CN113489381A - 基于准零刚度磁场的超精密垂直轴重力补偿装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于准零刚度磁场的超精密垂直轴重力补偿装置及方法，包括基座、大行程超精密垂直轴组件、大行程普通精度运动轴组件和运动控制器，大行程超精密垂直轴组件与大行程普通精度运动轴组件的行程均大于20mm；二者可在重力方向上同步运动，大行程超精密垂直轴组件和大行程普通精度运动轴组件间可产生与重力作用方向相反的悬浮力用于重力的补偿；大行程超精密垂直轴组件和大行程普通精度运动轴组件均与所述运动控制器进行电连接。采用悬浮力来对竖直方向移动时的重力进行补偿，通过磁场产生悬浮力来进行重力补偿的方法，其响应速度更快且更加稳定，对大行程超精密垂直轴重力补偿的效果更好，进而降低重力对大行程超精密垂直轴运动的影响。

Description

基于准零刚度磁场的超精密垂直轴重力补偿装置及方法

技术领域

本发明涉及超精密运动平台和超精密加工装备领域，具体涉及一种基于准零刚度磁场的超精密垂直轴重力补偿装置及方法。

背景技术

超精密垂直轴在重力作用下容易出现结构变形、动态特性变化和伺服性能变化，严重影响了垂直运动精度和动态响应速度。当前的超精密垂直轴一般采用无摩擦或低摩擦气缸组成重力补偿装置，通过减压阀、快速排气阀等控制气缸内压力的稳定，提供与重力相等的补偿力。但由于气体存在极大的压缩性，减压阀、快速排气阀等气动元件存在的延迟性，垂直运动中的气缸内压力不可避免的存在波动且响应速度远低于电机驱动系统。此外，气缸与垂直运动部分的连接采用刚性机械连接或浮动接头等柔性连接，这就会导致气缸动态特性与垂直运动部分相互耦合，增大运动系统的复杂度，且浮动接头必然引入间隙环节，最终严重影响垂直运动精度和可控性。综上现有的重力补偿装置无法做到对大行程超精密垂直轴重力的快速稳定补偿，进而重力对大行程超精密垂直轴的运动产生影响。有鉴于此，特提出本申请。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于准零刚度磁场的超精密垂直轴重力补偿装置及方法，实现对大行程超精密垂直轴重力的快速稳定补偿，降低重力对大行程超精密垂直轴运动的影响。

本发明通过下述技术方案实现：

一种基于准零刚度磁场的超精密垂直轴重力补偿装置，基座、大行程超精密垂直轴组件、大行程普通精度运动轴组件和运动控制器，所述大行程超精密垂直轴组件和大行程普通精度运动轴组件均设置于基座；所述大行程超精密垂直轴组件与大行程普通精度运动轴组件的行程均大于20mm；所述大行程超精密垂直轴组件和大行程普通精度运动轴组件可在重力方向上运动，且所述大行程超精密垂直轴组件和大行程普通精度运动轴组件间可产生与重力作用方向相反的悬浮力；其所述大行程超精密垂直轴组件可用于连接外部负载；所述大行程超精密垂直轴组件和大行程普通精度运动轴组件均与所述运动控制器进行电连接，且所述运动控制器可依据所述大行程超精密垂直轴组件的运动情况来控制大行程普通精度运动轴组件的跟随运动。针对现有的重力补偿装置无法做到大行程内超紧密垂直轴重力的快速稳定补偿的问题，本发明采用悬浮力来对竖直方向移动时的重力进行补偿，通过磁场产生悬浮力来进行重力补偿的方法相较于气缸重力补偿方法，其响应速度更快且更加稳定，对于大行程超精密垂直轴组件的重力补偿效果更好，进而降低重力对大行程超精密垂直轴运动的影响。

进一步的技术方案：

所述大行程超精密垂直轴组件通过静压导轨支撑结构滑动设置于基座，且所述静压导轨支撑结构沿重力方向设置；静压导轨支撑结构具有极高运动精度，因此在本发明中能够起到进一步增强装置对重力快速稳定补偿能力的作用，进而降低重力对大行程超精密垂直轴运动的影响。

进一步的：所述大行程普通精度运动轴组件通过滚珠丝杠传动结构滑动设置于基座，且所述滚珠丝杠传动结构沿重力方向设置；滚珠丝杠传动结构在运动方向上具有极高的刚度，在承受较大的力时仍能保持稳定，可结合磁悬浮结构为大行程超精密垂直轴提供稳定的悬浮力对重力进行补偿，进而降低重力对大行程超精密垂直轴运动的影响。

进一步的：所述大行程超精密垂直轴组件与所述大行程普通精度运动轴组件均设置有位置反馈装置；

进一步的：所述大行程超精密垂直轴组件的位置反馈装置的分辨率为纳米量级，所述大行程超精密垂直轴组件在运动时位置波动处于亚微米量级；

进一步的：所述大行程普通精度运动轴组件的位置反馈装置的分辨率为几十微米量级，所述大行程普通精度运动轴组件在运动时位置波动处于亚毫米量级。

进一步的：所述大行程超精密垂直轴组件包括刚性连接件a、溜板a和磁浮定子，所述溜板a与所述静压导轨支撑结构连接，且所述溜板a可沿所述静压导轨支撑结构上下滑动；

进一步的：所述刚性连接件a的一端连接所述溜板a，所述刚性连接件a的另一端连接磁浮定子。

进一步的：所述大行程普通精度运动轴组件包括刚性连接件b、溜板b和磁浮动子，所述溜板b与所述滚珠丝杠传动结构连接，且所述溜板b可沿所述滚珠丝杠传动结构上下滑动；

进一步的：所述刚性连接件b一端与所述溜板b连接，所述刚性连接件b另一端连接所述磁浮动子。

进一步的：所述磁浮定子和磁浮动子相互靠近产生与重力作用方向相反的悬浮力；

进一步的：所述磁浮定子和磁浮动子间不接触，且存在1mm～3mm的间隙。

进一步的：所述刚性连接件b包括用于连接溜板b的连接段b和用于安装磁浮动子的安装段b，所述连接段b竖直设置，所述连接段b与所述安装段b呈90度设置；

进一步的：所述刚性连接件a包括用于连接溜板a的连接段a、用于避开安装段b的中间段和用于安装磁浮定子的安装段a，所述中间段的一端与连接段a连接，所述中间段的另一端与所述安装段a连接；

进一步的：所述安装段a与所述安装段b平行设置。

进一步的：所述大行程超精密垂直轴组件设置于所述大行程普通精度运动轴组件下，其所述磁浮定子设置于所述磁浮动子的上方；

进一步的：所述外部负载可连接于溜板a。

基于准零刚度磁场的超精密垂直轴重力补偿装置的重力补偿方法，包括如下步骤：

步骤一：悬浮力的设定，其中悬浮力用于平衡刚性连接件a、溜板a磁浮定子和外部负载的重力之和；

步骤二：轴组件的运动控制，运动控制器2在控制大行程超精密垂直轴组件运动的同时，控制大行程普通精度运动轴组件相对于大行程超精密垂直轴组件的跟随运动，保证磁浮定子和磁浮动子之间始终存在1mm～3mm的间隙。

进一步的：步骤一中首先将磁浮定子和磁浮动子之间的间距调节为1mm～3mm，确保此时两者之间的磁场刚度低于0.4N/mm，保证悬浮力不会出现急剧变化的情况并且能够稳定的平衡刚性连接件a、溜板a磁浮定子和外部负载的重力之和；

步骤二中先给定一个运动指令Z(t)用于控制大行程超精密垂直轴组件的运动；

按照如下方法生成用于控制大行程普通精度运动轴组件的运动指令Z₂(t)：

首先设定一个阈值Z＝1mm，当运动指令Z(t)在任一时间区间内变化量小于z时，计算该时间区间内的Z(t)的平均值，并赋值给Z₂′(t)，进而得到不同时间段的Z₂′(t)；

在Z₂′(t)的基础上叠加一个用于降低大行程普通精度运动轴组件运动过程中摩擦、间隙等导致的随机扰动的正弦信号，所述正弦信号的固定频率f需高于大行程超精密垂直轴组件的工作频率，且所述正弦信号的幅值小于10微米，最终得到用于控制大行程普通精度运动轴组件运动的运动指令Z₂(t)；

最后在大行程超精密垂直轴组件的运动控制中增加一个固定频率为f的陷波滤波器，用于抵消正弦信号引入的规律化扰动的影响，最终实现大行程内的重力补偿。通过上述方法对一种基于准零刚度磁场的超精密垂直轴重力补偿装置的使用，可有效的降低因大行程普通精度运动轴组件在做跟随运动时对大行程超精密垂直轴组件的扰动，同时通过增加固定频率为f的正弦信号用于降低大行程普通精度运动轴组件运动时摩擦、间隙等导致的随机扰动，实现用于重力补偿的悬浮力波动的规律化，且在大行程超精密垂直轴组件的控制中增加一个固定频率为f的陷波滤波器，从而抵消正弦信号引入的规律化扰动的影响，最终实现大行程超精密垂直轴的重力补偿。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明一种基于准零刚度磁场的超精密垂直轴重力补偿装置及方法，采用悬浮力来对竖直方向移动时的重力进行补偿，通过磁场产生悬浮力来进行重力补偿的方法相较于气缸重力补偿方法，其响应速度更快且更加稳定，对大行程超精密垂直轴重力补偿的效果更好，进而降低重力对大行程超精密垂直轴运动的影响；

2、本发明一种基于准零刚度磁场的超精密垂直轴重力补偿装置及方法，通过静压导轨支撑结构和滚珠丝杠传动结构实现超精密垂直轴和普通精密运动轴在大行程内的移动；

3、本发明一种基于准零刚度磁场的超精密垂直轴重力补偿装置及方法，滚珠丝杠传动结构在运动方向上具有极高的刚度，在承受较大的力时仍能保持稳定，可结合磁悬浮结构提供稳定的悬浮力，对大行程超精密垂直轴进行稳定的重力补偿。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明刚性连接件a结构示意图；

图3为本发明结构示意图

图4为本发明运动指令-时间关系图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-基座，2-运动控制器，3-静压导轨支撑结构，4-滚珠丝杠传动结构，5-刚性连接件a，6-溜板a，7-磁浮定子，8-刚性连接件b，9-溜板b，10-磁浮动子，11-外部负载，51-连接段a，52-中间段，53-安装段a，81-连接段b，82-安装段b。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本本发明。在其他实施例中，为了避免混淆本本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。

在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”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保护范围的限制。

实施例1：

如图1～图3所示，一种基于准零刚度磁场的超精密垂直轴重力补偿装置，包括基座1、大行程超精密垂直轴组件、大行程普通精度运动轴组件和运动控制器2，所述大行程超精密垂直轴组件和大行程普通精度运动轴组件均设置于基座1；基座1用于本装置各个组件的安装，同时大行程超精密垂直轴组件和大行程普通精度运动轴组件可在基座1上运动，从而大行程超精密垂直轴组件可实现大行程移动。

所述大行程超精密垂直轴组件与大行程普通精度运动轴组件的行程均大于20mm；本实施例中轴组件的行程均大于20mm，相较于目前采用磁浮技术的精密运动轴重力补偿装置的微米级行程，本发明能够有效的为大行程超精密垂直轴提供稳定有效的悬浮力用于克服重力，进而降低重力对大行程超精密垂直轴运动的影响。

所述大行程超精密垂直轴组件和大行程普通精度运动轴组件可在重力方向上运动，且所述大行程超精密垂直轴组件和大行程普通精度运动轴组件间可产生与重力作用方向相反的悬浮力；本实施例中大行程普通精度运动轴组件的运动情况基于大行程超精密垂直轴组件的运动情况，运动过程中二者之间的相对位置变化很小，可将二者间相对位置视为不变，从而保证二者间能够始终产生一个稳定的用于补偿重力的悬浮力，进而能够有效的对大行程超精密垂直轴组件以及负载的重力进行补偿。

且所述大行程超精密垂直轴组件可用于连接外部负载11；本实施例中通过大行程超精密垂直轴组件来承载外部负载11；与此同时外部负载11还可设置于大行程超精密垂直轴组件的其他位置，能够实现外部负载11可跟随大行程超精密垂直轴组件运动即可。

所述大行程超精密垂直轴组件和大行程普通精度运动轴组件均与所述运动控制器2进行电连接，且所述运动控制器2可依据所述大行程超精密垂直轴组件的运动指令来控制大行程普通精度运动轴组件的跟随运动。本实施例中两个轴组件的运动均采用电控的方式，其控制效果更好从而产生的悬浮力更加稳定，进而能够有效的对大行程超精密垂直轴组件以及负载的重力进行补偿；同时所述大行程普通精度运动轴组件的运动基于所述大行程超精密垂直轴组件的运动情况，二者间的运动可视为同步进行，此时二者间距几乎不变故所产生的悬浮力也趋近于固定，对大行程超精密垂直轴组件以及负载的重力补偿更加稳定。

所述大行程超精密垂直轴组件通过静压导轨支撑结构3滑动设置于基座1，且所述静压导轨支撑结构3沿重力方向设置；本实施例中竖直设置的静压导轨支撑结构3用于实现大行程超精密垂直轴组件在竖直方向上的移动。

所述大行程普通精度运动轴组件通过滚珠丝杠传动结构4滑动设置于基座1，且所述滚珠丝杠传动结构4沿重力方向设置；本实施例中竖直设置的滚珠丝杠传动结构4用于实现大行程普通精度运动轴组件在竖直方向上的移动。

所述大行程超精密垂直轴组件与所述大行程普通精度运动轴组件均设置有位置反馈装置；所述大行程超精密垂直轴组件的位置反馈装置的分辨率为纳米量级，所述大行程超精密垂直轴组件在运动时位置波动处于亚微米量级；所述大行程普通精度运动轴组件的位置反馈装置的分辨率为几十微米量级，所述大行程普通精度运动轴组件在运动时位置波动处于亚毫米量级。为实现所述大行程超精密垂直轴组件和所述大行程普通精度运动轴组件位置的监控，从而更好的对二者的运动进行控制，结合静压导轨支撑结构3的传动特性，本实施例中采用光栅尺实现大行程超精密垂直轴组件的监控，利用其检测范围大、检测精度高和响应速度快等优点来实现对大行程超精密垂直轴组件位移信息的监控，进而实现对大行程超精密垂直轴组件位置信息的监控；结合滚珠丝杠传动结构的传动特性，本实施例中采用电机码盘实现大行程普通精度运动轴组件的监控，利用电机码盘分辨能力强、测量精度高和工作可靠等优点来实现对大行程普通精度运动轴组件位移信息的监控，进而实现对大行程普通精度运动轴组件位置信息的监控。利用位置反馈装置分别对大行程超精密垂直轴组件与所述大行程普通精度运动轴组件的位置信息进行实时的反馈，从而保证运动控制器2对轴组件的控制更加精准，进而在无需高精度反馈装置的情况下也能够实现对大行程超精密垂直轴重力的稳定补偿。

所述大行程超精密垂直轴组件包括刚性连接件a5、溜板a6和磁浮定子7，所述溜板a6与所述静压导轨支撑结构3连接，且所述溜板a6可沿所述静压导轨支撑结构3上下滑动；本实施例中大行程超精密垂直轴组件通过溜板a6与所述静压导轨支撑结构3连接，利用静压导轨3传动过程中摩擦阻力小的特性，配合高精度的驱动电机实现大行程超精密垂直轴组件的精密运动。

所述刚性连接件a5的一端连接所述溜板a6，所述刚性连接件a5的另一端连接磁浮定子7。本实施例中利用刚性连接件a5连接强度高、连接可靠等特点，来实现溜板a6与磁浮定子7的连接，保证悬浮力能够有效的用于补偿大行程超精密垂直轴的重力，且其连接关系不会受到损害。

所述大行程普通精度运动轴组件包括刚性连接件b8、溜板b9和磁浮动子10，所述溜板b9与所述滚珠丝杠传动结构4连接，且所述溜板b9可沿所述滚珠丝杠传动结构4上下滑动；本实施例中大行程普通精度运动轴组件通过溜板b9与所述滚珠丝杠传动结构4连接，利用滚珠丝杠传动结构4传动在运动方向上刚度高、承载力大等特点，配合高精度的驱动电机实现大行程普通精度运动轴组件的精密运动。

所述刚性连接件b8一端与所述溜板b9连接，所述刚性连接件b8另一端连接所述磁浮动子10。本实施例中利用刚性连接件b8连接强度高、连接可靠等特点，来实现溜板b9与磁浮动子10的连接，保证悬浮力能够有效的用于补偿大行程超精密垂直轴组件的重力，且其连接关系不会受到损害。在运动过程中，溜板b9的跟踪误差需保持在1000μm范围内，远大于溜板a6的跟踪误差(一般在10μm以内)，两者相对距离的波动量级为1000μm量级，此时悬浮力的波动在0.4N以内。该悬浮力波动对大行程超精密垂直轴的伺服控制的影响极小，因此本实施例能够稳定有效的对大行程超精密垂直轴运动中受到的重力进行补偿，进而降低重力对大行程超精密垂直轴运动的影响。

所述磁浮定子7和磁浮动子10相互靠近产生与重力作用方向相反的悬浮力；本实施例中通过磁浮定子7和磁浮动子10产生的悬浮力对大行程超精密垂直轴进行重力补偿。

所述磁浮定子7和磁浮动子10间不接触，且存在1mm～3mm的间隙。当所述磁浮定子7和磁浮动子10间存在1mm～3mm的间隙时，二者间磁场的刚度低于0.4N/mm，因此二者间隙变化导致的磁场相互作用力波动可控制在0.8N以下，故本装置能够提供稳定的悬浮力对大行程超精密垂直轴进行重力补偿，进而降低重力对大行程超精密垂直轴运动的影响。

所述磁浮动子10包括凹陷部，所述磁浮定子7包括凸起部，所述凸起部可插入凹陷部且凸起部与凹陷部不接触并存在1mm～3mm的间隙。为防止运动过程中磁浮定子7和磁浮动子10发生错位等影响悬浮力的情况出现，本实施例通过上述不接触的插入式连接方式实现磁浮定子7和磁浮动子10之间的联系，保证能够提供稳定的悬浮力对大行程超精密垂直轴进行重力补偿，进而降低重力对大行程超精密垂直轴运动的影响

所述刚性连接件b8包括用于连接溜板b9的连接段b81和用于安装磁浮动子10的安装段b82，所述连接段b81竖直设置，所述连接段b81与所述安装段b82呈90度设置；所述刚性连接件a5包括用于连接溜板a6的连接段a51、用于避开安装段b82的中间段52和用于安装磁浮定子7的安装段a53，所述中间段52的一端与连接段a51连接，所述中间段52的另一端与所述安装段a53连接；所述安装段a53与所述安装段b82平行设置。

所述大行程超精密垂直轴组件设置于所述大行程普通精度运动轴组件下方；所述磁浮定子7设置于所述磁浮动子10的上方；所述外部负载11可连接于溜板a6。本实施例中竖直方向上所述溜板a6设置于溜板b9的下方，但所述磁浮定子7安装于所述磁浮动子10上方，故需要设计中间段52来避开安装段b82。

实施例2：

如图1或图4所示，一种基于准零刚度磁场的超精密垂直轴重力补偿装置的重力补偿方法，包括如下步骤：

步骤一：悬浮力的设定，其中悬浮力用于平衡刚性连接件a5、溜板a6磁浮定子7和外部负载11的重力之和；此时需注意的是大行程普通精度运动轴组件与大行程超精密垂直轴组件的驱动方式不同，则在二者运动过程中相对距离难以避免的会发发生波动，此波动会造成悬浮定子7和磁浮动子10间的间隙变化。故需要保证悬浮定子7和磁浮动子10之间的间隙稳定在1mm～3mm的间隙范围内，此时二者间的磁场刚度值为低于0.4N/mm的准零刚度，因此上述间隙变化所导致的悬浮力的波动可控制在0.8N以内，从而保证能够对大行程超精密垂直轴及负载重力的稳定补偿，达到降低重力对大行程超精密垂直轴的垂直运动影响的目的。

步骤二：轴组件的运动控制，运动控制器2在控制大行程超精密垂直轴组件运动的同时，控制大行程普通精度运动轴组件相对于大行程超精密垂直轴组件的跟随运动，保证磁浮定子7和磁浮动子10之间始终存在1mm～3mm的间隙。本实施例中磁场所产生悬浮力的相应速度极高，可大大降低重力补偿装置造成的对轴组件伺服控制过程的延迟，保证其对重力的补偿效果满足工作要求。

具体的：步骤一中首先将磁浮定子7和磁浮动子10之间的间距调节为1mm～3mm，确保此时两者之间的磁场刚度为低于0.4N/mm的准零刚度，保证悬浮力不会出现急剧变化的情况并且能够稳定的平衡刚性连接件a5、溜板a6磁浮定子7和外部负载11的重力之和；

步骤二中先给定一个运动指令Z(t)用于控制大行程超精密垂直轴组件的运动；

按照如下方法生成用于控制大行程普通精度运动轴组件的运动指令Z₂(t)：

首先设定一个阈值Z＝1mm，当运动指令Z(t)在任一时间区间[t_i,t_i+1](其中i值为任意值)内变化量小于z时，计算该时间区间内的Z(t)的平均值，并赋值给Z₂′(t)，进而得到不同时间段的Z₂′(t)；

在Z₂′(t)的基础上叠加一个用于降低大行程普通精度运动轴组件运动过程中摩擦、间隙等导致的随机扰动的正弦信号，所述正弦信号的固定频率f需高于大行程超精密垂直轴组件的工作频率，且所述正弦信号的幅值小于10微米，最终得到用于控制大行程普通精度运动轴组件运动的运动指令Z₂(t)；

最后在大行程超精密垂直轴组件的运动控制中增加一个固定频率为f的陷波滤波器，用于抵消正弦信号引入的规律化扰动的影响，最终实现大行程内的重力补偿。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于准零刚度磁场的超精密垂直轴重力补偿装置，其特征在于，包括基座(1)、大行程超精密垂直轴组件、大行程普通精度运动轴组件和运动控制器(2)，所述大行程超精密垂直轴组件和大行程普通精度运动轴组件均设置于基座(1)；

所述大行程超精密垂直轴组件与大行程普通精度运动轴组件的行程均大于20mm；

所述大行程超精密垂直轴组件和大行程普通精度运动轴组件可在重力方向上运动，且所述大行程超精密垂直轴组件和大行程普通精度运动轴组件间可产生与重力作用方向相反的悬浮力；

所述大行程超精密垂直轴组件可用于连接外部负载(11)；

所述大行程超精密垂直轴组件和大行程普通精度运动轴组件均与所述运动控制器(2)进行电连接，且所述运动控制器(2)可依据所述大行程超精密垂直轴组件的运动指令来控制大行程普通精度运动轴组件的跟随运动。

2.根据权利要求1所述的基于准零刚度磁场的超精密垂直轴重力补偿装置，其特征在于，所述大行程超精密垂直轴组件通过静压导轨支撑结构(3)滑动设置于基座(1)，且所述静压导轨支撑结构(3)沿重力方向设置；

所述大行程普通精度运动轴组件通过滚珠丝杠传动结构(4)滑动设置于基座(1)，且所述滚珠丝杠传动结构(4)沿重力方向设置；

所述大行程超精密垂直轴组件与所述大行程普通精度运动轴组件均设置有位置反馈装置；

所述大行程超精密垂直轴组件的位置反馈装置的分辨率为纳米量级，所述大行程超精密垂直轴组件在运动时位置波动处于亚微米量级；

所述大行程普通精度运动轴组件的位置反馈装置的分辨率为几十微米量级，所述大行程普通精度运动轴组件在运动时位置波动处于亚毫米量级。

3.根据权利要求2所述的基于准零刚度磁场的超精密垂直轴重力补偿装置，其特征在于，所述大行程超精密垂直轴组件包括刚性连接件a(5)、溜板a(6)和磁浮定子(7)，所述溜板a(6)与所述静压导轨支撑结构(3)连接，且所述溜板a(6)可沿所述静压导轨支撑结构(3)上下滑动；

所述刚性连接件a(5)的一端连接所述溜板a(6)，所述刚性连接件a(5)的另一端连接磁浮定子(7)。

4.根据权利要求3所述的基于准零刚度磁场的超精密垂直轴重力补偿装置，其特征在于，所述大行程普通精度运动轴组件包括刚性连接件b(8)、溜板b(9)和磁浮动子(10)，所述溜板b(9)与所述滚珠丝杠传动结构(4)连接，且所述溜板b(9)可沿所述滚珠丝杠传动结构(4)上下滑动；

所述刚性连接件b(8)一端与所述溜板b(9)连接，所述刚性连接件b(8)另一端连接所述磁浮动子(10)。

5.根据权利要求4所述的基于准零刚度磁场的超精密垂直轴重力补偿装置，其特征在于，所述磁浮定子(7)和磁浮动子(10)相互靠近并产生与重力作用方向相反的悬浮力；

所述磁浮定子(7)和磁浮动子(10)间存在1mm～3mm的间隙。

6.根据权利要求5所述的基于准零刚度磁场的超精密垂直轴重力补偿装置，其特征在于，所述刚性连接件b(8)包括用于连接溜板b(9)的连接段b(81)和用于安装磁浮动子(10)的安装段b(82)，所述连接段b(81)竖直设置，所述连接段b(81)与所述安装段b(82)呈90度设置；

所述刚性连接件a(5)包括用于连接溜板a(6)的连接段a(51)、用于避开安装段b(82)的中间段(52)和用于安装磁浮定子(7)的安装段a(53)，所述中间段(52)的一端与连接段a(51)连接，所述中间段(52)的另一端与所述安装段a(53)连接；

所述安装段a(53)与所述安装段b(82)平行设置。

7.根据权利要求5所述的基于准零刚度磁场的超精密垂直轴重力补偿装置，其特征在于，所述大行程超精密垂直轴组件设置于所述大行程普通精度运动轴组件下方；

所述磁浮定子(7)设置于所述磁浮动子(10)的上方；

所述外部负载(11)可连接于溜板a(6)。

8.采用权利要求3所述基于准零刚度磁场的超精密垂直轴重力补偿装置的重力补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：悬浮力的设定，其中悬浮力用于平衡刚性连接件a(5)、溜板a(6)磁浮定子(7)和外部负载(11)的重力之和；

步骤二：轴组件的运动控制，运动控制器2在控制大行程超精密垂直轴组件运动的同时，控制大行程普通精度运动轴组件相对于大行程超精密垂直轴组件的跟随运动，保证磁浮定子(7)和磁浮动子(10)之间始终存在1mm～3mm的间隙。

9.根据权利要求8所述的基于准零刚度磁场的超精密垂直轴重力补偿装置的重力补偿方法，其特征在于，步骤一中首先将磁浮定子(7)和磁浮动子(10)之间的间距调节为1mm～3mm，确保此时两者之间的磁场刚度低于0.4N/mm，保证悬浮力不会出现急剧变化的情况并且能够稳定的平衡刚性连接件a(5)、溜板a(6)磁浮定子(7)和外部负载(11)的重力之和；

步骤二中先给定一个运动指令Z(t)用于控制大行程超精密垂直轴组件的运动；

按照如下方法生成用于控制大行程普通精度运动轴组件的运动指令Z₂(t)：

首先设定一个阈值Z＝1mm，当运动指令Z(t)在任一时间区间内变化量小于z时，计算该时间区间内的Z(t)的平均值，并赋值给Z₂′(t)，进而得到不同时间段的Z₂′(t)；

在Z₂′(t)的基础上叠加一个用于降低大行程普通精度运动轴组件运动过程中摩擦、间隙等导致的随机扰动的正弦信号，所述正弦信号的固定频率f需高于大行程超精密垂直轴组件的工作频率，且所述正弦信号的幅值小于10微米，最终得到用于控制大行程普通精度运动轴组件运动的运动指令Z₂(t)；

最后在大行程超精密垂直轴组件的运动控制中增加一个固定频率为f的陷波滤波器，用于抵消正弦信号引入的规律化扰动的影响，最终实现大行程内的重力补偿。

Images