CN108453676B - 一种二维精密运动平台及其运动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种二维精密运动平台，包括：平台基座、宏运动平台和微运动平台；宏运动平台包括宏运动平台传动结构，宏运动平台传动结构包括：宏运动X轴传动结构和宏运动Y轴传动结构；宏运动X轴传动结构和宏运动Y轴传动结构在平台基座顶面的投影构成坐标系的一个象限，微运动平台在平台基座顶面的投影位于象限的区域内。本发明通过设置空间错位的宏运动平台和微运动平台，宏运动平台和微运动平台互相分离且独立控制，使得运动平台可以在较大空间区域内运动的同时满足高精度的要求，解决了现有运动平台因宏微运动结构的相互干扰导致运动精度下降的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及精密运动平台技术领域，尤其涉及一种二维精密运动平台及其运动方法。
背景技术
随着科技的发展和微电子产品的普及，人们对微电子产品的要求也越来越高，使得生产商对微电子产品的加工难度日益剧增，微电子产品的精密加工，取决于运动平台的高精度运动和高加速度运动的二者搭配。高精度运动和高加速度运动可以可采用宏微运动结合的方式实现，宏运动实现大行程与高加速度，同时宏运动能达到微米级的精度，微运动在宏运动微米级运动基础上对宏运动的运动误差进行更高精度的补偿，实现纳米级精度，最终整个平台可以实现纳米级高精度运动。
现有宏微运动结合的运动平台，涉及电、磁、机构、功能材料等多物理场耦合建模，运动性能受到多场多因素约束与影响，是多学科融合的科学难题；宏微复合运动工况下基于功能材料的微纳米精度生成的机理，尤其是材料特性、结构尺寸与组成成分对非线性迟滞、蠕变与漂移效应的物理本质与影响规律，相关理论的欠缺一直限制着运动平台的运动精确性。
发明内容
本发明提供了一种二维精密运动平台及其运动方法，解决了现有运动平台因宏微运动结构的相互干扰导致运动精度下降的技术问题。
本发明提供了一种二维精密运动平台，包括：平台基座、宏运动平台和微运动平台；
所述宏运动平台包括宏运动平台传动结构，所述宏运动平台传动结构包括：宏运动X轴传动结构和宏运动Y轴传动结构；
所述宏运动X轴传动结构和所述宏运动Y轴传动结构在所述平台基座顶面的投影构成坐标系的一个象限，所述微运动平台在所述平台基座顶面的投影位于所述象限的区域内。
作为优选，所述宏运动Y轴传动结构包括Y轴电机，所述宏运动X轴传动结构包括X轴电机；
所述Y轴电机定子安装于所述平台基座顶面上，所述X轴电机定子和所述Y轴电机动子固定连接；
所述微运动平台安装于所述平台基座顶面上。
作为优选，所述平台基座顶面和所述Y轴电机定子之间设有第一凸起。
作为优选，所述Y轴电机定子位于所述平台基座顶面开设的第一凹槽内。
作为优选，所述平台基座顶面和所述微运动平台之间设有第二凸起。
作为优选，所述微运动平台位于所述平台基座顶面开设的第二凹槽内。
作为优选，所述X轴电机定子和所述Y轴电机动子之间设有支撑件，所述支撑件为柱状结构或条状结构，所述X轴电机定子和所述Y轴电机动子均与所述支撑件固定连接。
作为优选，所述微运动平台包括微运动平台主体、驱动件、弹性组件和外框；
所述外框固定于所述平台基座顶面上；
所述微运动平台主体设置于所述外框中，所述微运动平台主体侧面通过所述弹性组件和所述外框内壁连接；
所述驱动件与所述微运动平台主体连接，并与所述弹性组件配合使得所述微运动平台主体移动。
作为优选，所述微运动平台主体为长方体；
所述微运动平台的每一侧面均通过所述弹性组件和所述外框内壁连接；
所述驱动件数量为两个，分别设置于相邻的所述弹性组件外侧，使得所述微运动平台主体能够分别沿着所述X轴传动结构的传动方向和所述宏运动Y轴传动结构的传动方向移动。
本发明提供了一种二维精密运动平台的运动方法，通过上述任意一种运动平台操作或运转，包括：
宏运动平台传动结构接收工控机发送的宏运动平台的第一位移信息，并控制所述宏运动平台运动；
当所述宏运动平台运动停止时，驱动件接收所述工控机发送的微运动平台的第二位移信息，并控制所述微运动平台进行运动。
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
本发明提提供了一种二维精密运动平台，包括：平台基座、宏运动平台和微运动平台；宏运动平台包括宏运动平台传动结构，宏运动平台传动结构包括：宏运动X轴传动结构和宏运动Y轴传动结构；宏运动X轴传动结构和宏运动Y轴传动结构在平台基座顶面的投影构成坐标系的一个象限，微运动平台在平台基座顶面的投影位于象限的区域内。本发明通过设置空间错位的宏运动平台和微运动平台，宏运动平台和微运动平台互相分离且独立控制，使得运动平台可以在较大空间区域内运动的同时满足高精度的要求，解决了现有运动平台因宏微运动结构的相互干扰导致运动精度下降的技术问题。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明提供的一种二维精密运动平台的结构示意图；
图2为本发明提供的微运动平台的结构示意图；
图3为本发明提供的一种二维精密运动平台的运动方法的实施例的流程示意图；
图4为本发明提供的运动平台的控制信号示意图；
图5为本发明提供宏微坐标关系建立示意图；
图6为本发明平台运动规划示意图；
其中，附图标记如下：
1、平台基座；2、宏运动平台；3、微运动平台；6、Y轴电机；7、X轴电机；61、Y轴电机定子；62、Y轴电机动子；71、X轴电机定子；8、支撑件；9、微运动平台主体；10、驱动件；11、弹性组件；12、外框。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种二维精密运动平台及其运动方法，解决了现有运动平台因宏微运动结构的相互干扰导致运动精度下降的技术问题。
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种二维精密运动平台的实施例一，具体请参阅图1，包括：平台基座1、宏运动平台2和微运动平台3，宏运动平台2包括宏运动平台传动结构，宏运动平台传动结构包括：宏运动X轴传动结构和宏运动Y轴传动结构，宏运动X轴传动结构和宏运动Y轴传动结构在平台基座顶面的投影构成坐标系的一个象限，微运动平台3在平台基座顶面的投影位于象限的区域内。
需要说明的是，平台基座1为大理石材料，大理石材料能够很好地起到减振吸振作用。
本实施例中，通过设置空间错位的宏运动平台2和微运动平台3，使得宏运动平台2和微运动平台3互相分离且独立控制，使得运动平台可以在较大空间区域内运动的同时满足高精度的要求，解决了现有运动平台因宏微运动结构的相互干扰导致运动精度下降的技术问题。
基于实施例一，实施例二就宏运动平台2和微运动平台3的位置关系具体描述，具体请参阅图1。
本实施例中，宏运动Y轴传动结构包括Y轴电机6，宏运动X轴传动结构包括X轴电机7，Y轴电机定子61安装于平台基座顶面上，X轴电机定子71和Y轴电机动子62固定连接，微运动平台3安装于平台基座顶面上。
需要说明的是，本实施例中，宏运动X轴传动结构和宏运动Y轴传动结构只是一个相对的位置关系，但是并不局限于这种定义方式，二者也可以互换。
具体地，宏运动平台2为龙门架结构。
Y轴电机6和X轴电机7的电机均可以为直线电机，此处不做具体限定。直线电机的原理为本领域公知常识，在此不再赘述。
具体地，Y轴电机定子61上贴有Y轴光栅尺，Y轴电机动子上安装有Y轴光栅尺读数头，Y轴光栅尺和Y轴光栅尺读数头配合记录Y轴电机动子61在Y轴电机定子上的位移。X轴电机定子71上贴有X轴光栅尺，X轴电机动子上安装有X轴光栅尺读数头，X轴光栅尺和X轴光栅尺读数头配合记录X轴电机动子在X轴电机定子71上的位移。
微运动平台3上设有定位点，X轴电机动子上安装有视觉检测摄像机，用于定位微运动平台3上定位点的位置，利用视觉检测摄像机获取宏运动平台2和微运动平台3的相对位置关系，实现相对位置的精确测量。
进一步地，X轴电机定子71和Y轴电机动子62之间设有支撑件8，支撑件8为柱状结构或条状结构，X轴电机定子71和Y轴电机动子62均与支撑件8固定连接。
需要说明的是，本实施例中，条状结构为类似积木的长方体或梯形体结构，条状结构的支撑件8的大小可根据需要设置。
本实施例中，Y轴电机动子62与X轴电机定子71固定连接，使得当Y轴电机动子62在Y轴电机定子61上往返运动时带动X轴电机7做往返运动。
基于实施例一和二，实施例三就Y轴电机定子61的不同位置具体描述。
本实施例中，平台基座顶面和Y轴电机定子61之间设有第一凸起，第一凸起顶面上设置有Y轴电机定子61。
进一步地，平台基座顶面可以开设有第一凹槽，第一凹槽内设有Y轴电机定子61。
基于实施例一至三，实施例四就微运动平台3的不同位置具体描述。
本实施例中，平台基座顶面和微运动平台3之间设有第二凸起，第二凸起顶面上设置有微运动平台3。
进一步地，平台基座顶面可以开设有第二凹槽，第二凹槽内设有微运动平台3。
基于实施例一至四，实施例五就微运动平台3的具体结构详细描述，具体请参阅图2。
本实施例中，微运动平台3包括微运动平台主体9、驱动件10、弹性组件11和外框12，外框12固定于平台基座顶面上，微运动平台主体9设置于外框12中，微运动平台主体9侧面通过弹性组件11和外框12内壁连接，驱动件10与微运动平台主体9连接，并与弹性组件11配合使得微运动平台主体9移动。
具体地，微运动平台3上安装有X轴电容传感器和Y轴电容传感器，分别对微运动平台3不同方向的位移进行测量，采用高精度分辨率的电容传感器，可以实现高精度的闭环控制。
需要说明的是，本实施例中，弹性组件11为柔性铰链，驱动件10可以为压电陶瓷驱动器，但是并不局限于这两种结构，也可以为其他结构。
压电陶瓷驱动件10不同的形变可以通过不同大小的预设电压或者不同时长的预设电压实现，此处不做具体限定。
本实施例中，当驱动件10为压电陶瓷驱动器时，可以设置压电陶瓷驱动器预设状态的伸长量为压电陶瓷驱动器总行程的一半，压电陶瓷驱动器在不同外设电压的作用下，发生对应的伸长或压缩形变，发生形变的压电陶瓷驱动器与柔性铰链接触后，使得柔性铰链发生形变，从而带动与二者相连接的微运动平台主体9移动，其中微运动平台3移动是在宏运动平台2运动停止后，对宏运动平台2的运动精度进行补偿，使得运动平台可以在较大空间区域内运动的同时满足高精度的要求。
进一步地，微运动平台主体9为长方体，微运动平台3的每一侧面均通过弹性组件11和外框12内壁连接，驱动件10数量为两个，分别设置于相邻的弹性组件11外侧，使得微运动平台主体9能够分别沿着X轴传动结构的传动方向和宏运动Y轴传动结构的传动方向移动。
本实施例中，驱动件10与弹性组件11的配合使得微运动平台主体9能够分别沿着X轴传动结构的传动方向和宏运动Y轴传动结构的传动方向移动，对宏运动平台2的运动精度进行补偿。
以上为本发明提供的一种二维精密运动平台的实施例，以下为一种二维精密运动平台的运动方法的实施例一，请参阅图3，包括：
301：宏运动平台传动结构接收工控机发送的宏运动平台的第一位移信息，并控制宏运动平台运动。
需要说明的是，当运动平台启动时，首先宏运动平台传动结构接收工控机发送的宏运动平台的第一位移信息，并控制宏运动平台运动。
302：当宏运动平台运动停止时，驱动件接收工控机发送的微运动平台的第二位移信息，并控制微运动平台进行运动。
需要说明的是，当宏运动平台运动停止时，微运动平台的驱动件接收工控机发送的微运动平台的第二位移信息，并控制微运动平台进行运动，对宏运动平台的运动精度进行补偿，使得运动平台可以在较大空间区域内运动的同时满足高精度的要求。
以上为本发明提供的一种二维精密运动平台的运动方法的实施例一，以下为一种二维精密运动平台的应用例一，具体请参阅图4至图6。
在运动平台启动时，工控机向压电陶瓷驱动器施加预设电压，使其预设伸长量为压电陶瓷驱动器总行程的一半，以便运动过程中微运动平台对宏运动平台X/Y轴运动正反两个方向进行微补偿。之后，工控机发送控制信号启动视觉检测摄像头寻找定位点，视觉检测摄像头将检测信号发送回工控机，工控机发送控制信号使宏运动平台向原点运动，微动运动平台进行位置补偿，实现宏运动平台高精度地定位于原点。定位后，确立宏运动坐标系，宏运动坐标系原点为定位原点，然后向X/Y轴发送运动行程ShX/ShY，宏运动运动平台进行响应，X/Y轴直线电机驱动进给，X/Y轴光栅尺读数头将X/Y轴增量光栅尺读数Nhx/Nhy送回工控机，当其小于阈值e1时，宏运动停止。随后，根据宏运动定位误差通过微动运动平台进行精密补偿，工控机向微运动平台发送X/Y轴微运动行程SwX/SwY，微动运动平台进行响应，X/Y轴压电陶瓷驱动进给，X/Y轴电容传感器将传感器读数Nwx/Nwy送回工控机，当其小于阈值e2时，微补偿运动停止。在整个运动过程中，宏运动坐标系的原点始终是定位原点，微运动平台的补偿使X/Y轴宏运动相对原点运动行程尽可能地靠近工控机给定行程量，即X/Y轴直线电机相对原点的运动增量与给定行程量在给定的误差范围内。
以上所述，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。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络模块上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。
集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
Claims (6)
1.一种二维精密运动平台的运动方法，用于二维精密运动平台的操作或运动，其特征在于，所述二维精密运动平台包括：平台基座、宏运动平台和微运动平台；
所述宏运动平台包括宏运动平台传动结构，所述宏运动平台传动结构包括：宏运动X轴传动结构和宏运动Y轴传动结构；
所述宏运动X轴传动结构和所述宏运动Y轴传动结构在所述平台基座顶面的投影构成坐标系的一个象限，所述微运动平台在所述平台基座顶面的投影位于所述象限的区域内；
所述宏运动Y轴传动结构包括Y轴电机，所述宏运动X轴传动结构包括X轴电机；
所述Y轴电机包括Y轴电机定子和Y轴电机动子，所述X轴电机包括X轴电机定子和X轴电机动子；
所述Y轴电机定子安装于所述平台基座顶面上，所述X轴电机定子和所述Y轴电机动子连接；
所述微运动平台安装于所述平台基座顶面上；
所述微运动平台包括微运动平台主体、驱动件、弹性组件和外框；
所述外框固定于所述平台基座顶面上；
所述微运动平台主体设置于所述外框中，所述微运动平台主体侧面通过所述弹性组件和所述外框内壁连接；
所述微运动平台主体为长方体；
所述驱动件数量为两个，分别设置于相邻的所述弹性组件外侧，使得所述微运动平台主体能够分别沿着所述宏运动X轴传动结构的传动方向和所述宏运动Y轴传动结构的传动方向移动；
所述二维精密运动平台还包括视觉检测摄像头；
所述微运动平台上设有定位点，所述视觉检测摄像头用于寻找定位点；
所述微运动平台上安装有X轴电容传感器和Y轴电容传感器；
所述X轴电容传感器和所述Y轴电容传感器分别用于对所述微运动平台不同方向的位移进行测量；
所述驱动件为压电陶瓷驱动器；
所述Y轴电机定子上贴有Y轴光栅尺，所述Y轴电机动子上安装有Y轴光栅尺读数头；
所述X轴电机定子上贴有X轴光栅尺，所述X轴电机动子上安装有X轴光栅尺读数头；
所述运动方法包括：
在所述二维精密运动平台启动时，工控机向压电陶瓷驱动器施加预设电压，使其预设伸长量为压电陶瓷驱动器总行程的一半；
工控机发送控制信号启动所述视觉检测摄像头寻找定位点，所述视觉检测摄像头将检测信号发送回工控机，工控机发送控制信号使所述宏运动平台向原点运动，微动运动平台进行位置补偿；
确立宏运动坐标系，宏运动坐标系原点为定位点，向所述宏运动平台发送X轴运动行程ShX和Y轴运动行程ShY，X轴电机和Y轴电机驱动进给，X轴光栅尺读数头和Y轴光栅尺读数头将X轴光栅尺读数Nhx和Y轴光栅尺读数Nhy送回工控机，当Nhx和Nhy均小于第一阈值时，X轴电机和Y轴电机停止进给；
工控机向所述微运动平台发送X轴微运动行程SwX和Y轴微运动行程SwY，两个压电陶瓷驱动器进给，X轴电容传感器和Y轴电容传感器将X轴传感器读数Nwx和Y轴传感器读数Nwy送回工控机，当Nwx和Nwy均小于第二阈值时，两个压电陶瓷驱动器停止进给。
2.根据权利要求1所述的运动方法，其特征在于，所述平台基座顶面和所述Y轴电机定子之间设有第一凸起。
3.根据权利要求1所述的运动方法，其特征在于，所述Y轴电机定子位于所述平台基座顶面开设的第一凹槽内。
4.根据权利要求1所述的运动方法，其特征在于，所述平台基座顶面和所述微运动平台之间设有第二凸起。
5.根据权利要求1所述的运动方法，其特征在于，所述微运动平台位于所述平台基座顶面开设的第二凹槽内。
6.根据权利要求1至3中任意一项所述的运动方法，其特征在于，所述X轴电机定子和所述Y轴电机动子之间设有支撑件，所述支撑件为柱状结构或条状结构，所述X轴电机定子和所述Y轴电机动子均与所述支撑件连接。
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- 2018-03-22 CN CN201810241650.3A patent/CN108453676B/zh active Active
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|---|
| 《宏微复合平台的微运动动态模型研究》;高健，等;《机械设计与制造》;20170228(第2期);62-64页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN108453676A (zh) | 2018-08-28 |
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