CN109099830B - 一种直推型二维快速微位移扫描定位工作台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直推型二维快速微位移扫描定位工作台，包括从上至下依次安装的X向致动平台、中间导向平台和Y向致动平台，中间导向平台包括导向外框架和四个角部通过柔性连接件连接在导向外框架内的负载平台，X向致动平台包括第一外框架和驱动负载平台沿X方向移动的X向致动机构，X向致动机构柔性连接在第一外框架内，Y向致动平台包括第二外框架和驱动负载平台沿Y方向移动的Y向致动机构，Y向致动机构柔性连接在第二外框架内，第一外框架、导向外框架、第二外框架紧固连接，中间导向平台上安装有测量负载平台X向位移的第一位移传感器和测量负载平台Y向位移的第二位移传感器。该工作台能实现大行程、高频率的微位移扫描定位。

Description

一种直推型二维快速微位移扫描定位工作台

技术领域

本发明属于微纳快速定位领域，具体涉及一种直推型二维快速微位移扫描定位工作台。

背景技术

目前，微位移扫描定位工作台主要用于主动光学系统、精密制造、微纳操作等领域中。

CN107240423A公开了一种基于柔性铰链的三维纳米工作台，其虽然能够实现三个方向（即X、Y、Z方向）的移动，但是其将实现X方向运动和Y方向运动的压电陶瓷驱动器设置在同一平面内，并采用内框、中框、外框配合的结构形式，在X方向和Y方向尺寸受限（即工作台的长宽尺寸受限）的情况下，移动的位移小（即行程小），并且工作台的运动频率因受到压电陶瓷驱动器的工作频率的限制而比较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种直推型二维快速微位移扫描定位工作台，以实现大行程的微位移扫描定位。

本发明所述的直推型二维快速微位移扫描定位工作台，包括从上至下依次安装的X向致动平台、中间导向平台和Y向致动平台；所述中间导向平台为一体成型结构，包括导向外框架和四个角部通过柔性连接件连接在导向外框架内的负载平台，所述X向致动平台为一体成型结构，包括第一外框架和驱动负载平台沿X方向移动的X向致动机构，所述X向致动机构柔性连接在第一外框架内，所述Y向致动平台为一体成型结构，包括第二外框架和驱动负载平台沿Y方向移动的Y向致动机构，所述Y向致动机构柔性连接在第二外框架内，所述第一外框架、导向外框架、第二外框架紧固连接，所述中间导向平台上安装有测量负载平台X向位移（即沿X方向移动的位移）的第一位移传感器和测量负载平台Y向位移（即沿Y方向移动的位移）的第二位移传感器。负载（比如镜头、超声波探头、激光探头等）安装在负载平台上，通过负载平台带动负载做X、Y方向的微动。

所述X向致动机构为前后对称结构，包括两个X向执行器约束机构和沿Y方向布置的第一连接块，X向执行器约束机构内预压紧有叠堆型压电陶瓷执行器，X向执行器约束机构的X向长度随叠堆型压电陶瓷执行器的长度而变化，X向执行器约束机构的右端通过柔性铰链与第一外框架的右内壁连接、左端通过柔性铰链与第一连接块的一端部连接，第一连接块的该端部通过第一L形柔性片簧与第一外框架的左内壁连接，所述第一连接块与所述负载平台的左侧部紧固连接。当叠堆型压电陶瓷执行器在激励电压作用下伸长或缩短时，两个X向执行器约束机构会带动第一连接块相对于第一外框架做沿X方向的微动。X向致动机构为前后对称结构，第一连接块将两个X向执行器约束机构输出的位移综合作用于负载平台，使负载平台沿X方向移动更平稳，柔性铰链、第一L形柔性片簧避免了装配带来的尺寸误差，保证了微位移扫描定位工作台的X向位移精度。

所述Y向致动机构为左右对称结构，包括两个Y向执行器约束机构和沿X方向布置的第二连接块，Y向执行器约束机构内预压紧有叠堆型压电陶瓷执行器，Y向执行器约束机构的Y向长度随叠堆型压电陶瓷执行器的长度而变化，Y向执行器约束机构的前端通过柔性铰链与第二外框架的前内壁连接、后端通过柔性铰链与第二连接块的一端部连接，第二连接块的该端部通过第二L形柔性片簧与第二外框架的后内壁连接，所述第二连接块与所述负载平台的后侧部紧固连接。当叠堆型压电陶瓷执行器在激励电压作用下伸长或缩短时，两个Y向执行器约束机构会带动第二连接块相对于第二外框架做沿Y方向的微动。Y向致动机构为左右对称结构，第二连接块将两个Y向执行器约束机构输出的位移综合作用于负载平台，使负载平台沿Y方向移动更平稳，柔性铰链、第二L形柔性片簧避免了装配带来的尺寸误差，保证了微位移扫描定位工作台的Y向位移精度。

所述X向执行器约束机构为对称的椭圆形柔性片簧结构，Y向执行器约束机构为对称的椭圆形柔性片簧结构。

所述第一位移传感器为电容式微位移传感器，包括具有第一支架的第一动极板和具有第一安装座的第一定极板，第一支架固定连接在所述负载平台的右侧部上表面，第一安装座固定连接在所述导向外框架的右侧部上表面，且第一动极板与第一定极板竖直正对。所述第二位移传感器为电容式微位移传感器，包括具有第二支架的第二动极板和具有第二安装座的第二定极板，第二支架固定连接在所述负载平台的前侧部下表面，第二安装座固定连接在所述导向外框架的前侧部下表面，且第二动极板与第二定极板竖直正对。第一、第二动极板随负载平台运动，与第一、第二定极板的间距产生变化，电容值发生相应的变化，从而检测出负载平台的运动位移，作为反馈信号，通过控制电路驱动叠堆型压电陶瓷执行器，实现闭环控制。

所述第一安装座的两端部开设有第一安装条形孔，用于调整第一动极板与第一定极板之间的初始距离；所述第二安装座的两端部开设有第二安装条形孔，用于调整第二动极板与第二定极板之间的初始距离。

与所述第一、第二位移传感器电连接的前置放大模块安装在X向致动平台的上表面，第一、第二位移传感器与前置放大模块之间的距离较近，从而提高了抗干扰能力，相应地提高了系统性能。

所述柔性连接件由第一、第二、第三柔性铰和第一、第二连接臂构成，第一柔性铰的一侧与导向外框架的内壁连接、另一侧与第一连接臂的一侧连接，第一连接臂的另一侧与第二柔性铰的一侧连接，第二柔性铰的另一侧与第二连接臂的一侧连接，第二连接臂的另一侧与第三柔性铰的一侧连接，第三柔性铰的另一侧与所述负载平台的角部外壁连接。柔性连接件避免了装配带来的尺寸误差，保证了微位移扫描定位工作台的位移精度。

本发明由于将实现X方向运动的X向致动平台安装在中间导向平台的上面，将实现Y方向运动的Y向致动平台安装在中间导向平台的下面，X向致动平台与Y向致动平台相互独立工作，不会互相影响，在X方向和Y方向尺寸受限（即工作台的长宽尺寸受限）的情况下，其仍然实现了大行程的微位移扫描定位，并且具有0.027‰的位移精度（即30μm的行程下0.8nm的位置误差），位移精度高，而且结构紧凑；通过叠堆型压电陶瓷执行器直接驱动，实现了高频率（与叠堆型压电陶瓷执行器的工作频率相同）的微位移扫描定位。

附图说明

图1为本发明的分解示意图。

图2为本发明的轴测图。

图3为本发明的俯视图。

图4为本发明的仰视图。

图5为本发明中的第一、第二位移传感器与中间导向平台的装配关系图。

图6为本发明中的X向致动平台的俯视图。

图7为本发明中的第一位移传感器的仰视图。

图8为本发明中的第二位移传感器的俯视图。

图9为对本发明进行控制的原理框图。

图10为对本发明进行控制的电路框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细说明。

如图1至图8所示的直推型二维快速微位移扫描定位工作台，包括从上至下依次安装的X向致动平台2、中间导向平台1和Y向致动平台3。

如图5所示，中间导向平台1为一体成型结构，包括导向外框架10和四个角部通过柔性连接件11连接在导向外框架10内的负载平台12。柔性连接件11由第一柔性铰111、第二柔性铰112、第三柔性铰113、第一连接臂114和第二连接臂115构成，第一连接臂114与第二连接臂115垂直，第一柔性铰111的一侧与导向外框架10的内壁连接、另一侧与第一连接臂114的一侧连接，第一连接臂114的另一侧与第二柔性铰112的一侧连接，第二柔性铰112的另一侧与第二连接臂115的一侧连接，第二连接臂115的另一侧与第三柔性铰113的一侧连接，第三柔性铰113的另一侧与负载平台12的角部外壁连接。

如图1、图5、图7、图8所示，中间导向平台1上安装有测量负载平台X向位移的第一位移传感器4和测量负载平台Y向位移的第二位移传感器5。第一位移传感器4为电容式微位移传感器，包括具有第一支架40的第一动极板41和具有第一安装座42的第一定极板43，第一安装座42的两端部开设有第一安装条形孔44，第一支架40通过锁紧螺钉固定连接在负载平台12的右侧部上表面，第一安装座42通过锁紧螺钉与第一安装条形孔44的配合而固定连接在导向外框架10的右侧部上表面，且第一动极板41与第一定极板43竖直正对。第二位移传感器5为电容式微位移传感器，包括具有第二支架50的第二动极板51和具有第二安装座52的第二定极板53，第二安装座52的两端部开设有第二安装条形孔54，第二支架50通过锁紧螺钉固定连接在负载平台12的前侧部下表面，第二安装座52通过锁紧螺钉与第二安装条形孔54的配合而固定连接在导向外框架10的前侧部下表面，且第二动极板51与第二定极板53竖直正对。

如图6所示，X向致动平台2为一体成型结构，包括第一外框架20和位于第一外框架20内且驱动负载平台12沿X方向移动的X向致动机构，X向致动机构为前后对称结构，包括两个X向执行器约束机构22和一个沿Y方向布置的第一连接块21，X向执行器约束机构22为对称的椭圆形柔性片簧结构，X向执行器约束机构22内预压紧有叠堆型压电陶瓷执行器6， X向执行器约束机构22的X向长度随叠堆型压电陶瓷执行器6的长度而变化，其中一个X向执行器约束机构22的右端通过柔性铰链与第一外框架20的右内壁后部连接、左端通过柔性铰链与第一连接块21的后端部右侧连接，第一连接块21的后端部左侧通过一个第一L形柔性片簧23与第一外框架20的左内壁后部连接，另一个X向执行器约束机构22的右端通过柔性铰链与第一外框架20的右内壁前部连接、左端通过柔性铰链与第一连接块21的前端部右侧连接，第一连接块21的前端部左侧通过另一个第一L形柔性片簧23与第一外框架20的左内壁前部连接，第一连接块21通过锁紧螺钉与负载平台12的左侧部紧固连接。

Y向致动平台3为一体成型结构，包括第二外框架30和位于第二外框架30内且驱动负载平台沿Y方向移动的Y向致动机构，Y向致动机构为左右对称结构，包括两个Y向执行器约束机构32和一个沿X方向布置的第二连接块31，Y向执行器约束机构32为对称的椭圆形柔性片簧结构，Y向执行器约束机构32内预压紧有叠堆型压电陶瓷执行器6，Y向执行器约束机构32的Y向长度随叠堆型压电陶瓷执行器6的长度而变化，其中一个Y向执行器约束机构32的前端通过柔性铰链与第二外框架30的前内壁左部连接、后端通过柔性铰链与第二连接块31的左端部前侧连接，第二连接块31的左端部后侧通过一个第二L形柔性片簧33与第二外框架30的后内壁左部连接，另一个Y向执行器约束机构32的前端通过柔性铰链与第二外框架30的前内壁右部连接、后端通过柔性铰链与第二连接块31的右端部前侧连接，第二连接块31的右端部后侧通过另一个第二L形柔性片簧33与第二外框架30的后内壁右部连接，第二连接块31通过锁紧螺钉与负载平台12的后侧部紧固连接。

从上至下第一外框架20、导向外框架10、第二外框架30通过定位销钉定位，并通过锁紧螺钉紧固连接。负载（比如镜头、超声波探头、激光探头等）安装在负载平台12上，通过负载平台12带动负载做X、Y方向的微动。与第一位移传感器4、第二位移传感器5电连接的前置放大模块7安装在X向致动平台2的上表面。

本发明的工作过程如下：

当需要负载平台12沿X方向移动期望位移x_d时，控制电路输出电压信号，预压紧在X向执行器约束机构22内的叠堆型压电陶瓷执行器6接收到该电压信号后，伸长或者缩短，X向执行器约束机构22相应的沿X方向伸长或者缩短，X向执行器约束机构22推动或者拉动第一连接块21沿X方向移动，第一连接块21带动负载平台12沿X方向移动，第一位移传感器4的第一动极板41与第一定极板43之间的距离增大或者减小，第一位移传感器4实时输出反映第一动极板41与第一定极板43之间的距离变化的电信号，经前置放大模块7放大，再经相应处理后，转化成负载平台12沿X方向移动位移的变化量，并反馈给控制电路，实现对负载平台12沿X方向移动位移的闭环控制。

当需要负载平台12沿Y方向移动期望位移y_d时，控制电路输出电压信号，预压紧在Y向执行器约束机构32内的叠堆型压电陶瓷执行器6接收到该电压信号后，伸长或者缩短，Y向执行器约束机构32相应的沿Y方向伸长或者缩短，Y向执行器约束机构32推动或者拉动第二连接块31沿Y方向移动，第二连接块31带动负载平台12沿Y方向移动，第二位移传感器5的第二动极板51与第二定极板53之间的距离增大或者减小，第二位移传感器5实时输出反映第二动极板51与第二定极板53之间的距离变化的电信号，经前置放大模块7放大，再经相应处理后，转化成负载平台12沿Y方向移动位移的变化量，并反馈给控制电路，实现对负载平台12沿Y方向移动位移的闭环控制。

如图9所示，对微位移扫描定位工作台进行控制时，可以采用输入前信号整定+前馈与反馈的混合控制算法，其中输入前信号整定主要是滤除工作台自然谐振频率段的频率分量信号，避免工作台自由振荡运动，前馈控制算法主要用于提高工作台的快速响应时间，并建立叠堆型压电陶瓷执行器的非线性模型以补偿其非线性，PID反馈控制主要用于对第一、第二位移传感器反馈的信号进行精密修正，保证高精度输出。

如图10所示，对微位移扫描定位工作台进行控制的控制电路包括FPGA、第一DAC（即第一D/A转换器）、第二DAC、ADC（即A/D转换器）、传感器解调电路和驱动器。由FPGA与第一DAC转换电路构成DDS数字频率合成器，产生高稳定的正弦波参考信号用于激励第一、第二位移传感器，第一位移传感器将X向位移信号转换为调幅信号，第二位移传感器将Y向位移信号转换为调幅信号，经过传感器解调电路解调成相应的X向、Y向位移信号（为模拟信号），再经过ADC反馈回FPGA，FPGA接收到由上位机发送的信号并进行相应的反馈控制处理后通过第二DAC转换为两路压电控制信号（为模拟信号），并分别输入到驱动器的输入端，驱动器将该信号进行功率放大后输出给相应的叠堆型压电陶瓷执行器，然后FPGA将信号发送回上位机。

Claims (7)

1.一种直推型二维快速微位移扫描定位工作台，其特征在于：包括从上至下依次安装的X向致动平台（2）、中间导向平台（1）和Y向致动平台（3）；所述中间导向平台（1）为一体成型结构，包括导向外框架（10）和四个角部通过柔性连接件（11）连接在导向外框架（10）内的负载平台（12），所述X向致动平台（2）为一体成型结构，包括第一外框架（20）和驱动负载平台沿X方向移动的X向致动机构，所述X向致动机构柔性连接在第一外框架（20）内，所述Y向致动平台（3）为一体成型结构，包括第二外框架（30）和驱动负载平台沿Y方向移动的Y向致动机构，所述Y向致动机构柔性连接在第二外框架（30）内，所述第一外框架（20）、导向外框架（10）、第二外框架（30）紧固连接，所述中间导向平台（1）上安装有测量负载平台X向位移的第一位移传感器（4）和测量负载平台Y向位移的第二位移传感器（5）；

所述X向致动机构为前后对称结构，包括两个X向执行器约束机构（22）和沿Y方向布置的第一连接块（21），X向执行器约束机构（22）内预压紧有叠堆型压电陶瓷执行器（6），X向执行器约束机构（22）的X向长度随叠堆型压电陶瓷执行器（6）的长度而变化，X向执行器约束机构（22）的右端通过柔性铰链与第一外框架（20）的右内壁连接、左端通过柔性铰链与第一连接块（21）的一端部连接，第一连接块（21）的该端部通过第一L形柔性片簧（23）与第一外框架（20）的左内壁连接，所述第一连接块（21）与所述负载平台（12）的左侧部紧固连接。

2.根据权利要求1所述的直推型二维快速微位移扫描定位工作台，其特征在于：所述Y向致动机构为左右对称结构，包括两个Y向执行器约束机构（32）和沿X方向布置的第二连接块（31），Y向执行器约束机构（32）内预压紧有叠堆型压电陶瓷执行器（6），Y向执行器约束机构（32）的Y向长度随叠堆型压电陶瓷执行器（6）的长度而变化，Y向执行器约束机构（32）的前端通过柔性铰链与第二外框架（30）的前内壁连接、后端通过柔性铰链与第二连接块（31）的一端部连接，第二连接块（31）的该端部通过第二L形柔性片簧（33）与第二外框架（30）的后内壁连接，所述第二连接块（31）与所述负载平台（12）的后侧部紧固连接。

3.根据权利要求2所述的直推型二维快速微位移扫描定位工作台，其特征在于：所述X向执行器约束机构（22）为对称的椭圆形柔性片簧结构，所述Y向执行器约束机构（32）为对称的椭圆形柔性片簧结构。

4.根据权利要求1至3任一项所述的直推型二维快速微位移扫描定位工作台，其特征在于：

所述第一位移传感器（4）为电容式微位移传感器，包括具有第一支架（40）的第一动极板（41）和具有第一安装座（42）的第一定极板（43），第一支架（40）固定连接在所述负载平台（12）的右侧部上表面，第一安装座（42）固定连接在所述导向外框架（10）的右侧部上表面，且第一动极板（41）与第一定极板（43）竖直正对；

所述第二位移传感器（5）为电容式微位移传感器，包括具有第二支架（50）的第二动极板（51）和具有第二安装座（52）的第二定极板（53），第二支架（50）固定连接在所述负载平台（12）的前侧部下表面，第二安装座（52）固定连接在所述导向外框架（10）的前侧部下表面，且第二动极板（51）与第二定极板（53）竖直正对。

5.根据权利要求4所述的直推型二维快速微位移扫描定位工作台，其特征在于：

所述第一安装座（42）的两端部开设有第一安装条形孔（44），所述第二安装座（52）的两端部开设有第二安装条形孔（54）。

6.根据权利要求5所述的直推型二维快速微位移扫描定位工作台，其特征在于：与所述第一、第二位移传感器（4、5）电连接的前置放大模块（7）安装在X向致动平台（2）的上表面。

7.根据权利要求6所述的直推型二维快速微位移扫描定位工作台，其特征在于：所述柔性连接件（11）由第一、第二、第三柔性铰（111、112、113）和第一、第二连接臂（114、115）构成，第一柔性铰（111）的一侧与导向外框架（10）的内壁连接、另一侧与第一连接臂（114）的一侧连接，第一连接臂（114）的另一侧与第二柔性铰（112）的一侧连接，第二柔性铰（112）的另一侧与第二连接臂（115）的一侧连接，第二连接臂（115）的另一侧与第三柔性铰（113）的一侧连接，第三柔性铰（113）的另一侧与所述负载平台（12）的角部外壁连接。

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