CN207888241U - 一种数控机床用大范围超精密定位工件台 - Google Patents
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Abstract
一种数控机床用大范围超精密定位工件台，包括宏动平台以及安装在宏动平台上用于补偿行程的微动平台；宏动平台由两个直线电机驱动一维平台正交组合而成，直线电机驱动一维平台均包括直线导轨以及能够在导轨上移动的电机动子，电机动子由伺服运动控制器驱动；微动平台包括微动平台固定台以及通过柔性铰链与之连接的微动平台移动台，所述柔性铰链的动作由压电陶瓷驱动器控制；所述的伺服运动控制器与压电陶瓷驱动器连接位于控制端的计算机。本实用新型采用宏微两级平台伺服驱动，能够实现大范围、高速、精密定位运动。
Description
技术领域
本实用新型涉及机床设计领域，具体涉及一种数控机床用大范围超精密定位工件台。
背景技术
超精密加工技术是现代高科技发展的重要支柱，超精密切削加工是超精密加工的重要方面，而超精密数控加工机床是现代超精密加工的重要基础。超精密定位的工件台技术作为精密与超精密加工的关键技术，决定着数控机床的性能。驱动技术直接决定了超精密定位平台的速度、精度以及行程等性能。已有数控工作台的驱动技术为间接驱动技术，间接驱动常见的形式是通过旋转电机驱动和精密丝杠传动来实现直线运动。然而滚珠丝杠系统的缺点是结构复杂，并且滚珠丝杠又是一种细而长的非刚性传动元件，当运动速度要求较高时，滚珠丝杠转动惯量大、扭转刚度低，这将使传动误差较大，摩擦磨损严重，弹性变形引起爬行，反向死区引起非线形误差，其定位精度一般只能达到微米级。
为了提高驱动系统的定位精度，一方面是改进原来的驱动技术，如提高丝杠的加工精度，或采用静压丝杠或摩擦驱动装置来代替滚珠丝杠；另一方面就是采用直接驱动方式，即利用直线电机直接驱动工作台。这种驱动方式称为“直接驱动”，与间接驱动方式相比，直接驱动方式更易于实现高速和高加速的定位运动。如果配合高精度的导轨就可以实现亚微米和纳米级的定位精度。基于此，需要设计一种直线电机直接驱动的大范围超精密定位工件台。
实用新型内容
本实用新型的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种数控机床用大范围超精密定位工件台，采用宏微两级平台伺服驱动，实现大范围、高速、精密定位运动。
为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：
包括宏动平台以及安装在宏动平台上用于补偿行程的微动平台；所述的宏动平台由两个直线电机驱动一维平台正交组合而成，直线电机驱动一维平台均包括直线导轨以及能够在导轨上移动的电机动子，电机动子由伺服运动控制器驱动；所述的微动平台包括微动平台固定台以及通过柔性铰链与之连接的微动平台移动台，所述柔性铰链的动作由压电陶瓷驱动器控制；所述的伺服运动控制器与压电陶瓷驱动器均连接位于控制端的计算机。
所述的两个直线电机驱动一维平台包括上台与下台，所述的下台包括底座，底座上设置有底座导轨，上台安装在底座导轨上，上台上设有与底座导轨相正交的上台导轨，上台导轨上安装微动平台。
所述的底座上设有下台直线电机磁轨，下台电机动子沿下台直线电机磁轨带动上台沿底座导轨移动；所述的上台上设有上台直线电机磁轨，上台电机动子沿上台直线电机磁轨带动微动平台沿上台导轨移动。
所述的底座上设有下台机械限位装置，上台上设有上台机械限位装置。
所述的上台一侧安装有下台光栅读数头，微动平台一侧安装有上台光栅读数头。
所述的上台上设置有上台光栅支架，底座上设置有下台光栅支架，所述的上台光栅支架与下台光栅支架分别与上台光栅读数头和下台光栅读数头相对，上台光栅支架与下台光栅支架上设有与光栅读数头配合的光栅定尺。
与现有技术相比，本实用新型具有如下的有益效果：通过宏动平台与微动平台采用两级驱动，第一级驱动实现大范围高速运动，以满足系统对速度的要求，其定位精度无需很高，允许的定位误差为3μm。第二级驱动的行程很小，目标行程是第一级系统的行程误差，进一步完成最终的超精密定位。本实用新型采用宏微两级驱动相结合，共同实现大范围高精度的定位运动，经测定，能够使X、Y方向的重复定位精度小于10nm，X、Y两个方向的最大有效行程为300mm，最大运行速度达到120m/min，满足大范围、高速、精密定位运动的需求。
附图说明
图1本实用新型宏动平台的结构示意图；
图2本实用新型微动平台的结构示意图；
图3本实用新型宏微双伺服驱动原理示意图；
附图中：1-底座导轨；2-上台；3-上台电机动子；4-上台输出部分；5-下台直线电机磁轨；6-上台光栅读数头；7-下台电机动子；8-下台机械限位装置；9-上台光栅支架；10-上台导轨；11-上台机械限位装置；12-上台直线电机磁轨；13-下台光栅读数头；14-上台机械限位装置；15-底座；16-压电陶瓷驱动器；17-柔性铰链；18-微动平台移动台；19-微动平台固定台。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明。
参见图1-3，本实用新型包括宏动平台以及安装在宏动平台上用于补偿行程的微动平台。宏动平台由两个直线电机驱动一维平台正交组合而成，直线电机驱动一维平台均包括直线导轨以及能够在导轨上移动的电机动子，电机动子由伺服运动控制器驱动，两个直线电机驱动一维平台分为上台2与下台，下台包括底座15，底座15上设有底座导轨1，上台2安装在底座导轨1上。底座15上还设有下台直线电机磁轨5，下台电机动子7沿下台直线电机磁轨5带动上台2沿底座导轨1移动。上台2上设有与底座导轨1相正交的上台导轨10，上台导轨10上安装微动平台，上台2上设有上台直线电机磁轨12，上台电机动子3沿上台直线电机磁轨12带动微动平台沿上台导轨10移动。微动平台包括微动平台固定台19以及通过柔性铰链17与之连接的微动平台移动台18，柔性铰链17的动作由压电陶瓷驱动器16控制。上台2一侧安装有下台光栅读数头13，微动平台一侧安装有上台光栅读数头6，上台2上设置有上台光栅支架9，底座15上设置有下台光栅支架11，上台光栅支架9与下台光栅支架11分别与上台光栅读数头6和下台光栅读数头13相对，上台光栅支架9与下台光栅支架11上设有与光栅读数头配合的光栅定尺。底座15上设有下台机械限位装置8，上台2上设有上台机械限位装置14。伺服运动控制器与压电陶瓷驱动器16连接位于控制端的计算机。
本实用新型的微动平台由四组柔性铰链17组成，微动平台固定台19与上台输出部分4相固定，把宏动平台的大范围运动传递过来，微动平台移动18台通过四个柔性铰链与微动平台固定台19相连接，被压电陶瓷驱动器16驱动，实现超精密运动。
为解决大范围高速运行与超精密定位之间存在的矛盾，系统采用宏微双平台伺服驱动技术，即采用宏微两级驱动平台：第一级驱动系统主要实现大范围高速运动，以满足系统对速度的要求，它的定位精度不需要很高，允许的定位误差为3μm，更高精度可以由微动平台来完成；第二级系统的行程很小，目标行程是第一级系统的行程误差，由它来完成最终的超精密定位。宏微两级系统相结合，共同实现大范围高精度的定位运动。
本实用新型所采用的宏微双伺服驱动技术，能够降低对大行程机构定位精度的要求，但是系统必须满足下面的条件：第一级机构的行程误差必须小于第二级机构(微动平台)的最大行程，即第一级机构的误差具有可补偿性；第二级机构的控制周期必须小于第一级机构的控制周期，即第二级机构的补偿动作具有有效性和实时性。
用直线电机作为宏动系统的驱动装置，是因为直线电机比滚珠丝杆(齿轮、齿条)传动有很多的优点，可以解决很多滚珠丝杠不能解决的问题，如行程不足、速度不高、刚度不足、结构复杂等问题。直线电机与传统的旋转电机+滚珠丝杠相比有很多优势，具体可见表1。
这些优势使它可以实现大范围、高速定位运动，基于此选择它作为宏动系统的驱动装置。
表1两种驱动方式的比较
Claims (6)
1.一种数控机床用大范围超精密定位工件台，其特征在于：包括宏动平台以及安装在宏动平台上用于补偿行程的微动平台；所述的宏动平台由两个直线电机驱动一维平台正交组合而成，直线电机驱动一维平台均包括直线导轨以及能够在导轨上移动的电机动子，电机动子由伺服运动控制器驱动；所述的微动平台包括微动平台固定台(19)以及通过柔性铰链(17)与之连接的微动平台移动台(18)，所述柔性铰链(17)的动作由压电陶瓷驱动器(16)控制；所述的伺服运动控制器与压电陶瓷驱动器(16)连接位于控制端的计算机。
2.根据权利要求1所述的数控机床用大范围超精密定位工件台，其特征在于：所述的两个直线电机驱动一维平台包括上台(2)与下台，所述的下台包括底座(15)，底座(15)上设置有底座导轨(1)，上台(2)安装在底座导轨(1)上，上台(2)上设有与底座导轨(1)相正交的上台导轨(10)，上台导轨(10)上安装微动平台。
3.根据权利要求2所述的数控机床用大范围超精密定位工件台，其特征在于：所述的底座(15)上设有下台直线电机磁轨(5)，下台电机动子(7)沿下台直线电机磁轨(5)带动上台(2)沿底座导轨(1)移动；所述的上台(2)上设有上台直线电机磁轨(12)，上台电机动子(3)沿上台直线电机磁轨(12)带动微动平台沿上台导轨(10)移动。
4.根据权利要求3所述的数控机床用大范围超精密定位工件台，其特征在于：所述的底座(15)上设有下台机械限位装置(8)，上台(2)上设有上台机械限位装置(14)。
5.根据权利要求1或4所述的数控机床用大范围超精密定位工件台，其特征在于：所述的上台(2)一侧安装有下台光栅读数头(13)，微动平台一侧安装有上台光栅读数头(6)。
6.根据权利要求5所述的数控机床用大范围超精密定位工件台，其特征在于：所述的上台(2)上设置有上台光栅支架(9)，底座(15)上设置有下台光栅支架(11)，所述的上台光栅支架(9)与下台光栅支架(11)分别与上台光栅读数头(6)和下台光栅读数头(13)相对，上台光栅支架(9)与下台光栅支架(11)上设有与光栅读数头配合的光栅定尺。
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| CN109243520A (zh) * | 2018-10-23 | 2019-01-18 | 安徽理工大学 | 一种宏微双驱动精密定位平台及其控制方法 |
| CN109676403A (zh) * | 2019-02-01 | 2019-04-26 | 广东工业大学 | 一种大行程高速高精度宏微复合运动平台 |
| CN110434835A (zh) * | 2019-08-29 | 2019-11-12 | 华南理工大学 | 一种二自由度宏微精密定位平台装置及控制方法 |
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