CN110722523A - 一种基于压电陶瓷量测及补偿的宏微复合运动平台及应用 - Google Patents
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Abstract
为了弥补现有技术中的刚柔耦合运动平台结构不合理造成的速度与精度无法统一的技术问题，本发明提供一种基于压电陶瓷量测及补偿的宏微复合运动平台及应用，包括能够直线运动的框形的宏平台、通过柔性铰链设置在宏平台内的微平台以及用于采集宏平台、微平台位移与速度的控制组件，其特征在于：还包括设置在宏平台内圈上的压电陶瓷；该压电陶瓷位于宏平台移动方向的后方，用于检测或补偿宏平台与微平台之间的压力。本发明中的压电陶瓷的连接既增大了刚柔耦合平台的刚度，减小带宽，从而减小高速运动过程中微平台的高频震动；又能够在宏平台到位之后保证微平台的运动补偿能力。
Description
技术领域
本发明涉及高速精密运动控制领域的技术领域，更具体地，涉及一种利用压电陶瓷连接的刚柔耦合运动平台的宏微复合运动平台及应用。
背景技术
在高速精密运动控制领域，基于机械导轨的运动平台存在摩擦死区，精度只能达到微米级。在更高精度要求的场合，需要采用气浮、磁悬浮和静压导轨等方式来降低甚至消除摩擦的影响来实现，成本高，使用环境要求高，不适应用于量大面广的电子制造领域。然而，电子制造业的摩尔定律对封装装备的精度和速度都提出了苛刻的要求。
为实现大范围高速精密运动，一种非常有效的方案——刚柔耦合平台巧妙地结合了直线平台大范围刚度运动和柔性铰链无摩擦精密运动的特点，在速度过零点时，用柔性铰链的弹性变形来避免摩擦死区，实现了对摩擦死区的补偿，因此可以实现连续高精度的运动。由于柔性铰链主要适用于微小行程的运动补偿，故在大行程运动过程中，柔性铰链往往会与有摩擦的宏平台配合使用，组成宏微复合运动平台来实现大行程高精度的运动，对大范围运动进行补偿。然而，一方面，微动平台由于相对较为薄弱，在大行程运动过程中，微平台会产生低频振动，且刚度越小，振动幅度越大；另一方面，由于微动平台驱动能力受到限制，刚度如果太高，会导致补偿能力不足。
发明内容
为了弥补现有技术中的刚柔耦合运动平台结构不合理造成的速度与精度无法统一的技术问题，本发明提供一种基于压电陶瓷量测及补偿的宏微复合运动平台及应用。
本发明为了解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种基于压电陶瓷量测及补偿的宏微复合运动平台，包括框形的宏平台、通过柔性铰链设置在宏平台内的微平台以及用于采集宏平台、微平台位移与速度的控制组件，其特征在于：还包括设置在宏平台与微平台之间的压电陶瓷；该压电陶瓷位于微平台移动方向上，用于检测或补偿宏平台与微平台之间的压力。
一种基于压电陶瓷量测及补偿的宏微复合运动平台，其特征在于：还包括直线导轨组件和直线驱动器；其中，所述的直线导轨组件包括直线导轨和滑块；该滑块设置在直线导轨内且与宏平台的下侧连接；直线驱动器与微平台连接，用于驱动微平台直线移动。
本发明的有益效果是：本发明在宏平台的框架和微平台之间的一端采用压电陶瓷连接，利用压电陶瓷的正压电效应所测得的压力与柔性铰链的弹性力叠加，得到微平台受到的扰动力，利用压电陶瓷的逆压电效应进行补偿运动。压电陶瓷的连接既增大了刚柔耦合平台的刚度，减小带宽，从而减小高速运动过程中微平台的高频震动；又能够在宏平台到位之后保证微平台的运动补偿能力。
附图说明
图1为本发明的结构图。
图2为本发明的设计模型。
其中，图2中，xM，xm分别为宏平台和微平台的位移，分别为宏平台和微平台的速度，M，m分别为宏平台和微平台的质量，k，c分别为柔性铰链的刚度和阻尼，Fm为微平台受到的作用力；FM为宏平台受到的作用力；FN为压电陶瓷受到的压力。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步的说明。
现有大部分宏微运动平台的结构为：宏动外框架与微动平台之间通过柔性铰链连接，同时采用两个电机分别控制宏平台和微平台的运动，宏平台主要实现大范围运动，补偿机构则由柔性铰链弹性变形来实现微平台的高精度定位，由于柔性铰链机构无运动间隙和无摩擦，可以实现高频运动；采用位移检测单元分别测量宏平台和微平台的位移，利用位移差将机械导轨摩擦力的扰动转变为柔性铰链的动态变形，但这种结构带来一个问题是：由于微动平台质量比宏平台质量小、带宽高，当宏平台大行程高速运动时，低刚度柔性铰链连接下的微平台会产生高频振动；但若增大柔性铰链的刚度，又会使本身驱动能力较小的微动平台的运动补偿能力下降。因此，刚柔耦合平台的高速和高精度之间存在着矛盾。
如图1，本发明所提出的一种基于压电陶瓷量测及补偿的宏微复合运动平台，包括直线导轨组件1，宏微复合平台，柔性铰链3，直线驱动器，光栅尺及压电陶瓷4等部件。其中，控制组件采用光栅尺；所述宏微复合平台包含宏平台2、柔性铰链3，微平台5等部分。其中的微平台5通过对称分布的柔性铰链3与宏平台2连接；所述宏微复合平台的微平台5与直线驱动器连接。所述的直线导轨组件1包括直线导轨和滑块；该滑块设置在直线导轨内且与宏平台2的下侧连接所述宏平台2通过导轨滑块与所述直线导轨连接；所述压电陶瓷4安装于微平台5后端，与宏平台2相连接。所述光栅尺安装于直线导轨内侧，测量宏平台2和微平台5的位移与速度。
本发明所述的基于压电陶瓷量测及补偿的宏微复合运动平台工作原理如下：
如图2，直线驱动器起动与运动过程阶段，对压电陶瓷4不施加电压，宏平台2与微平台5之间在压电陶瓷4的连接下相当于刚性连接，利用正压电效应将其作为压力传感器检测压电陶瓷4在受力时产生的电压，从而得到压电陶瓷4的受力；利用光栅尺测得的宏平台2和微平台5的位移、速度，得到位移差和速度差，对应分别乘以柔性铰链3的刚度、阻尼，从而得到柔性铰链3的弹性力，其与压力叠加即为微平台5受到的扰动力，补偿到驱动微平台5的直线电机的控制量中。此时刚柔耦合平台进行大范围运动，由于刚度增大、带宽减小，进而减小了微动平台的低频震动，提高了控制器的跟随性与响应时间，可以实现高速精密运动。
定位补偿阶段，当直线驱动器停止时即对压电陶瓷4施加电压，利用逆压电效应使得压电陶瓷4发生形变，将其作为位移促动器进一步补偿微平台5的定位误差，从而保证了微平台5在刚度较大情况下的补偿能力，最终实现刚柔耦合平台的高速与高精度运动。
本发明所提出的基于压电陶瓷量测及补偿的宏微复合运动平台的优点有：
1.通过压电陶瓷4连接刚柔耦合平台的宏平台2和微平台5，增大了刚度、减小了带宽，改进了宏微复合平台在大范围高速运动过程中，低刚度柔性铰链3连接下的微平台5会产生低频振动的问题。
2.利用压电陶瓷4作为位移促动器，即使刚柔耦合平台的刚度增大，在小行程高精度定位过程中也能保证微平台5的误差补偿能力，解决了大行程、低带宽与小行程、高带宽两者间的矛盾，实现了刚度动态切换。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易变化或替换，都属于本发明的保护范围之内。因此本发明的保护范围所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (3)
1.一种基于压电陶瓷量测及补偿的宏微复合运动平台，包括框形的宏平台(2)、通过柔性铰链(3)设置在宏平台(2)内的微平台(5)以及用于采集宏平台(2)、微平台(5)位移与速度的控制组件，其特征在于：还包括设置在宏平台(2)与微平台(5)之间的压电陶瓷(4)；该压电陶瓷(4)位于微平台(5)移动方向上，用于检测或补偿宏平台(2)与微平台(5)之间的压力。
2.根据权利要求1所述的一种基于压电陶瓷量测及补偿的宏微复合运动平台，其特征在于：还包括直线导轨组件(1)和直线驱动器；其中，所述的直线导轨组件(1)包括直线导轨和滑块；该滑块设置在直线导轨内且与宏平台(2)的下侧连接；直线驱动器与微平台(5)连接，用于驱动微平台(5)直线移动。
3.一种基于压电陶瓷量测及补偿的宏微复合运动平台的应用，其特征在于，所述宏微复合运动平台应用在大行程精密加工设备上，并采用如权利要求1或2其中之一所述的宏微复合运动平台作为电机驱动平台。
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