CN116734784A - 一种宏微精密定位装置及控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种宏微精密定位装置，包括：基座，设有线性导轨和线性宏驱动件；宏动平台，滑动连接于线性导轨，宏动平台上设有线性微驱动件和柔性平动机构；微动平台通过柔性平动机构滑动连接于宏动平台上，线性微驱动件作用于微动平台以控制微动平台的移动距离；相对位移传感器用于检测微动平台相对宏动平台的位移；线性宏驱动件作用于宏动平台，且线性宏驱动件根据相对位移传感器的反馈信号判断是否控制宏动平台响应微动平台的移动。上述方案结合了线性微驱动件的精密位移和线性宏驱动件行程大的特点，同时通过以微动平台带动宏动平台的控制策略减少线性宏驱动件的频繁启停问题，提高工作效率和作业精度。本公开还提供一种宏微精密定位装置的控制方法。
Description
技术领域
本发明涉及精密定位的技术领域，具体涉及一种宏微精密定位装置，以及一种宏微精密定位装置的控制方法。
背景技术
宏微运动平台是在低精度运动平台上叠加高精度的运动平台，利用宏平台行程长和微平台精度高进行优势互补。直线电机直接驱动平台运动，运动范围可达百毫米，但精度只有微米级，加以气浮导向或者磁浮方式，运动精度可以提高到亚微米级，达不到精密装备微纳定位要求。音圈电机作为特种形式的直线电机，具有结构简单、体积小、动态响应速度快、无齿槽转矩、高线性度等优点，能实现毫米级行程和纳米级精度的跨尺度运动能力，在高精度定位伺服系统中得到广泛应用。除此之外，压电陶瓷电动机也是一种常见的应用于运动控制领域的精密电动机，由于其工作时没有内在磁场和运动部件，能够达到直线和旋转电动机所不能匹敌的精度，可以达到纳米级。但压电陶瓷的工作原理是利用材料的逆压电效应，根据施加电压的变化，使之发生相应的变形，行程有限，只有百微米级。且压电陶瓷由于其是一种极性材料,它的迟滞、温度、蠕变等非线性的材料特性，会影响精密定位效果。
例如，专利CN 203269552 U提出了一种基于压电陶瓷的高速高精度宏微平台。该发明基于音圈电机驱动的大行程运动实现高速进给，压电陶瓷直接连接在音圈电机输出轴上，驱动微平台运动，起到高速平台减振和精密定位的作用，且采用音圈电机线性编码器对音圈电机位置信号进行反馈，采用绝对式光栅尺对微平台闭环控制。而专利CN 104656682A提出了一种宏微两级驱动精密定位机构。该发明设计了一种宏微两级驱动的精密定位机构，基于直线电机驱动的宏定位系统和压电陶瓷驱动的微定位系统，通过每一级运动的气浮导轨和运动滑块的配合以及激光干涉仪进行闭环控制，实现高精度直线性运动。
然而，现有宏微平台的微动台行程只有几十微米，且通常采用先动宏动台再动微动台的方式，在精密定位过程中需要宏动台频繁启停，考虑到微动台精度对宏动台干扰较为敏感，稳定时间长，降低了工作效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种宏微精密定位装置，以减少现有技术中宏微平台的宏动台需要频繁启停的问题，降低宏动台对微动台的干扰，提高宏微平台的工作效率和作业精度。
为解决上述问题，本发明提供一种宏微精密定位装置，包括：
基座，设有线性导轨和线性宏驱动件；
宏动平台，滑动连接于所述线性导轨，所述宏动平台上设有线性微驱动件和柔性平动机构；
微动平台，通过所述柔性平动机构滑动连接于所述宏动平台上，所述线性微驱动件作用于所述微动平台以控制微动平台的移动距离；
宏动位移传感器，设于基座上并用于检测宏动平台的位移；
微动位移传感器，设于基座上并用于检测微动平台的位移；
相对位移传感器，设于宏动平台上并用于检测微动平台相对宏动平台的位移；
所述线性宏驱动件作用于所述宏动平台，且线性宏驱动件根据所述相对位移传感器的反馈信号判断是否控制宏动平台响应微动平台的移动。
作为优选的，所述线性宏驱动件为沿横向设置的直线电机，所述线性微驱动件为音圈电机，所述音圈电机的定子连接至宏动平台且动子连接至微动平台，所述音圈电机的轴线相对直线电机平行设置。直线电机的结构精简，不需要额外的传动机构，响应迅速；而音圈电机则能够实现毫米级的精密运动，实现对微动平台的移动距离的精确控制。
作为优选的，所述基座上设有两个挡架，两个挡架分别位于线性导轨的两端以供宏动平台抵接，从而限制宏动平台的最大行程，避免宏动平台从线性导轨脱出。
上述方案以音圈电机作为线性微驱动件实现毫米级的精密位移，以直线电机作为线性宏驱动件实现大行程的位移，同时微动平台通过柔性平动机构滑动连接于宏动平台上，柔性平动机构能够对微动平台起到无摩擦的运动导向，保证微动平台的位移更为稳定。与现有技术相比，上述方案结合了线性微驱动件的精密位移和线性宏驱动件行程大的特点，同时通过以微动平台带动宏动平台的协同运动控制策略减少线性宏驱动件的频繁启停问题，并通过前馈解耦补偿减少耦合力干扰对微动平台的影响，抑制宏动平台对微动平台的干扰，提高整个定位装置的工作效率和作业精度，从而能够为光电子器件和半导体芯片等精密制造设备提供长行程的精密定位。
本发明还提供一种宏微精密定位装置的控制方法，包括如下步骤：
S1.上位机发出位移指令，线性微驱动件响应于位移指令控制微动平台向相应方向移动；
S2.相对位移传感器检测微动平台相对宏动平台的位置和位移量，上位机对相对位移传感器的反馈信号进行分析：若位移指令的值大于微动平台的空余行程，则线性宏驱动件控制线性宏驱动件随微动平台同向移动，并基于耦合辨识模型前馈补偿宏动平台对微动平台的干扰，直至宏动位移传感器检测到宏动平台移动至所需位置，随后待微动位移传感器检测到微动平台移动至所需位置，位移完成；若位移指令的值小于微动平台的空余行程，则线性宏驱动件保持关闭。
附图说明
图1为一种宏微精密定位装置的轴测示意图；
图2为一种宏微精密定位装置的主视示意图；
图3为一种宏微精密定位装置的宏动平台及微动平台的相关示意图。
附图标记说明，
1、基座；11、线性导轨；12、挡架；2、线性宏驱动件；3、宏动平台；4、线性微驱动件；5、微动平台；6、柔性平动机构；61、滑座；62、滑台；7、宏动位移传感器；8、微动位移传感器；9、相对位移传感器。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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。另外需要说明的是，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后、内、外)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
实施例1
请参阅图1-图3，本发明的实施例提供的一种宏微精密定位装置，包括：
基座1，设有线性导轨11和线性宏驱动件2；
宏动平台3，滑动连接于线性导轨11，宏动平台3上设有线性微驱动件4和柔性平动机构6；
微动平台5，通过柔性平动机构6滑动连接于宏动平台3上，线性微驱动件4作用于微动平台5以控制微动平台5的移动距离；
宏动位移传感器7，设于基座1上并用于检测宏动平台3的位移；
微动位移传感器8，设于基座1上并用于检测微动平台5的位移；
相对位移传感器9，设于宏动平台3上并用于检测微动平台5相对宏动平台3的位移；
线性宏驱动件2作用于宏动平台3，且线性宏驱动件2根据相对位移传感器9的反馈信号判断是否控制宏动平台3响应微动平台5的移动。
在本实施例中，线性宏驱动件2为沿横向设置的直线电机，线性微驱动件4为沿横向设置的音圈电机，且音圈电机的轴线相对直线电机平行设置。音圈电机的定子连接至宏动平台3且动子连接至微动平台5。直线电机的结构精简，不需要额外的传动机构，响应迅速；而音圈电机则能够实现毫米级的精密运动，实现对微动平台5的移动距离的精确控制。
柔性平动机构6包括滑座61和滑台62，滑座61沿横向连接于宏动平台3，滑台62则滑动连接于滑座61上，且滑台62相对滑座61的滑动方向平行于音圈电机的轴线方向。柔性平动机构6能够对微动平台5起到无摩擦的运动导向，保证微动平台5的位移更为稳定。
作为对上述实施例的优化，基座1上设有两个挡架12，两个挡架12分别位于线性导轨11的两端以供宏动平台3抵接，从而限制宏动平台3的最大行程，避免宏动平台3从线性导轨11脱出。
上述方案以音圈电机作为线性微驱动件4实现毫米级的精密位移，以直线电机作为线性宏驱动件2实现大行程的位移，同时微动平台5通过柔性平动机构6滑动连接于宏动平台3上，柔性平动机构6能够对微动平台5起到无摩擦的运动导向，保证微动平台5的位移更为稳定。与现有技术相比，上述方案结合了线性微驱动件4的精密位移和线性宏驱动件2行程大的特点，同时通过以微动平台5带动宏动平台3的协同运动控制策略减少线性宏驱动件2的频繁启停问题，并通过前馈解耦补偿减少耦合力干扰对微动平台5的影响，抑制宏动平台3对微动平台5的干扰，提高整个定位装置的工作效率和作业精度，从而能够为光电子器件和半导体芯片等精密制造设备提供长行程的精密定位。
实施例2
本发明的实施例2提供一种宏微精密定位装置的控制方法，应用于如实施例1，具体包括如下步骤：
S1.上位机发出位移指令，线性微驱动件4响应于位移指令控制微动平台5向相应方向移动；
S2.相对位移传感器9检测微动平台5相对宏动平台3的位置和位移量，上位机对相对位移传感器9的反馈信号进行分析：若位移指令的值大于微动平台5的空余行程，则线性宏驱动件2控制线性宏驱动件2随微动平台5同向移动，并基于耦合辨识模型前馈补偿宏动平台3对微动平台5的干扰，直至宏动位移传感器7检测到宏动平台3移动至所需位置，随后待微动位移传感器8检测到微动平台5移动至所需位置，位移完成；若位移指令的值小于微动平台5的空余行程，则线性宏驱动件2保持关闭。
虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。对本领域技术人员来说，在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种宏微精密定位装置，其特征在于，包括：
基座(1)，设有线性导轨(11)和线性宏驱动件(2)；
宏动平台(3)，滑动连接于所述线性导轨(11)，所述宏动平台(3)上设有线性微驱动件(4)和柔性平动机构(6)；
微动平台(5)，通过所述柔性平动机构(6)滑动连接于所述宏动平台(3)上，所述线性微驱动件(4)作用于所述微动平台(5)以控制微动平台(5)的移动距离；
宏动位移传感器(7)，设于基座(1)上并用于检测宏动平台(3)的位移；
微动位移传感器(8)，设于基座(1)上并用于检测微动平台(5)的位移；
相对位移传感器(9)，设于宏动平台(3)上并用于检测微动平台(5)相对宏动平台(3)的位移；
所述线性宏驱动件(2)作用于所述宏动平台(3)，且线性宏驱动件(2)根据所述相对位移传感器(9)的反馈信号判断是否控制宏动平台(3)响应微动平台(5)的移动。
2.根据权利要求1所述的一种宏微精密定位装置，其特征在于，所述线性宏驱动件(2)为沿横向设置的直线电机，所述线性微驱动件(4)为音圈电机，所述音圈电机的定子连接至宏动平台(3)且动子连接至微动平台(5)，所述音圈电机的轴线相对直线电机平行设置。
3.根据权利要求1所述的一种宏微精密定位装置，其特征在于，所述基座(1)上设有两个挡架(12)，两个挡架(12)分别位于线性导轨(11)的两端以供宏动平台(3)抵接。
4.一种宏微精密定位装置的控制方法，应用于如权利要求1-3任一所述的宏微精密定位装置，其特征在于，包括如下步骤：
S1.上位机发出位移指令，线性微驱动件(4)响应于位移指令控制微动平台(5)向相应方向移动；
S2.相对位移传感器(9)检测微动平台(5)相对宏动平台(3)的位置和位移量，上位机对相对位移传感器(9)的反馈信号进行分析：若位移指令的值大于微动平台(5)的空余行程，则线性宏驱动件(2)控制线性宏驱动件(2)随微动平台(5)同向移动，并基于耦合辨识模型前馈补偿宏动平台(3)对微动平台(5)的干扰，直至宏动位移传感器(7)检测到宏动平台(3)移动至所需位置，随后待微动位移传感器(8)检测到微动平台(5)移动至所需位置，位移完成；若位移指令的值小于微动平台(5)的空余行程，则线性宏驱动件(2)保持关闭。
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