控制装置和位置检测装置。其中宏运动装置由伺服驱动器、直线驱动模块、直线导轨、底座和宏动工作平台构成；微运动装置是由压电陶瓷驱动器或音圈电机、柔性铰链放大机构组成；柔性铰链放大机构由柔性铰链、微动工作平台、框架构成；压电陶瓷驱动器或音圈电机驱动柔性铰链放大结构，带动微动工作平台产生位移；位置检测装置实时检测宏微运动工作平台的位移信息，并将其送给所述控制装置；控制装置根据宏微运动的位移传感器检测信息，驱动微动工作平台实时补偿宏运动装置的运动，进而实现所述同轴宏微复合直线运动平台装置的高静态精度及高动态精度。

Description

一种同轴宏微复合直线运动平台装置及其精度补偿方法

技术领域

本发明涉及一种同轴宏微复合直线运动平台装置及其精度补偿方法。

背景技术

随着社会发展及人们生活条件的改善，人们对产品的要求越来越高，这要求制造业必须不断提高产品的加工精度。但高精密进给运动平台的量程普遍较短，而大量程的普通宏运动进给平台精度又无法满足实际需要。如果采用专用的大量程高精密运动平台，产品的制造成本将大幅增加。

针对上述现状，一种能将大量程一般精度的宏运动和高精度小量程的微运动相复合的可以实现大量程高精密进给的运动平台越来越受到人们的青睐。

国内发明专利CN102540765A中公开了一种高精度平行光曝光机的PCB板定位装置及其定位方法。该定位装置包含了由伺服电机、丝杠、宏动平台构成的宏动定位装置和由压电陶瓷驱动器和压电陶瓷支撑平台组成的微动定位装置。其具体工作方法为：A.伺服电机驱动丝杠，带动宏动平台进行大行程的进给；B.位置检测装置检测宏动平台和预定位置的位移误差：C.控制器根据B步骤中的位移误差信息得到使PCB板到达指定位置时驱动压电陶瓷微动平台所需的位移量，进而根据位移量对压电陶瓷驱动电源进行控制。上述定位装置及方法实现了对PCB板的精确定位，但该定位装置及方法仍存有如下不足：（1）该装置采用丝杠来带动宏动平台产生位移，而丝杠本身固有的爬行现象会导致宏动平台从运动到静止过程中出现较大的位移振幅，其达到稳定过程的时间较长。这导致该定位装置中的微动定位装置的动作具有一定的延滞性，不能保证微动陶瓷工作台在运动全过程中始终保持运动精度；（2）在该定位装置及方法中，压电陶瓷驱动器直接驱动压电陶瓷支撑平台进行位移调整。这要求实际使用中的压电陶瓷驱动器的工作量程范围必须大于宏动定位装置的最大位移偏差，进而限制压电陶瓷的选型范围，降低了定位装置的设计自由度及经济性；（3）该定位装置中微动定位装置中的压电陶瓷支撑平台与其配合工作部件之间有摩擦等阻尼作用，这导致其微动陶瓷工作台的工作负载不能太高，限制了其使用范围。

国内发明专利CN102528473A中公开了一种同轴宏微复合直线运动平台装置。该运动平台装置包含由气浮导轨、直线电机、宏动平台构成的宏运动装置和由柔性铰链、微动平台、压电陶瓷驱动器或音圈电器构成的微运动装置。该运动装置能够实现微动平台的高精度位移及定位。但该方案中同时采用了光栅尺及微动传感器作为同轴方向的位置精度检测，这要求其光栅尺及微动传感器必须达到相匹配的精度，导致成本增加，并使精度补偿方法复杂；该方案中采用了气浮导轨、直线电机等部件，导致运动平台装置成本较高，经济性较差，限制了其推广范围。

发明内容

针对现有宏微复合运动平台存在的不足，本发明的目的在于提供一种低成本、高精度的同轴宏微复合直线运动平台装置。

本发明的另一目的在于提供一种操作简单，方便实用的同轴宏微复合直线运动平台装置的精度补偿方法。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

本发明的同轴宏微复合直线运动平台装置，包括有宏运动装置、微运动装置、控制装置和位置检测装置，其中宏运动装置包括有伺服驱动器、直线驱动模块、直线导轨、底座和宏动工作平台，伺服驱动器通过直线驱动模块与直线导轨连接，直线导轨装设在底座上，宏动工作平台安装在直线导轨上，微运动装置包括有高精度微动驱动器及柔性铰链放大机构，柔性铰链放大机构包括有柔性铰链、微动工作平台、框架，其中柔性铰链安装在框架上，微动工作平台与柔性铰链连接，高精度微动驱动器驱动柔性铰链运动，微动工作平台上安放工作负载，所述微运动装置通过框架固定在宏动工作平台上，用来检测宏动工作平台及微动工作平台相对于底座的位移信息的位置检测装置包括宏动位移检测装置和微动位移检测装置，微动位移检测装置由固定在宏运动装置内底座上的光栅尺和固定在微动工作平台上的光栅尺读数头构成；宏动位移检测装置由连接在伺服驱动器上的编码盘构成，控制装置与伺服驱动器及高精度微动驱动器为电连接，控制装置向伺服驱动器及高精度微动驱动器发出位移控制指令，实现微运动装置对宏运动装置的精度补偿。

本发明同轴宏微复合直线运动平台装置的精度补偿方法，包含以下步骤：

1)宏运动装置及宏动位移检测装置组成闭环控制系统,微运动装置及微动位移检测装置组成闭环控制系统；

2)所述同轴复合直线运动平台装置运动时，所述宏动工作平台带动微运动装置向预期位置移动；所述宏动位移检测装置得到宏动工作平台的位移信息，所述微动位移检测装置得到宏动工作平台和微动工作平台叠加后的绝对位移信息；

3)当所述同轴复合直线运动平台装置向目标运动时，所述宏动工作平台和微动工作平台同方向运动，其中所述微动工作平台相对底座的绝对位移大于宏动工作平台的位移；当所述微动工作平台到达预定位置时，所述宏动工作平台仍在运动中，所述控制装置向所述微运动装置发出控制信号，驱动微动工作平台主动实时补偿宏动工作平台相对预期位置的位移波动，直至所述宏动工作平台完全稳定到达预期位置；

4)当利用所述同轴复合直线运动平台装置进行动态过程中精度补偿时，所述控制器将所要求的动态运动过程分解为多点的位置控制，重复上述步骤2)及步骤3)，实现所述同轴宏微复合直线运动平台装置的高动态精度。

本发明由于采用以上技术方案，具有以下有益效果：

1）本发明中的微运动装置采用了压电陶瓷驱动器或音圈电机和柔性铰链放大机构，保证了微动工作平台运动的连续性、无滞后、无摩擦、免润滑、高响应速度和机构紧凑的特点；

2）本发明的精度补偿方法实现了运动全过程的高静态精度及高动态精度；

3）本发明中的微动工作平台在工作过程中与宏动工作平台隔离，两平面不直接接触，消除了摩擦阻力的影响，同时多组柔性铰链的使用也使微动工作平台可以承载较高的工作负载；

4）本发明中的同轴宏微复合直线运动平台装置内引入了柔性铰链放大结构，扩大了陶瓷驱动器或音圈电机的量程，提高了高精度微动驱动器的选型范围；

5）本发明中的运动平台装置结构简单，成本较低，容易推广。

本发明同轴宏微复合直线运动平台装置的精度补偿方法能实现宏微复合直线运动的精度补偿。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

1.伺服驱动器；2.直线导轨；3.联轴器；4.底座；5.宏动工作平台；6.压电陶瓷驱动器或音圈电机；7.复位弹簧；8.柔性铰链；9.微动工作平台；10.框架；11.光栅尺读数头；12.滚珠丝杠；13.光栅尺

具体实施方式

实施例：

本发明的整体结构示意图如图1所示，本发明的同轴宏微复合直线运动平台装置，包括有宏运动装置、微运动装置、控制装置和位置检测装置，其中宏运动装置包括有伺服驱动器1、直线驱动模块、直线导轨2、底座4和宏动工作平台5，伺服驱动器1通过直线驱动模块与直线导轨2连接，直线导轨2装设在底座4上，宏动工作平台5安装在直线导轨2上，微运动装置包括有高精度微动驱动器及柔性铰链放大机构，柔性铰链放大机构包括有柔性铰链8、微动工作平台9、框架10，其中柔性铰链8安装在框架10上，微动工作平台9与柔性铰链8连接，高精度微动驱动器驱动柔性铰链8运动，微动工作平台9上安放工作负载，所述微运动装置通过框架10固定在宏动工作平台5上，用来检测宏动工作平台5及微动工作平台9相对于底座4的位移信息的位置检测装置包括宏动位移检测装置和微动位移检测装置，微动位移检测装置由固定在宏运动装置内底座4上的光栅尺13和固定在微动工作平台9上的光栅尺读数头11构成；宏动位移检测装置由连接在伺服驱动器1上的编码盘构成，控制装置与伺服驱动器1及高精度微动驱动器为电连接，控制装置向伺服驱动器1及高精度微动驱动器发出位移控制指令，实现微运动装置对宏运动装置的精度补偿。所述宏动位移检测装置，用以检测宏动工作平台5相对于底座的位移；所述微动位移检测装置，用以检测微动工作平台9和宏动工作平台5的叠加位移。本实施例中，所述伺服驱动器1为伺服电机。柔性铰链8与框架10之间还装设有复位弹簧7。

本实施例中，所述直线驱动模块为丝杠螺母传动机构，包括有丝杠12及装设在丝杠12上的螺母，丝杠12与伺服电机的输出轴连接，螺母与丝杠12组成螺旋传动副，直线导轨2与螺母连接。本实施例中，伺服电机通过联轴器3与丝杠12连接，本实施例中，丝杠12为滚珠丝杠，所述高精度微动驱动器为压电陶瓷驱动器或音圈电机6。伺服电机通过联轴器3带动滚珠丝杠转动，滚珠丝杠带动宏动工作平台5沿直线导轨3移动；所述微运动装置固定在宏动工作平台5上；所述压电陶瓷驱动器或音圈电机6驱动柔性铰链放大结构内的柔性铰链8，进而带动微动工作平台9产生位移。

本实施例中，所述柔性铰链放大机构由一整块材料加工而成。所述柔性铰链放大机构内的柔性铰链的支干部分的宽度比铰链部分的宽度宽，每个支干的两个端部为铰链部位；铰链部位的轮廓线为对称的曲线过渡。此外，所述柔性铰链放大机构内包含至少一个变形恢复部件。所述柔性铰链8及与柔性铰链8连接的微动工作平台9与宏运动装置无接触。

本发明同轴宏微复合直线运动平台装置的精度补偿方法，包含以下步骤：

1)宏运动装置及宏动位移检测装置组成闭环控制系统,微运动装置及微动位移检测装置组成闭环控制系统；

2)所述同轴复合直线运动平台装置运动时，所述宏动工作平台5带动微运动装置向预期位置；所述宏动位移检测装置得到宏动工作平台5的位移信息，所述微动位移检测装置得到宏动工作平台5和微动工作平台9叠加后的绝对位移信息；

3)当所述同轴复合直线运动平台装置向目标运动时，所述宏动工作平台5和微动工作平台9同方向运动，其中所述微动工作平台9相对底座4的绝对位移大于宏动工作平台5的位移；当所述微动工作平台9到达预定位置时，所述宏动工作平台5仍在运动中，所述控制装置向所述微运动装置发出控制信号，驱动微动工作平台9主动实时补偿宏动工作平台5相对预期位置的位移波动，直至所述宏动工作平台5完全稳定到达预期位置；

4)当利用所述同轴复合直线运动平台装置进行动态过程中精度补偿时，所述控制器将所要求的动态运动过程分解为多点的位置控制，重复上述步骤2)及步骤3)，实现所述同轴宏微复合直线运动平台装置的高动态精度。所述控制装置的输出控制信号频率高于所述宏运动装置运动过程中的波动频率。

本发明包括有宏运动控制系统和微运动控制系统构成：宏动控制系统是由宏运动装置和宏动位移检测装置组成的闭环控制系统，微动控制系统是由微运动装置和微动位移检测装置组成的闭环控制系统。点位运动控制时，所述控制器向宏运动装置和微运动装置发出目标位移指令。宏运动装置带动微运动装置向预期位置移动，其中微运动平台9相对于底座的位移大于宏动工作平台5相对底座4的位移。当微动工作平台9到达预期位置，所述控制装置向微运动装置发出控制信号，驱动微动工作平台9主动实时补偿宏动工作平台5相对预期位置的位移波动，直至所述宏动工作平台5完全稳定到达预期位置。动态运动控制时，所述控制装置将所要求的动态运动过程分解为上述的点位控制，重复执行上述点位控制步骤，实现所述同轴宏微复合直线运动平台装置的高静态精度及高动态精度。

Claims (10)

1.一种同轴宏微复合直线运动平台装置，其特征在于包括有宏运动装置、微运动装置、控制装置和位置检测装置，其中宏运动装置包括有伺服驱动器（1）、直线驱动模块、直线导轨（2）、底座（4）和宏动工作平台（5），伺服驱动器（1）通过直线驱动模块与直线导轨（2）连接，直线导轨（2）装设在底座（4）上，宏动工作平台（5）安装在直线导轨（2）上，微运动装置包括有高精度微动驱动器及柔性铰链放大机构，柔性铰链放大机构包括有柔性铰链（8）、微动工作平台（9）、框架（10），其中柔性铰链（8）安装在框架（10）上，微动工作平台（9）与柔性铰链（8）连接，高精度微动驱动器驱动柔性铰链（8）运动，微动工作平台（9）上安放工作负载，所述微运动装置通过框架（10）固定在宏动工作平台（5）上，用来检测宏动工作平台（5）及微动工作平台（9）相对于底座（4）的位移信息的位置检测装置包括宏动位移检测装置和微动位移检测装置，微动位移检测装置由固定在宏运动装置内底座（4）上的光栅尺（13）和固定在微动工作平台（9）上的光栅尺读数头（11）构成；宏动位移检测装置由连接在伺服驱动器（1）上的编码盘构成，控制装置与伺服驱动器（1）及高精度微动驱动器为电连接，控制装置向伺服驱动器（1）及高精度微动驱动器发出位移控制指令，实现微运动装置对宏运动装置的精度补偿。

2.根据权利要求1所述的同轴宏微复合直线运动平台装置，其特征在于：所述伺服驱动器（1）为伺服电机。

3.根据权利要求1所述的同轴宏微复合直线运动平台装置，其特征在于：所述直线驱动模块为丝杠螺母传动机构，包括有丝杠（12）及装设在丝杠（12）上的螺母，丝杠（12）与伺服电机的输出轴连接，螺母与丝杠（12）组成螺旋传动副，直线导轨（2）与螺母连接。

4.根据权利要求1所述的同轴宏微复合直线运动平台装置，其特征在于：所述高精度微动驱动器为压电陶瓷驱动器或音圈电机。

5.根据权利要求1至4任一项所述的同轴宏微复合直线运动平台装置，其特征在于：所述柔性铰链放大机构内的柔性铰链的支干部分的宽度比铰链部分的宽度宽，每个支干的两个端部为铰链部位；铰链部位的轮廓线为对称的曲线过渡。

6.根据权利要求5所述的同轴宏微复合直线运动平台装置，其特征在于：所述柔性铰链放大机构内包含至少一个变形恢复部件。

7.根据权利要求6所述的同轴宏微复合直线运动平台装置，其特征在于：所述柔性铰链（8）及与柔性铰链（8）连接的微动工作平台（9）与宏运动装置无接触。

8.根据权利要求7所述的同轴宏微复合直线运动平台装置，其特征在于：所述柔性铰链放大机构由一整块材料加工而成。

9.一种根据权利要求1所述的同轴宏微复合直线运动平台装置的精度补偿方法，其特征在于包含以下步骤：

1)宏运动装置及宏动位移检测装置组成闭环控制系统,微运动装置及微动位移检测装置组成闭环控制系统；

2)所述同轴复合直线运动平台装置运动时，所述宏动工作平台（5）带动微运动装置向预期位置移动；所述宏动位移检测装置得到宏动工作平台（5）的位移信息，所述微动位移检测装置得到宏动工作平台（5）和微动工作平台（9）叠加后的绝对位移信息；

3)当所述同轴复合直线运动平台装置向目标运动时，所述宏动工作平台（5）和微动工作平台（9）同方向运动，其中所述微动工作平台（9）相对底座（4）的绝对位移大于宏动工作平台（5）的位移；当所述微动工作平台（9）到达预定位置时，所述宏动工作平台（5）仍在运动中，所述控制装置向所述微运动装置发出控制信号，驱动微动工作平台（9）主动实时补偿宏动工作平台（5）相对预期位置的位移波动，直至所述宏动工作平台（5）完全稳定到达预期位置；

4)当利用所述同轴复合直线运动平台装置进行动态过程中精度补偿时，所述控制器将所要求的动态运动过程分解为多点的位置控制，重复上述2)、3)步骤，实现所述同轴宏微复合直线运动平台装置的高动态精度。

10.根据权利要求9所述的同轴宏微复合直线运动平台装置及其精度补偿方法，其特征在于：所述控制装置的输出控制信号频率高于所述宏运动装置运动过程中的波动频率。

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