CN1731081A - 宏／微双重驱动的大行程高速纳米级精度的平面定位系统 - Google Patents

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Abstract

宏/微双重驱动的大行程高速纳米级精度的平面定位系统，它涉及一种平面定位系统。本发明的目的是为解决现有高速高精度定位系统在行程、速度/加速度和精度各有不足，而又各自独立的问题。本发明的X轴微动平台19与X轴宏动平台16之间设有X轴柔性铰链17，X轴压电陶瓷18设置在X轴微动平台19内，内导向板28和外导向板30之间固定有缓冲铰链29，Y轴压电陶瓷24的一端与Y轴微动平台23相连接，两个轴承34分别与Y轴宏/微动平台8上的内导向板28和外导向板30滚动连接。本发明的系统既满足了厘米级的运动范围和高速、高加速度的要求，又达到了纳米级的定位精度。工作范围为25mm×25mm，分辨率为10nm，重复定位精度为±20nm，X轴和Y轴的最大加速度分别为50m/s2和100m/s2。

Description

宏/微双重驱动的大行程高速纳米级精度的平面定位系统
技术领域：
本发明涉及一种平面定位系统。
背景技术：
集成电路(IC)封装、微机电系统(MEMS)制造等领域对大行程(cm级)、高速度(m/s级)和高精度(μm至nm级)定位系统的需要日益迫切。但目前存在的问题是：1、传统的串联结构XY工作台方式的平面定位系统，由于上层平台作为基层平台的工作负载，大大增加了基层平台的运动惯量，限制了整个系统的速度和加速度，系统工作效率低。2、现有的并联结构XY工作台方式的平面定位系统，仅采用旋转电机+滚珠丝杠、直线电机或音圈电机等单一的驱动器件，虽然能够达到大行程的运动范围，但其精度仅能满足微米或亚微米级要求。3、压电陶瓷等微驱动器的定位精度能够达到纳米级，但行程小，只能达到几十微米至上百微米；压电马达驱动的运动平台，虽然能够实现大行程、高分辨率的运动性能，但其运动速度低。
发明内容：
本发明的目的是为克服现有高速高精度定位系统在行程、速度/加速度和精度各有不足而又各自独立的问题，提供一种宏/微双重驱动的大行程高速纳米级精度的平面定位系统。本发明具有量程大、精度高、能够在高速条件下测量的特点。本发明由X轴直线音圈电机(动子/定子)1、X轴电机基座2、X轴导轨3、X轴双直线光栅4、X轴宏/微动平台5、Y轴导轨6、Y轴承载平台7、Y轴宏/微动平台8、XY轴解耦导轨9、XY轴解耦机构10、Y轴电机基座11、Y轴直线音圈电机(动子/定子)12、工作平台13、Y轴双直线光栅14和基座15组成；X轴直线音圈电机1的定子固定在X轴电机基座2上，X轴电机基座2固定在基座15上，Y轴直线音圈电机12的定子固定在Y轴电机基座11上，Y轴电机基座11固定在基座15上，X轴直线音圈电机1的动子与X轴宏/微动平台5固定连接，Y轴直线音圈电机12的动子与XY轴解耦机构10的一端固定连接，X轴导轨3和XY轴解耦导轨9分别固定在基座15上，X轴宏/微动平台5的下端与X轴导轨3滑动连接，XY轴解耦机构10的下端与XY轴解耦导轨9滑动连接，Y轴承载平台7的下侧与X轴宏/微动平台5的上侧固定连接，Y轴导轨6固定在Y轴承载平台7的上侧，Y轴宏/微动平台8的下侧与Y轴导轨6滑动连接，工作平台13固定在Y轴宏/微动平台8的上侧，Y轴宏/微动平台8的一端与XY轴解耦机构10的另一端固定连接，X轴双直线光栅4固定在X轴宏/微动平台5外侧的基座15上，Y轴双直线光栅14固定在X轴直线音圈电机1一侧的Y轴承载平台7上；X轴宏/微动平台5由X轴宏动平台16、X轴柔性铰链17、X轴压电陶瓷18、X轴微动平台19、X轴紧定螺钉20和X轴锁紧螺钉21组成，X轴微动平台19设置在X轴宏动平台16的中间，X轴微动平台19与X轴宏动平台16之间设有X轴柔性铰链17，X轴压电陶瓷18设置在X轴微动平台19内，X轴压电陶瓷18的一端与X轴微动平台19相连接，X轴压电陶瓷18的另一端与设置在X轴宏动平台16上的锁紧螺钉21之间设有紧定螺钉20，X轴微动平台19与Y轴承载平台7固定连接；Y轴宏/微动平台8由Y轴宏动平台22、Y轴微动平台23、Y轴压电陶瓷24、Y轴紧定螺钉25、Y轴锁紧螺钉26、Y轴柔性铰链27、内导向板28、缓冲铰链29和外导向板30组成，Y轴宏动平台22的一端固定有内导向板28，内导向板28和外导向板30之间固定有缓冲铰链29，Y轴微动平台23设置在Y轴宏动平台22内，Y轴微动平台23和Y轴宏动平台22之间设置有Y轴柔性铰链27，Y轴压电陶瓷24设置在Y轴微动平台23内，Y轴压电陶瓷24的一端与Y轴微动平台23相连接，Y轴压电陶瓷24的另一端与设置在Y轴宏动平台22上的Y轴锁紧螺钉26之间设有Y轴紧定螺钉25，工作平台13固定在Y轴微动平台23上；XY轴解耦机构10由XY轴解耦推拉杆31、弹簧32、调节臂33、两个轴承34、固定轴35、活动轴36、调节臂轴37和固定盖板38组成，固定盖板38的一端固定在XY轴解耦推拉杆31上，调节臂轴37的下端固定在XY轴解耦推拉杆31上，调节臂轴37的上端固定在固定盖板38上，调节臂33的一端设置在调节臂轴37上，调节臂33的另一端与XY轴解耦推拉杆31之间设有弹簧32，固定轴35固定在XY轴解耦推拉杆31和固定盖板38之间，活动轴36固定在调节臂33上，两个轴承34分别固定在固定轴35和活动轴36上，两个轴承34分别与Y轴宏/微动平台8上的内导向板28和外导向板30滚动连接，XY轴解耦推拉杆31与Y轴直线音圈电机12的动子固定连接；X轴双直线光栅4由X轴宏/微光栅39、X轴光栅基座40和X轴宏光栅41组成，X轴宏/微光栅39固定在X轴光栅基座40的上端，X轴宏光栅41固定在X轴光栅基座40内的下侧；Y轴双直线光栅14由Y轴光栅基座42、Y轴宏/微光栅43和Y轴宏光栅44组成，Y轴宏/微光栅43固定在Y轴光栅基座42内的上部，Y轴宏光栅44固定在Y轴光栅基座42内的下部。本发明的有益效果是：采用直线音圈电机直接驱动宏动平台，避免了采用滚珠丝杠传动环节带来的惯量大、回程间隙和刚度不足等缺点。施加预紧力将压电陶瓷与微动平台固接，使得微动平台无间隙直线运动。由于XY轴解耦机构中的弹簧具有一定的预紧力，使得在工作中导向板与两个轴承之间始终保持紧密接触，同时保证了Y方向的刚度，并且具有一定柔度的缓冲铰链减缓工作台高频运动对导轨的X方向的冲击，从而实现了平面笛卡尔工作台的无间隙解耦。采用力学特性好的直线音圈电机作为宏驱动器，在宏动平台上的微动平台内安装压电陶瓷作为微驱动器，高频动态补偿系统的定位误差；精密的直线光栅采用双计数方式反馈宏/微动平台输出端的位置信号，实现定位系统的全闭环位置控制。从而，系统既满足厘米级的运动范围和高速、高加速度的要求，又达到了纳米级的定位精度。本发明的工作范围为25mm×25mm，分辨率为10nm，重复定位精度为±20nm，X轴和Y轴最大加速度分别为50m/s2和100m/s2。
附图说明：
图1是本发明的整体结构示意图，图2是X轴宏/微动平台5的结构示意图，图3是Y轴宏/微动平台8的结构示意图，图4是XY轴解耦机构10的结构示意图，图5是X轴双直线光栅4的结构示意图，图6是Y轴双直线光栅14的结构示意图，图7是图4的A向视图，图8是图7的B-B剖视图。
具体实施方式：
具体实施方式一：(参见图1-图6)本实施方式由X轴直线音圈电机(动子/定子)1、X轴电机基座2、X轴导轨3、X轴双直线光栅4、X轴宏/微动平台5、Y轴导轨6、Y轴承载平台7、Y轴宏/微动平台8、XY轴解耦导轨9、XY轴解耦机构10、Y轴电机基座11、Y轴直线音圈电机(动子/定子)12、工作平台13、Y轴双直线光栅14和基座15组成，X轴直线音圈电机1的定子固定在X轴电机基座2上，X轴电机基座2固定在基座15上，Y轴直线音圈电机12的定子固定在Y轴电机基座11上，Y轴电机基座11固定在基座15上，X轴直线音圈电机1的动子与X轴宏/微动平台5固定连接，Y轴直线音圈电机12的动子与XY轴解耦机构10的一端固定连接，X轴导轨3和XY轴解耦导轨9分别固定在基座15上，X轴宏/微动平台5的下端与X轴导轨3滑动连接，XY轴解耦机构10的下端与XY轴解耦导轨9滑动连接，Y轴承载平台7的下侧与X轴宏/微动平台5的上侧固定连接，Y轴导轨6固定在Y轴承载平台7的上侧，Y轴宏/微动平台8的下侧与Y轴导轨6滑动连接，工作平台13固定在Y轴宏/微动平台8的上侧，Y轴宏/微动平台8的一端与XY轴解耦机构10的另一端固定连接，X轴双直线光栅4固定在X轴宏/微动平台5外侧的基座15上，Y轴双直线光栅14固定在X轴直线音圈电机1一侧的Y轴承载平台7上；X轴宏/微动平台5由X轴宏动平台16、X轴柔性铰链17、X轴压电陶瓷18、X轴微动平台19、X轴紧定螺钉20和X轴锁紧螺钉21组成，X轴微动平台19设置在X轴宏动平台16的中间，X轴微动平台19与X轴宏动平台16之间设有X轴柔性铰链17，X轴压电陶瓷18设置在X轴微动平台19内，X轴压电陶瓷18的一端与X轴微动平台19相连接，X轴压电陶瓷18的另一端与设置在X轴宏动平台16上的锁紧螺钉21之间设有紧定螺钉20，X轴微动平台19与Y轴承载平台7固定连接；Y轴宏/微动平台8由Y轴宏动平台22、Y轴微动平台23、Y轴压电陶瓷24、Y轴紧定螺钉25、Y轴锁紧螺钉26、Y轴柔性铰链27、内导向板28、缓冲铰链29和外导向板30组成，Y轴宏动平台22的一端固定有内导向板28，内导向板28和外导向板30之间固定有缓冲铰链29，Y轴微动平台23设置在Y轴宏动平台22内，Y轴微动平台23和Y轴宏动平台22之间设置有Y轴柔性铰链27，Y轴压电陶瓷24设置在Y轴微动平台23内，Y轴压电陶瓷24的一端与Y轴微动平台23相连接，Y轴压电陶瓷24的另一端与设置在Y轴宏动平台22上的Y轴锁紧螺钉26之间设有Y轴紧定螺钉25，工作平台13固定在Y轴微动平台23上；XY轴解耦机构10由XY轴解耦推拉杆31、弹簧32、调节臂33、两个轴承34、固定轴35、活动轴36、调节臂轴37和固定盖板38组成，固定盖板38的一端固定在XY轴解耦推拉杆31上，调节臂轴37的下端固定在XY轴解耦推拉杆31上，调节臂轴37的上端固定在固定盖板38上，调节臂33的一端设置在调节臂轴37上，调节臂33的另一端与XY轴解耦推拉杆31之间设有弹簧32，固定轴35固定在XY轴解耦推拉杆31和固定盖板38之间，活动轴36固定在调节臂33上，两个轴承34分别固定在固定轴35和活动轴36上，两个轴承34分别与Y轴宏/微动平台8上的内导向板28和外导向板30滚动连接，XY轴解耦推拉杆31与Y轴直线音圈电机12的动子固定连接；X轴双直线光栅4由X轴宏/微光栅39、X轴光栅基座40和X轴宏光栅41组成，X轴宏/微光栅39固定在X轴光栅基座40的上端，X轴宏光栅41固定在X轴光栅基座40内的下侧；Y轴双直线光栅14由Y轴光栅基座42、Y轴宏/微光栅43和Y轴宏光栅44组成，Y轴宏/微光栅43固定在Y轴光栅基座42内的上部，Y轴宏光栅44固定在Y轴光栅基座42内的下部。
具体实施方式二：(参见图2)本实施方式中与X轴微动平台19相连接的X轴压电陶瓷18的端头为圆球形51。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：(参见图3)本实施方式中与Y轴微动平台23相连接的Y轴压电陶瓷24的端头为圆球形52。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：(参见图7、图8)本实施方式中固定轴35与XY轴解耦推拉杆31和固定盖板38之间为简支梁结构，其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：(参见图7、图8)本实施方式中活动轴36与调节臂33之间为简支梁结构。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。
工作原理：X轴直线音圈电机1和Y轴直线音圈电机12作为宏驱动器，通电后产生电磁力推动其动子分别驱动X轴宏动平台16和XY轴解耦推拉杆31产生宏动；集成在X轴宏动平台16和Y轴宏动平台22中的X轴压电陶瓷18和Y轴压电陶瓷24作为微驱动器分别驱动X轴微动平台19和Y轴微动平台23产生微动；由于弹簧32的预紧，消除了两个轴承34的径向间隙，同时保证了Y方向的刚度，具有一定柔度的缓冲铰链29减缓工作台高频运动对Y轴导轨6和XY轴解耦导轨9的冲击，从而实现了X、Y方向的运动解耦；X轴宏光栅41和Y轴宏光栅44分别检测X轴宏动平台16和Y轴宏动平台22输出端的宏动位置信号，X轴宏/微光栅39和Y轴宏/微光栅43分别检测Y轴承载平台7和工作平台13输出端的宏/微动位置信号。宏动平台实现系统大行程、高速、高加速度微米级精度定位，当进入微动平台工作行程时启动压电陶瓷，以高频动态补偿系统的定位误差，实现纳米级的分辨率和定位精度。

Claims (5)

1、一种宏/微双重驱动的大行程高速纳米级精度的平面定位系统，它由X轴直线音圈电机(1)、X轴电机基座(2)、X轴导轨(3)、X轴双直线光栅(4)、X轴宏/微动平台(5)、Y轴导轨(6)、Y轴承载平台(7)、Y轴宏/微动平台(8)、XY轴解耦导轨(9)、XY轴解耦机构(10)、Y轴电机基座(11)、Y轴直线音圈电机(12)、工作平台(13)、Y轴双直线光栅(14)和基座(15)组成；X轴直线音圈电机(1)的定子固定在X轴电机基座(2)上，X轴电机基座(2)固定在基座(15)上，Y轴直线音圈电机(12)的定子固定在Y轴电机基座(11)上，Y轴电机基座(11)固定在基座(15)上，X轴直线音圈电机(1)的动子与X轴宏/微动平台(5)固定连接，Y轴直线音圈电机(12)的动子与XY轴解耦机构(10)的一端固定连接，X轴导轨(3)和XY轴解耦导轨(9)分别固定在基座(15)上，X轴宏/微动平台(5)的下端与X轴导轨(3)滑动连接，XY轴解耦机构(10)的下端与XY轴解耦导轨(9)滑动连接，Y轴承载平台(7)的下侧与X轴宏/微动平台(5)的上侧固定连接，Y轴导轨(6)固定在Y轴承载平台(7)的上侧，Y轴宏/微动平台(8)的下侧与Y轴导轨(6)滑动连接，工作平台(13)固定在Y轴宏/微动平台(8)的上侧，Y轴宏/微动平台(8)的一端与XY轴解耦机构(10)的另一端固定连接，X轴双直线光栅(4)固定在X轴宏/微动平台(5)外侧的基座(15)上，Y轴双直线光栅(14)固定在X轴直线音圈电机(1)一侧的Y轴承载平台(7)上；其特征在于X轴宏/微动平台(5)由X轴宏动平台(16)、X轴柔性铰链(17)、X轴压电陶瓷(18)、X轴微动平台(19)、X轴紧定螺钉(20)和X轴锁紧螺钉(21)组成，X轴微动平台(19)设置在X轴宏动平台(16)的中间，X轴微动平台(19)与X轴宏动平台(16)之间设有X轴柔性铰链(17)，X轴压电陶瓷(18)设置在X轴微动平台(19)内，X轴压电陶瓷(18)的一端与X轴微动平台(19)相连接，X轴压电陶瓷(18)的另一端与设置在X轴宏动平台(16)上的锁紧螺钉(21)之间设有紧定螺钉(20)，X轴微动平台(19)与Y轴承载平台(7)固定连接；Y轴宏/微动平台(8)由Y轴宏动平台(22)、Y轴微动平台(23)、Y轴压电陶瓷(24)、Y轴紧定螺钉(25)、Y轴锁紧螺钉(26)、Y轴柔性铰链(27)、内导向板(28)、缓冲铰链(29)和外导向板(30)组成，Y轴宏动平台(22)的一端固定有内导向板(28)，内导向板(28)和外导向板(30)之间固定有缓冲铰链(29)，Y轴微动平台(23)设置在Y轴宏动平台(22)内，Y轴微动平台(23)和Y轴宏动平台(22)之间设置有Y轴柔性铰链(27)，Y轴压电陶瓷(24)设置在Y轴微动平台(23)内，Y轴压电陶瓷(24)的一端与Y轴微动平台(23)相连接，Y轴压电陶瓷(24)的另一端与设置在Y轴宏动平台(22)上的Y轴锁紧螺钉(26)之间设有Y轴紧定螺钉(25)，工作平台(13)固定在Y轴微动平台(23)上；XY轴解耦机构(10)由XY轴解耦推拉杆(31)、弹簧(32)、调节臂(33)、两个轴承(34)、固定轴(35)、活动轴(36)、调节臂轴(37)和固定盖板(38)组成，固定盖板(38)的一端固定在XY轴解耦推拉杆(31)上，调节臂轴(37)的下端固定在XY轴解耦推拉杆(31)上，调节臂轴(37)的上端固定在固定盖板(38)上，调节臂(33)的一端设置在调节臂轴(37)上，调节臂(33)的另一端与XY轴解耦推拉杆(31)之间设有弹簧(32)，固定轴(35)固定在XY轴解耦推拉杆(31)和固定盖板(38)之间，活动轴(36)固定在调节臂(33)上，两个轴承(34)分别固定在固定轴(35)和活动轴(36)上，两个轴承(34)分别与Y轴宏/微动平台(8)上的内导向板(28)和外导向板(30)滚动连接，XY轴解耦推拉杆(31)与Y轴直线音圈电机(12)的动子固定连接；X轴双直线光栅(4)由X轴宏/微光栅(39)、X轴光栅基座(40)和X轴宏光栅(41)组成，X轴宏/微光栅(39)固定在X轴光栅基座(40)的上端，X轴宏光栅(41)固定在X轴光栅基座(40)内的下侧；Y轴双直线光栅(14)由Y轴光栅基座(42)、Y轴宏/微光栅(43)和Y轴宏光栅(44)组成，Y轴宏/微光栅(43)固定在Y轴光栅基座(42)内的上部，Y轴宏光栅(44)固定在Y轴光栅基座(42)内的下部。
2、根据权利要求1所述的宏/微双重驱动的大行程高速纳米级精度的平面定位系统，其特征在于与X轴微动平台(19)相连接的X轴压电陶瓷(18)的端头为圆球形(51)。
3、根据权利要求1所述的宏/微双重驱动的大行程高速纳米级精度的平面定位系统，其特征在于与Y轴微动平台(23)相连接的Y轴压电陶瓷(24)的端头为圆球形(52)。
4、根据权利要求1所述的宏/微双重驱动的大行程高速纳米级精度的平面定位系统，其特征在于固定轴(35)与XY轴解耦推拉杆(31)和固定盖板(38)之间为简支梁结构。
5、根据权利要求1所述的宏/微双重驱动的大行程高速纳米级精度的平面定位系统，其特征在于活动轴(36)与调节臂(33)之间为简支梁结构。
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