CN203965952U - 基于压电陶瓷的精密工作台 - Google Patents

Abstract

一种基于压电陶瓷的精密工作台，涉及一种精密工作台。本实用新型的目的是为了解决现有精密工作台行程和测量距离比较小、测量精度不够的问题。本实用新型的一种基于压电陶瓷的精密工作台，包括信号处理单片机和光栅尺细分反馈部分，光栅尺细分反馈部分包括细分电路部分和精细分电路部分，细分电路部分包括正弦信号处理电路和余弦信号处理电路，两组电路输出端与CPLD芯片连接，PC上位机通过串口与信号处理单片机进行通信连接，信号处理单片机通过导线与粗位移部分连接，光栅尺细分反馈部分、信号处理单片机和精位移部分与形成闭环反馈回路。本实用新型测量量程大，精度高。

Description

基于压电陶瓷的精密工作台

技术领域

本实用新型涉及一种基于压电陶瓷的精密工作台，属于精密工程技术领域。

背景技术

国外现行的精密工作台一般精度都达到了纳米级，尤其是美国、韩国以及日本等国在高新技术处于领先地位的国家，其生产的精密工作台已经能对目标实现高速、精准的定位。其衍生的技术应用于航天、航空以及电子等代表国家科技前沿的科技领域中。国内许多单位(如清华大学、哈尔滨工业大学、长春光机所等)也在从事这方面的工作,也已研制出行程在几十至几百微米精密工作台,定位精度达到±0.05μm。

东京工业大学采用气浮导轨导向，直线电机驱动的结构研制成功了具有纳米级分辨率的超精密工作台，在300nm的总行程中，实现2nm的步进定位。为了补偿直线电机的波动、底座的振动和达到快速响应的目的，其控制系统采用的是具有电流变液(Electrorheological Fluid)阻尼器的前馈补偿PID控制器，可以通过调节电场强度来实时调节系统的阻尼，以达到主动控制系统的动静态特性。为了使工作台稳定达到上述定位精度，最小化热误差，使用了低热膨胀系数的氧化铝陶瓷(Alumina-ceramics)材料制成工作台和多孔静压轴承导轨。

法国Compiégne工业大学的SamirMekid无刷直流电机摩擦传动、液体静压支承构成了高精度直线滑台。并采用内模控制的方法实现了在220mm的总行程上定位精度达16nm的纳米级定位，最大速度为10mm/s。为了避免热漂移现象，实验装置采用了两个措施，其一、使用热膨胀系数为0.05um/℃的Zerodur材料制成滑台导轨最小化温度引起的热误差大小；其二、为了减小轴承元件的热漂移，运用开式油循环方式与10l/min流量的温控水在水/油热交换器内热交换后将流入滑台的油温保持低于外界环境温度5℃以内，流出滑台的油温接近于环境温度(18-20℃)。在整个测量过程中外界环境温度的变化量保持在0.6℃之内。

自从上世纪八十年代，A.Sharon提出宏、微双层结构以来，国外学者对宏、微双重驱动技术进行了深入的研究。将系统划分为宏动和微动两个部分，宏动定位机构实现大范围、高速的粗定位，微动定位机构补偿系统的定位误差实现高精度定位，从而有效提高系统的分辨率和定位精度，增加了系统的响应速度。

韩国汉城大学的Heui Jae Pahk等，将压电陶瓷驱动的微定位工作台安装在基于电机驱动的宏定位工作台上，使用激光干涉仪实现两工作台的闭环控制位置反馈，在200mm的行程上实现了10nm的定位精度。宏动是基于直流电机伺服放大器、旋转编码器和DSP实现的，其中旋转编码器用于宏定位的位置反馈，采用的是PID算法。微动机构包含动态PZT放大器以及激光干涉仪和D/A接口卡，其中激光干涉仪用于最终精确位置的反馈。

在国内，哈尔滨工业大学是对大行程纳米定位技术研究较为深入的单位之一。哈工大王立松等人研制的宏微两级驱动双定位工作台采用直线电机进行大行程驱动，电致伸缩微位移器完成精定位，单频激光干涉仪实现闭环位置反馈，采用PID控制方法，实现了500mm工作行程内小于20nm的重复定位精度。

清华大学与上海微电子装备有限公司合作开展研究，搭建了国内第一套以10nm运动精度为目标的气浮运动试验台，并进行超精密测量和运动控制的研究。超精密工作台试验系统的直线运动系统由粗动与精动系统组成。并由双频激光干涉仪提供位置检测和闭环运动反馈，检测精度可达到2nm。长行程超精密导轨、气浮滑块、直线电机、直线光栅组成的大行程粗动系统实现300mm以上的行程，2g以上的加速度和1000m/s以上的速度。在上述大行程运动系统的气浮滑块上叠加安装了超精密气浮微动台，以对粗动精度进行微动补偿。微动台采用音圈电机驱动，电容传感器进行微动位置检测，实现10nm乃至更高的运动精度。为了保证超精密工作台的机械精度、测量精度和系统稳定性，专门建造了一个超精密净化、恒温、隔振实验室。实验室的净化等级达到了千级，恒温精度达到了±0.03℃。

中国科学院电工研究所在研究环境因素对微纳米加工中精确定位的影响上，通过对激光干涉仪测量原理的分析，提出一种实时的补偿方法去消除底座、工作台以及光学器件热膨胀引起的工作台定位误差。在工作台的x、y方向上将定位误差从5μm减小到0.6μm以内。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决现有精密工作台行程和测量距离比较小、测量精度不够的问题。

本实用新型的技术方案是：一种基于压电陶瓷的精密工作台，包括PC上位机、信号处理单片机、粗位移部分、精位移部分和光栅尺细分反馈部分，所述粗位移部分包括步进电机和滚珠丝杠，所述精位移部分包括压电陶瓷驱动器和压电陶瓷；

所述PC上位机通过串口与信号处理单片机进行通信连接，信号处理单片机通过导线分别与粗位移部分和精位移部分连接，光栅尺细分反馈部分、信号处理单片机和精位移部分形成闭环反馈回路；

所述光栅反馈部分包括细分部分和精细分部分，所述细分部分包括正弦信号处理电路、余弦信号处理电路和CPLD芯片，正弦信号处理电路和余弦信号处理电路均包括依次串联的隔直电路、滤波电路、跟随电路和过零比较电路，两组过零比较电路输出端与CPLD芯片连接；

所述精细分部分包括A/D转换模块、构造函数模块、查询模块；经CPLD芯片处理后的信号数据和查询模块输出的信号数据均输入运算比较单片机进行相加运算。

所述压电陶瓷驱动器包括D/A转换模块和压电陶瓷放大电路模块，信号处理单片机收到光栅尺细分反馈部分的反馈信号数据后发出控制信号，控制压电陶瓷驱动器驱动压电陶瓷精位移，通过光栅尺细分反馈部分的反馈数据控制压电陶瓷驱动器，控制工作台的精位移更加精确。

所述步进电机通过步进电机控制器和步进电机驱动器驱动，信号处理单片机通过导线将其四个引脚分别引入步进电机控制器的脉冲引脚和正反转引脚，步进电机控制器的输出脉冲引脚则接入步进电机驱动器的输入端形成了对步进电机的控制，步进电机输出端连接滚珠丝杠，信号处理单片机通过步进电机实时控制器和步进电机驱动器控制步进电机，得步进电机驱动滚珠丝杠推动工作台实现粗位移，其最小位移可达1um。

所述步进电机可以替换为直流电机或者交流伺服电机，使本实用新型可利用常见电机便可实现。

所述信号处理单片机为MSP430单片机，MSP430单片机运算速度快，超低功耗片内资源丰富，可以任意嵌套，使用灵活方便。

所述运算比较单片机STC12C5A60S2单片机，具有高速、低功耗、超强抗干扰的优点。

本实用新型与现有技术相比具有以下效果：本实用新型采用电机控制粗位移，压电陶瓷控制精位移，通过光栅尺细分反馈部分进行反馈调节，能够实现测量量程为0-20cm，精度为20nm的大量程的机械位移，解决了纳米级移动中行程小精度低的问题，光栅尺细分反馈部分通过粗细分和精细分同时进行，实现更为精确的测量和调节。

附图说明

图1是本实用新型的整体结构框图；

图2是光栅尺细分反馈部分结构框图；

图3是信号处理单片机、步进电机控制器和步进电机驱动器的连接示意图。

1-PC上位机，2-信号处理单片机，3-压电陶瓷，4-隔直电路，5-滤波电路，6-跟随电路，7-过零比较电路，8-CPLD芯片，9-运算比较单片机，10-D/A转换模块，11-压电陶瓷放大电路模块，12-步进电机控制器，13-步进电机驱动器，14-光栅尺细分反馈部分，15-A/D转换模块，16-构造函数模块，17-查询模块，18-滚珠丝杠，A-压电陶瓷驱动器，B-精位移部分，C-正弦信号处理电路，D-余弦信号处理电路，E-精细分部分。

具体实施方式

结合附图说明本实用新型的具体实施方式：本实施方式的一种基于压电陶瓷的精密工作台，包括PC上位机1、信号处理单片机2、粗位移部分、精位移部分B和光栅尺细分反馈部分14，所述粗位移部分包括步进电机和滚珠丝杠18，所述精位移部分B包括压电陶瓷驱动器A和压电陶瓷3；

所述PC上位机1通过串口与信号处理单片机2进行通信连接，信号处理单片机2通过导线分别与粗位移部分和精位移部分B连接，光栅尺细分反馈部分14、信号处理单片机2和精位移部分B形成闭环反馈回路；

所述光栅反馈部分14包括细分部分和精细分部分E，所述细分部分包括正弦信号处理电路C、余弦信号处理电路D和CPLD芯片8，正弦信号处理电路C和余弦信号处理电路D均包括依次串联的隔直电路4、滤波电路5、跟随电路6和过零比较电路7，两组过零比较电路7输出端与CPLD芯片8连接；

所述精细分部分E包括A/D转换模块15、构造函数模块16、查询模块17；经CPLD芯片8处理后的信号数据和查询模块17输出的信号数据均输入运算比较单片机9进行相加运算。

所述压电陶瓷驱动器A包括D/A转换模块10和压电陶瓷放大电路模块11，信号处理单片机2收到光栅尺细分反馈部分14的反馈信号数据后发出控制信号，控制压电陶瓷驱动器A驱动压电陶瓷3精位移。

所述步进电机通过步进电机控制器12和步进电机驱动器13驱动，信号处理单片机2通过导线将其四个引脚分别引入步进电机控制器12的脉冲引脚和正反转引脚，步进电机控制器12的输出脉冲引脚则接入步进电机驱动器13的输入端形成了对步进电机的控制，步进电机输出端连接滚珠丝杠18。

所述A/D转换模块15，构造函数模块16，查询模块17可集成再运算比较单片机9内。

所述步进电机可以替换为直流电机或者交流伺服电机。

所述信号处理单片机2为MSP430单片机。

所述运算比较单片机9为STC12C5A60S2单片机。

PC上位机1给信号处理单片机2一个位移指令，对于微米级以上的位移，信号处理单片机2控制步进电机进行转动，步进电机带动滚珠丝杠18实现粗位移；当电机停止，光栅尺细分反馈部分14接受到的控制台位移与上PC上位机发送的位移指令不相等时，光栅尺反馈部分14将信息反馈给信号处理单片机2，信号处理单片机2发出数字脉冲通过D/A转换模块10转为0～5V的模拟量，再将模拟量送入压电陶瓷驱动器A的放大电路模块11得到对应的控制电压，从而驱动压电陶瓷3进行微米级以下位移的精调。光栅尺细分反馈部分14包括细分部分和精细分部分E，细分部分工作做过程：光栅尺输出的带有直流分量的正弦和余弦信号，因原始信号还存在干扰、各种噪声，所以在细分之前，必须通过隔直电路4、滤波电路5处理排除干扰，使输出正弦、余弦信号具有良好质量，再通过跟随电路6和过零比较电路7转换为方波，利用CPLD芯片8对转换的方波个数及上升沿和下降沿进行计数和正反向判断，精细分部分E工作过程：通过A/D转换模块分别对光栅的正余弦信号进行采集，通过构造函数模块16使光栅的正余弦信号相减从而能够使光栅的数值以三角波的形式体现，实现了由正弦信号转化为线性较好的三角波信号；通过信号处理单片机2将CPLD的记录的细分的数据和精细分部分E的数据相加，从而实现了精密测量。

Claims (6)

1.一种基于压电陶瓷的精密工作台，包括PC上位机(1)、信号处理单片机(2)、粗位移部分、精位移部分(B)和光栅尺细分反馈部分(14)，其特征在于：所述粗位移部分包括步进电机和滚珠丝杠(18)，所述精位移部分(B)包括压电陶瓷驱动器(A)和压电陶瓷(3)；

所述PC上位机(1)通过串口与信号处理单片机(2)进行通信连接，信号处理单片机(2)通过导线分别与粗位移部分和精位移部分(B)连接，光栅尺细分反馈部分(14)、信号处理单片机(2)和精位移部分(B)形成闭环反馈回路；

所述光栅反馈部分(14)包括细分部分和精细分部分(E)，所述细分部分包括正弦信号处理电路(C)、余弦信号处理电路(D)和CPLD芯片(8)，正弦信号处理电路(C)和余弦信号处理电路(D)均包括依次串联的隔直电路(4)、滤波电路(5)、跟随电路(6)和过零比较电路(7)，两组过零比较电路(7)输出端与CPLD芯片(8)连接；

所述精细分部分(E)包括A/D转换模块(15)、构造函数模块(16)、查询模块(17)；经CPLD芯片(8)处理后的信号数据和查询模块(17)输出的信号数据均输入运算比较单片机(9)进行相加运算。

2.根据权利要求1所述一种基于压电陶瓷的精密工作台，其特征在于：所述压电陶瓷驱动器(A)包括D/A转换模块(10)和压电陶瓷放大电路模块(11)，信号处理单片机(2)收到光栅尺细分反馈部分(14)的反馈信号数据后发出控制信号，控制压电陶瓷驱动器(A)驱动压电陶瓷(3)精位移。

3.根据权利要求2所述一种基于压电陶瓷的精密工作台，其特征在于：所述步进电机通过步进电机控制器(12)和步进电机驱动器(13)驱动，信号处理单片机(2)通过导线将其四个引脚分别引入步进电机控制器(12)的脉冲引脚和正反转引脚，步进电机控制器(12)的输出脉冲引脚则接入步进电机驱动器(13)的输入端形成了对步进电机的控制，步进电机输出端连接滚珠丝杠(18)。

4.根据权利要求3所述一种基于压电陶瓷的精密工作台，其特征在于：所述步进电机可以替换为直流电机或者交流伺服电机。

5.根据权利要求4所述一种基于压电陶瓷的精密工作台，其特征在于：所述信号处理单片机(2)为MSP430单片机。

6.根据权利要求1、2、3、4或5所述一种基于压电陶瓷的精密工作台，其特征在于：所述运算比较单片机(9)为STC12C5A60S2单片机。