CN109243520B - 一种宏微双驱动精密定位平台及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宏微双驱动精密定位平台及其控制方法，属于精密定位技术领域，包括基座、导轨、平台、宏微驱动器和限位机构，所述基座底部焊接有支撑柱，所述导轨通过内六角螺栓固定连接在基座上端面，且导轨滑动连接有滑块，所述平台通过内六角螺钉固定连接在滑块上端面，所述滑块一侧安装有宏动标尺光栅，所述导轨一侧安装有宏动光栅读数头，所述滑块另一侧安装有微动标尺光栅，所述导轨另一侧安装有微动光栅读数头，所述宏微驱动器安装在固定座的中间孔上，所述限位机构安装在固定座侧孔内。本发明通过宏微双驱动解决大行程与高精度之间的矛盾，采用双光栅检测方案，能够实现定位平台的全闭环控制以达到精密定位。
Description
技术领域
本发明涉及精密定位技术领域，具体涉及一种宏微双驱动精密定位平台及其控制方法。
背景技术
随着高端装备制造业的大力发展，大规模集成电路、精密机械、精密加工、生物机械工程和航天机械等领域对具有大行程、高精度、快速响应的精密定位平台有着越来越迫切的需求。宏微双驱动精密定位平台解决了精密定位技术中大行程与高精度之间的矛盾，宏微双驱动精密定位平台在工程应用中应用的越来越广泛。
目前，现有的宏微双驱动精密定位平台存在如下缺陷：一、通常是采用串联叠加的方式安装宏微双结构，使得定位平台整体结构变的更复杂，同时由于安装误差的存在，使得宏微双定位精度很低；二、宏动结构和微动结构在驱动时自身也会产生误差，不能保证宏动结构的运动能精确定位到微动结构的工作空间内(通常是微米级或纳米级)，同时微动结构在运动时也难以精确定位到理想位置。
因此，为解决大行程与高精度这一矛盾，研发出一种宏微双驱动精密定位平台及其控制方法，使得定位平台具有大行程、高精度、快速响应等优点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种宏微双驱动精密定位平台及其控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种宏微双驱动精密定位平台，包括基座、导轨、平台、宏微驱动器和限位机构，其特征在于：所述基座底部焊接有支撑柱，所述导轨通过内六角螺栓固定连接在基座上端面，且导轨滑动连接有滑块，所述平台通过内六角螺钉固定连接在滑块上端面，所述滑块一侧安装有宏动标尺光栅，所述导轨一侧安装有宏动光栅读数头，所述滑块另一侧安装有微动标尺光栅，所述导轨另一侧安装有微动光栅读数头，固定座固定安装在基座一端，所述宏微驱动器安装在固定座的中间孔上，且宏微驱动器输出端与平台一侧固定连接，所述限位机构安装在固定座侧孔内，所述基座左端焊接有支架，所述支架顶端固定安装有计算机，所述基座下端焊接有电源箱，所述宏微驱动器、限位机构、计算机、宏动光栅读数头、微动光栅读数头与电源箱电性连接；
所述导轨上安装有机械限位装置，所述机械限位装置设置有两个；
所述固定座的中轴线与导轨底座长边中心轴线在同一直线上，所述导轨底座上的螺纹孔置于导轨底座的长边中心轴向上；
所述宏微驱动器包括外壳、宏动线圈骨架、内磁轭筒、微动线圈骨架、GMM棒、输出杆和端盖，所述外壳内壁固定安装有环形磁铁，所述宏动线圈骨架放置在环形磁铁内部，且宏动线圈骨架外围绕接有宏动线圈，所述宏动线圈骨架顶端卡接有磁轭套筒，所述磁轭套筒内部固定安装有隔磁套筒，所述内磁轭筒安装在隔磁套筒内部，所述微动线圈骨架设置在内磁轭筒内部，且微动线圈骨架外围绕接有微动线圈，所述GMM棒放置在微动线圈骨架内部，且GMM棒两端均设置有导磁块，所述微动线圈骨架顶端设置有导磁筒，所述输出杆设置在导磁块顶端，所述端盖与隔磁套筒顶端通过螺纹连接，所述输出杆贯穿端盖，且端盖与输出杆之间设置有碟簧；
所述限位机构包括滑动筒、铁芯、活塞、推杆，所述滑动筒内部固定安装有铁芯，且滑动筒上设置有漏气孔，所述铁芯外围绕接有磁力线圈，所述滑动筒一侧通过螺纹连接有螺纹盖，且滑动筒滑动连接有活塞，所述活塞一侧内部固定安装有钢片，且活塞另一侧连接有推杆，所述推杆贯穿螺纹盖焊接有固定板，所述固定板另一端与端盖、隔磁套筒和磁轭套筒相接触。
优选的，所述支撑柱底端固定安装有减震垫。
优选的，所述电源箱一侧铰接有箱门，且箱门一侧安装有把手。
优选的，所述限位机构设置有两个。
一种宏微双驱动精密定位平台的控制方法，包括如下步骤：
S1：根据定位平台理想位移需要，设定理想宏动位移和理想微动位移，并计算出宏动电流信号和微动电流信号；
S2：根据宏动电流信号，宏动线圈在环形磁铁形成的磁场下受到安培力作用，形成宏动推力，实现大范围宏动；
S3：宏动光栅读数头检测宏动位移方向的位移量，并反馈；
S4：将反馈宏动位移与理想宏动位移进行比较，计算出宏动修正电流信号，对宏动位移进行修正，并判断电源箱是否发出限位电流信号；
S5：根据限位电流信号，限位机构产生限位力，控制宏动运动停止；
S6：宏动运动停止后，根据微动电流信号，微动线圈产生磁场，GMM棒在磁场的作用下伸长变形，形成微动推力，实现小范围微动；
S7：微动光栅读数头检测微动位移方向的位移量，并反馈；
S8：将反馈微动位移与理想微动位移比较，计算出微动修正电流信号，对微动位移进行修正，最终实现精密定位。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1.本发明通过宏动与微动运动的集成，解决了大行程与高精度之间的矛盾；通过宏动线圈通电实现宏动，微动线圈通电实现微动，使定位平台具有结构简单、大行程和定位精度高等优点。
2.本发明设置有限位机构，能够使得宏动运动立刻停止，保证宏动结构的运动能精确定位到微动结构的工作空间内。
3.本发明采用双光栅检测方案，宏动光栅反馈宏动位移信号，微动光栅反馈微动位移信号，通过计算机实现宏微双驱动精密定位平台的全闭环控制。
附图说明
图1为本发明的三维结构示意图；
图2为本发明的主视图；
图3为本发明的俯视图；
图4为本发明的左视图；
图5为本发明宏微驱动器的剖视结构示意图；
图6为本发明限位机构的剖视结构示意图；
图7为本发明导轨的俯视图。
图中：1-把手；2-基座；3-固定座；4-支架；5-计算机；6-宏微驱动器；7-限位机构；8-内六角螺钉；9-平台；10-滑块；11-导轨；12-支撑柱；13-减震垫；14-宏动光栅读数头；15-宏动标尺光栅；16-机械限位装置；17-固定板；18-电源箱；19-箱门；20-微动标尺光栅；21-微动光栅读数头；22-环形磁铁；23-外壳；24-宏动线圈骨架；25-导磁块；26-GMM棒；27-微动线圈；28-宏动线圈；29-隔磁套筒；30-输出杆；31-磁轭套筒；32-端盖；33-碟簧；34-导磁筒；35-微动线圈骨架；36-内磁轭筒；37-螺纹盖；38-滑动筒；39-活塞；40-磁力线圈；41-铁芯；42-钢片；43-推杆；44-漏气孔；45-内六角螺栓。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-7，本发明提供一种技术方案：一种宏微双驱动精密定位平台，包括基座2、导轨11、平台9、宏微驱动器6和限位机构7，其特征在于：所述基座2底部焊接有支撑柱12，所述导轨11通过内六角螺栓45固定连接在基座2上端面，且导轨11滑动连接有滑块10，所述平台9通过内六角螺钉8固定连接在滑块10上端面，所述滑块10一侧安装有宏动标尺光栅15，所述导轨11一侧安装有宏动光栅读数头14，所述滑块10另一侧安装有微动标尺光栅20，所述导轨11另一侧安装有微动光栅读数头21，固定座3固定安装在基座2一端，所述宏微驱动器6安装在固定座3的中间孔上，且宏微驱动器6输出端与平台9一侧固定连接，所述限位机构7安装在固定座3侧孔内，所述基座2左端焊接有支架4，所述支架4顶端固定安装有计算机5，所述基座2下端焊接有电源箱18，所述宏微驱动器6、限位机构7、计算机5、宏动光栅读数头14、微动光栅读数头21与电源箱18电性连接；
所述导轨11上安装有机械限位装置16，所述机械限位装置16设置有两个，以免平台9移动时读数头撞到标尺光栅两端，从而损坏光栅尺；
所述固定座3的中轴线与导轨11底座长边中心轴线在同一直线上，所述导轨11底座上的螺纹孔置于导轨11底座的长边中心轴向上，保证宏微驱动器6输出位移方向与导轨11滑动方向在同一条直线上；
所述宏微驱动器6包括外壳23、宏动线圈骨架24、内磁轭筒36、微动线圈骨架35、GMM棒26、输出杆30和端盖32，所述外壳23内壁固定安装有环形磁铁22，所述宏动线圈骨架24放置在环形磁铁22内部，且宏动线圈骨架24外围绕接有宏动线圈28，所述宏动线圈骨架24顶端卡接有磁轭套筒31，所述磁轭套筒31内部固定安装有隔磁套筒29，所述内磁轭筒36安装在隔磁套筒29内部，所述微动线圈骨架35设置在内磁轭筒36内部，且微动线圈骨架35外围绕接有微动线圈27，所述GMM棒26放置在微动线圈骨架35内部，且GMM棒26两端均设置有导磁块25，所述微动线圈骨架35顶端设置有导磁筒34，所述输出杆30设置在导磁块25顶端，所述端盖32与隔磁套筒29顶端通过螺纹连接，所述输出杆30贯穿端盖32，且端盖32与输出杆30之间设置有碟簧33；
所述限位机构7包括滑动筒38、铁芯41、活塞39、推杆43，所述滑动筒38内部固定安装有铁芯41，且滑动筒38上设置有漏气孔44，所述铁芯41外围绕接有磁力线圈40，所述滑动筒38一侧通过螺纹连接有螺纹盖37，且滑动筒38滑动连接有活塞39，所述活塞39一侧内部固定安装有钢片42，且活塞39另一侧连接有推杆43，所述推杆43贯穿螺纹盖37焊接有固定板17，所述固定板17另一端与端盖32、隔磁套筒29和磁轭套筒31相接触。
所述支撑柱12底端固定安装有减震垫13，保持定位平台9的稳定起到减震作用，是实现平台9精密定位的保证。
所述电源箱18一侧铰接有箱门19，且箱门19一侧安装有把手1，保证安全，且方便维护和保养。
所述限位机构7设置有两个，有利于更好的限制宏动运动部件的运动。
一种宏微双驱动精密定位平台的控制方法，包括如下步骤：
S1：根据定位平台9理想位移需要，设定理想宏动位移和理想微动位移，并计算出宏动电流信号和微动电流信号；
S2：根据宏动电流信号，宏动线圈28在环形磁铁22形成的磁场下受到安培力作用，形成宏动推力，实现大范围宏动；
S3：宏动光栅读数头14检测宏动位移方向的位移量，并反馈；
S4：将反馈宏动位移与理想宏动位移进行比较，计算出宏动修正电流信号，对宏动位移进行修正，并判断电源箱18是否发出限位电流信号；
S5：根据限位电流信号，限位机构7产生限位力，控制宏动运动停止；
S6：宏动运动停止后，根据微动电流信号，微动线圈27产生磁场，GMM棒26在磁场的作用下伸长变形，形成微动推力，实现小范围微动；
S7：微动光栅读数头21检测微动位移方向的位移量，并反馈；
S8：将反馈微动位移与理想微动位移比较，计算出微动修正电流信号，对微动位移进行修正，最终实现精密定位。
工作原理：根据定位平台9需要预先在计算机5上设置一个理想位移值，通过计算机5内相关算法算出理想宏动位移和理想微动位移，然后根据理想宏动位移和理想微动位移计算出宏动电流信号和微动电流信号，由计算机5控制电源箱18给宏动线圈28通宏动电流信号，宏动线圈28通电后在环形磁铁22形成的磁场下受到安培力作用，使得宏动线圈骨架24及其内部所有部件和宏动线圈28一起沿着轴向移动，从而推动平台9在导轨11上移动，同时通过固定板17也带动推杆43和活塞39运动，宏动光栅读数头14检测到平台9的宏动位移量，并反馈给计算机5中，通过反馈宏动位移与理想宏动位移比较，计算出宏动修正电流信号，对宏动位移进行修正，并判断电源箱18是否发出限位电流信号，当反馈宏动位移达到理想宏动位移时，计算机5控制电源箱18给限位机构7中的磁力线圈40通限位电源信号，磁力线圈40通电后对铁芯41充磁，产生巨大的磁力吸住钢片42，使得活塞39带动推杆43和固定板17对端盖32、隔磁套筒29和磁轭套筒31产生与宏动运动方向相反的推力，进而使得宏动运动停止，然后计算机5控制电源箱18给微动线圈27通微动电流信号，使微动线圈27形成通电螺线管，在其内部产生沿轴向的磁场，在磁场的作用下，GMM棒26发生伸长变形，推动输出杆30压缩碟簧33，使输出杆30产生输出位移，从而推动平台9在导轨11上微动，微动光栅读数头21检测到平台9的微动位移量，并反馈给计算机5中，通过反馈微动位移与理想微动位移比较，计算出微动修正电流信号，对微动位移进行修正，通过计算机5对精密定位平台9的全闭环控制，最终能够实现定位平台9的大行程高精度定位。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (5)
1.一种宏微双驱动精密定位平台，包括基座(2)、导轨(11)、平台(9)、宏微驱动器(6)和限位机构(7)，其特征在于：所述基座(2)底部焊接有支撑柱(12)，所述导轨(11)通过内六角螺栓(45)固定连接在基座(2)上端面，且导轨(11)滑动连接有滑块(10)，所述平台(9)通过内六角螺钉(8)固定连接在滑块(10)上端面，所述滑块(10)一侧安装有宏动标尺光栅(15)，所述导轨一侧安装有宏动光栅读数头(14)，所述滑块(10)另一侧安装有微动标尺光栅(20)，所述导轨另一侧安装有微动光栅读数头(21)，固定座(3)固定安装在基座(2)一端，所述宏微驱动器(6)安装在固定座(3)的中间孔上，且宏微驱动器(6)输出端与平台(9)一侧固定连接，所述限位机构(7)安装在固定座(3)侧孔内，所述基座(2)左端焊接有支架(4)，所述支架(4)顶端固定安装有计算机(5)，所述基座(2)下端焊接有电源箱(18)，所述宏微驱动器(6)、限位机构(7)、计算机(5)、宏动光栅读数头(14)、微动光栅读数头(21)与电源箱(18)电性连接；
所述导轨(11)上安装有机械限位装置(16)，所述机械限位装置(16)设置有两个；
所述固定座(3)的中轴线与导轨(11)底座长边中心轴线在同一直线上，所述导轨(11)底座上的螺纹孔置于导轨(11)底座的长边中心轴向上；
所述宏微驱动器(6)包括外壳(23)、宏动线圈骨架(24)、内磁轭筒(36)、微动线圈骨架(35)、GMM棒(26)、输出杆(30)和端盖(32)，所述外壳(23)内壁固定安装有环形磁铁(22)，所述宏动线圈骨架(24)放置在环形磁铁(22)内部，且宏动线圈骨架(24)外围绕接有宏动线圈(28)，所述宏动线圈骨架(24)顶端卡接有磁轭套筒(31)，所述磁轭套筒(31)内部固定安装有隔磁套筒(29)，所述内磁轭筒(36)安装在隔磁套筒(29)内部，所述微动线圈骨架(35)设置在内磁轭筒(36)内部，且微动线圈骨架(35)外围绕接有微动线圈(27)，所述GMM棒(26)放置在微动线圈骨架(35)内部，且GMM棒(26)两端均设置有导磁块(25)，所述微动线圈骨架(35)顶端设置有导磁筒(34)，所述输出杆(30)设置在导磁块(25)顶端，所述端盖(32)与隔磁套筒(29)顶端通过螺纹连接，所述输出杆(30)贯穿端盖(32)，且端盖(32)与输出杆(30)之间设置有碟簧(33)；
所述限位机构(7)包括滑动筒(38)、铁芯(41)、活塞(39)、推杆43，所述滑动筒(38)内部固定安装有铁芯(41)，且滑动筒(38)上设置有漏气孔(44)，所述铁芯(41)外围绕接有磁力线圈(40)，所述滑动筒(38)一侧通过螺纹连接有螺纹盖(37)，且滑动筒(38)滑动连接有活塞(39)，所述活塞(39)一侧内部固定安装有钢片(42)，且活塞(39)另一侧连接有推杆(43)，所述推杆(43)贯穿螺纹盖(37)焊接有固定板(17)，所述固定板(17)另一端与端盖(32)、隔磁套筒(29)和磁轭套筒(31)相接触。
2.根据权利要求1所述的一种宏微双驱动精密定位平台，其特征在于：所述支撑柱(12)底端固定安装有减震垫(13)。
3.根据权利要求1所述的一种宏微双驱动精密定位平台，其特征在于：所述电源箱(18)一侧铰接有箱门(19)，且箱门(19)一侧安装有把手(1)。
4.根据权利要求1所述的一种宏微双驱动精密定位平台，其特征在于：所述限位机构(7)设置有两个。
5.一种如权利要求1-4任一所述的一种宏微双驱动精密定位平台的控制方法，其特征在于包括如下步骤：
S1：根据定位平台(9)理想位移需要，设定理想宏动位移和理想微动位移，并计算出宏动电流信号和微动电流信号；
S2：根据宏动电流信号，宏动线圈(28)在环形磁铁(22)形成的磁场下受到安培力作用，形成宏动推力，实现大范围宏动；
S3：宏动光栅读数头(14)检测宏动位移方向的位移量，并反馈；
S4：将反馈宏动位移与理想宏动位移进行比较，计算出宏动修正电流信号，对宏动位移进行修正，并判断电源箱(18)是否发出限位电流信号；
S5：根据限位电流信号，限位机构(7)产生限位力，控制宏动运动停止；
S6：宏动运动停止后，根据微动电流信号，微动线圈(27)产生磁场，GMM棒(26)在磁场的作用下伸长变形，形成微动推力，实现小范围微动；
S7：微动光栅读数头(21)检测微动位移方向的位移量，并反馈；
S8：将反馈微动位移与理想微动位移比较，计算出微动修正电流信号，对微动位移进行修正，最终实现精密定位。
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