CN107030656B - 一种基于光学反馈的平面气浮工作台及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光学反馈的平面气浮工作台，包括下面板、上面板、用于驱动上面板的电磁式驱动单元、用于悬浮上面板的气浮单元、用于定位的红外传感器组、以及用于引导和定位上面板运动的控制单元；本发明首先通过气浮轴承在上面板底部产生气体刚膜，使上面板悬浮在空中并能自由移动；然后根据设定的运动轨迹分时驱动横向线圈和纵向线圈工作，使上面板快速横向或纵向蠕动；最后位于5个方位上的红外收发器分别向上面板反射不同波长的红外线，并通过接收反射回来的红外图像数据确定上面板的实时位置，从而确定横向和纵向驱动器的驱动时间，提高平台的相应速度和定位精度。本发明结构简单、体积小、承载能力较强而且定位精度高、运行平稳可靠。

Description

一种基于光学反馈的平面气浮工作台及控制方法

技术领域

本发明涉及精密运动控制装置领域，尤其涉及一种基于光学反馈的平面气浮工作台及其控制方法。

背景技术

传统的运动平台采用层叠式导轨结构，定子与动子之间通过机械轴承连接，因此动子运动过程中存在机械摩擦。机械摩擦不仅增加了动子的摩擦阻力，使运动部件产生磨损，使机械部件震动和产生噪音，还限制了平台的运动精度。另外，运动精度受支撑面的影响，对支撑面的精度要求很高，这样也无形增加了平台的制作成本。同时，导轨驱动的刚度、稳定性、动力学特性等都影响着平台的工作精度和特性。因此，传统的运动平台需要进一步改进和完善。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于光学反馈的平面气浮工作台。

本发明的另一目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于上述工作台的控制方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种基于光学反馈的平面气浮工作台，该气浮工作台主要用于高速、高精密、高精度控制场合。所述平面气浮工作台主要包括下面板、上面板、用于驱动上面板的电磁式驱动单元、用于悬浮上面板的气浮单元、用于定位的红外传感器组、以及用于引导和定位上面板运动的控制单元。所述下面板固定安装，所述红外传感器组和气浮单元均安装在下面板上，所述驱动单元安装在上面板上。所述控制单元分别与驱动单元、气浮单元和红外传感器组连接，通过控制气浮单元，使上面板悬浮在空中，通过控制驱动单元使上面板在工作范围内运动，通过接收红外传感器组的反馈信息来定位上面板的相对位置，从而确保上面板沿着设定轨迹快速、高精度移动。优选的，由于气浮轴承具有无阻尼特性的优点，因此采用气浮轴承的工作台比传统采用磁悬浮的平面工作台体积更小、稳定性与可靠性均有明显提升。

具体的，所述驱动单元包括横向线圈、纵向线圈、横向永磁铁以及纵向永磁铁。所述横向线圈和纵向线圈均安装在上面板底部，并与控制单元连接，通过对横纵向线圈通电(正反方向电流)即可控制上面板在横向和纵向方向上的前进和后退。所述横向永磁铁和纵向永磁铁安装在下面板上，并使横向永磁铁和纵向永磁铁的磁场范围覆盖横向线圈和纵向线圈。

具体的，所述气浮单元设为气浮轴承，数量设为4个，且分别固定在下面板的四个角上，并与控制单元连接。工作时，气浮轴承通过在上面板底部产生气体刚膜，从而使上面板悬浮在空中，并能够自由移动。

具体的，所述红外传感器组包括红外收发器(用于发送和接收红外信号)，所述红外收发器的数量设为5个(红外收发器的数量应根据气浮工作台大小相应增减)，且分别固定在下面板的四个方向(前后左右)及中部上，与控制单元连接并实时反馈上面板的位置图像信息，其中，位于中部的红外收发器负责上面板运动方向的把控，其余四个位置的红外收发器负责上面板位置的定位和工作行程的限定。工作时，红外收发器向上面板发射红外线，红外线经过上面板反射后回到收发器中，红外收发器将接收到的红外图像数据反馈给图形处理器进行处理。

具体的，所述控制单元包括用于驱动横向线圈的横向驱动器、驱动纵向线圈的纵向驱动器、以及用于处理红外数据图像的图形处理器。所述横向驱动器与横向线圈连接，纵向驱动器与纵向线圈连接，所述横向驱动器与纵向驱动器相互独立、互不干扰，在联动工作时采用分时驱动控制，实现微秒级蠕动，显著提高了系统的稳定性和可靠性，使工作台长时间、高精度、平稳运行。所述图形处理器与红外收发器连接。

进一步的，所述红外传感器组还包括使红外线均匀散射出去的半球面镜，所述半球面镜盖在红外收发器上。工作时，红外收发器发射的红外线在半球面镜折射作用下，均匀发散到上面板上，经上面板的反射后，红外收发器重新接收发射的红外线，得到上面板的实时位置图像数据，利用这些图像数据可以获得上面板的实时位置信息，从而更好地控制上面板的移动方向和位移量，提高上面板的响应时间和运动精度。当上面板相对于下面板发生相对位移时，布置在不同位置的红外收发器便会收到对应的图像信号，图形处理器通过处理和比较这些信号便会得到上面板的最新位置信息，从而执行相应的控制命令。

作为本发明的优选方案，所述半球面镜的开口角度为30度至40度，壁厚为3毫米。其中，半球面镜的开口角度应根据红外收发器实际的信号反馈强弱进行调整。优选的，所述半球面镜的表面还覆有一层用于过滤其他波长的光线的透光性好的蓝宝石膜，使红外收发器只接收特定波长(大于750nm)的红外信号，从而有效减少其他色光对接收信号的干扰，增强信号强度。

作为本发明的优选方案，所述横向线圈和纵向线圈排列安装，且横向线圈与纵向线圈间隔布置。采用这样的布置方式能够使上面板的运动易于控制，同时，能够使上面板在分时驱动下实现连续运动，不会产生抖动现象。

作为本发明的优选方案，所述横向永磁铁和纵向永磁铁排列安装，且横向永磁铁与纵向永磁铁间隔布置。采用这样的布置方式能够使横向永磁铁和纵向永磁铁共同产生一个没有间隙的平面磁场，使磁场线垂直穿过横向线圈和纵向线圈，避免上面板运动到磁场间隙中产生抖动现象，从而提高系统的控制精度和定位精度。

本发明的另一目的通过下述技术方案实现：

一种基于光学反馈的平面气浮工作台的控制方法，包括如下具体步骤：

步骤S1:启动气浮轴承，气浮轴承在上面板底部产生气体刚膜使上面板悬浮在空中；

步骤S2:设定运动轨迹并启动横向驱动器，使横向线圈通电，从而驱动上面板横向移动一个单位的距离，横向移动的方向由横向线圈通电电流的方向决定；

步骤S3:启动纵向驱动器，使纵向线圈通电，从而驱动上面板纵向移动一个单位的距离，纵向移动方向由纵向线圈通电电流方向决定；

步骤S4:位于前后左右及中部方位的红外收发器发射红外线，经过上面板的反射后，红外收发器接收反射后的红外数据，并将接收到的图像数据反馈给图形处理器处理；

步骤S5:图形处理器对每一帧图像进行运算和比较，通过图像对比后获得上面板的位置信息，同时确定上面板是否超出工作范围，若某一方向超出工作范围，即切断横向、纵向线圈的供电，以免造成危险；

步骤S6:重复上述步骤直到上面板移动到指定位置。

作为本发明的优选方案，为了最大程度消除磁滞现象，避免产生磁干扰，本发明所述横向线圈单次通电时间为10微秒，所述纵向线圈单次通电时间为10微秒，由于线圈的响应时间为10微秒，因此当通电时间设置为10微秒时，横向线圈和纵向线圈之间的控制可以无缝切换，上面板可以实现连续运动，不会产生顿挫感。这种相互独立且分时驱动的控制方式可以使上面板快速蠕动到指定位置，同时避免磁滞现象的发生，可以大幅提高系统的可靠性和稳定性，确保较高的定位精度和重复定位精度。

作为本发明的优选方案，为了避免每个红外收发器之间的信号产生干扰，影响上面板的定位精度，本发明所述红外收发器采用近红外(波长大于750nm)作为传播介质，且每个红外收发器的红外波长均不同，其中采用波长为1080nm的近红外线时，成像质量最好，信号最稳定。这样设计的目的在于避免5个方位上的红外收发器之间互相干扰，影响成像质量，同时也能够避免外界环境光线的干扰，从而提高信号的稳定性和准确性。

本发明的工作过程和原理是：本发明首先通过气浮轴承在上面板底部产生气体刚膜，使上面板悬浮在空中并能自由移动；然后根据设定的运动轨迹分时驱动横向线圈和纵向线圈工作，使上面板快速横向或纵向蠕动；最后位于5个方位上的红外收发器分别向上面板反射不同波长的红外线，并通过接收反射回来的红外图像数据确定上面板的实时位置，从而确定横向和纵向驱动器的驱动时间，提高平台的相应速度和定位精度。本发明的结构简单、体积小、承载能力较强而且定位精度高、运行平稳可靠。

与现有技术相比，本发明还具有以下优点：

(1)本发明所提供的基于光学反馈的平面气浮工作台采用气浮轴承浮动取代传统的电磁式浮动方式，使上面板的悬浮更可靠、结构更简单、系统运行更平稳。

(2)本发明所提供的基于光学反馈的平面气浮工作台采用双线圈驱动方式，横纵线圈分时控制，保证较快的响应速度，同时独立分时驱动的方式能够有效避免磁滞现象，提高系统信息的可靠性。

(3)本发明所提供的基于光学反馈的平面气浮工作台采用五套互不相同波长的红外发生器与接收器作为位置反馈；同时利用半球面进行红外线扩散，使红外线均匀落在平面工作台上面板上，最后通过图形处理器的对比找到图像数据之间的位移差，从而精准确定上面板的位移，其定位精度可达1um。

(4)本发明所提供的基于光学反馈的平面气浮工作台具有安全保护功能，位于4个方位上的红外收发器一旦失去信号，系统便会立即切断横行和纵向线圈的电源，使上面板停止运动以确保安全。

(5)本发明所提供的基于光学反馈的平面气浮工作台还具有高定位精度，体积小等优点，可以满足一些高要求、无阻尼系统的传动，同时承载能力比电磁式的较强，是一个全闭环系统，较以往采用光栅尺反馈的系统，控制方便；同时控制起来只需控制双向线圈即可；红外线反馈安装简单，同时适用场合广，可以满意高精密仪器以及高精密测量仪器的需要。

附图说明

图1是本发明所提供的平面气浮工作台的结构示意图。

图2是本发明所提供的平面气浮工作台的主视图。

图3是本发明所提供的下面板的结构示意图。

图4是本发明所提供的下面板的主视图。

图5是本发明所提供的红外传感器组的结构示意图。

图6是本发明所提供的红外传感器组的俯视图。

图7是本发明所提供的红外传感器组的立体图。

图8是本发明所提供的上面板的结构示意图。

图9是本发明所提供的上面板的主视图。

上述附图中的标号说明：

1-上面板，2-横向线圈，3-红外传感器组，4-气浮轴承，5-横向永磁铁，6-纵向永磁铁，7-下面板，8-纵向线圈，31-半球面镜，32-红外收发器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

如图1和图2所示，本发明公开了一种基于光学反馈的平面气浮工作台，该气浮工作台主要用于高速、高精密、高精度控制场合。所述平面气浮工作台主要包括下面板7、上面板1、用于驱动上面板1的电磁式驱动单元、用于悬浮上面板1的气浮单元、用于定位的红外传感器组3、以及用于引导和定位上面板1运动的控制单元。所述下面板7固定安装，所述红外传感器组3和气浮单元均安装在下面板7上，所述驱动单元安装在上面板1上。所述控制单元分别与驱动单元、气浮单元和红外传感器组3连接，通过控制气浮单元，使上面板1悬浮在空中，通过控制驱动单元使上面板1在工作范围内运动，通过接收红外传感器组3的反馈信息来定位上面板1的相对位置，从而确保上面板1沿着设定轨迹快速、高精度移动。优选的，由于气浮轴承4具有无阻尼特性的优点，因此采用气浮轴承4的工作台比传统采用磁悬浮的平面工作台体积更小、稳定性与可靠性均有明显提升。

具体的，如图3、图4、图8和图9所示，所述驱动单元包括横向线圈2、纵向线圈8、横向永磁铁5以及纵向永磁铁6。所述横向线圈2和纵向线圈8均安装在上面板1底部，并与控制单元连接，通过对横纵向线圈8通电(正反方向电流)即可控制上面板1在横向和纵向方向上的前进和后退。所述横向永磁铁5和纵向永磁铁6安装在下面板7上，并使横向永磁铁5和纵向永磁铁6的磁场范围覆盖横向线圈2和纵向线圈8。

具体的，如图3和图4所示，所述气浮单元设为气浮轴承4，数量设为4个，且分别固定在下面板7的四个角上，并与控制单元连接。工作时，气浮轴承4通过在上面板1底部产生气体刚膜，从而使上面板1悬浮在空中，并能够自由移动。

具体的，如图3和图4所示，所述红外传感器组3包括红外收发器32(用于发送和接收红外信号)，所述红外收发器32的数量设为5个(红外收发器32的数量应根据气浮工作台大小相应增减)，且分别固定在下面板7的四个方向(前后左右)及中部上，与控制单元连接并实时反馈上面板1的位置图像信息，其中，位于中部的红外收发器32负责上面板1运动方向的把控，其余四个位置的红外收发器32负责上面板1位置的定位和工作行程的限定。工作时，红外收发器32向上面板1发射红外线，红外线经过上面板1反射后回到收发器中，红外收发器32将接收到的红外图像数据反馈给图形处理器进行处理。

具体的，所述控制单元包括用于驱动横向线圈2的横向驱动器、驱动纵向线圈8的纵向驱动器、以及用于处理红外数据图像的图形处理器。所述横向驱动器与横向线圈2连接，纵向驱动器与纵向线圈8连接，所述横向驱动器与纵向驱动器相互独立、互不干扰，在联动工作时采用分时驱动控制，实现微秒级蠕动，显著提高了系统的稳定性和可靠性，使工作台长时间、高精度、平稳运行。所述图形处理器与红外收发器32连接。

进一步的，如图5、图6和图7所示，所述红外传感器组3还包括使红外线均匀散射出去的半球面镜31，所述半球面镜31盖在红外收发器32上。工作时，红外收发器32发射的红外线在半球面镜31折射作用下，均匀发散到上面板1上，经上面板1的反射后，红外收发器32重新接收发射的红外线，得到上面板1的实时位置图像数据，利用这些图像数据可以获得上面板1的实时位置信息，从而更好地控制上面板1的移动方向和位移量，提高上面板1的响应时间和运动精度。当上面板1相对于下面板7发生相对位移时，布置在不同位置的红外收发器32便会收到对应的图像信号，图形处理器通过处理和比较这些信号便会得到上面板1的最新位置信息，从而执行相应的控制命令。

作为本发明的优选方案，如图5、图6和图7所示，所述半球面镜31的开口角度为30度至40度，壁厚为3毫米。其中，半球面镜31的开口角度应根据红外收发器32实际的信号反馈强弱进行调整。优选的，所述半球面镜31的表面还覆有一层用于过滤其他波长的光线的透光性好的蓝宝石膜，使红外收发器32只接收特定波长(大于750nm)的红外信号，从而有效减少其他色光对接收信号的干扰，增强信号强度。

作为本发明的优选方案，所述横向线圈2和纵向线圈8排列安装，且横向线圈2与纵向线圈8间隔布置。采用这样的布置方式能够使上面板1的运动易于控制，同时，能够使上面板1在分时驱动下实现连续运动，不会产生抖动现象。

作为本发明的优选方案，所述横向永磁铁5和纵向永磁铁6排列安装，且横向永磁铁5与纵向永磁铁6间隔布置。采用这样的布置方式能够使横向永磁铁5和纵向永磁铁6共同产生一个没有间隙的平面磁场，使磁场线垂直穿过横向线圈2和纵向线圈8，避免上面板1运动到磁场间隙中产生抖动现象，从而提高系统的控制精度和定位精度。

一种基于光学反馈的平面气浮工作台的控制方法，包括如下具体步骤：

步骤S1:启动气浮轴承4，气浮轴承4在上面板1底部产生气体刚膜使上面板1悬浮在空中；

步骤S2:设定运动轨迹并启动横向驱动器，使横向线圈2通电，从而驱动上面板1横向移动一个单位的距离，横向移动的方向由横向线圈2通电电流的方向决定；

步骤S3:启动纵向驱动器，使纵向线圈8通电，从而驱动上面板1纵向移动一个单位的距离，纵向移动方向由纵向线圈8通电电流方向决定；

步骤S4:位于前后左右及中部方位的红外收发器32发射红外线，经过上面板1的反射后，红外收发器32接收反射后的红外数据，并将接收到的图像数据反馈给图形处理器处理；

步骤S5:图形处理器对每一帧图像进行运算和比较，通过图像对比后获得上面板1的位置信息，同时确定上面板1是否超出工作范围，若某一方向超出工作范围，即切断横向、纵向线圈8的供电，以免造成危险；

步骤S6:重复上述步骤直到上面板1移动到指定位置。

作为本发明的优选方案，为了最大程度消除磁滞现象，避免产生磁干扰，本发明所述横向线圈2单次通电时间为10微秒，所述纵向线圈8单次通电时间为10微秒，由于线圈的响应时间为10微秒，因此当通电时间设置为10微秒时，横向线圈2和纵向线圈8之间的控制可以无缝切换，上面板1可以实现连续运动，不会产生顿挫感。这种相互独立且分时驱动的控制方式可以使上面板1快速蠕动到指定位置，同时避免磁滞现象的发生，可以大幅提高系统的可靠性和稳定性，确保较高的定位精度和重复定位精度。

作为本发明的优选方案，为了避免每个红外收发器32之间的信号产生干扰，影响上面板1的定位精度，本发明所述红外收发器32采用近红外(波长大于750nm)作为传播介质，且每个红外收发器32的红外波长均不同，其中采用波长为1080nm的近红外线时，成像质量最好，信号最稳定。这样设计的目的在于避免5个方位上的红外收发器32之间互相干扰，影响成像质量，同时也能够避免外界环境光线的干扰，从而提高信号的稳定性和准确性。

本发明的工作过程和原理是：本发明首先通过气浮轴承4在上面板1底部产生气体刚膜，使上面板1悬浮在空中并能自由移动；然后根据设定的运动轨迹分时驱动横向线圈2和纵向线圈8工作，使上面板1快速横向或纵向蠕动；最后位于5个方位上的红外收发器32分别向上面板1反射不同波长的红外线，并通过接收反射回来的红外图像数据确定上面板1的实时位置，从而确定横向和纵向驱动器的驱动时间，提高平台的相应速度和定位精度。本发明的结构简单、体积小、承载能力较强而且定位精度高、运行平稳可靠。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于光学反馈的平面气浮工作台，其特征在于，包括下面板、上面板、用于驱动上面板的电磁式驱动单元、用于悬浮上面板的气浮单元、用于定位的红外传感器组、以及用于引导和定位上面板运动的控制单元；所述红外传感器组和气浮单元均安装在下面板上，所述驱动单元安装在上面板上，所述上面板通过气浮单元悬浮在空中，通过驱动单元在工作范围内运动；

所述驱动单元包括横向线圈、纵向线圈、横向永磁铁以及纵向永磁铁；所述横向线圈和纵向线圈均安装在上面板底部，并与控制单元连接；所述横向永磁铁和纵向永磁铁安装在下面板上，并使横向永磁铁和纵向永磁铁的磁场范围覆盖横向线圈和纵向线圈；若干所述横向永磁铁并排同向间隔安装后构成横向永磁铁组；若干所述纵向永磁铁并排同向间隔安装后构成纵向永磁铁组；相邻所述横向永磁铁组之间设有所述纵向永磁铁组，且横向永磁铁组与纵向永磁铁组之间间隔安装；

所述气浮单元设为气浮轴承，分别固定在下面板的四个角上，并与控制单元连接，气浮轴承通过产生气体刚膜使上面板悬浮起来；

所述红外传感器组包括红外收发器，分别固定在下面板的四个方向及中部上，与控制单元连接并实时反馈上面板的位置信息；

所述控制单元包括用于驱动横向线圈的横向驱动器、驱动纵向线圈的纵向驱动器、以及用于处理红外数据图像的图形处理器；所述横向驱动器与横向线圈连接，纵向驱动器与纵向线圈连接，所述图形处理器与红外收发器连接。

2.根据权利要求1所述的基于光学反馈的平面气浮工作台，其特征在于，所述红外传感器组还包括使红外线均匀发射出去的半球面镜，所述半球面镜盖在红外收发器上。

3.根据权利要求2所述的基于光学反馈的平面气浮工作台，其特征在于，所述半球面镜的开口角度为30度至40度，壁厚为3毫米。

4.根据权利要求3所述的基于光学反馈的平面气浮工作台，其特征在于，所述半球面镜的表面覆盖一层用于过滤其他色光的蓝宝石膜。

5.根据权利要求1所述的基于光学反馈的平面气浮工作台，其特征在于，所述横向线圈和纵向线圈排列安装，且横向线圈与纵向线圈间隔布置。

6.根据权利要求1所述的基于光学反馈的平面气浮工作台，其特征在于，所述横向永磁铁和纵向永磁铁排列安装，且横向永磁铁与纵向永磁铁间隔布置。