CN104993735B - 超磁致伸缩驱动的二自由度精密微定位系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种超磁致伸缩驱动的二自由度精密微定位系统和方法，涉及自动化设备技术领域。包括底座、柔性铰链平台、挡块、夹具、数据采集卡、导线、程控电流源、位移传感器、超磁致伸缩驱动器和传感器电源。能够实现二自由度同步控制，具有超高的位移分辨率特性，能够实现闭环控制达到精密定位。

Description

超磁致伸缩驱动的二自由度精密微定位系统和方法

技术领域

本发明涉及自动化设备技术领域，具体涉及一种超磁致伸缩驱动的二自由度精密微定位系统和方法。

背景技术

在大规模集成电路、航天技术、精密机械、精密加工等领域中迫切需要高精度的定位技术。在传统的高精度定位系统中，多采用压电陶瓷驱动器作为进给系统，但因压电陶瓷驱动器存在工作电压高、驱动力小、滞后大等缺点，使得定位系统的定位精度难以提高。

超磁致伸缩材料是一种新型的磁致伸缩功能材料，在低磁场驱动下能产生高达1500～2000ppm应变值高；直径约10mm的超磁致伸缩棒材可产生约2000N的推力大；能量转换效率高达约70％；响应频率最高可达2000Hz；且其磁致伸缩性能不随时间而变化，无疲劳，无过热失效问题。

超磁致伸缩驱动器是利用超磁致伸缩材料的磁致伸缩效应制作而成的一种磁-机转换器，可应用于精密阀门控制、精密流量控制、数控机床和精密机床的进给系统，具有纳米级位移精确度、响应速度快、输出力大、结构简单等优异特性。

超磁致伸缩驱动的定位平台是采用超磁致伸缩驱动器作为驱动系统的一种精密定位装置。与采用传统压电陶瓷驱动器的定位平台相比，采用超磁致伸缩驱动的定位平台具有响应速度快，控制精度高、承受负载大等优异性能。但超磁致伸缩驱动器具有饱和非线性、磁滞特性，使得其输出位移的回程误差最高可达20％左右，不能满足精密定位的要求。

目前，超磁致伸缩驱动的定位机构多是从结构上进行改进，例如申请号200610150582.7的专利提出一种超磁致伸缩材料驱动的微位移机构，是利用杠杆原理，在磁致伸缩棒与输出杆之间设置放大机构，实现微位移放大；还例如申请号201110446226.0的专利提出一种线性输出的磁致伸缩式直线驱动器，采用两个径向排绕层数不同、绕向相同的激励线圈，互相串联，使得磁致伸缩棒的前后两段形变不一致，叠加后的线性度比传统方式要好。

然而解决超磁致伸缩驱动的定位平台的磁滞非线性问题，仅从结构上进行改进，通过增设新机构或者新结构不能从根本上解决精度低下的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明公开一种超磁致伸缩驱动的二自由度精密微定位系统和方法，能够解决目前利用超磁致伸缩驱动器作为定位平台的驱动系统时，单纯采用改进结构的方式不能从根本上提高其定位精度的问题。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种超磁致伸缩驱动的二自由度精密微定位系统。包括底座、柔性铰链平台、挡块、夹具、数据采集卡、导线、程控电流源、位移传感器、超磁致伸缩驱动器和传感器电源；

所述的柔性铰链平台设有X向驱动器安装槽和Y向驱动器安装槽，所述的X向驱动器安装槽和Y向驱动器安装槽位于柔性铰链平台相邻的两侧边，所述的柔性铰链平台通过螺钉固定在底座上；

所述的数据采集卡通过导线与程控电流源相连，负责发出控制信号；

所述的数据采集卡通过导线与位移传感器相连，负责采集位移传感器所测出的位移信号；

所述的程控电流源经导线与超磁致伸缩驱动器相连，负责为超磁致伸缩驱动器提供驱动电流；

所述的传感器电源经导线与位移传感器相连，负责为位移传感器提供电源。

其中，所述的超磁致伸缩驱动器包括超磁致伸缩驱动器一和超磁致伸缩驱动器二；所述的超磁致伸缩驱动器一固定在柔性铰链平台的Y向驱动器安装槽内；所述的超磁致伸缩驱动器二固定在柔性铰链平台的X向驱动器安装槽内。

其中，所述的位移传感器包括位移传感器一和位移传感器二；所述的位移传感器一通过夹具一固定在柔性铰链平台上；所述的位移传感器二通过夹具二固定在柔性铰链平台上。

其中，所述的挡块包括挡块一和挡块二；所述的挡块一固定在柔性铰链平台上，与位移传感器一的触头相接触；所述的挡块二固定在柔性铰链平台上，与位移传感器二的触头相接触。

其中，还包括计算机；所述的计算机通过导线与数据采集卡连接，负责对采集到的数据进行处理，并发出控制信号到数据采集卡中。

其中，所述的导线包括数据线和电源线。

一种超磁致伸缩驱动的二自由度精密微定位方法，包括以下步骤：

S1：根据工作台理想的移动路径，计算出电流信号；

S2：根据电流信号产生磁场，控制输出力；

S3：检测X、Y两个方向上的位移量，并反馈；

S4：比较反馈的实际的移动位移与理想的移动位移，计算出修正电流信号；

S5：根据修正电流信号产生修正磁场，控制输出力。

本发明公开一种超磁致伸缩驱动的二自由度精密微定位系统和方法，采用两个超磁致伸缩驱动器作为精密微定位平台的驱动系统，在保证定位平台具有响应速度快、负载大、精密控制等优异特性的前提下，实现二自由度同步控制；

采用柔性铰链机构，对超磁致伸缩驱动器的输出位移进行放大，在保证具有无机械摩擦、无间隙特性、运动灵敏度高特性的同时还具有超高的位移分辨率特性；

采用位移传感器实时监测定位平台的位移量，并通过数据采集卡反馈到计算机当中，采用相关误差补偿算法消除与理想位移之间的误差，实现闭环控制，达到精密定位的要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明中柔性铰链平台的结构示意图；

图3为本发明中数据采集卡的结构示意图；

图4为本发明中程控电流源的结构示意图；

图5为本发明中传感器电源的结构示意图；

图6为本发明中超磁致伸缩驱动器一的结构示意图；

图7为本发明中超磁致伸缩驱动器二的结构示意图；

图8为本发明中位移传感器一的结构示意图；

图9为本发明中位移传感器二的结构示意图。

图中1、计算机，2、数据线，3、第一导线，4、传感器电源，5、第一电源线，6、第二电源线，7、第三电源线，8、第四电源线，9、夹具一，10、位移传感器一，11、挡块一，12、底座，13、柔性铰链平台，14、夹具二，15、位移传感器二，16、挡块二，17、超磁致伸缩驱动器一，18、超磁致伸缩驱动器二，19、第二导线，20、第三导线，21、第四导线，22、第五导线，23、第六导线，24、程控电流源，25、第七导线，26、第八导线，27、数据采集卡，131、X向驱动器安装槽，132、工作区域，133、柔性铰链机构，134、Y向驱动器安装槽，271、输入端口一，272、输入端口二，273、输出端口一，274、输出端口二，241、控制端口一，242、电流源正极一，243、电流源负极一，244、控制端口二，245、电流源正极二，246、电流源负极二，41、电源正极一，42、电源负极一，43、电源正极二，44、电源负极二，171、线圈正极一，172、线圈负极一，181、线圈正极二，182、线圈负极二，101、位移传感器信号线一，102、位移传感器电源正极一，103、位移传感器电源负极一，151、位移传感器信号线二，152、位移传感器电源正极二，153、位移传感器电源负极二。

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中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图9所示，本发明实施例所述的一种超磁致伸缩驱动的二自由度精密微定位系统。包括底座、柔性铰链平台、挡块、夹具、数据采集卡、导线、程控电流源、位移传感器、超磁致伸缩驱动器和传感器电源；

所述的柔性铰链平台设有X向驱动器安装槽和Y向驱动器安装槽，所述的X向驱动器安装槽和Y向驱动器安装槽位于柔性铰链平台相邻的两侧边，所述的柔性铰链平台通过螺钉固定在底座上；

所述的数据采集卡通过导线与程控电流源相连，负责发出控制信号；

所述的数据采集卡通过导线与位移传感器相连，负责采集位移传感器所测出的位移信号；

所述的程控电流源经导线与超磁致伸缩驱动器相连，负责为超磁致伸缩驱动器提供驱动电流；

所述的传感器电源经导线与位移传感器相连，负责为位移传感器提供电源。

其中，所述的超磁致伸缩驱动器包括超磁致伸缩驱动器一和超磁致伸缩驱动器二；所述的超磁致伸缩驱动器一固定在柔性铰链平台的Y向驱动器安装槽内；所述的超磁致伸缩驱动器二固定在柔性铰链平台的X向驱动器安装槽内。

其中，所述的位移传感器包括位移传感器一和位移传感器二；所述的位移传感器一通过夹具一固定在柔性铰链平台上；所述的位移传感器二通过夹具二固定在柔性铰链平台上。

其中，所述的挡块包括挡块一和挡块二；所述的挡块一固定在柔性铰链平台上，与位移传感器一的触头相接触；所述的挡块二固定在柔性铰链平台上，与位移传感器二的触头相接触。

其中，还包括计算机；所述的计算机通过导线与数据采集卡连接，负责对采集到的数据进行处理，并发出控制信号到数据采集卡中。

其中，所述的导线包括数据线和电源线。

一种超磁致伸缩驱动的二自由度精密微定位方法，包括以下步骤：

S1：根据工作台理想的移动路径，计算出电流信号；

S2：根据电流信号产生磁场，控制输出力；

S3：检测X、Y两个方向上的位移量，并反馈；

S4：比较反馈的实际的移动位移与理想的移动位移，计算出修正电流信号；

S5：根据修正电流信号产生修正磁场，控制输出力。

计算机1通过数据线2与数据采集卡27连接，负责对采集到的数据进行处理，并发出控制信号到数据采集卡27中；数据采集卡27的输出端口一273经第七导线25与程控电流源24的控制端口一241相连；数据采集卡27的输出端口二274经第八导线26与程控电流源24的控制端口二244相连，负责发出经计算机1处理后的控制信号；数据采集卡27的输入端口一271经第六导线23与位移传感器二15的位移传感器信号线二151相连，负责采集位移传感器二15所测出的位移信号；数据采集卡27的输入端口二272经第一导线3与位移传感器一10的位移传感器信号线一101相连；负责采集位移传感器一10所测出的位移信号；程控电流源24的电流源正极一242经第五导线22与超磁致伸缩驱动器一17的线圈正极一171相连；程控电流源24的电流源负极一243经第四导线21与超磁致伸缩驱动器一17的线圈负极一172相连，负责为超磁致伸缩驱动器一17提供驱动电流；程控电流源24的电流源正极二245经第三线20与超磁致伸缩驱动器二18的线圈正极二181相连；程控电流源24的电流源负极二246经第二导线19与超磁致伸缩驱动器二18的线圈负极二182相连，负责为超磁致伸缩驱动器二18提供驱动电流；传感器电源4的电源正极一41经第一电源线5与位移传感器二15的位移传感器电源正极二152相连；传感器电源4的电源负极一42经第二电源线6与位移传感器二15的位移传感器电源负极二153相连，负责为位移传感器二15提供电源；传感器电源4的电源正极二43经第三电源线7与位移传感器一10的位移传感器电源正极一102相连；传感器电源4的电源负极二44经第四电源线8与位移传感器一10的位移传感器电源负极一103相连，负责为位移传感器一10提供电源；超磁致伸缩驱动器一17固定在柔性铰链平台13的Y向驱动器安装槽131内，负责为柔性铰链平台13提供Y向驱动力；超磁致伸缩驱动器二18固定在柔性铰链平台13的X向驱动器安装槽134内，负责为柔性铰链平台13提供X向驱动力；

位移传感器一10通过夹具一9固定在柔性铰链平台13上，负责测量柔性铰链平台13Y方向上的形变量；位移传感器二15通过夹具二14固定在柔性铰链平台13上，负责测量柔性铰链平台13X方向上的形变量；挡块一11固定在柔性铰链平台13上，与位移传感器一10的触头相接触；挡块二16固定在柔性铰链平台13上，与位移传感器二15的触头相接触，起到调节位移传感器零位的作用；柔性铰链平台13通过螺钉固定在底座12上，且柔性铰链平台13将柔性铰链机构133和工作区域132形成一个整体，是工作台的工作区域，其中柔性铰链机构133具有放大位移作用，且与传统的导轨移动装置相比，具有无机械摩擦、无间隙、运动灵敏度高等特性。

工作时，在计算机1中设置工作台理想的移动路径，通过相关算法计算出需要输出的电流信号，并经数据采集卡27发送到程控电流源24的控制端口中；程控电流源24接到控制端口的信号输出相应的控制电流信号输出到超磁致伸缩驱动器一17和超磁致伸缩驱动器二18的驱动线圈中，产生磁场控制超磁致伸缩驱动器一17和超磁致伸缩驱动器二18输出力的变化；超磁致伸缩驱动器一17和超磁致伸缩驱动器二18的输出力加载到柔性铰链平台13的柔性铰链机构部分使之产生形变，进而使工作台区域产生位移；位移传感器一10和位移传感器二15分别检测柔性铰链平台13Y、X两个方向上的位移量，并通过数据采集卡27反馈到计算机1当中，并通过反馈调节的算法与理想的移动位移比较，使柔性铰链定位平台13的移动路径与理想移动路径之间的误差减小。

综上所述本发明公开一种超磁致伸缩驱动的二自由度精密微定位系统和方法，采用两个超磁致伸缩驱动器作为精密微定位平台的驱动系统，在保证定位平台具有响应速度快、负载大、精密控制等优异特性的前提下，实现二自由度同步控制；采用柔性铰链机构，对超磁致伸缩驱动器的输出位移进行放大，在保证具有无机械摩擦、无间隙特性、运动灵敏度高特性的同时还具有超高的位移分辨率特性；采用位移传感器实时监测定位平台的位移量，并通过数据采集卡反馈到计算机当中，采用相关误差补偿算法消除与理想位移之间的误差，实现闭环控制，达到精密定位的要求。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种超磁致伸缩驱动的二自由度精密微定位系统，其特征在于：包括底座、柔性铰链平台、挡块、夹具、数据采集卡、导线、程控电流源、位移传感器、超磁致伸缩驱动器和传感器电源；

所述的柔性铰链平台设有X向驱动器安装槽和Y向驱动器安装槽，所述的X向驱动器安装槽和Y向驱动器安装槽位于柔性铰链平台相邻的两侧边，所述的柔性铰链平台通过螺钉固定在底座上；

所述的数据采集卡通过导线与程控电流源相连，负责发出控制信号；

所述的数据采集卡通过导线与位移传感器相连，负责采集位移传感器所测出的位移信号；

所述的程控电流源经导线与超磁致伸缩驱动器相连，负责为超磁致伸缩驱动器提供驱动电流；

所述的传感器电源经导线与位移传感器相连，负责为位移传感器提供电源；

所述的位移传感器包括位移传感器一和位移传感器二；所述的位移传感器一通过夹具一固定在柔性铰链平台上；所述的位移传感器二通过夹具二固定在柔性铰链平台上；

所述的挡块包括挡块一和挡块二；所述的挡块一固定在柔性铰链平台上，与位移传感器一的触头相接触；所述的挡块二固定在柔性铰链平台上，与位移传感器二的触头相接触。

2.如权利要求1所述的超磁致伸缩驱动的二自由度精密微定位系统，其特征在于：所述的超磁致伸缩驱动器包括超磁致伸缩驱动器一和超磁致伸缩驱动器二；所述的超磁致伸缩驱动器一固定在柔性铰链平台的Y向驱动器安装槽内；所述的超磁致伸缩驱动器二固定在柔性铰链平台的X向驱动器安装槽内。

3.如权利要求1所述的超磁致伸缩驱动的二自由度精密微定位系统，其特征在于：还包括计算机；所述的计算机通过导线与数据采集卡连接，负责对采集到的数据进行处理，并发出控制信号到数据采集卡中。

4.如权利要求1所述的超磁致伸缩驱动的二自由度精密微定位系统，其特征在于：所述的导线包括数据线和电源线。

5.如权利要求1所述的超磁致伸缩驱动的二自由度精密微定位方法，其特征在于包括以下步骤：

S1：根据工作台理想的移动路径，计算出电流信号；

S2：根据电流信号产生磁场，控制输出力；

S3：检测X、Y两个方向上的位移量，并反馈；

S4：比较反馈的实际的移动位移与理想的移动位移，计算出修正电流信号；

S5：根据修正电流信号产生修正磁场，控制输出力。