CN110434621B - 一种基于主动隔振的宏微双驱动精密定位装置及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于主动隔振的宏微双驱动精密定位装置及控制方法，包括机械运动本体单元、检测单元及驱动控制单元；所述机械运动本体单元包括定位装置底座、U形台、微动平台、有铁直线电机及APA驱动器；所述检测单元包括用于检测U形台位移量的光栅位移传感器、用于检测微动平台位移量的激光干涉仪及用于检测微动平台相对U形台水平方向振动量的电容位移传感器；所述控制单元包括直线电机伺服放大器、APA线性放大器、运动控制卡、计算机及数据采集卡，该装置采用主动振动的方式进行隔振，有效的减少了因机器振动对定位平台的影响，能进一步地实现更高精度的定位。

Description

一种基于主动隔振的宏微双驱动精密定位装置及控制方法
技术领域
本发明涉及精密定位领域，具体涉及一种基于主动隔振的宏微双驱动精密定位装置及控制方法。
背景技术
现代科学仪器和设备不断朝着更高的精度方向发展,无论是用于加工制造的设备还是用于检测的仪器,它们对精度控制的要求越来越高，另一方面，为了满足高效的生产制造要求，对机器的运行及其响应速度也越来越高。但随着对这些性能提升的同时，其它不可忽略的问题也随之出现。其中对微振动的控制的要求达到了前所未有的高度，主动振动控制技术经常用于对低频微振动进行控制。
柔性机构由于其结构简单、工作效率高、无摩擦等特点常常被应用于机器人精密定位***中，但由于微动定位平台在运动过程中不可避免的存在惯量较大、易冲击等问题，并且柔性铰链刚度低，就很容易使微动平台受到弹性振动的影响，降低整个装置的定位精度和运动性能。
一种采用主动振动的方式进行隔振，兼顾宏微运动位移输出，能够在保证大行程范围运动下实现精密定位的装置是很好的解决方案。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明首要目的是提供一种基于主动隔振的宏微双驱动精密定位装置。
本发明的次要目的是提供一种基于主动隔振的宏微双驱动精密定位装置的控制方法。
为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种基于主动隔振的宏微双驱动精密定位装置，包括机械运动本体单元、检测单元及驱动控制单元；
所述机械运动本体单元包括定位装置底座、U形台、微动平台、有铁直线电机及APA驱动器；
所述定位装置底座的凸台上固定两条直线导轨，每根直线导轨上设有两个滑块；
所述U形台由两块相同的U形台侧板和U形底板构成，两块U形台侧板相互平行并垂直固定于U形台底板上；U形台与导轨上的滑块连接，相对于定位装置底座滑动；
所述微动平台通过柔性铰链设置在U形台底板的上方；
所述有铁直线电机的定子固定在定位装置底座上，其动子固定在U形台底板的下面；
所述APA驱动器一端连接U形台侧板，另一端通过连接铰链与微动平台连接；
所述检测单元包括用于检测U形台位移量的光栅位移传感器、用于检测微动平台位移量的激光干涉仪及用于检测微动平台相对U形台水平方向振动量的电容位移传感器；
所述控制单元包括直线电机伺服放大器、APA线性放大器、运动控制卡、计算机及数据采集卡，所述检测单元检测信号输出至数据采集卡，进一步输入至计算机，所述计算机与运动控制卡相互连接，所述运动控制卡分别输出信号至直线电机伺服放大器及APA线性放大器，进一步驱动有铁直线电机及APA驱动器。
优选的，还包括一根横梁，所述横梁固定在定位装置底座上，激光干涉仪固定在横梁上。
优选的，所述微动平台的一个侧面安装微动检测板，其相对于微动平台不动。
优选的，所述有铁直线电机安装后的动子与定子之间存在2mm间隙。
优选的，微动检测板用于检测位移的一个面为光滑平面。
优选的，所述柔性铰链为六条。
优选的，一种基于主动隔振的宏微双驱动精密定位装置的控制方法，包括如下步骤：
光栅位移传感器检测当前U形台的位置，将位置信息经过数据采集卡传送至计算机中，计算机将该信息处理并得出控制信息，将该控制信息经运动控制卡、直线电机伺服放大器传送至有铁直线电机产生宏动运动；
激光干涉仪检测微动平台的位置，将信息经过数据采集卡传送至计算机，计算机运行相关算法将控制信息传递至运动控制卡、APA线性放大器，最后控制APA驱动器使微动平台产生微动位移达到精密定位；
电容位移传感器在微动平台宏动运动及精密定位的过程中检测微动平台相对U形台的振动量，并将该信息量经过数据采集卡传送至计算机，由计算机运行隔振控制算法，识别该信息是否为异常振动并产生相应抑制振动的信号，将该信号经运动控制卡、APA线性放大器传输至ADA驱动器，使该有害振动得到抑制。
本发明的有益效果：
(1)本发明一种基于主动隔振的宏微双驱动精密定位装置能够达到500mm的宏动位移，最小分辨率11nm。
(2)本发明采用有铁心式直线电机驱动宏动平台，有铁心直线电机能够提供单位体积更大的力，对于设计外形小巧的装置更有优势，同时直线电机定子与动子由气隙配合，无机械接触，无摩擦和噪声，装置的摩擦仅存于直线导轨的滑轨与滑块之间，该电机产生的高推力和高移动质量提升了装置的整体性能；
(3)本发明采用主动振动的方式来抑制有害振动，进而达到隔振效果，被动振动受粘弹性阻尼材料的性能限制，使用寿命机减振效果往往难以满足设计要求，主动振动相对被动振动拥有更快的稳定速度。
(4)本发明采用APA驱动器，体积小便于装配、分辨率高、运行平稳、驱动力大，配和柔性铰链使用使装置拥有更高的定位精度。
附图说明
图1是本发明的总体结构示意图；
图2是本发明的主视图；
图3是本发明的俯视图；
图4是本发明的左视图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1-图4所示，一种基于主动隔振的宏微双驱动精密定位装置，该装置包括机械运动本体单元、检测单元和驱动控制单元；
所述机械运动本体单元包括定位装置底座13、U形台、微动平台1、有铁直线电机12及APA驱动器；
定位装置底座13的凸台上固定有两条相同规格的直线导轨11，每根导轨上有两个滑块，两根导轨平行安装，两导轨距离为120mm；U形台由两块相同的U形台侧板7和一块U形台底板17拼接而成，两块U形台侧板相互平行并垂直固定于U形台底板上；U形台与导轨上的滑块连接，可相对定位底座移动；四根完全相同的柔性铰链16与另外两根完全相同的柔性铰链用于连接微动平台1与U形台底板，微动平台可绕柔性铰链产生水平方向的位移。
有铁直线电机12的定子固定在定位装置底座上，动子固定在U形台底板的下面；两块U形台侧板都连接有APA驱动器6，APA驱动器一端连接U形台侧板，一端连接连接铰链4，连接铰链再与微动平台连接；
所述的有铁直线电机安装后动子与定子之间存在2mm间隙，此间隙应严格控制，间隙过大会减小电机的驱动力，影响装置的响应速度，间隙过小可能会由于电机的磁性吸附杂质铁屑对电机造成损坏。
所述检测单元包括光栅位移传感器14、激光干涉仪9及电容位移传感器3。
所述激光干涉仪为皮光精度激光干涉仪。
所述光栅位移传感器用于检测直线电机的位移输出量以及U形台的宏动位移量，在微动平台的一个侧面上安装有一块微动检测板2，其相对微动平台不动；光栅位移传感器14的光栅尺部分固定于定位装置底座，光栅传感器的光栅检测头部分通过传感器连接块15被固定于U形台底座上，当U形台产生位移时可相对光栅尺运动，进而检测U形台的位移量。
一根横梁10被固定于定位装置底座，且位于U形侧板的一侧，横梁为门子架结构，门子架结构的两条竖直梁垂直固定在定位装置底座上，激光干涉仪固定零件8被固定在门子架的中间梁上，皮米精度激光干涉仪9被固定于激光干涉仪固定零件上；电容位移传感器3通过电容传感器固定零件5被固定于U形台侧板上，电容位移传感器是主动隔振部分的检测器，用于检测微动平台相对U形台水平方向上的振动量。
驱动控制单元包括：
宏动驱动部分：有铁直线电机是宏动驱动部分的主体之一，在定位装置需要进行大范围的直线运动时，计算机经由运动控制卡21、直线电机伺服放大器18将控制量传输至直线电机对其进行控制，从而使U形台发生大行程的位移；相关位移信息由光栅位移传感器测出传送至计算机，所述直线电机伺服放大器与运动控制卡相互连接；
微动驱动部分：APA驱动器是产生微动位移的主体，当皮米精度激光干涉仪检测出当前定位平台的位置并将信息经过数据采集卡20传送至计算机22后，计算机将微动驱动部分所需的位移信息经由运动控制卡、APA线性放大器19对APA驱动器进行控制，使微动平台产生微小位移，进一步对定位平台进行精确定位；
主动隔振部分：APA驱动器与电容位移传感器是主动隔振的重要组成部分；电容位移传感器实时检测微动平台与U形台的相对位移，并将信息传送至计算机，计算机运行相关隔振控制算法，当识别到微动平台是由于振动而产生的异常位移时将振动抑制量经由运动控制卡、APA线性放大器控制APA驱动器使微动平台产生主动运动，补偿由于振动而造成的多余位移，通过主动振动来达到隔振的效果。
所述的APA驱动器安装时需要施加一定预紧力，避免因装配或者加工误差产生的间隙影响定位效果。
所述微动检测板用于检测位移的一面需经精磨、抛光等工序保持该零件检测面的平面度，以提高定位精度与隔振效果。
本发明的控制过程：
光栅位移传感器检测当前U形台的位置，将位置信息经过数据采集卡传送至计算机中，计算机将该信息处理并得出控制信息，将该控制信息经运动控制卡、直线电机伺服放大器传送至有铁直线电机控制电机产生宏动运动；
皮米精度激光干涉仪检测微动平台的位置，将信息经过数据采集卡传送至计算机，计算机运行相关算法将控制信息传递至运动控制卡、APA线性放大器，最后控制APA驱动器使微动平台产生微动位移达到精密定位；
在宏动运动及精密定位的过程中，电容位移传感器不断检测微动平台相对U形台的振动量，并将该信息量经过数据采集卡传送至计算机，由计算机运行隔振控制算法，识别该信息是否为异常振动并产生相应抑制振动的信号，将该信号经运动控制卡、APA线性放大器传输至ADA驱动器，使该有害振动得到抑制。
本实施例中，采用横川公司LMC100-080-S1型号有铁心直线电机，该电机峰值推力406N，持续推力115N。
导轨为C5MBS系列，导轨宽12mm,长500mm，每根2个滑块，安装孔间距25mm。光栅位移传感器采用意大利GIVI MISUER公司ISA 2320光栅传感器，有效检测行程500mm,分辨率0.5um。采用capaNCDT—电容式位移传感器和测量***，传感器型号为CS005，静态分辨率0.0375nm,动态分辨率为1nm，适用于微小直线位移测量。该装置中，采用attocube公司的皮米精度激光干涉仪IDS3010，长距离型测量头型号为M12/C1.6，基本尺寸为直径Φ14mm，长度17.4mm,激光类型为准直型，光斑大小1.6mm，工作距离0-1000mm，最大检测速率2m/s，动态分辨率小于13nm。
微动部分采用APA1000XL系列驱动器，该驱动器有效行程行程1100um,平均推力770N；共振频率210Hz,最小分辨率11nm。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于主动隔振的宏微双驱动精密定位装置，其特征在于，包括机械运动本体单元、检测单元及驱动控制单元；
所述机械运动本体单元包括定位装置底座、U形台、微动平台、有铁直线电机及APA驱动器；
所述定位装置底座的凸台上固定两条直线导轨，每根直线导轨上设有两个滑块；
所述U形台由两块相同的U形台侧板和U形底板构成，两块U形台侧板相互平行并垂直固定于U形台底板上；U形台与导轨上的滑块连接，相对于定位装置底座滑动；
所述微动平台通过柔性铰链设置在U形台底板的上方；
所述有铁直线电机的定子固定在定位装置底座上，其动子固定在U形台底板的下面；
所述APA驱动器一端连接U形台侧板，另一端通过连接铰链与微动平台连接；
所述检测单元包括用于检测U形台位移量的光栅位移传感器、用于检测微动平台位移量的激光干涉仪及用于检测微动平台相对U形台水平方向振动量的电容位移传感器；
所述控制单元包括直线电机伺服放大器、APA线性放大器、运动控制卡、计算机及数据采集卡，所述检测单元检测信号输出至数据采集卡，进一步输入至计算机，所述计算机与运动控制卡相互连接，所述运动控制卡分别输出信号至直线电机伺服放大器及APA线性放大器，进一步驱动有铁直线电机及APA驱动器；
还包括一根横梁，所述横梁固定在定位装置底座上，激光干涉仪固定在横梁上；
所述微动平台的一个侧面安装微动检测板，其相对于微动平台不动。
2.根据权利要求1所述的宏微双驱动精密定位装置，其特征在于，所述有铁直线电机安装后的动子与定子之间存在2mm间隙。
3.根据权利要求1所述的宏微双驱动精密定位装置，其特征在于，微动检测板用于检测位移的一个面为光滑平面。
4.根据权利要求1所述的宏微双驱动精密定位装置，其特征在于，所述柔性铰链为六条。
5.一种基于权利要求1-4任一项所述宏微双驱动精密定位装置的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
光栅位移传感器检测当前U形台的位置，将位置信息经过数据采集卡传送至计算机中，计算机将该信息处理并得出控制信息，将该控制信息经运动控制卡、直线电机伺服放大器传送至有铁直线电机产生宏动运动；
激光干涉仪检测微动平台的位置，将信息经过数据采集卡传送至计算机，计算机运行相关算法将控制信息传递至运动控制卡、APA线性放大器，最后控制APA驱动器使微动平台产生微动位移达到精密定位；
电容位移传感器在微动平台宏动运动及精密定位的过程中检测微动平台相对U形台的振动量，并将该信息量经过数据采集卡传送至计算机，由计算机运行隔振控制算法，识别该信息是否为异常振动并产生相应抑制振动的信号，将该信号经运动控制卡、APA线性放大器传输至ADA驱动器，使有害振动得到抑制。
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