CN111026166A - 平面二自由度宏微复合定位系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了平面二自由度宏微复合定位系统及控制方法。其中，平面二自由度宏微复合定位系统，包括宏动台基准座、X轴宏动平台、Y轴宏动平台以及具有X轴激光发射器和Y轴激光发射器的激光干涉仪；XY轴微动平台，通过四组相同的柔性铰链安装在Y轴宏动平台上，XY轴微动平台上设有驱使柔性铰链变形使XY轴微动平台运动的压电陶瓷和用于检测压电陶瓷位移的电容传感器；反射镜安装架具有X轴反射镜和Y轴反射镜；运动控制卡，用于接收XY轴微动平台的位置信息并通过压电陶瓷驱使XY轴微动平台移动，运动控制卡通过压电陶瓷驱动器控制压电陶瓷运动。本发明具有采样频率高、测量精度高的优点。

Description

平面二自由度宏微复合定位系统及控制方法

技术领域

本发明涉及大行程纳米级高带宽二自由度宏微复合定位系统，是一种基于激光干涉仪的平面二自由度宏微复合定位系统及控制方法。

背景技术

随着微电子技术、精密激光、微纳加工等技术的不断提高，纳米级定位技术在很多领域都得到了广泛的应用。纳米级定位技术是大规模集成电路加工、微纳操作与光学定位、微机电系统制造及装配、大面积高精度衍射光栅制造和细胞操作等领域的重要基础。传统的纳米级精密定位平台通常是由压电陶瓷驱动的柔顺机构构成。随着微观领域的研究转向工业应用，压电陶瓷运动范围小的缺点大大限制了相关技术的推广。于是大行程高精度高带宽的精密定位平台成为研究目标。

宏微复合平台的大体结构分为两部分：宏动平台安装在基座上用来完成大范围的位移和定位追踪；微动平台则是固定在宏动平台的末端。微动平台相对宏动平台做纳米级的高速运动，用以弥补宏动平台在大范围运动过程产生的定位误差，所以微动台的运动精度决定了整个宏微结合系统的精度，而宏动平台的行程范围则是决定了整个系统的行程范围，从而让整个运动系统兼顾了大行程和高精度的两个要求。并且微动平台可以快速实现行程范围内的高速扫描，加快整个宏微复合定位系统的扫描速度。由此可见，宏微结合驱动平台具有定位精度高，运动速度快和定位范围大等特点，可以实现高精密高带宽扫描的要求。

目前的宏微复合定位系统，很少能实现平面内二自由度全反馈轨迹追踪，以及没有能同时实现大行程、高精度和高速度这三个特点。

发明内容

本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种平面二自由度宏微复合定位系统及控制方法，采用激光干涉仪作为宏微并联平台全局末端的反馈传感器，是非接触式测量，不改变结构特征，不增加结构附加质量，具有采样频率高、测量精度高的优点。

根据本发明的第一方面实施例，提供平面二自由度宏微复合定位系统，包括：

宏动台基准座，具有沿X轴方向移动的X轴宏动平台，所述X轴宏动平台上设有沿Y轴方向移动的Y轴宏动平台；

XY轴微动平台，通过四组相同的柔性铰链安装在Y轴宏动平台上，XY轴微动平台上设有驱使柔性铰链变形使XY轴微动平台运动的压电陶瓷和用于检测压电陶瓷位移的电容传感器；

反射镜安装架，安装在XY轴微动平台上，反射镜安装架具有X轴反射镜和Y轴反射镜；

激光干涉仪，用于检测XY轴微动平台的位置信息，具有X轴激光发射器和Y轴激光发射器，X轴激光发射器的激光发射端指向X轴反射镜，Y轴激光发射器的激光发射端指向Y轴反射镜；

运动控制卡，用于接收XY轴微动平台的位置信息并通过压电陶瓷驱使XY轴微动平台移动，运动控制卡通过压电陶瓷驱动器控制压电陶瓷运动。

根据本发明第一方面实施例所述的平面二自由度宏微复合定位系统，所述宏动台基准座中部设置有二维光栅栅盘，所述Y轴宏动平台的下端面设置有二维光栅读数头，所述二维光栅读数头的工作端指向二维光栅栅盘。

根据本发明第一方面实施例所述的平面二自由度宏微复合定位系统，所述宏动台基准座设置有X轴直线电机和X轴直线光栅，所述X轴宏动平台安装在X轴直线电机的输出端，所述X轴直线光栅为X轴直线电机的运动提供反馈信号，所述X轴宏动平台设置Y轴直线电机和Y轴直线光栅，所述Y轴宏动平台安装在Y轴直线电机的输出端，所述Y轴直线光栅为Y轴直线电机的运动提供反馈信号。

根据本发明第一方面实施例所述的平面二自由度宏微复合定位系统，四组相同的柔性铰链围成四边形，相邻角度为90°。

根据本发明第一方面实施例所述的平面二自由度宏微复合定位系统，所述压电陶瓷的头端紧靠柔性铰链的端面，压电陶瓷的尾端紧靠电容传感器，压电陶瓷通过预紧楔块安装在XY轴微动平台上。

根据本发明的第二方面实施例，提供平面二自由度宏微复合定位系统的控制方法，Y轴宏动平台移动到预定宏观位置后，激光干涉仪检测XY轴微动平台位置信息，将位置信息和目标位置信息对比，得出位置误差，并将位置误差反馈至运动控制卡收集，运动控制卡反馈至计算机计算处理，运动控制卡将计算机处理的信号转换为控制电压发送给压电陶瓷驱动器，经过压电陶瓷驱动器放大后成为驱动电压发送给压电陶瓷，XY轴微动平台运动过程中由电容传感器实时提供位置反馈至运动控制卡，直到XY轴微动平台停止运动。

根据本发明第二方面实施例所述的平面二自由度宏微复合定位系统的控制方法，XY轴微动平台停止运动后，激光干涉仪检测XY轴微动平台位置信息，将位置信息和目标位置信息对比，得出位置误差，并将位置误差反馈至运动控制卡收集，运动控制卡反馈至计算机计算处理，比较位置误差是否达到误差预定值。

本发明的有益效果是：本发明中Y轴宏动平台移动到预定宏观位置后，激光干涉仪检测XY轴微动平台位置信息，将位置信息和目标位置信息对比，得出位置误差，并将位置误差反馈至运动控制卡收集，运动控制卡反馈至计算机计算处理，运动控制卡将计算机处理的信号转换为控制电压发送给压电陶瓷驱动器，经过压电陶瓷驱动器放大后成为驱动电压发送给压电陶瓷，XY轴微动平台运动过程中由电容传感器实时提供位置反馈至运动控制卡，直到XY轴微动平台停止运动。本发明采用激光干涉仪作为宏微并联平台全局末端的反馈传感器，是非接触式测量，不改变结构特征，不增加结构附加质量，具有采样频率高、测量精度高的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员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设计方案和附图。

图1是本发明实施例某一角度的等轴图；

图2是本发明实施例的正视图；

图3是本发明实施例的俯视图；

图4是本发明实施例的侧视图。

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

参照图1～图4，平面二自由度宏微复合定位系统，包括宏动台基准座10、XY轴微动平台13、反射镜安装架14、X轴激光发射器18、Y轴激光发射器20和运动控制卡。宏动台基准座10设置有X轴直线电机22和X轴直线光栅23，X轴宏动平台11安装在X轴直线电机22的输出端，所述X轴直线光栅23为X轴直线电机22的运动提供反馈信号，X轴宏动平台11和宏动台基准座10之间设有X轴导轨，提高X轴宏动平台11相对宏动台基准座10滑动的平稳性，所述X轴宏动平台11设置Y轴直线电机15和Y轴直线光栅24，Y轴宏动平台12安装在Y轴直线电机15的输出端，所述Y轴直线光栅24为Y轴直线电机15的运动提供反馈信号，Y轴宏动平台12和X轴宏动平台11之间设有Y轴导轨，提高Y轴宏动平台12相对X轴宏动平台11滑动的平稳性。XY轴微动平台13通过四组相同的柔性铰链安装在Y轴宏动平台12上，XY轴微动平台13上设有驱使柔性铰链变形使XY轴微动平台13运动的压电陶瓷26和用于检测压电陶瓷26位移的电容传感器27；反射镜安装架14安装在XY轴微动平台13上，反射镜安装架14具有X轴反射镜19和Y轴反射镜21；激光干涉仪，用于检测XY轴微动平台13的位置信息，具有X轴激光发射器18和Y轴激光发射器19，X轴激光发射器18和Y轴激光发射器19安装在XY轴微动平台外，X轴激光发射器18的激光发射端指向X轴反射镜，Y轴激光发射器19的激光发射端指向Y轴反射镜，激光干涉仪内部设有激光干涉编码器，激光干涉编码器的两个轴可以直接的独立的得出位置误差。X轴反射镜19和Y轴反射镜21均为平面反射镜。其中，压电陶瓷为由片状压电陶瓷组合而成的压电叠堆。

其中，激光干涉仪还包括激光发射器和激光头。激光头为激光干涉仪18的激光发射端。激光发射器产生稳定的624nm波长的激光，通过光纤传输给激光头。激光头向相应的平面反射镜发出激光并反射，由激光干涉仪内部的光学镜组进行分光干涉，并输出脉冲信号。

运动控制卡与计算机组成集成控制系统。上位机控制软件位于计算机上，由C#语言编写而成，具有计算与交互功能。运动控制卡可以向直线电机的驱动器发送控制脉冲，也可以向压电陶瓷驱动器输出基准电压。对于宏动平台，上位机软件将目标路径离散化成基本线段，再将基本线段对应的脉冲数发送给运动控制卡。对于XY轴微动平台13，上位机将目标位移对应的基准电压值发送给运动控制卡，运动控制卡再将基准电压发送给压电陶瓷驱动器。

具体的，运动控制卡用于接收XY轴微动平台的位置信息并通过压电陶瓷26驱使XY轴微动平台13移动，运动控制卡通过压电陶瓷驱动器控制压电陶瓷26运动。其中，压电陶瓷26由片状压电陶瓷组合而成。

宏动平台与XY轴微动平台13拥有各自独立的反馈传感元件，这两路反馈信号均由集成控制系统统一处理，宏动平台与XY轴微动平台13的驱动也都由集成控制系统完成。而激光干涉仪和反射镜组成的光纤激光干涉测量反馈系统则作为宏微复合定位系统的绝对基准，将XY轴微动平台13末端的位置与误差信息反馈给集成控制系统，使得宏动平台与XY轴微动平台13可以单独工作，也可以协同工作以实现大行程纳米级高带宽宏微复合定位。

在一些实施例中，所述宏动台基准座10中部设置有二维光栅栅盘16，所述Y轴宏动平台12的下端面设置有二维光栅读数头17，所述二维光栅读数头17的工作端指向二维光栅栅盘16。二维光栅栅盘16和二维光栅读数头17用来测量Y轴宏动平台12位移的误差。

在一些实施例中，四组相同的柔性铰链围成四边形，相邻角度为90°。四组柔性铰链并联而成，并联的方式在其可用工作空间内有较高定位精度。对称分布的结构有效地减小了XY轴微动平台13X方向和Y方向的运动耦合误差，使控制方法更加简单并提高定位精度。

在一些实施例中，所述压电陶瓷26的头端紧靠柔性铰链的端面，压电陶瓷26的尾端紧靠电容传感器27，压电陶瓷26通过预紧楔块25安装在XY轴微动平台13上。

平面二自由度宏微复合定位系统的控制方法，Y轴宏动平台12移动到预定宏观位置后，激光干涉仪检测XY轴微动平台13位置信息，将位置信息和目标位置信息对比，得出位置误差，并将位置误差反馈至运动控制卡收集，运动控制卡反馈至计算机计算处理，运动控制卡将计算机处理的信号转换为控制电压发送给压电陶瓷驱动器，经过压电陶瓷驱动器放大后成为驱动电压发送给压电陶瓷26，XY轴微动平台13运动过程中由电容传感器27实时提供位置反馈至运动控制卡，直到XY轴微动平台13停止运动。其中，压电陶瓷驱动器为压电陶瓷电压放大器。

优选地，运动控制卡得到干涉仪的位值误差后，计算出XY轴微动平台13需要继续移动的距离，运动控制卡误差距离转换为控制电压后将控制电压发送给压电陶瓷驱动器，压电陶瓷驱动器在驱动压电陶瓷的过程中实时读取电容传感器的数值作为实时反馈，其中，压电陶瓷是一小步一小步走，待压电陶瓷运动完成后，再使用干涉仪测量绝对位置。

在一些实施例中，XY轴微动平台13停止运动后，激光干涉仪检测XY轴微动平台位置信息，将位置信息和目标位置信息对比，得出位置误差，并将位置误差反馈至运动控制卡收集，运动控制卡反馈至计算机计算处理，比较位置误差是否达到误差预定值。

以下是本发明方法中优选的一个实施例：

1)计算机利用二维光栅栅盘16和二维光栅读数头17检测当前XY轴微动平台13的位置，将位置信息反馈至计算机中；

2)计算机将接收到的位置信息与目标位置信息对比，经由计算机内的上位机软件处理出所需的运动轨迹；

3)上位机软件将宏动平台运动轨迹离散化为脉冲数，然后向运动控制卡发送位置脉冲指令，运动控制卡再向每个轴的直线电机驱动器发送周期性的工作脉冲。直线电机驱动器接到位置控制命令后计算出直线电机的速度和电流，然后将控制电流发送给直线电机的定子，在定子中产生周期性的磁场，从而推动直线电机动子运动，X轴直线电机和Y轴直线电机15工作，带动X轴宏动平台11和Y轴宏动平台12运动；二维光栅栅盘16和二维光栅读数头17实时检测宏动定位平台的末端位置，并将误差信息反馈给运动控制卡，若误差大于阈值，运动控制卡将会调整向直线电机驱动器发出的脉冲数，从而纠正宏动平台的运动；

4)Y轴宏动平台12移动到预定宏观位置后，激光干涉仪检测XY轴微动平台13位置信息，将位置信息和目标位置信息对比，得出位置误差，并将位置误差反馈至运动控制卡收集，运动控制卡反馈至计算机计算处理，运动控制卡将计算机处理的信号转换为控制电压发送给压电陶瓷驱动器，经过压电陶瓷驱动器放大后成为驱动电压发送给压电陶瓷26，压电陶瓷26头端产生压力，压力使得柔性铰链发生形变进而驱使XY轴微动平台13至目标定位坐标，XY轴微动平台13运动过程中由电容传感器27实时提供位置反馈至运动控制卡，直到XY轴微动平台13停止运动；

5)XY轴微动平台13停止运动后，激光干涉仪检测XY轴微动平台位置信息，将位置信息和目标位置信息对比，得出位置误差，并将位置误差反馈至运动控制卡收集，运动控制卡反馈至计算机计算处理，比较位置误差是否达到误差预定值，位置误差达到预定值后，宏微复合平台的运动停止。

以上是对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (7)

1.平面二自由度宏微复合定位系统，其特征在于，包括：

宏动台基准座，具有沿X轴方向移动的X轴宏动平台，所述X轴宏动平台上设有沿Y轴方向移动的Y轴宏动平台；

XY轴微动平台，通过四组相同的柔性铰链安装在Y轴宏动平台上，XY轴微动平台上设有驱使柔性铰链变形使XY轴微动平台运动的压电陶瓷和用于检测压电陶瓷位移的电容传感器；

反射镜安装架，安装在XY轴微动平台上，反射镜安装架具有X轴反射镜和Y轴反射镜；

激光干涉仪，用于检测XY轴微动平台的位置信息，具有X轴激光发射器和Y轴激光发射器，X轴激光发射器的激光发射端指向X轴反射镜，Y轴激光发射器的激光发射端指向Y轴反射镜；

运动控制卡，用于接收XY轴微动平台的位置信息并通过压电陶瓷驱使XY轴微动平台移动，运动控制卡通过压电陶瓷驱动器控制压电陶瓷运动。

2.根据权利要求1所述的平面二自由度宏微复合定位系统，其特征在于：所述宏动台基准座中部设置有二维光栅栅盘，所述Y轴宏动平台的下端面设置有二维光栅读数头，所述二维光栅读数头的工作端指向二维光栅栅盘。

3.根据权利要求2所述的平面二自由度宏微复合定位系统，其特征在于：所述宏动台基准座设置有X轴直线电机和X轴直线光栅，所述X轴宏动平台安装在X轴直线电机的输出端，所述X轴直线光栅为X轴直线电机的运动提供反馈信号，所述X轴宏动平台设置Y轴直线电机和Y轴直线光栅，所述Y轴宏动平台安装在Y轴直线电机的输出端，所述Y轴直线光栅为Y轴直线电机的运动提供反馈信号。

4.根据权利要求1所述的平面二自由度宏微复合定位系统，其特征在于：四组相同的柔性铰链围成四边形，相邻角度为90°。

5.根据权利要求1所述的平面二自由度宏微复合定位系统，其特征在于：所述压电陶瓷的头端紧靠柔性铰链的端面，压电陶瓷的尾端紧靠电容传感器，压电陶瓷通过预紧楔块安装在XY轴微动平台上。

6.平面二自由度宏微复合定位系统的控制方法，其特征在于，Y轴宏动平台移动到预定宏观位置后，激光干涉仪检测XY轴微动平台位置信息，将位置信息和目标位置信息对比，得出位置误差，并将位置误差反馈至运动控制卡收集，运动控制卡反馈至计算机计算处理，运动控制卡将计算机处理的信号转换为控制电压发送给压电陶瓷驱动器，经过压电陶瓷驱动器放大后成为驱动电压发送给压电陶瓷，XY轴微动平台运动过程中由电容传感器实时提供位置反馈至运动控制卡，直到XY轴微动平台停止运动。

7.根据权利要求6所述的平面二自由度宏微复合定位系统的控制方法，其特征在于：XY轴微动平台停止运动后，激光干涉仪检测XY轴微动平台位置信息，将位置信息和目标位置信息对比，得出位置误差，并将位置误差反馈至运动控制卡收集，运动控制卡反馈至计算机计算处理，比较位置误差是否达到误差预定值。

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