[發明專利]一種直驅式運動解耦的高精度伺服平臺

有效

• 申請號: 201210519763.8
• 申請日: 2012-12-07
• 公開（公告）號: CN103021473A
• 公開（公告）日: 2013-04-03
• 發明（設計）人: 閆鵬;劉鵬博;張震;王鵬
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: G12B5/00
• 分類號: G12B5/00
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 鄭華清

技術領域

本發明涉及一種運動伺服平臺，尤其涉及一種二自由度直線驅動運動解耦的高精密度伺服平臺。

背景技術

????隨著科學技術和工業技術的不斷發展，人類的創造力不斷向著微觀領域發展。近年來，在微電子制造、超精密機械制造、微機器人操作及精密測量等領域中，高精密運動控制系統的重要性日益突出，這迫切需要能夠在微米級、亞微米級，甚至在納米級精度上進行定位和操作的系統和裝備。因此，精密運動伺服平臺的地位日益突出，對它的研究倍受國內外研究者的青睞。

????當前應用廣泛的X-Y兩坐標平面運動平臺采用的滾珠絲杠等作為相對運動部分的串聯方式，即電機—絲杠—螺母機構形式，在傳統的滾珠絲杠驅動方式下，伺服電機的旋轉運動通過絲杠轉為直線運動，由于存在中間環節，使得機構的運動副間存在著運動間隙，運動部件的慣量大，由此限制了設備的定位精度、速度和加速度的進一步提高。因此，傳統的運動平臺越來越無法滿足微米甚至納米級的超精密定位和加工要求。對于精密定位平臺技術，國內外相關的研究機構和商業公司都展開了廣泛的探索和研究，并且開發了一些具有前沿性的技術產品和商業產品。

????現在市場上比較精密的定位平臺大多采用直線電機直接驅動的方式，省去了旋轉電機驅動方式的中間環節，減小了由于加工及裝配誤差對平臺運動精度的影響。美國H2W?Tech公司生產的31-0305?XY音圈電機驅動平臺，是目前市場上比較成熟、定位精度較高的一款運動平臺，其結構如圖1a、圖1b所示，該平臺由上下兩層平臺組成，上層平臺固定在下層平臺上，分別由音圈電機驅動。音圈電機是基于安培力原理制造的一種新型直接驅動電機，它除了和直線電機一樣可以避免旋轉電機驅動中傳動環節存在的間隙等不足外，在理論上其具有無限分辨率、無滯后、高響應、高加速度、高速度、體積小、力學性能好、控制方便等優點。但是從圖中可以看到，當上層平臺運動時，音圈電機的電纜和光柵的信號線隨著平臺一塊運動，嚴重影響了整套平臺的性能。圖2所示為實驗測得的該平臺經實驗測得的幅頻、相頻特性圖，經分析系統的帶寬僅在15HZ左右。

????中國專利CN101556933A提出了一種運動解耦的XY向精密定位平臺，該定位平臺由兩個相互正交的音圈電機驅動，通過兩個直線軸承組件實現兩個方向上的運動解耦。該平臺在工作時，工作平臺氣浮，由空氣軸承支撐，摩擦力較小，并且該平臺結構緊湊，剛度大，響應速度快。但是，由于該平臺采用氣浮的方式，為保證工作平臺的平穩，必須有專門的控制算法來保證工作平臺與空氣軸承之間的氣隙保持恒定，加大了系統控制的難度，增大了實際應用的復雜性和設備成本。

????中國專利CN101924450A提出了一種固定音圈電機直驅式X-Y微動平臺，該平臺采用音圈直動電機驅動運動平臺，省去了旋轉電機驅動方式的中間環節，提高了X-Y微動平臺的效率、響應速度和精度，并且采用解耦部件，保證了X向和Y向音圈電機在平臺運動過程中是靜止的，只有電機軸在相應方向做往返直線運動，改變了微動平臺的動態特性。但該平臺結構不夠緊湊，音圈電機軸與運動平臺之間存在中間環節聯軸器，增大了傳遞誤差，降低了平臺運動的精度，并且反饋元件光柵放置在音圈電機軸末端，測量電機軸的位移來代替平臺的位移，存在著一定的誤差，并且這種誤差將是伺服控制系統無法測量的，從而嚴重影響了該微動平臺的整體精度和性能。

????中國專利CN102723296A提出了一種雙層直線電機驅動的XY運動平臺，該平臺采用雙動子結構的X軸/Y軸直線電機進行驅動，因而驅動力較大，能夠獲得更高的運動速度和加速度，并且采用自適應解耦式直線電機解耦，使得平臺整體結構簡單，結構尺寸較小，平臺運動質量較小。但該平臺直線電機動子上接有信號線，且隨動子運動而運動，對平臺性能造成一定的影響；平臺采用自適應解耦式直線電機解耦，其動子既在X方向上運動，又在Y方向上運動，因而加大了系統控制的難度。

????鑒于上述市場中及以往專利中提出的定位平臺存在的一些問題，因此有必要設計一種新的精密伺服平臺，在保持平臺定位和操作精度高、響應速度快等優點及不增加定位平臺控制算法難度的同時，從機電一體化角度對伺服平臺進行創新和優化。

發明內容