CN108696182A - 一种面向多工位精密操作的旋转载物台与控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一种面向多工位精密操作的旋转载物台与控制方法，由固定机构、运动机构和载物平面三部分组成，以压电叠堆为驱动器通过仿尺蠖型的运动原理实现步进式旋转运动。固定机构分为上下两层，通过矩形柔性铰链连接，在下层外径均匀分布有三组驱动单元。运动机构分为上下两层，在装配过程中分别与固定机构的上下层处于间隙配合，运动机构每层都设计有以桥式微位移放大机构为主体的钳位单元，经压电叠堆驱动后，增大运动件直径尺寸，与固定机构之间从间隙配合转化为过盈配合实现钳位。为实现仿尺蠖型的运动原理，设计了严格的时序控制信号，并针对驱动单元的非线性对控制信号进行补偿。使得该发明具有结构紧凑，响应快，定位精度高，行程大等优点。

Description

一种面向多工位精密操作的旋转载物台与控制方法

技术领域

本发明涉及精密机械与精密操作领域，尤其涉及一种面向多工位精密操作的旋转载物台与控制方法。

背景技术

随着现代科学技术的发展，人类的研究领域扩展到微观世界，为提高工作效率，多工位的精密操作逐渐成为了研究的热点。而具有精密旋转定位能力的载物台是多工位精密操作的基础，在微电子学、生命科学、医药化学、半导体、光学、超精密机械及其制造等领域越来越多被需求。传统的以电机作为驱动器并通过精密螺杆螺母副、精密螺旋楔块等机构传动的载物台，由于存在较大的间隙和摩擦，结构不够紧凑，存在爬行、多环节传动等原因，不能满足现代精密操作的技术要求。而部分利用新型驱动方式设计的旋转定位装置大多只能旋转一定角度而不能达到360°正反向旋转，部分通过尺蠖运动原理实现360°正反向旋转的机构，也存在钳位位移不足对加工精度要求极高，运动摩擦力大等缺陷，并且其控制策略粗糙，完全忽略压电驱动器运动过程中的非线性特性，虽然实现载物台的运动，但严重影响运动与定位精度。因此具有高精度、大行程、预紧力可调且对加工精度要求较低，控制策略合理等优点的载物台是当前精密操作旋转定位的主要研究方向，具有重要的理论意义和工程实用价值。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种面向多工位精密操作的旋转载物台，选用压电叠堆作为驱动器，其具备体积小，精度高、响应快、驱动力大、驱动功率低、工作频率宽、不受电磁干扰等优点，配合柔性铰链进行传动，避免了传动机构的回程误差与摩擦力影响。

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种面向多工位精密操作的旋转载物台的控制方法，配合严格的时序控制信号，顺序驱动钳位压电叠堆与驱动压电叠堆，实现机构的仿尺蠖型运动原理，实现旋转载物台的步进式运动。

本发明提供一种面向多工位精密操作的旋转载物台，包括：固定机构、运动机构和载物平面；所述运动机构通过间隙配合装配在所述固定机构内，所述固定机构设有多个压电叠堆驱动单元，多个压电叠堆驱动单元通电后产生轴向位移进而驱动所述运动机构旋转，所述载物平面安装在所述运动机构的顶部可随运动机构旋转。

在本发明的面向多工位精密操作的旋转载物台中，所述固定机构包括：下层固定件、上层固定件和多个压电叠堆驱动单元；

所述下层固定件呈圆盘状，下层固定件的中心部分设有用于安装所述运动机构的圆槽，下层固定件的边缘部分均匀设置多个安装槽；

所述上层固定件和下层固定件通过多个柔性铰链连接，上层固定件呈圆环状，在上层固定件的边缘部分均匀设置多个缺口；

压电叠堆驱动单元包括：连接块、驱动压电叠堆和驱动预紧螺栓；所述连接块安装在所述安装槽内，所述驱动压电叠堆一端与连接块的上部侧端面接触，另一端与上层固定件的缺口端面接触，所述驱动预紧螺栓穿过所述连接块的上部侧端面对驱动压电叠堆进行预紧；

驱动压电叠堆通电后变形产生轴向位移，推动上层固定件沿驱动压电叠堆的伸长方向运动，上下层之间的柔性铰链变形，从而上层固定件相对于下层固定件产生相对旋转运动；断电后，上层固定件在柔性铰链弹性恢复力作用下，恢复至初始位置。

在本发明的面向多工位精密操作的旋转载物台中，所述运动机构分为上下两层，每层设有两个钳位单元，每层的两个钳位单元对称设置在连接桥两侧；钳位单元包括桥式微位移放大机构、钳位压电叠堆和钳位预紧螺栓，所述钳位压电叠堆通过钳位预紧螺栓装配预紧在所述桥式微位移放大机构内；

设置在上层的钳位压电叠堆通电后，上层的桥式微位移放大机构的位移输出端伸出并抵触到所述上层固定件的圆环内壁上，装配方式由间隙配合变为过盈配合，实现钳位；断电后，位移输出端在弹性恢复力作用下缩回，装配方式由过盈配合变为间隙配合；

设置在下层的钳位压电叠堆通电后，下层的桥式微位移放大机构的位移输出端伸出并抵触到所述下层固定件的圆槽的内壁上，装配方式由间隙配合变为过盈配合，实现钳位；断电后，位移输出端在弹性恢复力作用下缩回，装配方式由过盈配合变为间隙配合。

在本发明的面向多工位精密操作的旋转载物台中，在所述载物平面的中心处设有第一通光孔，在运动机构的连接桥上设有第二通光孔，在固定机构的下层固定件的中心处设有第三通光孔，所述第一通光孔、第二通光孔和第三通光孔同轴心。

在本发明的面向多工位精密操作的旋转载物台中，在所述连接桥的下端和下层的桥式微位移放大机构的下端设有半球孔，半球孔内设置滚珠。

在本发明的面向多工位精密操作的旋转载物台中，所述固定机构的下层固定件、上层固定件和柔性铰链采用一体加工成型制成；在下层固定件上设有多个螺栓孔，通过固定螺栓将固定机构安装在工作台上，在上层固定件对应位置设有多个通孔，通孔内径大于固定螺栓外径。

本发明还提供一种使用权利要求1所述的旋转载物台的控制方法，包括如下步骤：

步骤1：调整运动机构的钳位预紧螺栓，进而调整钳位单元的径向长度，使运动机构和固定机构之间通过间隙配合装配；

步骤2：通入第一时序控制信号给运动机构上层的钳位压电叠堆供电，同时通入第二时序控制信号给运动机构下层的钳位压电叠堆供电，使运动机构和固定机构过盈配合，实现钳位；

步骤3：第二时序控制信号使下层的钳位压电叠堆断电，运动机构和固定机构的上层固定件过盈配合；

步骤4：对第三时序控制信号进行线性化补偿，利用补偿后的第三时序控制信号给固定机构的驱动压电叠堆通电，上层固定件相对于下层固定件做旋转运动，进而带动运动机构旋转；

步骤5：第二时序控制信号给下层的钳位压电叠堆供电，运动机构和下层固定件过盈配合，实现钳位；

步骤6：第一时序控制信号给上层的钳位压电叠堆断电，运动机构和上层固定件间隙配合，失去钳位效果；

步骤7：第三时序控制信号给驱动压电叠堆断电，上层固定件在柔性铰链弹性恢复力作用下，恢复至初始位置，实现旋转载物台一个周期的运动。

在本发明的旋转载物台的控制方法中，所述步骤4中采用串联机构逆模型的方式对第三时序控制信号进行线性化补偿。

在本发明的旋转载物台的控制方法中，所述步骤4中通过对第三时序控制信号的幅值调整，同时对第一时序控制信号、第二时序控制信号和第三时序控制信号的频率调整，可调整运动机构的旋转速度，进而实现对载物平面的运动速度的调控。

在本发明的旋转载物台的控制方法中，通过调换第一路时序控制信号和第二路时序控制信号可以实现旋转载物台的反向转动。

本发明的一种面向多工位精密操作的旋转载物台，采用运动件内部稳定钳位方式，固定件与运动件之间无轴承连接，故其动态特性稳定，运行平稳，可实现大行程连续步进运动。且以压电叠堆作为驱动器，配合柔性铰链传动，结构简单、紧凑，加工、装配、控制方便，具有微弧度级别的定位精度。在钳位单元引入位移放大机构，增大了机构的钳位位移，同时钳位压电叠堆在机构内横向布置，为预紧装置提供了安装空间，不但有利于提升压电叠堆的输出性能，而且可以实现运动件直径的手动微调，利于运动件与固定件之间间隙配合的实现。每层的钳位单元为对称布置，起到自动定心的作用，并且在运动件底部增加六个球形滚珠，有效减小运动过程中的摩擦力。对驱动信号进行了补偿，对载物台旋转输出精度有很大提高。

附图说明

图1为本发明提供的面向多工位精密操作的旋转载物台的装配体爆炸图；

图2为本发明提供的面向多工位精密操作的旋转载物台的装配外形图；

图3为本发明提供的固定件结构示意图；

图4为本发明提供的运动件结构示意图；

图5为本发明提供的运动件底面装配示意图；

图6为本发明提供的面向多工位精密操作的旋转载物台运动原理示意图；

图7为本发明提供的下层的钳位压电叠堆的时序控制信号；

图8为本发明提供的驱动压电叠堆的时序控制信号；

图9为本发明提供的上层的钳位压电叠堆的时序控制信号。

具体实施方式

参照附图1至9对本发明的面向多工位精密操作的旋转载物台与控制方法进行详细说明。

本发明的面向多工位精密操作的旋转载物台与控制方法属于精密操作领域，可应用于多工位精密操作的旋转定位，可用于精密光学、精密加工、显微操作、微夹持、微观力学性能测试等领域。旋转载物台包括：固定机构、运动机构和载物平面11。运动机构通过间隙配合装配在所述固定机构内，所述固定机构设有多个压电叠堆驱动单元30，多个压电叠堆驱动单元30通电后产生轴向位移进而驱动所述运动机构旋转，所述载物平面11上设有螺纹孔，通过连接螺栓13安装在所述运动机构的顶部可随运动机构旋转。所述载物平面11中心部分设有第一通光孔12。

如图3所示，固定机构分为上下两层，具体包括下层固定件31、上层固定件34和多个压电叠堆驱动单元30。所述下层固定件31呈圆盘状，下层固定件31的中心部分设有用于安装所述运动机构的圆槽，圆槽中心设有第三通光孔39，下层固定件31的边缘部分均匀设置多个安装槽32。所述上层固定件34和下层固定件31通过多个柔性铰链33连接，上层固定件34呈圆环状，在上层固定件34的边缘部分均匀设置多个缺口35。压电叠堆驱动单元30包括：连接块36、驱动压电叠堆37和驱动预紧螺栓38。所述连接块36过盈配合装配在所述安装槽32内，所述驱动压电叠堆37一端与连接块36的上部侧端面接触，另一端与上层固定件31的缺口35的端面接触，所述驱动预紧螺栓38穿过所述连接块36的上部侧端面对驱动压电叠堆37进行预紧，以达到更好的输出性能。具体实施时，固定机构的下层固定件31、上层固定件34和柔性铰链33采用一体加工成型制成；在下层固定件31上设有多个螺栓孔，通过固定螺栓14安装在工作台上，在上层固定件34对应位置设有多个通孔，通孔内径大于固定螺栓14的外径。

具体实施时，驱动压电叠堆37通电后变形产生轴向位移，推动上层固定件34沿驱动压电叠堆37的伸长方向运动，上下层之间的柔性铰链33变形，从而上层固定件34相对于下层固定件31产生相对旋转运动；断电后，上层固定件34在柔性铰链33弹性恢复力作用下，恢复至初始位置。

如图4所示，所述运动机构分为上下两层，每层设有两个钳位单元20，每层的两个钳位单元20对称设置在连接桥21的两侧，起到自动定心的作用，以保证在钳位过程中运动机构的中心不发生偏移。为了实现较大的钳位位移，降低固定机构和运动机构的加工精度和加工难度，本发明的钳位单元20基于桥式微位移放大机构22进行设计。钳位单元20包括桥式微位移放大机构22、钳位压电叠堆23和钳位预紧螺栓24，所述钳位压电叠堆23通过钳位预紧螺栓24装配预紧在所述桥式微位移放大机构22内。桥式微位移放大机构22将钳位压电叠堆23的输出位移放大，增大了钳位位移的同时，又节省了装配空间，有效提高了整个机构的承载能力和定位精度。同时也为钳位预紧螺栓24的装配提供了空间，使机构具有更好的输出性能。连接桥21上设有第二通光孔25。第一通光孔12、第二通光孔25和第三通光孔39同轴心。

具体实施时，设置在上层的钳位压电叠堆23通电后，上层的桥式微位移放大机构22的位移输出端伸出并抵触到所述上层固定件34的圆环内壁上，装配方式由间隙配合变为过盈配合，实现钳位；断电后，位移输出端在弹性恢复力作用下缩回，装配方式由过盈配合变为间隙配合；设置在下层的钳位压电叠堆23通电后，下层的桥式微位移放大机构22的位移输出端伸出并抵触到所述下层固定件31的圆槽的内壁上，装配方式由间隙配合变为过盈配合，实现钳位；断电后，位移输出端在弹性恢复力作用下缩回，装配方式由过盈配合变为间隙配合。

具体实施时，在连接桥21的下端桥式微位移放大机构22的下端设有半球孔，在半球孔内装配有滚珠26。从而使运动机构和固定机构的底面之间由面接触变为点接触，滑动摩擦变为滚动摩擦，大大减小转动过程中运动机构与固定机构的摩擦力。

本发明的另一目的在于提供一种旋转载物台精密运动的控制方法，首先根据上述结构的旋转载物台的仿尺蠖型运动原理，设计了钳位压电叠堆23与驱动压电叠堆37的时序控制信号，同时为保证旋转载物台运动精度，完成多工位精密操作要求，采用串联机构逆模型的方式对驱动压电叠堆37的时序控制信号进行线性化补偿，并且通过对时序控制信号的幅值和频率进行调整，可以实现对载物平面11的运动速度进行调控，将两路钳位信号调换，可以实现载物平面11的双方向运动。

具体地，本发明的一种旋转载物台精密运动的控制方法包括如下步骤：

步骤1：调整运动机构的钳位预紧螺栓，进而调整钳位单元的径向长度，使运动机构和固定机构之间通过间隙配合装配；

步骤2：通入第一时序控制信号给运动机构上层的钳位压电叠堆供电，同时通入第二时序控制信号给运动机构下层的钳位压电叠堆供电，使运动机构和固定机构过盈配合，实现钳位；

步骤3：第二时序控制信号使下层的钳位压电叠堆断电，运动机构和固定机构的下层固定件失去钳位效果；

步骤4：对第三时序控制信号进行线性化补偿，利用补偿后的第三时序控制信号给固定机构的驱动压电叠堆通电，上层固定件相对于下层固定件做旋转运动，进而带动运动机构旋转；

具体实施时，采用串联机构逆模型的方式对第三时序控制信号进行线性化补偿。通过对第三时序控制信号的幅值调整，同时对第一时序控制信号、第二时序控制信号和第三时序控制信号的频率调整，可调整运动机构的旋转速度，进而实现对载物平面的运动速度的调控。

步骤5：第二时序控制信号给下层的钳位压电叠堆供电，运动机构和下层固定件过盈配合，实现钳位；

步骤6：第一时序控制信号给上层的钳位压电叠堆断电，运动机构和上层固定件间隙配合，失去钳位效果；

步骤7：第三时序控制信号给驱动压电叠堆断电，上层固定件在柔性铰链弹性恢复力作用下，恢复至初始位置，旋转载物台完成一个周期的运动。

具体实施时，通过调换第一路时序控制信号和第二路时序控制信号可以实现旋转载物台的反向转动。

如图6所示，旋转载物台工作过程中包括6种状态：

A：运动初始化，运动机构的上下层钳位单元20同时钳位；

B：运动机构下层钳位单元20断电，仅上层钳位单元20处于钳位状态；

C：上层固定件34转动，带动运动机构旋转；

D：运动机构下层钳位单元20通电，上下层钳位单元20同时钳位；

E：运动机构下上层钳位单元20断电，仅下层钳位单元20处于钳位状态；

F：上层固定件34恢复原位，运动件钳位方式不变。

图7为本发明提供的下层的钳位压电叠堆的时序控制信号；图8为本发明提供的驱动压电叠堆的时序控制信号；图9为本发明提供的上层的钳位压电叠堆的时序控制信号。通过输入相应的时序控制信号可实现上述6种状态的转换过程。

旋转载物台的具体工作过程如下：先通过运动机构的上下两层的四个钳位单元20实现运动机构和固定机构的钳位，然后使下层的钳位单元20的钳位压电叠堆23断电，下层的桥式微位移放大机构22的位移输出端在弹性恢复力作用下缩回，下层的钳位单元20失去钳位效果，此时驱动压电叠堆37通电变形产生轴向位移，推动固定机构的上层固定件34沿驱动压电叠堆37的伸长方向运动，由于下层固定件31固定在工作台上，上层固定件34和下层固定件31之间的柔性铰链33变形，从而上层固定件34相对于下层固定件31产生相对运动，当三组压电叠堆驱动单元30同时沿固定机构的外径切线方向运动时，上层固定件34相对于下层固定件31做旋转运动，进而带动运动构件旋转一定角度；然后使下层的钳位压电叠堆23通电，下层的桥式微位移放大机构22的位移输出端伸出，使下层的钳位单元20与下层固定件31处于钳位状态，然后使上层的钳位压电叠堆23断电，上层的桥式微位移放大机构22的位移输出端在弹性恢复力作用下缩回，上层的钳位单元20失去钳位效果，此时使驱动压电叠堆37断电，上层固定件34在柔性铰链33弹性恢复力作用下，恢复至初始位置，旋转载物台完成一个周期的运动。

本发明的一种面向多工位精密操作的旋转载物台与控制方法，由固定机构、运动机构和载物平面三部分组成，以压电叠堆为驱动器通过仿尺蠖型的运动原理实现步进式旋转运动。固定机构分为上下两层，通过矩形柔性铰链连接，在下层外径均匀分布有三组驱动单元。运动机构分为上下两层，在装配过程中分别与固定机构的上下层处于间隙配合，运动机构每层都设计有以桥式微位移放大机构为主体的钳位单元，经压电叠堆驱动后，增大运动件直径尺寸，与固定机构之间从间隙配合转化为过盈配合实现钳位。为实现仿尺蠖型的运动原理，设计了严格的时序控制信号，并对驱动单元的控制信号非线性进行补偿。使得该发明具有结构紧凑，响应快，定位精度高，行程大等优点。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明的思想，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种面向多工位精密操作的旋转载物台，其特征在于，包括：固定机构、运动机构和载物平面；所述运动机构通过间隙配合装配在所述固定机构内，所述固定机构设有多个压电叠堆驱动单元，多个压电叠堆驱动单元通电后产生轴向位移进而驱动所述运动机构旋转，所述载物平面安装在所述运动机构的顶部可随运动机构旋转。

2.如权利要求1所述的面向多工位精密操作的旋转载物台，其特征在于，所述固定机构包括：下层固定件、上层固定件和多个压电叠堆驱动单元；

所述下层固定件呈圆盘状，下层固定件的中心部分设有用于安装所述运动机构的圆槽，下层固定件的边缘部分均匀设置多个安装槽；

所述上层固定件和下层固定件通过多个柔性铰链连接，上层固定件呈圆环状，在上层固定件的边缘部分均匀设置多个缺口；

压电叠堆驱动单元包括：连接块、驱动压电叠堆和驱动预紧螺栓；所述连接块安装在所述安装槽内，所述驱动压电叠堆一端与连接块的上部侧端面接触，另一端与上层固定件的缺口端面接触，所述驱动预紧螺栓穿过所述连接块的上部侧端面对驱动压电叠堆进行预紧；

驱动压电叠堆通电后变形产生轴向位移，推动上层固定件沿驱动压电叠堆的伸长方向运动，上下层之间的柔性铰链变形，从而上层固定件相对于下层固定件产生相对旋转运动；断电后，上层固定件在柔性铰链弹性恢复力作用下，恢复至初始位置。

3.如权利要求2所述的面向多工位精密操作的旋转载物台，其特征在于，所述运动机构分为上下两层，每层设有两个钳位单元，每层的两个钳位单元对称设置在连接桥两侧；钳位单元包括桥式微位移放大机构、钳位压电叠堆和钳位预紧螺栓，所述钳位压电叠堆通过钳位预紧螺栓装配预紧在所述桥式微位移放大机构内；

设置在上层的钳位压电叠堆通电后，上层的桥式微位移放大机构的位移输出端伸出并抵触到所述上层固定件的圆环内壁上，装配方式由间隙配合变为过盈配合，实现钳位；断电后，位移输出端在弹性恢复力作用下缩回，装配方式由过盈配合变为间隙配合；

设置在下层的钳位压电叠堆通电后，下层的桥式微位移放大机构的位移输出端伸出并抵触到所述下层固定件的圆槽的内壁上，装配方式由间隙配合变为过盈配合，实现钳位；断电后，位移输出端在弹性恢复力作用下缩回，装配方式由过盈配合变为间隙配合。

4.如权利要求3所述的面向多工位精密操作的旋转载物台，其特征在于，在所述载物平面的中心处设有第一通光孔，在运动机构的连接桥上设有第二通光孔，在固定机构的下层固定件的中心处设有第三通光孔，所述第一通光孔、第二通光孔和第三通光孔同轴心。

5.如权利要求3所述的面向多工位精密操作的旋转载物台，其特征在于，在所述连接桥的下端和下层的桥式微位移放大机构的下端设有半球孔，半球孔内设置滚珠。

6.如权利要求2所述的面向多工位精密操作的旋转载物台，其特征在于，所述固定机构的下层固定件、上层固定件和柔性铰链采用一体加工成型制成；在下层固定件上设有多个螺栓孔，通过固定螺栓将固定机构安装在工作台上，在上层固定件对应位置设有多个通孔，通孔内径大于固定螺栓外径。

7.一种使用权利要求1所述的旋转载物台的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：调整运动机构的钳位预紧螺栓，进而调整钳位单元的径向长度，使运动机构和固定机构之间通过间隙配合装配；

步骤2：通入第一时序控制信号给运动机构上层的钳位压电叠堆供电，同时通入第二时序控制信号给运动机构下层的钳位压电叠堆供电，使运动机构和固定机构过盈配合，实现钳位；

步骤3：第二时序控制信号使下层的钳位压电叠堆断电，运动机构和固定机构的上层固定件过盈配合；

步骤4：对第三时序控制信号进行线性化补偿，利用补偿后的第三时序控制信号给固定机构的驱动压电叠堆通电，上层固定件相对于下层固定件做旋转运动，进而带动运动机构旋转；

步骤5：第二时序控制信号给下层的钳位压电叠堆供电，运动机构和下层固定件过盈配合，实现钳位；

步骤6：第一时序控制信号给上层的钳位压电叠堆断电，运动机构和上层固定件间隙配合，失去钳位效果；

步骤7：第三时序控制信号给驱动压电叠堆断电，上层固定件在柔性铰链弹性恢复力作用下，恢复至初始位置，实现旋转载物台一个周期的运动。

8.如权利要求7所述的旋转载物台的控制方法，其特征在于，所述步骤4中采用串联机构逆模型的方式对第三时序控制信号进行线性化补偿。

9.如权利要求7所述的旋转载物台的控制方法，其特征在于，所述步骤4中通过对第三时序控制信号的幅值调整，同时对第一时序控制信号、第二时序控制信号和第三时序控制信号的频率调整，可调整运动机构的旋转速度，进而实现对载物平面的运动速度的调控。

10.如权利要求7所述的旋转载物台的控制方法，其特征在于，通过调换第一路时序控制信号和第二路时序控制信号可以实现旋转载物台的反向转动。