CN106430088A - 一种大行程六自由度磁浮磁驱纳米定位平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大行程六自由度磁浮磁驱纳米定位平台，包括定位平台本体和定位平台控制器。定位平台本体包括动平台和静平台。动平台包括三个电磁驱动单元的动子部分，光栅尺读数头，气浮模块。静平台包括三个电磁驱动单元的定子部分，平面光栅尺，电容位移传感器，接近开关和防撞模块。动平台中的三个动子模块和静平台中的三个定子模块通过位置配合构成三个电磁驱动单元，三个电磁驱动单元在定位平台控制器的作用下完成定位平台纳米级定位。本发明所述大行程六自由度纳米定位平台在主运动方向行程大，其余方向运动幅度小，平台整体具有结构简单、直接驱动、无摩擦、无迟滞和无回空间隙等优点，在几十毫米运动行程内达到纳米级的定位分辨率。

Description

一种大行程六自由度磁浮磁驱纳米定位平台

技术领域

本发明涉及精密伺服驱动领域，尤其涉及一种大行程六自由度磁浮磁驱纳米定位平台

背景技术

随着机械产品小型化、纳米测量、纳米加工等技术的发展，高效率纳米机械加工机床、纳米激光直写光刻机以及基于AFM的大扫描范围计量装备对运动定位平台提出了更高的要求：在大运动行程内同时具有亚纳米级分辨率、纳米级定位精度以及高带宽。

专利公开号为CN102998899A和CN103883849A的发明专利采用柔性铰链和压电陶瓷相结合实现纳米定位，这种直接驱动型压电陶瓷致动器具有亚纳米级的定位分辨率，但在水平方向的加工和测量范围只有几十个微米，即使采用放大机构，行程只能达到几百微米。专利公开号为CN102629122A的发明专利，提出由直线伺服电机和微运动平台组成的宏/微结合双伺服运动平台不仅结构复杂、体积庞大，而且在大范围运动时，宏、微运动之间的切换限制了整个平台的带宽，降低了纳米加工以及扫描测量的效率。专利公开号为CN102723842A的发明专利，采用磁驱动方式，提供了一种适用于真空环境使用的高精度的磁悬浮工作台，其体积较为紧凑，但只能在Y向实现长行程运动，结构略微复杂。且用于产生悬浮力和推力的永磁体单独布置，效率较低。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种大行程六自由度磁浮磁驱纳米定位平台，在大运动行程内同时具有亚纳米级分辨率、纳米级定位精度以及高带宽。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何使现有的纳米定位平台的精度提高，结构简化，体积缩小，并且使得定位平台具有多尺度运动能力。

为实现上述目的，本发明提供了一种大行程六自由度磁浮磁驱纳米定位平台，包括定位平台机械本体和定位平台控制器，所述定位平台机械本体包括动平台和静平台，其中，所述动平台包括三个电磁驱动单元的动子部分，光栅尺读数头，气浮模块，所述静平台包括三个电磁驱动单元的定子部分，平面光栅尺，电容位移传感器，接近开关和防撞模块。

进一步地，所述动平台中的三个动子模块和静平台中的三个定子模块通过位置配合构成三个电磁驱动单元，所述三个电磁驱动单元在定位平台控制器的作用下完成定位平台纳米级定位。所述三个电磁驱动单元，每个驱动单元具有两套三相绕组，所述两套三相绕组分别产生水平方向和竖直方向两个自由度的运动，三个驱动单元共可产生六个自由度的运动。所述驱动单元的动子上贴有永磁体阵列，每两块相邻永磁体充磁方向相差90°，四块永磁体为一个周期。所述永磁体阵列用于同时产生悬浮力和水平力。所述驱动单元的定子上绕有两套独立的三相绕组。所述三相绕组由铜线绕制而成。所述两套三相绕组可以使所述动子的水平方向作用力和竖直方向作用力实现解耦。

进一步地，所述动平台中的光栅尺读数头和静平台中的平面光栅尺构成平面内位置检测系统，测量动平台相对于静平台在一个平面内的运动，包括两个平动自由度和一个旋转自由度。所述两个平动自由度具有几十毫米运动范围，所述一个旋转自由度具有几个到几十个微弧度的运动范围。

进一步地，所述气浮模块用于在运动初始阶段辅助电磁驱动单元寻位。所述气浮模块安装在所述动平台的三个不同位置，使得所述动平台在运动初始阶段可以实现所述一个平面内的运动，所述动平台在所述三个驱动单元的定子上的所述产生水平力的绕组的作用下完成位置初始化。

进一步地，所述三个电容位移传感器用于测量动平台上三个不同位置的悬浮高度，以此确定动平台相对静平台的另外三个运动自由度，包括两个旋转自由度和一个平动自由度。所述另外三个运动自由度分别具有几个到几十个微弧度和几十到几百微米的运动范围。

进一步地，所述接近开关布置在静平台四周，用来作为动平台在运动极限位置处的报警信号。所述接近开关在所述动平台正常运行时没有信号输出，当所述动平台超过运动极限位置使，所述接近开关发出信号，控制器做相应动作。

进一步地，所述防撞模块布置在静平台四周，对动平台起保护作用。

进一步地，所述定位平台控制器采用线性驱动电路进行控制，包括主控制器、A/D转换电路、D/A转换电路、线性放大模块、电流传感器和位置传感器；所述主控制器被配置为运行控制算法和定位平台驱动算法；所述A/D转换电路被配置为对所述电流传感器输出的电流信号进行采样，完成定位平台电流环控制；所述D/A转换电路被配置为将所述主控制器输出的数字电流信号转换为模拟电流信号；所述线性放大模块被配置为对所述模拟电流信号进行放大，驱动定子绕组；所述电流传感器被配置为采集定子电流信号；所述位置传感器被配置为采集定位平台动子的位置。

进一步地，所述定子的框架采用铝合金材料。

进一步地，所述磁阵列粘接于所述定子的框架上。

进一步地，四个磁体块形成的所述磁阵列被配置为形成一个电周期。

本发明专利所述的一种大行程六自由度磁浮磁驱纳米定位平台包括定位平台机械本体和定位平台控制器。本发明专利所述定位平台本体包括动平台和静平台。动平台包括三个电磁驱动单元的动子部分，光栅尺读数头，气浮模块。静平台包括三个电磁驱动单元的定子部分，平面光栅尺，电容位移传感器，接近开关和防撞模块。动平台中的三个动子模块和静平台中的三个定子模块通过位置配合构成三个电磁驱动单元，三个电磁驱动单元在定位平台控制器的作用下完成定位平台纳米级定位。动平台中的光栅尺读数头和静平台中的平面光栅尺构成平面内位置检测系统，测量动平台相对于静平台在一个平面内的运动，包括两个平动自由度和一个旋转自由度。动平台中的气浮模块用于在运动初始阶段辅助电磁驱动单元寻位。静平台中的三个电容位移传感器测量动平台上三个不同位置的悬浮高度，以此确定动平台相对静平台的另外三个运动自由度，包括两个旋转自由度和一个平动自由度。接近开关布置在静平台四周，用来作为动平台在运动极限位置处的报警信号，防撞模块布置在静平台四周，对动平台起保护作用。本发明所述六自由度纳米定位平台在主运动方向行程大，其余方向的微运动用于辅助对准与聚焦，平台整体具有结构简单、直接驱动、无摩擦、无迟滞和无回空间隙等优点，在几十毫米运动行程内达到纳米级的定位分辨率。

本发明专利所述的电磁驱动致动器由定子和动子组成，定子由三相绕组铜线绕制而成，每相绕组的电相位差120度，采用无铁心结构；动子由磁阵列组成，磁阵列的排列确保在面向绕组的一侧磁场强度强，背向绕组的一侧磁场强度弱。改变定子三相绕组通电电流的相位和大小，可以改变作用于相应动子力的大小。

本发明专利所述的定位平台控制器采用线性驱动电路进行控制，克服数字信号驱动带来的噪声，包括主控制器、A/D转换电路、D/A转换电路、线性放大模块、电流传感器和位置传感器采集等模块。主控制器完成控制算法、定位平台驱动算法；A/D转换电路对电流传感器输出的电流信号进行采样，完成定位平台电流环控制；D/A转换电路将控制器输出的数字电流信号转换为模拟电流信号；线性放大模块对电流信号进行放大，驱动定子绕组；电流传感器采集定子电流信号；位置传感器采集定位平台动子的位置。

本发明专利提出了一种大行程六自由度磁浮磁驱纳米定位平台，满足纳米加工和扫描测量装备对定位平台运动和纳米级定位精度的要求。本发明所提出的大行程六自由度磁浮磁驱动纳米定位平台具有六个自由度运动、结构简单、直接驱动、无摩擦、无迟滞和无回空间隙等优点，在几十到几百毫米运动行程内达到纳米级的定位分辨率。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的纳米定位平台总体示意图；

图2是本发明的一个较佳实施例的纳米定位平台机械本体示意图；

图3是本发明的一个较佳实施例的纳米定位平台动平台示意图；

图4是本发明的一个较佳实施例的纳米定位平台静平台示意图；

图5是本发明的一个较佳实施例的电磁驱动单元结构示意图；

图6是本发明的一个较佳实施例的纳米定位平台控制器结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施案例对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明专利提出一种大行程六自由度磁浮磁驱纳米定位平台，包括定位平台机械本体1000、定位平台控制器2000。定位平台控制器2000采集机械本体1000中的电流信号和位置信号，并控制机械本体1000在六自由度方向上实现六自由度纳米级精度的运动。

如图2所示，机械本体1000包括了动平台1100和静平台1200。

图3为纳米定位平台的动平台1100，包括三个电磁驱动单元的动子部分1111、1112、1113，三个气浮轴承1121、1122、1123，和光栅尺读数头1131。

图4为纳米定位平台的静平台1200，包括三个电磁驱动单元的定子部分1211、1212、1213，接近开关1221、1222、1223、1224，平面光栅尺1231，电容传感器1241、1242、1243和防撞开关1251、1252、1253、1254、1255、1256、1257、1258。

动平台1100中的三个动子模块1111、1112、1113和静平台1200中的三个定子模块1211、1212、1213通过位置配合构成三个电磁驱动单元，图5为其中一个驱动单元的结构示意图。三个电磁驱动单元在定位平台控制器的作用下完成定位平台纳米级定位。三个电磁驱动单元，每个驱动单元的定子部分缠绕两套独立的三相绕组，动子部分在两套三相绕组的作用下产生水平方向和竖直方向两个自由度的运动，三个驱动单元共可产生六个自由度的运动。驱动单元的动子上贴有永磁体阵列，每两块相邻永磁体充磁方向相差90°，四块永磁体为一个周期。此永磁体阵列用于同时产生悬浮力和水平力。驱动单元的定子上绕有两套独立的三相绕组。所述三相绕组由铜线绕制而成。所述两套独立的三相绕组可以实现施加在所述动子上的水平方向作用力和竖直方向作用力的解耦。

动平台1100中的光栅尺读数头1131和静平台1200中的平面光栅尺1231构成平面内位置检测系统，测量动平台相对于静平台在一个平面内的运动，包括两个平动自由度和一个旋转自由度。两个平动自由度具有几十毫米运动范围，一个旋转自由度具有几个到几十个微弧度的运动范围。

气浮模块1121、1122、1123呈三角形布置于动平台1100上，用于动平台运动初始阶段寻找零位。气浮模块安装在动平台的三个不同位置，使得动平台在运动初始阶段可以实现一个平面内的运动，动平台在三个驱动单元的作用下完成位置初始化。

三个电容位移传感器1241、1242、1243呈三角形布置于静平台1200上，用于测量动平台1100上三个不同位置的悬浮高度，以此确定动平台相对静平台的另外三个运动自由度，包括两个旋转自由度和一个平动自由度。这三个运动自由度分别具有几个到几十个微弧度和几十到几百微米的运动范围。

接近开关1221、1222、1223、1224布置在静平台1200四周，用来作为动平台在运动极限位置处的报警信号。接近开关在动平台正常运行时没有信号输出，当动平台超过运动极限位置使，接近开关发出信号，控制器做相应动作。

防撞模块1251、1252、1253、1254、1255、1256、1257、1258布置在静平台1200四周，对动平台起保护作用。

纳米定位平台的控制系统结构图如图6所示，包括主控制器2100、A/D转换2200、电流传感器2300、线性放大模块2400、D/A转换2500、平面光栅尺2600和电容传感器2700。输出信号1Vpp的高精度平面光栅尺经过细分达到纳米级的分辨率，用来传感器纳米定位平台动平台在平面内的三个自由度的运动位移。电容位移传感器模块将动平台的三个位置信号转化为电压信号。主控制器2100采用工业控制计算机，完成纳米定位平台电流环、速度环和位置环的控制。电流传感器2300转换纳米定位平台定子绕组的电流信号为电压信号。A/D转换模块2200采用18位分辨率的转换器件来提高电流的控制精度。D/A转换模块2500把主控制器2100计算的数字电流信号转换为模拟电流信号,采用18位分辨率的转换器件。线性放大模块2400把模拟电流信号进行功率放大后驱动纳米定位平台定子绕组，采用线性放大模块PA12器件进行放大。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种大行程六自由度磁浮磁驱动纳米定位平台，其特征在于，包括定位平台机械本体和定位平台控制器，所述定位平台机械本体包括动平台和静平台，其中，所述动平台包括三个电磁驱动单元的动子部分，光栅尺读数头，气浮模块，所述静平台包括三个电磁驱动单元的定子部分，平面光栅尺，三个电容位移传感器，接近开关和防撞模块。

2.如权利要求1所述的大行程六自由度磁浮磁驱动纳米定位平台，其特征在于，所述动平台中的三个动子模块和静平台中的三个定子模块通过位置配合构成三个电磁驱动单元，所述定位平台控制器被配置为控制所述三个电磁驱动单元进行纳米级定位。

3.如权利要求1所述的大行程六自由度磁浮磁驱动纳米定位平台，其特征在于，所述动平台中的光栅尺读数头和静平台中的平面光栅尺被配置为测量动平台相对于静平台在一个平面内的运动，包括两个平动自由度和一个旋转自由度；所述两个平动自由度具有几十毫米运动范围，所述一个旋转自由度具有几个到几十个微弧度的运动范围。

4.如权利要求1所述的大行程六自由度磁浮磁驱动纳米定位平台，其特征在于，所述气浮模块被配置为在所述动平台的运动初始阶段辅助所述三个电磁驱动单元寻找零位；所述气浮模块安装在所述动平台的三个不同位置，使得所述动平台在运动初始阶段在一个平面内的运动。

5.如权利要求1所述的大行程六自由度磁浮磁驱动纳米定位平台，其特征在于，所述三个电容位移传感器被配置为测量动平台上三个不同位置的悬浮高度。

6.如权利要求1所述的大行程六自由度磁浮磁驱动纳米定位平台，其特征在于，所述接近开关布置在所述静平台四周，所述接近开关被配置为在所述动平台正常运行时没有信号输出，当所述动平台超过运动极限位置时，所述接近开关发出警告信号，所述定位平台控制器做相应动作。

7.如权利要求1所述的大行程六自由度磁浮磁驱动纳米定位平台，其特征在于，所述防撞模块布置在所述静平台四周。

8.如权利要求1所述的大行程六自由度磁浮磁驱动纳米定位平台，其特征在于，所述定位平台控制器被配置为采用线性功率放大电路，包括主控制器、A/D转换电路、D/A转换电路、线性放大模块、电流传感器和位置传感器；所述主控制器被配置为运行控制算法和定位平台驱动算法；所述A/D转换电路被配置为对所述电流传感器输出的电流信号进行采样，完成定位平台电流环控制；所述D/A转换电路被配置为将所述主控制器输出的数字电流信号转换为模拟电流信号；所述线性放大模块被配置为对所述模拟电流信号进行放大，驱动定子绕组；所述电流传感器被配置为采集定子电流信号；所述位置传感器被配置为采集定位平台动子的位置。

9.如权利要求1所述的大行程六自由度磁浮磁驱动纳米定位平台，其特征在于，所述电磁驱动单元的动子部分贴有永磁体阵列，每两块相邻永磁体充磁方向相差90°，四块永磁体为一个周期，共有若干周期；所述永磁体阵列被配置为同时产生悬浮力和水平力。

10.如权利要求1所述的大行程六自由度磁浮磁驱动纳米定位平台，其特征在于，所述电磁驱动单元的定子部分绕有两套独立的三相绕组；所述两套独立的三相绕组可分别使得所述驱动单元的动子部分收到水平力和悬浮力；所述三相绕组由铜线绕制而成；所述两套独立的三相绕组被配置为把施加在所述动子上的水平方向作用力和竖直方向作用力解耦。