本發(fā)明涉及精密伺服驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，尤其涉及一種大行程六自由度磁浮磁驅(qū)納米定位平臺(tái)

背景技術(shù)：

隨著機(jī)械產(chǎn)品小型化、納米測(cè)量、納米加工等技術(shù)的發(fā)展，高效率納米機(jī)械加工機(jī)床、納米激光直寫(xiě)光刻機(jī)以及基于AFM的大掃描范圍計(jì)量裝備對(duì)運(yùn)動(dòng)定位平臺(tái)提出了更高的要求：在大運(yùn)動(dòng)行程內(nèi)同時(shí)具有亞納米級(jí)分辨率、納米級(jí)定位精度以及高帶寬。

專(zhuān)利公開(kāi)號(hào)為CN102998899A和CN103883849A的發(fā)明專(zhuān)利采用柔性鉸鏈和壓電陶瓷相結(jié)合實(shí)現(xiàn)納米定位，這種直接驅(qū)動(dòng)型壓電陶瓷致動(dòng)器具有亞納米級(jí)的定位分辨率，但在水平方向的加工和測(cè)量范圍只有幾十個(gè)微米，即使采用放大機(jī)構(gòu)，行程只能達(dá)到幾百微米。專(zhuān)利公開(kāi)號(hào)為CN102629122A的發(fā)明專(zhuān)利，提出由直線伺服電機(jī)和微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)組成的宏/微結(jié)合雙伺服運(yùn)動(dòng)平臺(tái)不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大，而且在大范圍運(yùn)動(dòng)時(shí)，宏、微運(yùn)動(dòng)之間的切換限制了整個(gè)平臺(tái)的帶寬，降低了納米加工以及掃描測(cè)量的效率。專(zhuān)利公開(kāi)號(hào)為CN102723842A的發(fā)明專(zhuān)利，采用磁驅(qū)動(dòng)方式，提供了一種適用于真空環(huán)境使用的高精度的磁懸浮工作臺(tái)，其體積較為緊湊，但只能在Y向?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)行程運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)略微復(fù)雜。且用于產(chǎn)生懸浮力和推力的永磁體單獨(dú)布置，效率較低。

因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員致力于開(kāi)發(fā)一種大行程六自由度磁浮磁驅(qū)納米定位平臺(tái)，在大運(yùn)動(dòng)行程內(nèi)同時(shí)具有亞納米級(jí)分辨率、納米級(jí)定位精度以及高帶寬。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是如何使現(xiàn)有的納米定位平臺(tái)的精度提高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，體積縮小，并且使得定位平臺(tái)具有多尺度運(yùn)動(dòng)能力。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種大行程六自由度磁浮磁驅(qū)納米定位平臺(tái)，包括定位平臺(tái)機(jī)械本體和定位平臺(tái)控制器，所述定位平臺(tái)機(jī)械本體包括動(dòng)平臺(tái)和靜平臺(tái)，其中，所述動(dòng)平臺(tái)包括三個(gè)電磁驅(qū)動(dòng)單元的動(dòng)子部分，光柵尺讀數(shù)頭，氣浮模塊，所述靜平臺(tái)包括三個(gè)電磁驅(qū)動(dòng)單元的定子部分，平面光柵尺，電容位移傳感器，接近開(kāi)關(guān)和防撞模塊。

進(jìn)一步地，所述動(dòng)平臺(tái)中的三個(gè)動(dòng)子模塊和靜平臺(tái)中的三個(gè)定子模塊通過(guò)位置配合構(gòu)成三個(gè)電磁驅(qū)動(dòng)單元，所述三個(gè)電磁驅(qū)動(dòng)單元在定位平臺(tái)控制器的作用下完成定位平臺(tái)納米級(jí)定位。所述三個(gè)電磁驅(qū)動(dòng)單元，每個(gè)驅(qū)動(dòng)單元具有兩套三相繞組，所述兩套三相繞組分別產(chǎn)生水平方向和豎直方向兩個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，三個(gè)驅(qū)動(dòng)單元共可產(chǎn)生六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。所述驅(qū)動(dòng)單元的動(dòng)子上貼有永磁體陣列，每?jī)蓧K相鄰永磁體充磁方向相差90°，四塊永磁體為一個(gè)周期。所述永磁體陣列用于同時(shí)產(chǎn)生懸浮力和水平力。所述驅(qū)動(dòng)單元的定子上繞有兩套獨(dú)立的三相繞組。所述三相繞組由銅線繞制而成。所述兩套三相繞組可以使所述動(dòng)子的水平方向作用力和豎直方向作用力實(shí)現(xiàn)解耦。

進(jìn)一步地，所述動(dòng)平臺(tái)中的光柵尺讀數(shù)頭和靜平臺(tái)中的平面光柵尺構(gòu)成平面內(nèi)位置檢測(cè)系統(tǒng)，測(cè)量動(dòng)平臺(tái)相對(duì)于靜平臺(tái)在一個(gè)平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，包括兩個(gè)平動(dòng)自由度和一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。所述兩個(gè)平動(dòng)自由度具有幾十毫米運(yùn)動(dòng)范圍，所述一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度具有幾個(gè)到幾十個(gè)微弧度的運(yùn)動(dòng)范圍。

進(jìn)一步地，所述氣浮模塊用于在運(yùn)動(dòng)初始階段輔助電磁驅(qū)動(dòng)單元尋位。所述氣浮模塊安裝在所述動(dòng)平臺(tái)的三個(gè)不同位置，使得所述動(dòng)平臺(tái)在運(yùn)動(dòng)初始階段可以實(shí)現(xiàn)所述一個(gè)平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，所述動(dòng)平臺(tái)在所述三個(gè)驅(qū)動(dòng)單元的定子上的所述產(chǎn)生水平力的繞組的作用下完成位置初始化。

進(jìn)一步地，所述三個(gè)電容位移傳感器用于測(cè)量動(dòng)平臺(tái)上三個(gè)不同位置的懸浮高度，以此確定動(dòng)平臺(tái)相對(duì)靜平臺(tái)的另外三個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，包括兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度和一個(gè)平動(dòng)自由度。所述另外三個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度分別具有幾個(gè)到幾十個(gè)微弧度和幾十到幾百微米的運(yùn)動(dòng)范圍。

進(jìn)一步地，所述接近開(kāi)關(guān)布置在靜平臺(tái)四周，用來(lái)作為動(dòng)平臺(tái)在運(yùn)動(dòng)極限位置處的報(bào)警信號(hào)。所述接近開(kāi)關(guān)在所述動(dòng)平臺(tái)正常運(yùn)行時(shí)沒(méi)有信號(hào)輸出，當(dāng)所述動(dòng)平臺(tái)超過(guò)運(yùn)動(dòng)極限位置使，所述接近開(kāi)關(guān)發(fā)出信號(hào)，控制器做相應(yīng)動(dòng)作。

進(jìn)一步地，所述防撞模塊布置在靜平臺(tái)四周，對(duì)動(dòng)平臺(tái)起保護(hù)作用。

進(jìn)一步地，所述定位平臺(tái)控制器采用線性驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行控制，包括主控制器、A/D轉(zhuǎn)換電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、線性放大模塊、電流傳感器和位置傳感器；所述主控制器被配置為運(yùn)行控制算法和定位平臺(tái)驅(qū)動(dòng)算法；所述A/D轉(zhuǎn)換電路被配置為對(duì)所述電流傳感器輸出的電流信號(hào)進(jìn)行采樣，完成定位平臺(tái)電流環(huán)控制；所述D/A轉(zhuǎn)換電路被配置為將所述主控制器輸出的數(shù)字電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電流信號(hào)；所述線性放大模塊被配置為對(duì)所述模擬電流信號(hào)進(jìn)行放大，驅(qū)動(dòng)定子繞組；所述電流傳感器被配置為采集定子電流信號(hào)；所述位置傳感器被配置為采集定位平臺(tái)動(dòng)子的位置。

進(jìn)一步地，所述定子的框架采用鋁合金材料。

進(jìn)一步地，所述磁陣列粘接于所述定子的框架上。

進(jìn)一步地，四個(gè)磁體塊形成的所述磁陣列被配置為形成一個(gè)電周期。

本發(fā)明專(zhuān)利所述的一種大行程六自由度磁浮磁驅(qū)納米定位平臺(tái)包括定位平臺(tái)機(jī)械本體和定位平臺(tái)控制器。本發(fā)明專(zhuān)利所述定位平臺(tái)本體包括動(dòng)平臺(tái)和靜平臺(tái)。動(dòng)平臺(tái)包括三個(gè)電磁驅(qū)動(dòng)單元的動(dòng)子部分，光柵尺讀數(shù)頭，氣浮模塊。靜平臺(tái)包括三個(gè)電磁驅(qū)動(dòng)單元的定子部分，平面光柵尺，電容位移傳感器，接近開(kāi)關(guān)和防撞模塊。動(dòng)平臺(tái)中的三個(gè)動(dòng)子模塊和靜平臺(tái)中的三個(gè)定子模塊通過(guò)位置配合構(gòu)成三個(gè)電磁驅(qū)動(dòng)單元，三個(gè)電磁驅(qū)動(dòng)單元在定位平臺(tái)控制器的作用下完成定位平臺(tái)納米級(jí)定位。動(dòng)平臺(tái)中的光柵尺讀數(shù)頭和靜平臺(tái)中的平面光柵尺構(gòu)成平面內(nèi)位置檢測(cè)系統(tǒng)，測(cè)量動(dòng)平臺(tái)相對(duì)于靜平臺(tái)在一個(gè)平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，包括兩個(gè)平動(dòng)自由度和一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。動(dòng)平臺(tái)中的氣浮模塊用于在運(yùn)動(dòng)初始階段輔助電磁驅(qū)動(dòng)單元尋位。靜平臺(tái)中的三個(gè)電容位移傳感器測(cè)量動(dòng)平臺(tái)上三個(gè)不同位置的懸浮高度，以此確定動(dòng)平臺(tái)相對(duì)靜平臺(tái)的另外三個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，包括兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度和一個(gè)平動(dòng)自由度。接近開(kāi)關(guān)布置在靜平臺(tái)四周，用來(lái)作為動(dòng)平臺(tái)在運(yùn)動(dòng)極限位置處的報(bào)警信號(hào)，防撞模塊布置在靜平臺(tái)四周，對(duì)動(dòng)平臺(tái)起保護(hù)作用。本發(fā)明所述六自由度納米定位平臺(tái)在主運(yùn)動(dòng)方向行程大，其余方向的微運(yùn)動(dòng)用于輔助對(duì)準(zhǔn)與聚焦，平臺(tái)整體具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、直接驅(qū)動(dòng)、無(wú)摩擦、無(wú)遲滯和無(wú)回空間隙等優(yōu)點(diǎn)，在幾十毫米運(yùn)動(dòng)行程內(nèi)達(dá)到納米級(jí)的定位分辨率。

本發(fā)明專(zhuān)利所述的電磁驅(qū)動(dòng)致動(dòng)器由定子和動(dòng)子組成，定子由三相繞組銅線繞制而成，每相繞組的電相位差120度，采用無(wú)鐵心結(jié)構(gòu)；動(dòng)子由磁陣列組成，磁陣列的排列確保在面向繞組的一側(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度強(qiáng)，背向繞組的一側(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度弱。改變定子三相繞組通電電流的相位和大小，可以改變作用于相應(yīng)動(dòng)子力的大小。

本發(fā)明專(zhuān)利所述的定位平臺(tái)控制器采用線性驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行控制，克服數(shù)字信號(hào)驅(qū)動(dòng)帶來(lái)的噪聲，包括主控制器、A/D轉(zhuǎn)換電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、線性放大模塊、電流傳感器和位置傳感器采集等模塊。主控制器完成控制算法、定位平臺(tái)驅(qū)動(dòng)算法；A/D轉(zhuǎn)換電路對(duì)電流傳感器輸出的電流信號(hào)進(jìn)行采樣，完成定位平臺(tái)電流環(huán)控制；D/A轉(zhuǎn)換電路將控制器輸出的數(shù)字電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電流信號(hào)；線性放大模塊對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行放大，驅(qū)動(dòng)定子繞組；電流傳感器采集定子電流信號(hào)；位置傳感器采集定位平臺(tái)動(dòng)子的位置。

本發(fā)明專(zhuān)利提出了一種大行程六自由度磁浮磁驅(qū)納米定位平臺(tái)，滿足納米加工和掃描測(cè)量裝備對(duì)定位平臺(tái)運(yùn)動(dòng)和納米級(jí)定位精度的要求。本發(fā)明所提出的大行程六自由度磁浮磁驅(qū)動(dòng)納米定位平臺(tái)具有六個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、直接驅(qū)動(dòng)、無(wú)摩擦、無(wú)遲滯和無(wú)回空間隙等優(yōu)點(diǎn)，在幾十到幾百毫米運(yùn)動(dòng)行程內(nèi)達(dá)到納米級(jí)的定位分辨率。

以下將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進(jìn)一步說(shuō)明，以充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)施例的納米定位平臺(tái)總體示意圖；

圖2是本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)施例的納米定位平臺(tái)機(jī)械本體示意圖；

圖3是本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)施例的納米定位平臺(tái)動(dòng)平臺(tái)示意圖；

圖4是本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)施例的納米定位平臺(tái)靜平臺(tái)示意圖；

圖5是本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)施例的電磁驅(qū)動(dòng)單元結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)施例的納米定位平臺(tái)控制器結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施案例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

如圖1所示，本發(fā)明專(zhuān)利提出一種大行程六自由度磁浮磁驅(qū)納米定位平臺(tái)，包括定位平臺(tái)機(jī)械本體1000、定位平臺(tái)控制器2000。定位平臺(tái)控制器2000采集機(jī)械本體1000中的電流信號(hào)和位置信號(hào)，并控制機(jī)械本體1000在六自由度方向上實(shí)現(xiàn)六自由度納米級(jí)精度的運(yùn)動(dòng)。

如圖2所示，機(jī)械本體1000包括了動(dòng)平臺(tái)1100和靜平臺(tái)1200。

圖3為納米定位平臺(tái)的動(dòng)平臺(tái)1100，包括三個(gè)電磁驅(qū)動(dòng)單元的動(dòng)子部分1111、1112、1113，三個(gè)氣浮軸承1121、1122、1123，和光柵尺讀數(shù)頭1131。

圖4為納米定位平臺(tái)的靜平臺(tái)1200，包括三個(gè)電磁驅(qū)動(dòng)單元的定子部分1211、1212、1213，接近開(kāi)關(guān)1221、1222、1223、1224，平面光柵尺1231，電容傳感器1241、1242、1243和防撞開(kāi)關(guān)1251、1252、1253、1254、1255、1256、1257、1258。

動(dòng)平臺(tái)1100中的三個(gè)動(dòng)子模塊1111、1112、1113和靜平臺(tái)1200中的三個(gè)定子模塊1211、1212、1213通過(guò)位置配合構(gòu)成三個(gè)電磁驅(qū)動(dòng)單元，圖5為其中一個(gè)驅(qū)動(dòng)單元的結(jié)構(gòu)示意圖。三個(gè)電磁驅(qū)動(dòng)單元在定位平臺(tái)控制器的作用下完成定位平臺(tái)納米級(jí)定位。三個(gè)電磁驅(qū)動(dòng)單元，每個(gè)驅(qū)動(dòng)單元的定子部分纏繞兩套獨(dú)立的三相繞組，動(dòng)子部分在兩套三相繞組的作用下產(chǎn)生水平方向和豎直方向兩個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，三個(gè)驅(qū)動(dòng)單元共可產(chǎn)生六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)單元的動(dòng)子上貼有永磁體陣列，每?jī)蓧K相鄰永磁體充磁方向相差90°，四塊永磁體為一個(gè)周期。此永磁體陣列用于同時(shí)產(chǎn)生懸浮力和水平力。驅(qū)動(dòng)單元的定子上繞有兩套獨(dú)立的三相繞組。所述三相繞組由銅線繞制而成。所述兩套獨(dú)立的三相繞組可以實(shí)現(xiàn)施加在所述動(dòng)子上的水平方向作用力和豎直方向作用力的解耦。

動(dòng)平臺(tái)1100中的光柵尺讀數(shù)頭1131和靜平臺(tái)1200中的平面光柵尺1231構(gòu)成平面內(nèi)位置檢測(cè)系統(tǒng)，測(cè)量動(dòng)平臺(tái)相對(duì)于靜平臺(tái)在一個(gè)平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，包括兩個(gè)平動(dòng)自由度和一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。兩個(gè)平動(dòng)自由度具有幾十毫米運(yùn)動(dòng)范圍，一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度具有幾個(gè)到幾十個(gè)微弧度的運(yùn)動(dòng)范圍。

氣浮模塊1121、1122、1123呈三角形布置于動(dòng)平臺(tái)1100上，用于動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)初始階段尋找零位。氣浮模塊安裝在動(dòng)平臺(tái)的三個(gè)不同位置，使得動(dòng)平臺(tái)在運(yùn)動(dòng)初始階段可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，動(dòng)平臺(tái)在三個(gè)驅(qū)動(dòng)單元的作用下完成位置初始化。

三個(gè)電容位移傳感器1241、1242、1243呈三角形布置于靜平臺(tái)1200上，用于測(cè)量動(dòng)平臺(tái)1100上三個(gè)不同位置的懸浮高度，以此確定動(dòng)平臺(tái)相對(duì)靜平臺(tái)的另外三個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，包括兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度和一個(gè)平動(dòng)自由度。這三個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度分別具有幾個(gè)到幾十個(gè)微弧度和幾十到幾百微米的運(yùn)動(dòng)范圍。

接近開(kāi)關(guān)1221、1222、1223、1224布置在靜平臺(tái)1200四周，用來(lái)作為動(dòng)平臺(tái)在運(yùn)動(dòng)極限位置處的報(bào)警信號(hào)。接近開(kāi)關(guān)在動(dòng)平臺(tái)正常運(yùn)行時(shí)沒(méi)有信號(hào)輸出，當(dāng)動(dòng)平臺(tái)超過(guò)運(yùn)動(dòng)極限位置使，接近開(kāi)關(guān)發(fā)出信號(hào)，控制器做相應(yīng)動(dòng)作。

防撞模塊1251、1252、1253、1254、1255、1256、1257、1258布置在靜平臺(tái)1200四周，對(duì)動(dòng)平臺(tái)起保護(hù)作用。

納米定位平臺(tái)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖6所示，包括主控制器2100、A/D轉(zhuǎn)換2200、電流傳感器2300、線性放大模塊2400、D/A轉(zhuǎn)換2500、平面光柵尺2600和電容傳感器2700。輸出信號(hào)1Vpp的高精度平面光柵尺經(jīng)過(guò)細(xì)分達(dá)到納米級(jí)的分辨率，用來(lái)傳感器納米定位平臺(tái)動(dòng)平臺(tái)在平面內(nèi)的三個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)位移。電容位移傳感器模塊將動(dòng)平臺(tái)的三個(gè)位置信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。主控制器2100采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，完成納米定位平臺(tái)電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)的控制。電流傳感器2300轉(zhuǎn)換納米定位平臺(tái)定子繞組的電流信號(hào)為電壓信號(hào)。A/D轉(zhuǎn)換模塊2200采用18位分辨率的轉(zhuǎn)換器件來(lái)提高電流的控制精度。D/A轉(zhuǎn)換模塊2500把主控制器2100計(jì)算的數(shù)字電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電流信號(hào),采用18位分辨率的轉(zhuǎn)換器件。線性放大模塊2400把模擬電流信號(hào)進(jìn)行功率放大后驅(qū)動(dòng)納米定位平臺(tái)定子繞組，采用線性放大模塊PA12器件進(jìn)行放大。

以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的較佳具體實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)無(wú)需創(chuàng)造性勞動(dòng)就可以根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術(shù)領(lǐng)域中技術(shù)人員依本發(fā)明的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上通過(guò)邏輯分析、推理或者有限的實(shí)驗(yàn)可以得到的技術(shù)方案，皆應(yīng)在由權(quán)利要求書(shū)所確定的保護(hù)范圍內(nèi)。