CN108173408B - 一种三自由度定位平台 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种三自由度定位平台，包括动平台和静平台。动平台包括安装座、动子部分以及旋转轴。静平台包括平台底座，设置在平台底座上的定子部分，平行设置在平台底座上的X方向直线导轨、设置在X方向直线导轨上的X方向导轨滑块、X方向转接板，以及平行设置在X方向转接板上的Y方向直线导轨、设置在Y方向直线导轨上的Y方向导轨滑块、旋转转接板，以及设置在旋转转接板上的轴承支架、设置在轴承支架上的轴承。轴承套设在旋转轴上，动子部分与定子部分对应设置并构成电磁驱动模块。本发明采用回字形结构定位平台，定子线圈采用集中绕组，简化了定位平台的结构，提高了功率密度，可实现长行程的精密定位，可用于IC制造业的精密定位。

Description

一种三自由度定位平台
技术领域
本发明属于精密驱动技术领域，具体涉及一种三自由度定位平台。
背景技术
当前IC制造等领域发展日益昌盛，加速了现代工业对高速、高精密定位平台的需求。
目前三自由度定位平台广泛运用于制造和测试领域。定位平台的三个自由度的运动主要通过“旋转电机+丝杆”结构驱动叠加堆积起来的三个自由度的机械结构来实现。
但是，由于丝杆的蠕变和旋转的驱动方式的限制，使得现有的三自由度运动平台响应慢，精度差，有效载荷小，体积大，极大制约了制造业以及其他行业的发展。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种新型电磁驱动的三自由度定位平台，可以实现XY平面内沿X轴的位移、Y轴的位移以及平面内旋转运动，其定位精度高、体积小、机构简单、稳定性高。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种三自由度定位平台，包括动平台和静平台，所述动平台包括安装座、设置在所述安装座上的动子部分以及旋转轴；
所述静平台包括：
平台底座；
设置在所述平台底座上的定子部分；
平行设置在平台底座上的X方向直线导轨，设置在所述X方向直线导轨上的X方向导轨滑块、X方向转接板；
以及平行设置在所述X方向转接板上的Y方向直线导轨，设置在所述Y方向直线导轨上的Y方向导轨滑块、旋转转接板；
以及设置在所述旋转转接板上的轴承支架、设置在所述轴承支架上的轴承；
其中，所述轴承套设在所述旋转轴上，所述动子部分与所述定子部分对应设置并构成电磁驱动模块。
此外，本发明还提出如下附属技术方案。
优选的，所述X方向直线导轨至少包括两条，两块X方向导轨滑块分别滑动连接在所述两条X方向直线导轨上，两块X方向转接板分别设置在所述两块X方向导轨滑块上，加强条通过螺栓连接在平行设置的两块X方向转接板上。
优选的，所述Y方向直线导轨至少包括两条，所述Y方向直线导轨与所述X方向直线导轨垂直设置，两块Y方向导轨滑块分别滑动连接在所述两条Y方向直线导轨上，旋转转接板的两端分别设置在所述两块Y方向导轨滑块上。
优选的，所述定子部分包括四组呈回字形设置的定子铁芯，所述动子部分包括与所述定子对应设置的S级磁钢和N级磁钢。
优选的，所述定子铁芯上均嵌入有线圈绕组，并均采用集中绕组结构。
优选的，所述安装座的中心部位设置有凹槽，磁钢定位块固定安装在所述凹槽内。
优选的，所述S级磁钢、N级磁钢固定在所述安装座的凹槽处，所述S级磁钢和N级磁钢交错排列。
优选的，所述电磁驱动模块包括X方向电磁驱动模块，以及Y方向电磁驱动模块。
优选的，所述三自由度定位平台还包括定位平台控制系统。
优选的，所述定位平台控制系统包括PC机、CAN总线通讯模块、X方向DSP控制器、Y方向DSP控制器、X方向激光位移传感器、Y方向激光位移传感器。
优选的，所述PC机给出控制指令，通过CAN总线通讯模块，发送给X方向DSP控制器，实现X方向电磁驱动模块沿X方向运动；发送给Y方向DSP控制器，实现对Y方向电磁驱动模块沿Y方向运动；当控制指令按规律同时发给X方向DSP控制器和Y方向DSP控制器时，驱动四个呈回字型电磁驱动模块协同运动，从而可实现定位平台的旋转运动。
相比于现有技术，本发明的优点在于：本发明的三自由度定位平台依托直线电磁驱动原理和滑块、滑轨，定位平台的静平台的线圈绕组通电产生的电磁场与动平台上的S级磁钢、N级磁钢的永磁体磁场相互作用产生驱动力，从而驱动动平台在XY平面内进行三个自由度的运动，是一种新的运动解耦装置，突破了现有的三自由度定位平台简单的运动直线运动模组和旋转电机堆积的局限性。
本发明采用回字形结构定位平台，定子线圈采用集中绕组，大大简化了定位平台的结构，提高了功率密度，可实现长行程的精密定位。
本发明三自由度定位平台，柔性好、制作简单，可用于IC制造业的精密定位。直线电磁驱动原理和直线滑轨滑块的应用极大的简化了本发明三自由度定位平台的机械结构。
附图说明
图1是本发明三自由度定位平台的立体示意图。
图2是本发明三自由度定位平台的静平台结构示意图。
图3是本发明三自由度定位平台的动平台结构示意图。
图4是本发明三自由度定位平台的控制系统示意图。
其中，
100.动平台 200.静平台
1.平台底座 2.定子铁芯
3.线圈绕组 4.定子铁芯
5.轴承支架 6.轴承
7.X方向直线导轨 8.X方向导轨滑块
9.X方向转接板 10.定子铁芯
11.定子铁芯 12.Y方向直线导轨
13.旋转转接板 14.Y方向导轨滑块
15.加强条 16.安装座
17.S级磁钢 18.N级磁钢
19.磁钢定位块 20.旋转轴
21.螺栓 22.PC机
23.CAN总线通讯模块 24.X方向DSP控制器
25.Y方向DSP控制器 26.X方向电磁驱动模块
27.X方向电磁驱动模块 28.Y方向电磁驱动模块
29.Y方向电磁驱动模块 30.X方向激光位移传感器
31.Y方向激光位移传感器 32.Y方向激光位移传感器
具体实施方式
以下结合较佳实施例及其附图对本发明技术方案作进一步非限制性的详细说明。
参见图1至图4所示，本发明三自由度定位平台包括动平台100、静平台200以及定位平台控制系统。
进一步参见图1、图2所示，静平台200包括大致为长方形、四角做导角处理的平台底座1。当然，平台底座1也可以为其他形状，只要能实现其在本发明中的功能的形状均在本发明的保护范围之内。
静平台200还包括设置在所述平台底座1上的定子部分。定子部分包括四组定子铁芯2、4、10、11。四组定子铁芯2、4、10、11各自通过螺栓固定到平台底座1上。安装时，需要确保四组铁芯呈回字形排列安装。四组定子铁芯2、4、10、11上均各自嵌入有线圈绕组3，并采用集中绕组形式，可以增大电磁驱动模块的功率密度。
静平台200还包括X方向直线导轨7、X方向导轨滑块8、X方向转接板9。X方向直线导轨7至少包括两条，分别通过螺栓固定在平台底座1上。为保证定位平台在X方向运动的顺畅，装配时需要确保两条X方向直线导轨7之间平行设置。两块X方向导轨滑块8分别滑动连接在上述两条X方向直线导轨7上。
两块X方向转接板9分别通过螺栓固定到上述两块X方向导轨滑块8上。加强条15通过螺栓连接在上述两块X方向转接板9上。装配时，需确保两块X方向转接板9之间平行设置，从而进一步确保X运动方向和Y运动方向垂直设置。
静平台200还包括Y方向直线导轨12、Y方向导轨滑块14。两条Y方向直线导轨12分别通过螺栓固定在两条X方向转接板9和加强条15上，为了实现Y方向的平稳运动，装配时，需确保两组Y方向直线导轨12平行设置，且Y方向直线导轨12与X方向直线导轨7垂直设置。
静平台200还包括旋转转接板13、设置在旋转转接板13上的轴承支架5、设置在所述轴承支架5上的轴承6。装配时，将轴承6安装到轴承支架5上，并采用过度配合的安装方式。之后，将轴承支架5通过螺栓与旋转转接板13连接。上述装配完成后，将旋转转接板13的两端分别通过螺栓固定到Y方向导轨滑块14上，并需要确保两块Y方向导轨滑块14平行设置。
参见图3所示，动平台100包括安装座16、设置在安装座16上的动子部分以及旋转轴20。
动平台100的动子部分与静平台200的定子部分对应设置并构成四组电磁驱动模块。参见图4所示，上述四组电磁驱动模块分别为X方向电磁驱动模块26、27，以及Y方向电磁驱动模块28、29。
动平台100的动子部分包括与定子铁芯2、4、10、11以及绕组线圈3对应设置的S级磁钢17和N级磁钢18。
安装座16的中心设置有凹槽。装配时，将磁钢定位块19通过结构胶粘合固定在安装座16中心的凹槽内，并确保结构胶粘合牢固。当然，磁钢定位块19也可以通过其他固定方式安装在安装座16中心的凹槽内。
之后，将S级磁钢17、N级磁钢18通过结构胶粘合固定在安装座16的凹槽处，并确保S级磁钢17和N级磁钢18呈交错排列设置，以此来确保电磁驱动模块的正常工作。当然，S级磁钢17、N级磁钢18也可以通过其他固定方式安装在安装座16的凹槽处。
上述装配完成后，将旋转轴20通过螺栓21固定在磁钢定位块19的中心部位。上述装配完成后，将图3中所示的定位平台的动平台100通过旋转轴20套入图2所示的静平台200的轴承6中，在底部通过螺栓锁紧，保证连接可靠，并保证动平台100平稳旋转。
参见图4所示，本发明三自由度定位平台还包括定位平台控制系统。定位平台控制系统包括PC机22，CAN总线通讯模块23，X方向DSP控制器24，X方向电磁驱动模块26、27，Y方向DSP控制器25，Y方向电磁驱动模块28、29，X方向激光位移传感器30，以及Y方向激光位移传感器31、32。PC机22是本发明的上位机。
本发明三自由度定位平台的工作原理如下。
PC机22给出控制指令，通过CAN总线通讯模块23，发送给X方向DSP控制器24，静平台200的定子铁芯2、10上的线圈绕组，通电后产生的电磁场与按一定槽级配合的S级和N级磁钢产生的正弦交变磁场相互作用，产生驱动力，实现X方向电磁驱动模块26、27沿X方向运动，此时，动平台100沿X方向直线导轨7在X方向运动运动。
PC机22给出控制指令，通过CAN总线通讯模块23，发送给Y方向DSP控制器25，静平台200的定子铁芯4、11上的线圈绕组，通电后产生的电磁场与按一定槽级配合的S级和N级磁钢产生的正弦交变磁场相互作用，产生驱动力，实现对Y方向电磁驱动模块28、29沿Y方向运动，此时，动平台100沿Y方向直线导轨12在Y方向运动。
当PC机22给出控制指令，通过CAN总线通讯模块23，按规律同时发给X方向DSP控制器24和Y方向DSP控制器25时，驱动呈回字形设置的X方向电磁驱动模块26、27以及Y方向电磁驱动模块28、29，这四个电磁驱动模块协同运动，从而可实现定位平台的动平台100的旋转运动。
Y方向DSP控制器25采集Y方向激光位移传感器31和Y方向激光位移传感器32输出的位置信号，X方向DSP控制器24采集X方向激光位移传感器30输出的位置信号，通过CAN总线通讯模块23反馈给PC机22，实现对定位平台的闭环控制。
本发明的三自由度定位平台依托直线电磁驱动原理和滑块滑轨，定位平台的静平台200的线圈绕组通电产生的电磁场与动平台100上的S级磁钢、N级磁钢的永磁体磁场相互作用产生驱动力，从而驱动定位平台的动平台100在XY平面内进行三个自由度的运动，是一种新的运动解耦装置，突破了现有的三自由度定位平台简单的运动直线运动模组和旋转电机堆积的局限性。
本发明采用回字形结构定位平台，定子线圈采用集中绕组，大大简化了定位平台的结构，提高了功率密度，可实现长行程的精密定位。
本发明三自由度定位平台，柔性好、制作简单，可用于IC制造业的精密定位。直线电磁驱动原理和直线滑轨滑块的应用极大的简化了本发明三自由度定位平台的机械结构。
需要指出的是，上述较佳实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种三自由度定位平台，包括动平台(100)和静平台(200)，其特征在于：
所述动平台(100)包括安装座(16)、设置在所述安装座(16)上的动子部分以及旋转轴(20)；
所述静平台(200)包括:
平台底座(1)；
设置在所述平台底座(1)上的定子部分；
平行设置在所述平台底座(1)上的X方向直线导轨(7)，设置在所述X方向直线导轨(7)上的X方向导轨滑块(8)、X方向转接板(9)；以及
平行设置在所述X方向转接板(9)上的Y方向直线导轨(12)，设置在所述Y方向直线导轨(12)上的Y方向导轨滑块(14)、旋转转接板(13)；
所述X方向直线导轨(7)至少包括两条，两块X方向导轨滑块(8)分别滑动连接在至少两条所述X方向直线导轨(7)上，两块X方向转接板(9)分别设置在所述两块X方向导轨滑块(8)上，加强条(15)通过螺栓连接在平行设置的两块X方向转接板(9)上；
所述Y方向直线导轨(12)至少包括两条，所述Y方向直线导轨(12)与所述X方向直线导轨(7)垂直设置，两块Y方向导轨滑块(14)分别滑动连接在至少两条所述Y方向直线导轨(12)上，所述旋转转接板(13)的两端分别设置在所述两块Y方向导轨滑块(14)上；
以及设置在所述旋转转接板(13)上的轴承支架(5)、设置在所述轴承支架(5)上的轴承(6)；
其中，所述轴承(6)套设在所述旋转轴(20)上，所述动子部分与所述定子部分对应设置并构成电磁驱动模块。
2.根据权利要求1所述的三自由度定位平台，其特征在于：所述定子部分包括呈回字形设置的四组定子铁芯(2；4；10；11)，所述动子部分包括与所述定子铁芯(2；4；10；11)对应设置的S级磁钢和N级磁钢。
3.根据权利要求2所述的三自由度定位平台，其特征在于：所述定子铁芯(2；4；10；11)上均嵌入有线圈绕组(3)，并均采用集中绕组结构。
4.根据权利要求2所述的三自由度定位平台，其特征在于：所述安装座(16)的中心部位设置有凹槽，磁钢定位块(19)固定安装在所述凹槽内；所述S级磁钢、N级磁钢固定在所述安装座(16)的凹槽处，所述S级磁钢和N级磁钢交错排列。
5.根据权利要求1所述的三自由度定位平台，其特征在于：所述电磁驱动模块包括X方向电磁驱动模块(26；27)，以及Y方向电磁驱动模块(28；29)。
6.根据权利要求5所述的三自由度定位平台，其特征在于：所述三自由度定位平台还包括定位平台控制系统。
7.根据权利要求6所述的三自由度定位平台，其特征在于：所述定位平台控制系统包括PC机(22)、CAN总线通讯模块(23)、X方向DSP控制器(24)、Y方向DSP控制器(25)、X方向激光位移传感器(30)、Y方向激光位移传感器(31；32)，所述PC机(22)给出控制指令，通过CAN总线通讯模块(23)，发送给X方向DSP控制器(24)，实现X方向电磁驱动模块(26；27)沿X方向运动；发送给Y方向DSP控制器(25)，实现对Y方向电磁驱动模块(28；29)沿Y方向运动；当控制指令按规律同时发给X方向DSP控制器(24)和Y方向DSP控制器(25)时，驱动呈回字型的四个电磁驱动模块协同运动，从而可实现定位平台的旋转运动。
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