CN110647183B

CN110647183B - 一种高精密定位平台的减振方法、装置及设备

Info

Publication number: CN110647183B
Application number: CN201910983229.4A
Authority: CN
Inventors: 张揽宇; 梁俊朗; 高健; 钟永彬; 张金迪; 钟耿君; 赵光同
Original assignee: Guangdong University of Technology
Current assignee: Guangdong University of Technology
Priority date: 2019-10-16
Filing date: 2019-10-16
Publication date: 2021-10-01
Anticipated expiration: 2039-10-16
Also published as: CN110647183A

Abstract

本发明公开了一种高精密定位平台的减振方法，包括实时检测定位平台和目标位置点之间的相对距离；当相对距离在预设距离范围内时，控制调节减振物体向定位平台运动方向相反的方向运动，直到定位平台在目标位置点周围的振幅小于预设振幅；其中，定位平台和减振物体之间通过弹性部件连接，且定位平台的质量大于减振物体的质量。本发明的减振方法通过减振物体对定位平台产生阻力，缩短定位平台来回振动所持续的时长，在一定程度上避免定位平台的振动对高速高精度定位产生的干扰和影响，有利于高速该进度定位设备的广泛应用。本发明中还提供了一种高精密定位平台的减振装置及设备，具有上述有益效果。

Description

一种高精密定位平台的减振方法、装置及设备

技术领域

本发明涉及高速高精密定位技术领域，特别是涉及一种高精密定位平台的减振方法装置及设备。

背景技术

随着微纳技术及微电子制造领域的发展，对于微电子元器件的操作更加地精密化，如今高速高精密定位技术在芯片光刻机，生物细胞操作与金属表面缺陷检测具有极其重要的作用。振动问题是精密定位研究的一个重要问题，是精密定位操作的关键因素，是精密定位器件准确工作的保障，在高速高精密运动下，微小的细微振动和干扰对操作对象会产生严重影响，因此，高速高精密定位与振动的研究是精密操作的一项重要问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种高精密定位平台的减振方法、装置及设备，解决了在高速高精密运动下，微小的细微振动和干扰对操作对象会产生严重影响的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种高精密定位平台的减振方法，包括：

实时检测定位平台和目标位置点之间的相对距离；

当所述相对距离在预设距离范围内时，控制调节减振物体向所述定位平台运动方向相反的方向运动，直到所述定位平台在所述目标位置点周围的振幅小于预设振幅；

其中，所述定位平台和所述减振物体之间通过弹性部件连接，且所述定位平台的质量大于所述减振物体的质量。

其中，所述控制调节减振物体向所述定位平台运动方向相反的方向运动包括：

实时检测获得所述定位平台的速度数据以及所述定位平台相对于所述目标位置点的位置数据；

根据所述速度数据和所述位置数据，控制调整所述减振物体的运动速度。

其中，所述根据所述速度数据和所述位置数据，控制调整所述减振物体的运动速度包括：

根据当前时刻所述定位平台的所述速度数据和所述位置数据，获得所述定位平台和所述减振物体的总能量；其中所述总能量包括定位平台动能、定位平台振动势能以及减振物体势能；

基于能量守恒定律原理，控制调节所述减振物体的减振速度，使得所述总能量等于所述减振速度对应的减振物体动能。

其中，控制调节减振物体向所述定位平台运动方向相反的方向运动，直到所述定位平台在所述目标位置点周围的振幅小于预设振幅，包括：

根据实时检测的所述定位平台的位置数据，获得所述定位平台的所述振幅的大小；

判断所述定位平台的所述振幅是否小于所述预设振幅；若否，则进入所述控制调节减振物体向所述定位平台运动方向相反的方向运动的操作，若是，则减振结束。

本发明还提供了一种高精密定位平台的减振装置，其特征在于，包括：

数据采集模块，用于实时检测定位平台和目标位置点之间的相对距离；

减振控制模块，用于当所述相对距离在预设距离范围内时，控制调节减振物体向所述定位平台运动方向相反的方向运动，使得所述减振物体对定位平台施加阻力作用，直到所述定位平台在所述目标位置点周围的振幅小于预设振幅；

其中，所述定位平台和所述减振物体之间通过弹簧连接，且所述定位平台的质量大于所述减振物体的质量。

其中，所述减振控制模块具体用于检测获得所述定位平台的速度数据以及所述定位平台相对于所述目标位置点的位置数据；根据所述速度数据和所述位置数据，控制调整所述减振物体的运动速度。

其中，所述减振控制模块具体用于根据当前时刻所述定位平台的所述速度数据和所述位置数据，获得所述定位平台和所述减振物体的总能量；其中所述总能量包括定位平台动能、定位平台振动势能以及减振物体势能；基于能量守恒定律原理，控制调节所述减振物体的减振速度，使得所述总能量等于所述减振速度对应的减振物体动能。

本发明还提供了一种高精密定位平台的减振设备，包括：

质量小于定位平台的质量的减振物体；

连接所述减振物体和所述定位平台的弹性部件；

用于检测所述定位平台相对于目标位置点的相对距离的位置检测装置；

分别和所述减振物体、所述定位平台以及所述位置检测装置相连接，用于执行如上述任一项所述的高精密定位平台的减振方法的操作步骤的控制系统。

其中，所述减振物体为内置驱动电机的物体。

其中，弹性部件为弹性系数不小于预设系数的弹簧。

本发明所提供的高精密定位平台的减振方法，包括：实时检测定位平台和目标位置点之间的相对距离；当所述相对距离在预设距离范围内时，控制调节减振物体向所述定位平台运动方向相反的方向运动，使得所述减振物体对定位平台施加阻力作用，直到所述定位平台在所述目标位置点周围的振幅小于预设振幅；其中，所述定位平台和所述减振物体之间通过弹性部件连接，且所述定位平台的质量大于所述减振物体的质量。

本申请中的减振物体的质量相对于定位平台而言，具有更小的质量，那么小质量的减振物体相对于大质量的定位平台而言，其运动状态更加易于改变和控制；另外减振物体和定位平台之间通过弹性部件相连接，使得减振物体的运动状态可以相对于定位平台的运动状态独立改变，而又可以实现两者之间的相互作用和动能的传递；因此，在定位平台将要在目标位置点附近来回振动时，通过控制减振物体相对于定位平台的运动方向相反的方向运动，使得减振物体对定位平台产生阻力，从而减小定位平台在目标位置点周围来回振动的能量，进而缩短定位平台来回振动所持续的时长，在一定程度上避免定位平台的振动对高速高精度定位产生的干扰和影响，有利于高速该进度定位设备的广泛应用。

本发明中还提供了一种高精密定位平台的减振装置及设备，具有上述有益效果。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，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的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的高精密定位平台的减振方法的流程示意图；

图2为本发明另一具体实施例提供的高精密定位平台的减振方法；

图3为本发明实施例提供的高精度定位平台的模型结构示意图；

图4为定位平台的衰减运动位移和Δv_i的正负值的对应关系示意图；

图5为本发明实施例提供的高精密定位平台的减振装置的结构框图；

图6为本发明实施例提供的一种高精密定位平台的减振设备的结构框图。

具体实施方式

高速高精度定位平台是用于通过定位平台带动目标物体快速的移动至目标位置点，且对目标物体定位在目标位置点具有高精度的要求。

当定位平台带动目标物体到达目标位置点时，由于惯性的作用定位平台速度无法立即减为零，导致定位平台会和目标物体在目标位置点附近来回振动。而当定位平台带动目标物体达到目标位置点后，其他设备需要对目标物体进行加工操作，例如键合操作、光刻操作等等。如果目标物体在进行加工操作时，会随着定位平台在目标位置点附近来回振动，显然会严重影响加工操作的精度，且在对目标物体进行加工操作过程中，目标物体定位的目标位置点是需要频繁变动的，进而进一步增大了目标物体的振动对目标物体的加工精度产生的影响。

为此，申请人想到，可以对定位平台施加一个阻力以加快定位平台的快速定位使得定位平台在极短时间内停止振动。但是对于定位平台而言，从其移动至目标位置点，并在目标位置点附近振动的过程中，其一直处于运动状态，如果突然对定位平台施加作用力，实例物体和定位平台之间可能会产生碰撞，更加不利于定位平台的减振定位。

因此申请人进一步想到，可以通过弹性部件连接定位平台和一个质量较小的减振物体，当定位平台移动过程中，减振物体和定位平台以相同的速度共同运动，当定位平台和减振物体开始在目标位置点附近振动时，开始控制减振物体的速度，通过减振物体对定位平台施加阻力，从而使得定位平台的振动快速衰减，从而达到提高定位平台的定位精度的问题。

下面将以具体实施例对本发明中的技术方案进行详细说明。

为了使本技术领域的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。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。

如图1所示，图1为本发明实施例提供的高精密定位平台的减振方法的流程示意图，该减振方法可以包括：

步骤S11：实时检测定位平台和目标位置点之间的相对距离。

其中，定位平台和减振物体之间通过弹性部件连接，且定位平台的质量大于减振物体的质量。

具体地，在定位平台进行定位运动时，一般是先从起始点向目标位置点运动，整个运动过程是先加速后减速，且减振物体和定位平台以相同的速度保持共同的运动状态；在这一过程中无需控制减振物体对定位平台减振，只需要实时的监测减振物体和定位平台的运动速度以及定位平台相对于目标位置点的相对距离即可。

步骤S12：判断相对距离是否在预设距离范围内，若是，则进入步骤S13，若否，则进入步骤S11。

具体的，该预设距离范围可以视为定位平台在目标位置点做来回往复振动的一个距离范围，其大小可以根据定位平台的实际运动规律确定。

步骤S13：控制调节减振物体向定位平台运动方向相反的方向运动。

通过控制调节减振物体的运动方向相反，使得减振物体通过弹性部件对定位平台施加阻力，从而在一定程度上消耗定位平台的能量，使得定位平台能够快速的稳定下来。

需要说明的是，本实施例中的弹性部件主要是使得减振物体的运动状态可以独立于定位平台而独立改变，使得减振物体对定位平台施加阻力存在一定的缓冲过程。在实际应用过程中，可以选择弹性系数偏大的弹性部件，或者是可伸缩距离较短的弹性部件，总之弹性部件能够获得的弹性势能尽量不要太大，避免弹性部件储能过多，对定位平台的减振造成影响；

另外，对于减振物体的质量要远小于定位平台的质量，使得减振物体的运动状态更容易改变，从而达到更容易控制减振物体运动的目的。

步骤S14：判断定位平台在目标位置点周围的振幅是否小于预设振幅，若是，则程序结束；若否，则进入步骤S13。

本发明中通过该变与定位平台相连接的减振物体的运动状态，使的减振物体对定位平台施加减小定位平台振动的阻力，从而达到定位平台缩短定位平台振动时间的目的；并且采用比定位平台质量小的减振物体，使得减振物体的运动状态更容易控制改变，并在此基础上采用弹性部件连接定位平台和减振物体，使得减振物体的运动状态可以独立于定位平台产生改变，再通过弹性部件将这一改变后的运动状态传递至定位平台，从而达到减振的目的，在一定程度上避免定位平台的振动对高速高精度定位产生的干扰和影响，有利于高速该进度定位设备的广泛应用。

基于上述实施例，在本发明的另一具体实施例中，对于上述步骤S13具体还可以包括：

检测获得定位平台的速度数据以及定位平台相对于目标位置点的位置数据；

根据速度数据和位置数据，控制调整减振物体的减振速度。

对定位平台的减振主要是为了加快定位平台停止振动，因此，定位平台的运动状态的变化是影响减振过程的关键因素，为了提高对定位平台的减振效果，并使得定位平台最终停止振动时的位置点更接近目标位置点，在对定位平台进行减振时，可以充分参考定位平台的运动状态，以定位平台的速度数据和位置数据为基础，控制减振物体的运动状态的变化，避免减振物体的速度过大或过小，导致减振效果差或者最终停留的位置点距离目标位置点过远，降低定位平台的定位精度。

对于如何根据定位平台的速度和位置，控制调整减振物体的运动状态，可以存在多种实现方式，下面就以一种具体地实施例进行说明。

在本发明的另一具体实施例中，如图2所示，图2为本发明另一具体实施例提供的高精密定位平台的减振方法，该方法可以包括：

步骤S21：实时检测定位平台和目标位置点之间的相对距离。

步骤S22：判断相对距离是否在预设距离范围内，若是，则进入步骤S23，若否，则进入步骤S21。

步骤S23：检测获得当前时刻定位平台的速度数据以及定位平台相对于目标位置点的位置数据。

步骤S24：根据速度数据和位置数据，获得定位平台和减振物体的总能量。

其中，总能量包括定位平台动能、定位振动势能和减振物体势能。

因为定位平台动能是由定位平台的速度决定的，而定位平台相对于目标位置点的距离则决定的振动势能，由此即可获得定位平台的总能量。对于减振物体而言，在未进行减振之前，其位置和速度均可以认为和定位平台相同。

步骤S25：基于能量守恒定律原理，控制调节减振物体的减振速度，使得总能量等于减振速度对应的减振动能。

其中，当减振物体以减振速度运动时，减振物体的动能等于总能量。

需要说明的是，当定位平台在位置目标点来回振动时，定位平台具有运动的动能和来回振动的势能，因此，理论上而言，只要将定位平台的动能和势能减小甚至为零，就能够在很大程度上减小定位平台的振动。而因为减振物体和定位平台是联动系统，因此，在进行减振时要求最终减振物体和定位平台构成的系统工体在目标位置点停止运动。

因此，在减振物体具有和定位平台相反的运动方向的基础上，使减振物体的动能等于当前时刻定位平台动能和振动势能与减振物体的振动势能之和，也就是说，开始减振当定位平台和减振物体相向运动时，减振物体的动能可以抵消定位平台的动能、势能以及减振物体本身的振动势能，最终二者速度为零时恰好停留在目标位置点位置。

具体地，为了避免减振物体在对定位平台减振过程中存在能量损失，可以实时的对减振物体和定位平台的速度数据进行检测，并实时对减振物体的速度进行调整，保证减振物体和定位平台始终保持能量相等速度相反的运动状态。

步骤S26：根据实时检测的定位平台的位置数据，获得定位平台的振幅的大小。

步骤S27：判断定位平台的振幅是否小于预设振幅，若否，则进入步骤S23，若是，则减振结束。

如图3所示，图3为本发明实施例提供的高精度定位平台的模型结构示意图。图3中基座4用于放置减振物体1和定位平台5；定位平台5作为本专利所需定位元件；用于检测定位平台5定位信息的位置检测装置2，安装于定位平台5和基座4上；定位平台5和减振物体1通过弹簧元件6进行连接；减振物体1、定位平台5、位置检测装置2通过与控制系统3进行串口连接，位置检测装置2对定位平台5检测的位置信息反馈给控制系统3，控制系统3通过反馈的信息对减振物体1和定位平台5进行运动控制。

本实施例中设定图3中定位平台5和减振物体1退方向为负方向，前进方向为正方向。当定位平台5运动未到达目标位置附近进行减速操作时，定位平台5和减振物体1的速度均为v_i，此时定位平台5所具有的能量

其中v_i为定位平台5和减振物体1的当前时刻共同的速度值，M为定位平台5的质量，k为作用在定位平台5的刚度值，x_i为定位平台5和减振物体1当前时刻距离目标位置点的距离；此时减振物体1的能量

其中，m为减振物体1的质量，k_m为作用在减振物体1的刚度值。

为了达到对定位平台5的减振，使得定位平台5和减振物体1最终的静止时尽可能的停留在目标位置点，可以通过控制系统3对减振物体1施加作用力，控制减振物体1的速度由v_i变为v_m，使得减振物体1对定位平台5施加阻力作用，最终二者共同在目标位置点静止。

由能量守恒定律可知，减振物体1速度改变后是通过减振物体1的总动能抵消定位平台5的动能、振动势能以及减振物体1本身的势能，因此能量关系应当满足：

其中，v_m为减振物体1受控制系统3的作用后开始对定位平台5进行减振的初始速度。

通过计算可解：

v_m的正负值由定位平台5的运动情况而定。

图4为定位平台的衰减运动位移和v_m的正负值的对应关系示意图，减振物体1与定位平台5运动速度相同，所以v_m＝0。

减振时，当定位平台5的位移曲线斜率下降时，即定位平台5速度为负，即向后退，则控制系统3控制减振物体1的v_m>0，则减振物体1执行减振操作时的速度

即通过减振物体1向前加速，使减振物体1对定位平台5提供一个拉力，阻碍定位平台5向后退，使定位平台5执行减振操作后的能量接近于0，从而定位平台5振动的幅值大大降低，实现减振的效果。

同理，当定位平台5的位移曲线斜率上升时，即定位平台5速度为正，即向前进，则控制系统3控制减振物体1的v_m<0，则减振物体1的速度

即通过减振物体1减速，使减振物体1对定位平台5提供推力，阻碍定位平台5向前进，使定位平台5的能量接近于0，从而使定位平台5振动的幅值大大降低，实现减振的效果。

减振后，定位平台5的运动情况如图4减振后所示，可以看出减振后的定位平台5的振动幅值实现大幅度减振和快速减振，为避免减振后减振物体1对定位平台5造成运动的影响，所以，减振后减振物体1的速度与定位平台5相同并最终为零。

通过上述理论，设由控制系统3提供给减振物体1某时刻速度值为v_m。综上，通过定位平台5的运动情况，在减振物体1未减振前的速度v_i得到运行减振动作时，控制系统3控制减振物体1的最终速度v_m，即可使定位平台5减振动作之后的接近于0，其运动情况表现为其定位平台5某一时刻振动幅值A_i迅速减少，达到减振的效果。最终，如图4所示，当达到振动幅值A小于控制系统3预设的精度θ时，即可完成操作。

下面对本发明实施例提供的高精密定位平台的减振装置进行介绍，下文描述的高精密定位平台的减振装置与上文描述的高精密定位平台的减振方法可相互对应参照。

图5为本发明实施例提供的高精密定位平台的减振装置的结构框图，该装置可以包括：

数据采集模块100，用于实时检测定位平台和目标位置点之间的相对距离；

减振控制模块200，用于当相对距离在预设距离范围内时，控制调节减振物体向定位平台运动方向相反的方向运动，使得减振物体对定位平台施加阻力作用，直到定位平台在目标位置点周围的振幅小于预设振幅；

其中，定位平台和减振物体之间通过弹簧连接，且定位平台的质量大于减振物体的质量。

可选地，在本发明的另一具体实施例中，减振控制模块200具体用于，检测获得所述定位平台的速度数据以及所述定位平台相对于所述目标位置点的位置数据；根据所述速度数据和所述位置数据，控制调整所述减振物体的运动速度。

可选地，在本发明的另一具体实施例中，减振控制模块200具体用于，根据当前时刻所述定位平台的所述速度数据和所述位置数据，获得所述定位平台和所述减振物体的总能量；其中所述总能量包括定位平台动能、定位平台振动势能以及减振物体势能；基于能量守恒定律原理，控制调节所述减振物体的减振速度，使得所述总能量等于所述减振速度对应的减振物体动能。

可选地，在本发明的另一具体实施例中，减振控制模块200具体用于，根据实时检测的所述定位平台的位置数据，获得所述定位平台的所述振幅的大小；判断所述定位平台的所述振幅是否小于所述预设振幅；若否，则进入所述控制调节减振物体向所述定位平台运动方向相反的方向运动的操作，若是，则减振结束。

本实施例的高精密定位平台的减振装置用于实现前述的高精密定位平台的减振方法，因此高精密定位平台的减振装置中的具体实施方式可见前文中的高精密定位平台的减振方法的实施例部分，例如，数据采集模块100，减振控制模块200，分别用于实现上述高精密定位平台的减振方法中步骤S11，S12，S13和S14，所以，其具体实施方式可以参照相应的各个部分实施例的描述，在此不再赘述。

本发明中还提供了一种高精密定位平台的减振设备的实施例，如图6所示，图6为本发明实施例提供的一种高精密定位平台的减振设备的结构框图。该设备可以包括：

质量小于定位平台的质量的减振物体；

连接减振物体和定位平台的弹性部件；

用于检测定位平台相对于目标位置点的相对距离的位置检测装置；

分别和减振物体、定位平台以及位置检测装置相连接，用于执行如上任意实施例的高精密定位平台的减振方法的操作步骤的控制系统。

本实施例中的高精密定位平台的减振设备，通过减振物体对定位平台施加阻力，使得定位平台能够在较短时间内快速的减小振动甚至停止振动，进而提高定位平台的精度，有利于定位平台的扩展应用。

可选地，在本发明的另一具体实施例中，还可以进一步的包括：

减振物体为内置驱动电机的物体。

将驱动电机内置于减振物体内部，驱动电机和减振物体就能够保持相同的运动状态，使得对减振物体的控制驱动更为简单，避免了和减振物体运动状态不一致的驱动电机驱动减振物体时，会产生不必要的碰撞的问题。

可选地，在本发明的另一具体实施例中，还可以进一步地包括：

弹性部件为弹性系数不小于预设系数的弹簧。

为了避免减振物体对定位平台施加阻力时，弹性部件不会因为形变而存储过多势能，影响减振物体对定位平台的作用效果，可以采用弹性系数偏大的弹簧，使得弹簧形变的难度偏大，进而减小弹簧对减振的影响。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

Claims

1.一种高精密定位平台的减振方法，其特征在于，包括：

实时检测定位平台和目标位置点之间的相对距离；

其中，所述定位平台和所述减振物体之间通过弹性部件连接，且所述定位平台的质量大于所述减振物体的质量；

所述控制调节减振物体向所述定位平台运动方向相反的方向运动包括：

检测获得所述定位平台的速度数据以及所述定位平台相对于所述目标位置点的位置数据；

2.如权利要求1所述的高精密定位平台的减振方法，其特征在于，所述根据所述速度数据和所述位置数据，控制调整所述减振物体的运动速度包括：

3.如权利要求1或2所述的高精密定位平台的减振方法，其特征在于，控制调节减振物体向所述定位平台运动方向相反的方向运动，直到所述定位平台在所述目标位置点周围的振幅小于预设振幅，包括：

4.一种高精密定位平台的减振装置，其特征在于，包括：

其中，所述定位平台和所述减振物体之间通过弹簧连接，且所述定位平台的质量大于所述减振物体的质量；

所述减振控制模块具体用于检测获得所述定位平台的速度数据以及所述定位平台相对于所述目标位置点的位置数据；根据所述速度数据和所述位置数据，控制调整所述减振物体的运动速度。

5.如权利要求4所述的高精密定位平台的减振装置，其特征在于，所述减振控制模块具体用于根据当前时刻所述定位平台的所述速度数据和所述位置数据，获得所述定位平台和所述减振物体的总能量；其中所述总能量包括定位平台动能、定位平台振动势能以及减振物体势能；基于能量守恒定律原理，控制调节所述减振物体的减振速度，使得所述总能量等于所述减振速度对应的减振物体动能。

6.一种高精密定位平台的减振设备，其特征在于，包括：

质量小于定位平台的质量的减振物体；

连接所述减振物体和所述定位平台的弹性部件；

分别和所述减振物体、所述定位平台以及所述位置检测装置相连接，用于执行如权利要求1至3任一项所述的高精密定位平台的减振方法的操作步骤的控制系统。

7.如权利要求6所述的高精密定位平台的减振设备，其特征在于，所述减振物体为内置驱动电机的物体。

8.如权利要求6所述的高精密定位平台的减振设备，其特征在于，弹性部件为弹性系数不小于预设系数的弹簧。