CN109676403B - 一种大行程高速高精度宏微复合运动平台 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种大行程高速高精度宏微复合运动平台，包括底座、X向驱动装置、Y向驱动装置、X向移动组件、Y向移动组件、Z向伸缩装置和微运动补偿单元、宏微位移检测装置以及工控机。底座、X向驱动装置、Y向驱动装置、X向移动组件、Y向移动组件和Z向伸缩装置构成宏运动机构，在工控机的控制下，可以实现终端平台沿X、Y、Z向的大行程宏运动，其运动平稳、效率高；微运动补偿单元构成微运动机构，在工控机的控制下，可以实现终端平台沿三轴方向小范围内的运动微调，达到三维协同XYZ精密运动误差补偿、三轴振动协同快速抑制的技术效果。上述大行程高速高精度宏微复合运动平台，可以实现微电子产品的大行程、高速、高精度、平稳运动。

Description

一种大行程高速高精度宏微复合运动平台

技术领域

本发明涉及微电子技术领域，更具体地说，涉及一种大行程高速高精度宏微复合运动平台。

背景技术

微电子产品高质量高产能的制造，取决于关键机构的高精度定位与高加速度运动的二者兼顾，高精度、高加速度运动及定位可以采用宏微运动相结合的复合运动来实现，然而，宏微复合高速运动及其子系统运动的切换机理及行为描述等核心问题，包括数字描述、振动行为、运动特性以及稳定性评价等，一直未得以有效解决。高速精密运动平台的结构设计、在振动抑制方法设计及控制策略的确定，成为提高当前与未来微电子制造装备及其运动平台的关键。此外，微纳米运动生成的致动器系统，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影响约束及影响，是多学科融合的科学机理，尤其是材料特性、结构尺寸与组成成份对非线性迟滞、蠕变与漂移效应的物理本质与影响规律，相关理论的缺欠，一直限制着高速运动平台的精确性。宏微高速精密运动平台的设计，已经成为制约微电子制造装备向着大行程、高速、高加速度、高精度等高性能指标发展的瓶颈。

针对高速宏微运动平台应用中还存在的众多问题，例如，高加速度运动与精密定位要求的系统隔振与减振问题、宏动、微动平台间的运动切换问题、协调控制等等。

发明内容

本发明的目的是提供一种大行程高速高精度宏微复合运动平台，实现了微电子产品的大行程、高速、高精度、平稳运动。

本发明提供一种大行程高速高精度宏微复合运动平台，包括：

底座、安装于所述底座的X向驱动装置和Y向驱动装置、安装于所述X向驱动装置和所述Y向驱动装置的X向移动组件及Y向移动组件；

还包括安装于所述X向移动组件及所述Y向移动组件、用以连接终端平台的Z向驱动装置和微运动补偿单元；

还包括用以分别检测X向、Y轴、Z轴向的宏位移及微位移的宏微位移检测装置；

还包括与所述宏微位移检测装置相连、用以控制所述X向驱动装置、所述Y向驱动装置、所述Z向驱动装置以及所述微运动补偿单元运行的工控机。

优选的，所述底座包括第一底板和安装于所述第一底板上表面的基板，所述基板上安装有周向分布的四个导轨支撑架，沿X向方向设置的两个所述导轨支撑架上各安装有X向宏动导轨，沿Y轴方向设置的两个所述导轨支撑架上各安装有Y向宏动导轨。

优选的，所述X向驱动装置和所述Y向驱动装置的数量各为两个，各所述X向驱动装置以及各所述Y向驱动装置贴合于所述基板的侧壁设置。

优选的，所述X向移动组件和所述Y向移动组件均包括电机扩展板和固连于所述电机扩展板侧壁上、用以沿所述X向宏动导轨或者所述Y向宏动导轨滑动的宏动滑块，以及安装于全部所述电机扩展板上的井字型固定梁及滑轨。

优选的，所述宏微位移检测装置包括光栅尺和用以读取所述光栅尺数值的光栅尺读数头，所述光栅尺读数头与所述工控机相连。

优选的，所述终端平台的内部镶嵌有用以检测所述终端平台的振动频率及幅值，并将检测结果转换成电信号发送至所述工控机的加速度计。

优选的，所述微运动补偿单元包括第二底板、X向精密补偿单元、Y向精密补偿单元和Z向精密补偿单元。

优选的，所述第二底板的中心处开设有用以供所述X向精密补偿单元穿过的底板方形通孔，所述第二底板的上表面固设有相对设置的一对底板凸块；

所述Y向精密补偿单元包括：

Y向微动台，中心处设有用以供所述X向精密补偿单元穿过的Y向方形通孔，Y向微动台的上表面固设有相对设置的一对Y向凸块，Y向微动台的底面固设有相对设置的一对Y向安装块；

Y向高刚压缩弹簧，套装于所述底板凸块；

Y向压电陶瓷，与所述底板凸块相抵，用以当所述Y向伸缩装置接收到来自于所述工控机的控制信号后进行伸缩运动；

Y向预紧螺母，用以向所述Y向高刚压缩弹簧施加预紧力；

Y向微动滑块，所述Y向微动滑块安装于所述Y向微动台的下底面；

两个所述Y向凸块、所述Y向预紧螺母及所述Y向伸缩装置分设于所述Y向方形通孔的四周。

优选的，所述X向精密补偿单元包括：

X向微动台，中心处开设有用以供所述Z向精密补偿单元穿过的X向方形通孔；

X向高刚压缩弹簧，套装于弹簧导柱上；

X向伸缩装置，与所述Y向凸块相抵，用以当接收到来自于所述工控机的控制信号后进行伸缩运动；

X向预紧螺母，安装于所述X向微动台、用以向所述X向高刚压缩弹簧施加预紧力；

X向安装块及X向交叉滚子导轨，所述X向滑块安装于所述X向微动台的下底面，所述X向滑轨安装于所述Y向微动台的上表面。

优选的，所述Z向精密补偿单元包括：

倒T型推杆，安装于终端平台的下底面；

Z向预紧螺母，套装于所述倒T型推杆上；

Z向高刚压缩弹簧，套设于所述倒T型推杆上，其上端与所述Z向预紧螺母相抵；

套筒，所述套筒设有用以供所述倒T型推杆滑动的滑动腔；

Z向伸缩装置，安装于所述滑动腔中、与所述倒T型推杆的下底面相抵、用以推动所述倒T型推杆进而推动所述终端平台运动。

本发明提供一种大行程高速高精度宏微复合运动平台，主要由宏运动机构和微运动补偿机构两部分构成，其中，底座、X向驱动装置、Y向驱动装置、X向移动组件、Y向移动组件和Z向驱动装置构成宏运动机构，可以控制终端平台沿X、Y、Z向进行大行程宏运动；微运动补偿单元则为微运动机构，可以实现三维协同误差补偿以及动态减振的功能；在工控机的控制下，X向驱动装置驱动X向移动组件进而带动X向移动组件上的Z向驱动装置、微运动补偿单元及终端平台沿X向方向宏运动；相似的，Y向驱动装置在工控机的控制下驱动Y向移动组件进而带动Y向移动组件上的Z向驱动装置、微运动补偿单元及终端平台沿Y轴方向宏运动；在Z向驱动装置的直接驱动下，使得终端平台沿Z轴方向宏运动，由此即可实现终端平台的大行程、高速高加速的宏运动控制；三轴宏位移调整完毕后，在工控机的控制下，通过微运动补偿单元即可实现终端平台沿X、Y、Z轴三轴方向的微位移调整。

与上述背景技术相比，本发明所提供的大行程高速高精度宏微复合运动平台，通过宏运动机构实现终端平台沿三轴方向的大行程、高速高加速、高精密运动，其运动平稳、效率高；通过微运动机构实现终端平台沿三轴方向小范围内的运动微调，可以实现三维协同XYZ精密运动误差补偿、三轴振动协同快速抑制。此外，本发明整体采用宏运动机构与微运动机构相复合结构，其结构紧凑、架构精简、节省安装空间，整个机构的三轴宏微运动完全解耦，各轴向宏微运动互不干涉，将终端平台直接与微运动补偿单元相连，可以减少中间传递环节，有效地提高运动精度。此外，通过宏微位移检测装置对宏、微位移进行检测，与此同时，将检测结果传输至工控机，最终实现对各驱动装置运行过程的精准控制。

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的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的大行程高速高精度宏微复合运动平台的结构示意图；

图2为图1中宏动机构的结构示意图；

图3为图2中宏动机构的信号控制图；

图4为本发明所提供的大行程高速高精度宏微复合运动平台的工作流程图；

图5为图1为中微动机构的结构示意图；

图6为图5中X向精密补偿单元的结构示意图；

图7为图5中X向精密补偿单元的另一个角度的结构示意图；

图8为图5中Y向精密补偿单元的结构示意图；

图9为图5中Y向精密补偿单元的另一个角度的结构示意图；

图10为图5中Z向精密补偿单元的结构示意图；

图11为图5中底板的结构示意图；

图12为图5中微动机构的信号控制图；

图13为X向精密补偿单元的运动原理图；

图14为Y向精密补偿单元的运动原理图；

图15为Z向精密补偿单元的运动原理图。

其中，1-终端平台、2-X向驱动装置、3-Y向驱动装置、4-工控机、5-第一底板、6-基板、7-导轨支撑架、8-X向宏动导轨、9-Y向宏动导轨、10-电机扩展板、11-宏动滑块、12-井字型固定梁及滑轨、13-X向宏动光栅尺、14-Y向宏动光栅尺、15-X向宏动光栅尺读数头安装块、16-Y向宏动光栅尺读数头安装块、17-X向宏动光栅尺读数头、18-Y向宏动光栅尺读数头、19-音圈电机、20-音圈电机支撑板、21-Z向竖直安装板、22-Z向光栅尺、23-Z向宏动光栅尺读数头、24-Z向宏动导轨、25-Z向宏动滑块、26-倒T型推杆、27-Z向预紧螺母、28-Z向高刚压缩弹簧、29-套筒、30-Z向伸缩装置、31-套筒安装块、32-Z向微动光栅尺读数头、33-第二底板、34-底板凸块、35-弹簧导柱、36-底板滑块、37-Y向微动台、38-Y向高刚压缩弹簧、39-Y向伸缩装置、40-Y向预紧螺母、41-Y向凸块、42-Z向微动光栅尺读数头安装块、43-水平安装部、44-竖直贯穿部、45-Y向弹簧导柱、46-Y向安装块、47-Y向微动滑块、48-Y向微动读数头安装块、49-Y向光栅尺读数头、50-X向光栅尺读数头、51-X向高刚压缩弹簧、52-X向伸缩装置、53-X向预紧螺母、54-X向安装块、55-X向交叉滚子导轨、56-X微动读数头安装块。

具体实施方式

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1至图4，图1为本发明所提供的大行程高速高精度宏微复合运动平台的结构示意图；图2为图1中宏动机构的结构示意图；图3为图2中宏动机构的信号控制图；图4为本发明所提供的大行程高速高精度宏微复合运动平台的工作流程图。

本发明提供一种大行程高速高精度宏微复合运动平台，包括底座，X向驱动装置2、Y向驱动装置3、X向移动组件、Y向移动组件、Z向驱动装置和微运动补偿单元；还包括用以分别检测X向、Y向、Z向的宏位移及微位移的宏微位移检测装置，以及与X向驱动装置2、Y向驱动装置3、Z向驱动装置以及微运动补偿单元相连的工控机4。

X向驱动装置2和Y向驱动装置3安装于底座上，X向移动组件及Y向移动组件分别安装在X向驱动装置2和Y向驱动装置3上，微运动补偿单元连接终端平台1，Z向驱动装置和微运动补偿单元共同安装在X向移动组件及Y向移动组件上。

当接收到来自于工控机4沿X向方向运行的控制信号后，X向驱动装置2即驱动X向移动组件进而驱动Z向驱动装置和微运动补偿单元，最终驱动终端平台1沿X向方向进行宏运动；相似的，当Y向驱动装置3接收到来自于工控机4的Y向的控制信号后，即驱动Y向移动组件及其上的Z向驱动装置和微运动补偿单元，最终驱动终端平台1沿Y向进行宏运动；当Z向驱动装置接收到Z向运动信号后，将直接驱动微运动补偿单元以及与微运动补偿单元相连的终端平台1沿Z轴方向进行宏运动；宏位移调节完毕，通过工控机4来控制宏微运动补偿单元的动作，从而实现三轴方向的微位移调整。

此外，底座上还安装有宏微位移检测装置，该宏微位移检测装置能够对三轴方向的宏位移及微位移进行实时检测，并将检测结果返回至工控机4，以使工控机4控制各驱动装置的运动过程，从而提高工作效率及运行精度。

为了实现宏微复合运动平台的轻量化设计，构成宏微复合运动平台的所有部件均可以进行合理打孔设计，以减轻各部件重量、确保各部件运动的灵活性。

本发明所提供的大行程高速高精度宏微复合运动平台，能够实现X、Y、Z向的大行程、高速度宏运动，与此同时，具有沿三轴方向进行协同精密运动误差补偿、三轴振动协同快速抑制、三向灵活高精度动作的功能，通过结构设计实现X、Y、Z三向宏微运动以及三向光栅尺安装的完全多重复和解耦；通过宏微位移检测装置，有效地实现了任务操作端的高精闭环反馈。

具体来说，上述底座包括第一底板5和基板6，基板6与第一底板5之间通过螺栓连接；四个导轨支撑架7分设于基板6的四周，基板6与四个导轨支撑架7通过螺栓连接；四个导轨支撑架7上各安装有一个导轨，沿X向设置的两个导轨支撑架7上分别安装有一个X向宏动导轨8，沿Y轴方向设置的两个导轨支撑架7上分别安装有一个Y向宏动导轨9，导轨支撑架7与各X向宏动导轨8及各Y向宏动导轨9之间均通过螺栓连接。如此设置，可以有效地降低宏运动的振动影响。

相对应的，X向驱动装置2和Y向驱动装置3的数量各为两个，各X向驱动装置2以及各Y向驱动装置3均通过螺栓等连接件安装于基板6的侧壁及第一底板5的上表面，并且四个导轨支撑架7分别靠近X向宏动导轨8及Y向宏动导轨9设置。优选的，X向驱动装置2和Y向驱动装置3均为方形直线电机，四个直线电机定子中均有可移动直线电机动子，X向移动组件和Y向移动组件安装在直线电机动子上，当直线电机动子工作时，将直接驱动X向移动组件和Y向移动组件运动。

X向移动组件和Y向移动组件均包括电机扩展板10、宏动滑块11、井字形固定梁及滑轨12，其中，电机扩展板10分别安装在上述两个X向驱动装置2及两个Y向驱动装置3上，由于X向驱动装置2和Y向驱动装置3的数量共为四个，因此，电机扩展板10和宏动滑块11的数量各为四个，电机扩展板10与X向驱动装置2及Y向驱动装置3之间通过螺栓连接，宏动滑块11用于供微运动补偿单元沿X、Y方向做宏运动；此外，井字型固定梁及滑轨12包括沿X向分布的两个X向直梁和沿Y向分布的两个Y向直梁，两个X向直梁上各安装X向直梁滑轨，且两个Y向直梁上各安装Y向直梁滑轨，构成井字型结构，井字型固定梁及滑轨12用以连接宏动机构和微动机构；X向直梁滑轨用以安装底板滑块36，两个Y向直梁滑轨设置于两个X向直梁滑轨的上方，且具有一定的间隙，以避免发生运动摩擦；井字型固定梁的两个端部分别通过螺栓固定在电机扩展板10上，这样一来，在X向驱动装置2和Y向驱动装置3的驱动力作用下，可以驱动电机扩展板10及井字型固定梁及滑轨12分别沿X向宏动导轨8和Y向宏动导轨9运动，最终带动终端平台1进行X向及Y向进行宏运动。

上述X向驱动装置2和Y向驱动装置3具体为直线电机。当直线电机接收到来自工控机4的指令后，X、Y方向设置的两个对称布置的直线电机动子同时进行同向同速的X、Y方向位移，并且X方向的位移与Y方向的位移是独立运动无不干扰的，当直线电机沿X、Y方向发生位移时，便会带动安装在电机扩展板10上的井字型固定梁及滑轨12沿着X、Y方向移动，进而带动安装在井字型固定梁及滑轨12之间的微运动补偿单元沿X、Y方向移动。

X、Y向宏位移的工作原理为：当沿X方向对称布置的两个直线电机动子接收到来自工控机4的指令后，进行同向同速运动，相似的，当沿Y方向对称布置的两个直线电机动子接收到来自工控机4的指令后，同时同速运动，并且X方向的位移与Y方向的位移相互独立、互不干扰，X向宏动导轨8及Y向宏动导轨9起到支撑直线电机动子、稳定移动的作用。

上述Z向驱动装置包括音圈电机19、音圈电机支撑板20、Z向竖直安装板21、Z向光栅尺22、Z向宏动光栅尺读数头23、Z向宏动导轨24和Z向宏动滑块25，Z向竖直安装板21的侧面安装有Z向宏动导轨24，Z向竖直安装板21的下方安装有音圈电机支撑板20，音圈电机支撑板20的上方安装有音圈电机19，音圈电机19的动子与Z向精密补偿单元相连，直接驱动Z向精密补偿单元及终端平台1沿Z向宏运动；Z向宏动滑块25可以在Z向宏动导轨24上移动。

Z向宏位移的工作原理为：音圈电机定子固定于音圈电机支撑板20上，当音圈电机动子接收到来自于工控机4的运动指令后，将推动Z向精密补偿单元沿Z向做宏运动，最终推动终端平台1沿Z向做宏运动。

也就是说，在工控机4的控制下，X向驱动装置2和Y向驱动装置3均通过驱动电机扩展板10进而驱动X向直梁或者Y向直梁、间接地驱动Z向驱动装置及微运动补偿单元的方式，最终实现终端平台1按预设位移进行宏运动；而终端平台1的Z向宏位移则是在工控机4的控制下，由音圈电机19直接驱动完成，由此即实现终端平台1沿X向、Y轴及Z轴方向的宏位移调整。

上述宏微位移检测装置包括光栅尺和光栅尺读数头，光栅尺和光栅尺读数头用以检测和反馈四个直线电机、Z向驱动装置分别在X、Y、Z方向的宏位移量，以及微运动补偿单元在X、Y、Z方向的微位移量，通过Z向宏动光栅尺读数头23与Z向光栅尺22相配合，以使工控机4控制音圈电机19运行。其中，用以检测X和Y向宏位移的两个X向宏动光栅尺13及Y向宏动光栅尺14分别安装在四个导轨支撑架7上，X向宏动光栅尺读数头安装块15和Y向宏动光栅尺读数头安装块16分别安装在电机扩展板10的侧壁上，X向宏动光栅尺读数头安装块15和Y向宏动光栅尺读数头安装块16上分别安装有X向宏动光栅尺读数头17和Y向宏动光栅尺读数头18，以分别读取X向宏动光栅尺13和Y向宏动光栅尺14上的数据；Z向竖直安装板21的侧面粘贴有Z向光栅尺22，Z向宏动滑块25的侧面连接有Z向宏动光栅尺读数头23；微运动补偿单元的X、Y、Z向各安装有微动光栅尺和微动光栅尺读数头，以分别测量X、Y和Z向微位移。

终端平台1因其板状结构，使得宏微位移检测装置整体结构不可避免地在Z向，也即竖直方向产生振动，该振动不同于Z向精密补偿单元的宏运动在减速时所产生的振动，前者所产生的振动将会直接影响Z向宏运动和Z向微运动的运动精度，故需要解决振动问题，才能保证Z向精密补偿单元在宏运动的定位精度，最终才能保证Z向精密补偿单元在微运动的定位精度。因此，为了解决上述技术问题，本发明采用在终端平台1的内部镶嵌加速度计的方法来实现，具体来说，预先在终端平台1的内部镶嵌加速度计，通过该加速度计检测出终端平台1的振动频率、幅值等振动信息，并转换成电信号发送至工控机4进行处理，最后由工控机4输出指令来控制Z向精密补偿单元的减振模式，以与微运动补偿单元所产生的Z向振动相抵消。

请参考图5至图15，图5为图1为中微动机构的结构示意图；图6为图5中X向精密补偿单元的结构示意图；图7为图5中X向精密补偿单元的另一个角度的结构示意图；图8为图5中Y向精密补偿单元的结构示意图；图9为图5中Y向精密补偿单元的另一个角度的结构示意图；图10为图5中Z向精密补偿单元的结构示意图；图11为图5中底板的结构示意图；图12为微动机构的信号控制图；图13为X向精密补偿单元的运动原理图；图14为Y向精密补偿单元的运动原理图；图15为Z向精密补偿单元的运动原理图。

上述微运动补偿单元包括第二底板33、X向精密补偿单元、Y向精密补偿单元和Z向精密补偿单元，其中，第二底板33、X向精密补偿单元、Y向精密补偿单元呈层叠式逐层堆叠，Z向精密补偿单元则呈沉孔镶嵌式布置，将Z向精密补偿单元整体镶嵌在第二底板33、X向精密补偿单元、Y向精密补偿单元之中，以形成模块化结构，这样一来，三维减振补偿器的质量在中心高度集中分布，与终端平台1紧密相连，由此可以减少终端平台1的中间传递环节，有效地提高运动精度，将其应用于各种高速高精密的运动机构上，可以实现动态减振和三维协同补偿的技术效果。

当Y向精密补偿单元工作时，Y向精密补偿单元向第二底板33施加沿Y向的作用力，由于微位移调整时第二底板33的位置固定，Y向精密补偿单元即相对于第二底板33进行与作用力相反方向的运动，进而带动安装其内部的X向精密补偿单元以及与X向精密补偿单元固定连接的Z向精密补偿单元沿Y轴方向发生微小位移，由此实现Y轴方向的位移补偿。

当X向精密补偿单元工作时，X向精密补偿单元向Y向精密补偿单元施加以沿X向的作用力，由于Y向精密补偿单元的位置固定，X向精密补偿单元即相对于Y向精密补偿单元进行与作用力相反方向的运动，进而带动Z向精密补偿单元沿X轴方向发生微小位移。

当Z向精密补偿单元工作时，Z向精密补偿单元直接带动终端平台1沿Z轴方向进行微位移调整。

具体来说，第二底板33的中心处开设有底板方形通孔，以供X向精密补偿单元穿过，第二底板33的上表面固设有相对设置的一对底板凸块34，两个底板凸块34均具有板状结构且相对设置，其中一个底板凸块34的外表面还固设有弹簧导柱35，第二底板33的底面还安装有底板滑块36，该底板滑块36安装于X向直梁滑轨上，用以沿X向直梁滑轨运动；出于提高第二底板33强度的考量，第二底板33优选为一体式结构。

上述Y向精密补偿单元包括Y向微动台37、Y向高刚压缩弹簧38、Y向伸缩装置39和Y向预紧螺母40。

Y向微动台37的中心处设有Y向方形通孔，以供X向精密补偿单元自上至下穿过Y向方形通孔并安装于Y向方形通孔内部；Y向微动台37的上表面固设有一对Y向凸块41，两个Y向凸块41均具有板状结构且相对设置，其中一个Y向凸块41的外表面还固设有Y向弹簧导柱45；此外，Y向微动台37的底面固设有相对设置的一对Y向安装块46，Y向伸缩装置39和Y向预紧螺母40均贯穿于Y向安装块46并与Y向安装块46螺纹连接。

Y向高刚压缩弹簧38套装在Y向弹簧导柱45上，Y向伸缩装置39与Y向凸块41相抵，通过Y向预紧螺母40向Y向高刚压缩弹簧38施加预紧力；此外，Y向微动台37的下底面还设有Y向微动滑块47，两者通过螺栓等连接件可拆卸安装，Y向直梁滑轨与Y向微动滑块47相配合，以供Y向微动滑块47沿Y向直梁滑轨滑动。

当Y向伸缩装置39接收到来自于工控机4的控制信号后，其活动端进行伸缩运动，由于处于微动状态下的第二底板33位置固定，这样一来，Y向伸缩装置39即推动Y向微动台37及安装于其底部的Y向微动滑块47沿着Y向直梁滑轨运动，在此过程中，带动X向精密补偿单元及连接终端平台1的Z向精密补偿单元运动，由此则实现终端平台1沿Y轴方向的微位移调节。

上述两个Y向凸块41、Y向预紧螺母40及Y向伸缩装置39分设于Y向方形通孔的四周。

上述X向精密补偿单元包括X向微动台、X向高刚压缩弹簧51、X向伸缩装置52和X向预紧螺母53。

X向微动台的中心处开设有X向方形通孔，以供Z向精密补偿单元穿过，通过螺栓将Z向精密补偿单元安装于X向方形通孔的内壁上；X向高刚压缩弹簧51套装于Y向凸块41的弹簧导柱35上；X向伸缩装置52和X向预紧螺母53分别安装在X向微动台相对的两个侧壁上，X向伸缩装置52与Y向凸块41相抵，当接收到来自于工控机4的驱动信号后进行伸缩运动；X向高刚压缩弹簧51安装后，通过X向预紧螺母53对X向高刚压缩弹簧51施加预紧力。

X向微动台的下底面安装有X向安装块54，X向安装块54起撑起和调节X向伸缩装置52安装位置的作用，安装时，应根据X向伸缩装置52的实际安装位置来设定X向安装块54的厚度，以使X向伸缩装置52与Y向凸块41相抵。

Y向微动台37的上表面安装有X向交叉滚子导轨55，利用现有技术中X向交叉滚子导轨55所具有的高精度、高刚性、无间隙、低摩擦等优点，由此可以提高终端平台1沿X方向的运动精度；X向安装块54与X向微动台之间，以及X向交叉滚子导轨55与Y向微动台37之间均通过螺栓连接，以使X向安装块54沿X向交叉滚子导轨55运动。

当X向伸缩装置52接收到来自于工控机4的控制信号后，其活动端进行伸缩运动，由于Y向微动台37的位置固定，这样一来，X向伸缩装置52即推动X向微动台及安装于其内部的Z向精密补偿单元及终端平台1沿着X向交叉滚子导轨55运动，由此则实现终端平台1沿X轴方向的微位移调节。

上述X向微动台包括水平安装部43和竖直贯穿部44，水平安装部43用以安装X向伸缩装置52及X向预紧螺母53，竖直贯穿部44穿过Y向微动台37和第二底板33，且安装于水平安装部43的下表面，优选的，水平安装部43与竖直贯穿部44为一体式结构，以提高连接强度，当然两者也可以通过螺栓可拆卸安装，易于拆卸更换，提高零件的使用寿命。

Z向精密补偿单元包括倒T型推杆26、Z向预紧螺母27、Z向高刚压缩弹簧28、套筒29和Z向伸缩装置30。

倒T型推杆26安装于终端平台1的下底面，终端平台1与倒T型推杆26之间螺纹连接；倒T型推杆26上还安装有Z向预紧螺母27和Z向高刚压缩弹簧28，Z向高刚压缩弹簧28的上端与Z向预紧螺母27相抵，以使Z向预紧螺母27向Z向高刚压缩弹簧28施加预紧力；还包括设有滑动腔的套筒29，套筒29安装在套筒安装块31上，套筒29的内部安装有Z向伸缩装置30，Z向伸缩装置30的活动端与倒T型推杆26的下底面相抵，以带动终端平台1沿Z轴方向运动。

优选的，X向伸缩装置52、Y向伸缩装置39和Z向伸缩装置30均为压电陶瓷。由上述可见，X向精密补偿单元和Y向精密补偿单元均采用压电陶瓷与高刚压缩弹簧相配合的方式来实现高精度的微位移，压电陶瓷间接挤压已经被预紧压缩的高刚压缩弹簧，使得高刚压缩弹簧产生微小形变；Z向精密补偿单元则采用直接压紧Z向高刚压缩弹簧28及推动倒T型推杆26的方式，实现对终端平台1的直接驱动。

需要说明的是，高刚压缩弹簧所发生的微小变形即为沿各轴发生的微位移，因此，利用微驱动元件压电陶瓷与高刚度压缩弹簧的结合，可避免使用柔性机构导致系统刚度下降、非线性复杂度高、误差放大等问题，提高系统的固有频率，实现高性能运动，其具有高速、高精、推力大的特点，可实现三维协同XYZ精密运动误差补偿、三轴振动协同快速抑制的功能，具有三向灵活高精度动作的特点。

为了实现各向微位移检测，可以将X、Y、Z各向设置光栅尺和光栅尺读数头，以分别测量X、Y和Z向的微位移，例如，在X向微动台的一侧安装有X微动读数头安装块56，X微动读数头安装块56上安装X向光栅尺读数头50；Y向微动台37的侧边安装有Y向微动读数头安装块48，Y向微动读数头安装块48安装有Y向光栅尺读数头49；终端平台1的下方侧边安装有Z向微动光栅尺读数头安装块42，Z向微动光栅尺读数头安装块42的侧边安装有Z向微动光栅尺读数头32，并且Z向微动光栅尺读数头32设于Z向宏动光栅尺读数头23的正上方，两者共用同一Z向光栅尺22；如此设置，通过光栅尺和光栅尺读数头的共同作用，可以对X、Y、Z向的微位移进行检测，并将检测结果反馈至工控机4。

下面以X向方向为例，对工控机4控制下的宏微运动调节过程进行说明：当需要终端平台1沿X方向运动位移为S时，可将总位移S分解成X向宏位移Sh和X向微位移Sw，首先，宏运动位移由直线电机实现大行程、高速地进给，并通过X向宏动光栅尺13进行实时的位置信号的检测与反馈，此信号将实时反馈给工控机4，并在X向宏运动结束后，工控机4把反馈的宏位移位置信号Ph与宏位移目标位置Sh做比较，即Sh-Ph；由于终端平台1在调整加减速运动中，不可避免地产生振动，而终端平台1的振动信号通过工控机4内部的数据采集卡从加速度传感器实时提取，当平台减速时，必然在高速运动情况下产生较大的振动，当主频率f1超过预定阈值频率f0，则启动微运动模块中，位于X方向水平轴向安装的X向伸缩装置52的减振功能，对终端平台1施加反向运动，实现终端平台1的快速动态减振。

当宏运动接近行程终点，且工控机4比较的Sh-Ph≤e1(e1为宏运动定位精度)成立时：若平台的振动频率f1仍然大于终端平台1稳定时要求的频率f0，则压电陶瓷继续处于减振功能状态进行动态减振；若f1≤f0成立时，系统进行压电陶瓷的功能切换和光栅信号的切换，将压电陶瓷的减振功能状态切换成为精密补偿状态，将光栅检测的位置信号也由检测宏位置信号切换成为检测反馈微运动位置信号，紧接着启动终端平台1的微驱动，并同时读取X向微动光栅尺13的微运动位置信号读数Pw，同理，工控机4将该位置信号Pw与终点位置S进行比较，通过高精度位置闭环控制，最终实现纳米级别的微定位、微补偿。

Y轴及Z轴方向的宏微运动过程与上述X向方向的宏微运动过程相同，并且，X、Y、Z轴三个方向工作同时、独立地进行，互不干扰，从而实现三维协同补偿、动态减振的功能。

由上述可知，微运动补偿单元采用压电陶瓷与高钢压缩弹簧相组合的方式，来实现高精度的微位移，采用此种方法，可以避免使用柔性弹簧所导致的系统刚度下降、非线性复杂度高、误差放大等缺点，从而提高了系统的固有频率、实现高性能运动。此外，微运动补偿单元整体呈现模块化结构设计，可应用于各种高速高精密的运动机构上，具有三维协同补偿及动态减振的功能。另外，本发明X、Y、Z三维中，每一维度的宏和微运动均设置有光栅检测，可以准确地、跨尺度地覆盖宏微紧密测量；宏微复合驱动方式可以有效解决大行程与高精度的矛盾问题，实现平台的大行程、高速高加速、高精密的运动，并且本发明利用机构中心的XYZ精密补偿模块，可实现快速振动抑制、全过程多维度精密补偿、三维高精定位的功能。

以上对本发明所提供的大行程高速高精度宏微复合运动平台进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种大行程高速高精度宏微复合运动平台，其特征在于，包括：

底座、安装于所述底座的X向驱动装置（2）和Y向驱动装置（3）、安装于所述X向驱动装置（2）和所述Y向驱动装置（3）的X向移动组件及Y向移动组件；

还包括安装于所述X向移动组件及所述Y向移动组件、用以连接终端平台（1）的Z向驱动装置和微运动补偿单元；

还包括用以分别检测X向、Y轴、Z轴向的宏位移及微位移的宏微位移检测装置；

还包括与所述宏微位移检测装置相连、用以控制所述X向驱动装置（2）、所述Y向驱动装置（3）、所述Z向驱动装置以及所述微运动补偿单元运行的工控机（4）；

所述微运动补偿单元包括第二底板（33）、X向精密补偿单元、Y向精密补偿单元和Z向精密补偿单元；

所述第二底板（33）的中心处开设有用以供所述X向精密补偿单元穿过的底板方形通孔，所述第二底板（33）的上表面固设有相对设置的一对底板凸块（34）；

所述Y向精密补偿单元包括：

Y向微动台（37），中心处设有用以供所述X向精密补偿单元穿过的Y向方形通孔，Y向微动台（37）的上表面固设有相对设置的一对Y向凸块（41），Y向微动台（37）的底面固设有相对设置的一对Y向安装块（46）；

Y向高刚压缩弹簧（38），套装于所述底板凸块（34）；

Y向伸缩装置（39），与所述底板凸块（34）相抵，用以当接收到来自于所述工控机（4）的控制信号后进行伸缩运动；

Y向预紧螺母（40），用以向所述Y向高刚压缩弹簧（38）施加预紧力；

Y向微动滑块（47），所述Y向微动滑块（47）安装于所述Y向微动台（37）的下底面；

两个所述Y向凸块（41）、所述Y向预紧螺母（40）及所述Y向伸缩装置（39）分设于所述Y向方形通孔的四周；

所述Z向精密补偿单元包括：

倒T型推杆（26），安装于终端平台（1）的下底面；

Z向预紧螺母（27），套装于所述倒T型推杆（26）上；

Z向高刚压缩弹簧（28），套设于所述倒T型推杆（26）上，其上端与所述Z向预紧螺母（27）相抵；

套筒（29），所述套筒（29）设有用以供所述倒T型推杆（26）滑动的滑动腔；

Z向伸缩装置（30），安装于所述滑动腔中、与所述倒T型推杆（26）的下底面相抵、用以推动所述倒T型推杆（26）进而推动所述终端平台（1）运动。

2.根据权利要求1所述的大行程高速高精度宏微复合运动平台，其特征在于，所述底座包括第一底板（5）和安装于所述第一底板（5）上表面的基板（6），所述基板（6）上安装有周向分布的四个导轨支撑架（7），沿X向方向设置的两个所述导轨支撑架（7）上各安装有X向宏动导轨（8），沿Y轴方向设置的两个所述导轨支撑架（7）上各安装有Y向宏动导轨（9）。

3.根据权利要求2所述的大行程高速高精度宏微复合运动平台，其特征在于，所述X向驱动装置（2）和所述Y向驱动装置（3）的数量各为两个，各所述X向驱动装置（2）以及各所述Y向驱动装置（3）贴合于所述基板（6）的侧壁设置。

4.根据权利要求2所述的大行程高速高精度宏微复合运动平台，其特征在于，所述X向移动组件和所述Y向移动组件均包括电机扩展板（10）和固连于所述电机扩展板（10）侧壁上、用以沿所述X向宏动导轨（8）或者所述Y向宏动导轨（9）滑动的宏动滑块（11），以及安装于全部所述电机扩展板（10）上的井字型固定梁及滑轨（12）。

5.根据权利要求1~4任一项所述的大行程高速高精度宏微复合运动平台，其特征在于，所述宏微位移检测装置包括光栅尺和用以读取所述光栅尺数值的光栅尺读数头，所述光栅尺读数头与所述工控机（4）相连。

6.根据权利要求1~4任一项所述的大行程高速高精度宏微复合运动平台，其特征在于，所述终端平台（1）的内部镶嵌有用以检测所述终端平台（1）的振动频率及幅值，并将检测结果转换成电信号发送至所述工控机（4）的加速度计。

7.根据权利要求1所述的大行程高速高精度宏微复合运动平台，其特征在于，所述X向精密补偿单元包括：

X向微动台，中心处开设有用以供所述Z向精密补偿单元穿过的X向方形通孔；

X向高刚压缩弹簧（51），套装于弹簧导柱（35）上；

X向伸缩装置（52），与所述Y向凸块（41）相抵，用以当接收到来自于所述工控机（4）的控制信号后进行伸缩运动；

X向预紧螺母（53），安装于所述X向微动台、用以向所述X向高刚压缩弹簧（51）施加预紧力；

X向安装块（54）及 X向交叉滚子导轨（55），所述X向安装块（54）安装于所述X向微动台的下底面，所述 X向交叉滚子导轨（55）安装于所述Y向微动台（37）的上表面。