CN110076734A - 气动波纹管驱动超精密二维定位平台 - Google Patents

Abstract

本发明属于超精密机械技术领域，涉及一种超精密定位平台。超精密二维定位平台，包括气动伺服定位平台；所述的气动伺服定位平台包括气浮导轨、波纹管、支撑系统、载物台、气源；所述的支撑系统包括互相垂直的X轴支撑架Y轴支撑架；所述气浮导轨安装在支撑系统上；所述波纹管与气浮导轨连接，用于驱动气浮导轨在两个自由度X、Y方向上位移；所述载物台安装在所述气浮导轨上；所述波纹管和气浮导轨与气源连接。本发明的气动波纹管驱动超精密二维定位平台，平台两个自由度X，Y方向上的位移，都是由电气比例阀通过控制波纹管的伸缩，驱动气浮导轨来实现的。相比现有技术，本发明的平台结构精简，能够实现平台的二维超精密定位。

Description

气动波纹管驱动超精密二维定位平台

技术领域

本发明属于超精密机械技术领域，涉及一种超精密定位平台。

背景技术

超精密定位工作台是集精密位置检测技术、直线导向技术、控制技术等多种技术为一体的综合体。随着超精密加工技术、微型电子技术、微纳制造技术、以及生物技术等领域的快速发展，超精密定位技术成为目前工业领域的研究重点之一。超精密定位水平不仅是制造业的技术基础，更关乎着国家的工业制造水平，随着尖端科技领域的发展，微纳加工技术和生物技术的需求尺寸逐渐达到亚微米乃至纳米级，超精密定位技术作为基础支撑技术之一变得日益重要。

传统意义上的定位技术研究比较成熟，在超精密领域，超精密定位系统主要采用电驱动模式，压电驱动系统精度高，但其负载较小且行程较小；齿轮电机驱动行程大，但是密封件、轴承、齿轮等中间传动机构，不仅导致了平台机械架构的复杂性，增加了定位平台的制造成本，而且直接影响着精密定位技术的精度。与电驱动系统需要冗杂的传动器件相比，气动伺服系统可以直接驱动平台移动，不会存在电磁干扰、散热不良等问题，功率质量比优势明显。与液压伺服系统相比较，气动系统除了具有成本低廉，结构简单的优点之外，由于其工作介质是空气，还无须考虑工作介质泄露对环境产生污染。但是，气体的压缩性极强，普通控制策略难以使得气动伺服系统达到精度要求。然而，随着学者对控制策略的不断研究探索，气动执行器逐渐被广泛。气缸是最主要的一种气动执行机构，但气缸定位精度不高、摩擦较大。为降低驱动元件对环境的影响，解决超精密定位行程和精度的矛盾，开发一种新的驱动机构和结构形式成为一项超精密定位领域的重要研究内容。

气动波纹管是一种新型的驱动元件，它具有一定的耐压性而且能够通过改变管腔内部的气体压力进行伸缩运动。相比于其他驱动元件，其本身的伸缩操作范围是相当可观的，且不存在摩擦力。金属波纹管能够满足定位平台在大行程运动条件下实现高精度定位，在众多尖端技术领域，加工需求尺寸已达到微米级，甚至于纳米级的精度。然而现有的国产超精密定位平台难以满足使用需求，因此，研发具有高精度、高速度、稳定性强、重负载、性价比高等性能的超精密定位平台是一项急需解决的问题。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明提供一种气动波纹管驱动超精密二维定位平台。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：超精密二维定位平台，包括气动伺服定位平台，所述的气动伺服定位平台包括气浮导轨、波纹管、支撑系统、载物台、气源；所述的支撑系统包括互相垂直的X轴支撑架Y轴支撑架；所述气浮导轨安装在支撑系统上；所述波纹管与气浮导轨连接，用于驱动气浮导轨在两个自由度X、Y方向上位移；所述载物台安装在所述气浮导轨上；所述波纹管和气浮导轨与气源连接。

进一步的，所述的Y轴支撑架包括位于X轴支撑架两端的第一Y轴支撑架架；所述第一Y轴支撑架架上安装有第一气浮导轨；所述X轴支撑架的两端与所述第一气浮导轨固定连接。

进一步的，所述X轴支撑架上安装有第二气浮导轨；所述载物台安装在第二气浮导轨的顶部。

进一步的，沿所述X轴支撑架方向设有X轴波纹管，所述X轴波纹管一端与其中一个第一气浮导轨上的支撑座连接；另一端通过第一连接块与第二气浮导轨连接；所述第一连接块的另一侧通过预紧弹簧与另一个第一气浮导轨上的支撑座连接。

进一步的，沿第一Y轴支撑架方向设有Y轴波纹管；所述Y轴波纹管一端固定在其中一个支撑座上，另一端与第二连接块连接；所述第二连接块的另一侧通过预紧弹簧与另一个支撑座连接。

进一步的，所述Y轴波纹管下方设有第二Y轴支撑架，所述第二连接块的下方通过滑套与第二Y轴支撑架滑动连接。

进一步的，所述的气源包括空气压缩机、管道、减压阀、电气比例阀；空气压缩机通过管道与减压阀连接，减压阀通过管道与电气比例阀连接；电气比例阀引出的管道分别连接波纹管和气浮导轨。

作为本发明的一种优选方式，所述的气动伺服定位平台包括位移检测元件，所述位移检测元件与气浮导轨连接，用于检测气浮导轨的位移量；

作为本发明的一种优选方式，所述的位移检测元件为光栅尺。

作为本发明的一种优选方式，所述的波纹管为U型波纹管。

本发明的气动波纹管驱动超精密二维定位平台，平台两个自由度X，Y方向上的位移，都是由电气比例阀通过控制波纹管的伸缩，驱动气浮导轨来实现的。相比现有技术，本发明的平台结构精简，能够实现平台的二维超精密定位。

附图说明

图1是本发明的气动波纹管驱动超精密二维定位平台的气动伺服定位平台的前视图；

图2是气动伺服定位平台的轴测图；

图3是气动伺服定位平台的轴测图（拆掉载物台）；

图4是气动伺服定位平台的局部结构示意图；

图5是X轴支撑架的轴测图；

图6是X轴支撑架的后视图；

图7是气源的结构连接示意图；

图8是本发明的超精密二维定位平台的控制系统框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的超精密二维定位平台做详细的介绍。

本实施例的超精密二维定位平台，主要包括气动伺服定位平台、气源系统、控制系统。控制系统包括上位机系统和下位机控制系统。

如图1和图2所示，气动伺服定位平台包括底座1、固定在底座1上的第一Y轴支撑架3，以及第一支撑座11和与第一支撑座相对的第二支撑座15。在底座1两侧的两个第一Y轴支撑架3上安装有第一气浮导轨6。沿垂直于第一Y轴支撑架的方向设有X轴支撑架2，X轴支撑架2的两端通过螺栓与两侧的第一气浮导轨6固定在一起。X轴支撑架2和第一Y轴支撑架3构成了呈“工”字形的支撑系统。

如图2所示，在X轴支撑架2上安装有第二气浮导轨7。第二气浮导轨7的上方安装有第一连接块8，第一连接块8的顶部通过螺栓固定有载物台17。

如图2和图3所示，在X轴支撑架2的上方设有X轴波纹管4。X轴波纹管4的一端通过螺栓固定在左侧的第一气浮导轨6上连接的圆形支撑座13上，另一端固定在第一连接块8上。第一连接块8和右侧的第一气浮导轨6上的扇形支撑座14之间，设有第一预紧弹簧5。

在左、右两个第一Y轴支撑架之间，设有沿Y轴方向的Y轴波纹管12。Y轴波纹管12的一端通过螺栓固定在第一支撑座11上，另一端固定在第二连接块18上。第二连接块18的另一侧与第二支撑座15之间设有第二预紧弹簧16。

第一预紧弹簧5和第二预紧弹簧16的设置，使得波纹管移动时，弹簧收缩，减少波纹管移动阻力，可以促进波纹管的移动。同时，预紧弹簧也加强了波纹管、连接块与两端支撑座的连接，提高整个平台的机械稳定性。

为了进一步增加平台的稳定性，在左、右两个第一Y轴支撑架3之间设有第二Y轴支撑架10，第二Y轴支撑架10位于Y轴波纹管12的下方。第二支撑座15固定在第二Y轴支撑架10的外侧端。

需要说明的是，当不设置第二Y轴支撑架10时，为了固定第二预紧弹簧16，在底座1上设置的第二支撑座15与第一支撑座11的结构相同。

如图5、6、7所示，第二连接块18的下方设有滑套19。滑套19套装在第二Y轴支撑架10的横梁上，从而使第二连接块18能够在第二Y轴支撑架10上沿Y轴方向移动。

本实施例作为一种优选方式，如图5所示，第一连接块8和第二连接块18固定在一起。并且，X轴支撑架2与滑套19的两侧固定连接，从而将X轴支撑架2、两个第一气浮导轨6、圆形支撑座13、扇形支撑座14以及X轴波纹管4、第一连接块8、第二连接块18、第一预紧弹簧5、第一气浮导轨7、载物台17组成一个整体。

本实施例作为一种优选方式，为了使X轴支撑架2与滑套19连接起来，X轴支撑架2设计为两段结构相同的工件，两段工件分别用螺栓固定或焊接在滑套19的两侧，如图5、6所示。作为另一种优选方式，X轴支撑架2和滑套19也可以加工成一体工件。

为了实现本发明的超精密二维定位平台精确定位的目的，在气浮导轨上连接有光栅尺9，光栅尺9固定在第一Y轴支撑架3上，用于检测第一气浮导轨6的位移量。在第二气浮导轨7上也连接有光栅尺，用于检测第二气浮导轨7的位移量。光栅尺可以通过RS232接口适配器，将采集到的信号传递给编码器进而传递给与编码器相连接的上位机系统。

因为U型波纹管轴向承受压力较大且输出位移大，所以本实施例的X轴波纹管和Y轴波纹管采用U型结构波纹管，选用不锈钢材质波纹管。

本实施例的超精密二维定位平台，还包括用于驱动气动伺服定位平台的气源系统，如图7所示，包括依次连接的气源20、减压阀21、电气压力比例阀22和气体分流装置23。从气体分流装置23中引出数条导气管，分别与气浮导轨25、波纹管24连接，将气体导入气浮导轨和波纹管中。本实施例中气源选用小型空气压缩机。

本发明的超精密二维定位平台，其工作原理如下：下位机控制系统采用STM32单片机作为控制器核心，编写波纹管控制程序，与上位机系统通过RS232连接，上位机系统通过Labview设计友好人机交互方式，一方面向下位机控制系统发送指令，另一方面监视整个平台的定位功能。系统结构框图如图8所示。

由气源20提供压缩气体，首先通入减压阀21，经过降温、除湿、净化、降压等过程后，将气压恒定在0.4MPa。从减压阀21另一端引出一个气管通向电气压力比例阀22，电气压力比例阀22另一端再引出一根气管连接气体分流装置23，从气体分流装置23上引出多个气管与波纹管和气浮导轨相连接。使用ITV2050电气比例阀调节气源输出气压，达到控制波纹管伸缩的目的，光栅尺9用于检测气浮导轨的位置信息并通过D/A转换模块反馈到STM32单片机。

对于自由度X轴方向，X轴波纹管4通过压缩空气伸缩时，推动X轴支撑架2上的第二气浮导轨7及连接在第二气浮导轨7上的第一连接块8以及载物台17运动；此时，第一Y轴支撑架3上的两个第一气浮导轨6与X轴支撑架2刚性连接，仅仅起到支撑作用，不会在Y轴方向上发生运动。

对于自由度Y轴方向，Y轴波纹管12通过压缩空气伸缩时，推动第二连接块18沿Y轴方向运动。由于第二连接块18、滑套19、X轴支撑架2、第一连接块8、第一气浮导轨7、载物台17、两个第一气浮导轨6、圆形支撑座13、扇形支撑座14以及X轴波纹管4、第一预紧弹簧5形成了一个整体。因此Y轴波纹管12的伸缩会带动这个整体在Y轴方向上移动，此时X轴波纹管4不会在X轴上发生伸缩，更不会发生弹性形变，仅仅是跟随上述的整体在Y轴方向上移动。整个平台的运动过程是先实现X轴方向上的定位，再实现Y轴方向上的定位，相互独立，互不影响，最终完成二维超精密定位的目的。

需要说明的是，本实施例中由于第二Y轴支撑架10的存在，使第二气浮导轨7在X轴方向上的运动行程仅限于第二Y轴支撑架10右侧的区域。但是，本发明的超精密二维定位平台，第二气浮导轨7在X轴上的运动行程并不限于这一种情形。如果排除第二Y轴支撑架10的影响，第二气浮导轨7在X轴方向上的运动行程会有所增大。

本发明的超精密二维定位平台，移动部分采用封闭式矩形气浮导轨作为支撑，气浮导轨的上下、左右两壁均有气孔，当气体进入气浮导轨后，气浮导轨会在上下左右四个面产生静压支撑，提高了静压轴承的刚度以及系统的导向性，实现定位平台低摩擦移动。位移检测元件采用Mercury3500超精密光栅尺进行检测，系统通过光栅尺检测出的位移量，将其与输入信号进行比较。STM32单片机通过D/A转换器输出电压信号，进而控制ITV2050电气压力比例阀阀门的大小，电气压力比例阀可调节波纹管管腔压力，使波纹管发生形变，产生伸缩，控制波纹管的位移，从而实现平台二维超精密定位的目的。

Claims (10)

1.超精密二维定位平台，包括气动伺服定位平台；其特征在于：所述的气动伺服定位平台包括气浮导轨、波纹管、支撑系统、载物台、气源；所述的支撑系统包括互相垂直的X轴支撑架Y轴支撑架；所述气浮导轨安装在支撑系统上；所述波纹管与气浮导轨连接，用于驱动气浮导轨在两个自由度X、Y方向上位移；所述载物台安装在所述气浮导轨上；所述波纹管和气浮导轨与气源连接。

2.根据权利要求1所述的超精密二维定位平台，其特征在于：所述的Y轴支撑架包括位于X轴支撑架两端的第一Y轴支撑架架；所述第一Y轴支撑架架上安装有第一气浮导轨；所述X轴支撑架的两端与所述第一气浮导轨固定连接。

3.根据权利要求2所述的超精密二维定位平台，其特征在于：所述X轴支撑架上安装有第二气浮导轨；所述载物台安装在第二气浮导轨的顶部。

4.根据权利要求3所述的超精密二维定位平台，其特征在于：沿所述X轴支撑架方向设有X轴波纹管，所述X轴波纹管一端与其中一个第一气浮导轨上的支撑座连接；另一端通过第一连接块与第二气浮导轨连接；所述第一连接块的另一侧通过预紧弹簧与另一个第一气浮导轨上的支撑座连接。

5.根据权利要求4所述的超精密二维定位平台，其特征在于：沿第一Y轴支撑架方向设有Y轴波纹管；所述Y轴波纹管一端固定在其中一个支撑座上，另一端与第二连接块连接；所述第二连接块的另一侧通过预紧弹簧与另一个支撑座连接。

6.根据权利要求5所述的超精密二维定位平台，其特征在于：所述Y轴波纹管下方设有第二Y轴支撑架，所述第二连接块的下方通过滑套与第二Y轴支撑架滑动连接。

7.根据权利要求1-6任一项所述的超精密二维定位平台，其特征在于：所述的气源包括空气压缩机、管道、减压阀、电气比例阀；空气压缩机通过管道与减压阀连接，减压阀通过管道与电气比例阀连接；电气比例阀引出的管道分别连接波纹管和气浮导轨。

8.根据权利要求7所述的超精密二维定位平台，其特征在于：所述的气动伺服定位平台包括位移检测元件，所述位移检测元件与气浮导轨连接，用于检测气浮导轨的位移量。

9.根据权利要求8所述的超精密二维定位平台，其特征在于：所述的位移检测元件为光栅尺。

10.根据权利要求1-6、8、9任一项所述的超精密二维定位平台，其特征在于：所述的波纹管为U型波纹管。