[发明专利]一种无接触式单自由度定位装置及其同步运动控制方法

权利要求书

1.一种无接触式单自由度定位装置，其特征在于：该定位装置包括两个沿Y轴方向运动的粗动台，同时该两个粗动台之间无机械连接；每个粗动台包括一个直线电机（101）、一个支撑元件（102）和一个导向元件（103）；粗动台在洛仑兹力作用下沿Y轴运动；支撑元件（102）的下表面与基架（001）的上表面正面相对，支撑元件（102）下表面有气孔，气孔轴线沿Z轴方向，在支撑元件（102）与基架之间形成沿Z轴方向的气浮支撑；导向元件（103）的侧面与基架的侧面正面相对，导向元件（103）的侧面有气孔，气孔的轴线沿X轴方向，导向元件（103）与基架之间形成气浮导向，导向方向沿Y轴方向。

2.如权利要求1中所述的一种无接触式单自由度定位装置，其特征在于：每个粗动平台各还包括一个光栅测量装置，光栅测量装置包括一个光栅尺（303）、一个光栅尺安装架（301）、一个读数头（304）和光栅尺调整装置（302）；光栅尺调整装置（302）固定于基架（001）上，光栅尺安装架（301）与光栅尺调整装置（302）固定连接，通过调整光栅尺调整装置（302）使光栅尺安装架（301）的长边方向沿Y轴方向；光栅尺（303）固定于光栅尺安装架表面上，光栅条纹沿Y轴方向；光栅读数头（304）与直线电机（101）连接，当直线电机沿Y轴运动时，光栅尺（303）用来检测粗动台直线电机（101）沿Y轴方向的位置。

3.一种如权利要求1所述的无接触式单自由度定位装置的同步运动控制方法，其特征在于所述控制方法包括如下步骤：

1）在伺服周期开始，设定第一光栅尺测量装置（3001）的输出信号为x₁₀₀₁，作为第一粗动台（1001）的位置反馈，第二光栅尺测量装置（3002）的输出信号为x₁₀₀₂，以第一光栅尺测量装置（3001）信号和第二光栅尺测量装置（3002）的输出信号的差值作为第二粗动台（1002）的位置反馈；

2）第一粗动台（1001）和第二粗动台（1002）均以加速度作为控制器前馈，根据设定的位置反馈信号求解每个电机相应的出力，实现第一粗动台（1001）沿Y轴运动，第二粗动台（1002）对第一粗动台（1001）的跟随运动；电机输出力按以下公式计算：

F1001=My··d+kp1001ey1001+kd1001e·y1001+c1001·e·y1001+a1001ey1001|e·y1001+a1001ey1001|+b1001]]>

F1002=My··d+kp1002ey1002+kd1002e·y1002+c1002·e·y1002+a1002ey1002|e·y1002+a1002ey1002|+b1002]]>

其中：

y_d-粗动台目标运动位置；

x₁₀₀₁-第一光栅尺信号，x₁₀₀₂-第二光栅尺信号；

e_y1001＝y_d-x₁₀₀₁、e_y1002＝x₁₀₀₁-x₁₀₀₂

M-粗动台质量；

F₁₀₀₁-计算得到的对第一粗动台施加的力；

F₁₀₀₂-计算得到的对第二粗动台施加的力；

k_p1001、k_d1001、k_p1002、k_d1002、c₁₀₀₁、a₁₀₀₁、b₁₀₀₁、c₁₀₀₂、a₁₀₀₂、b₁₀₀₂为控制器增益系数；

3）根据求解电机的输出力得到每个电机的控制指令，该控制指令由D/A卡进行数模转换后输入至驱动器，驱动器成比例地输出电流驱动相应电机，进而实现微动台以及粗动台的运动。

4.一种如权利要求1所述的无接触式单自由度定位装置的同步运动控制方法，其特征在于所述控制方法包括如下步骤：

1）在伺服周期开始，设定第一光栅尺测量装置（3001）的输出信号为x₁₀₀₁，作为第一粗动台（1001）的位置反馈，第二光栅尺测量装置（3002）的输出信号为x₁₀₀₂，以第一光栅尺测量装置（3001）信号和第二光栅尺测量装置（3002）的输出信号的差值作为第二粗动台（1002）的位置反馈；

2）第一粗动台（1001）以加速度作为控制器前馈，第二粗动台（1002）以第一粗动台（1001）的控制器输出作为控制器前馈，根据设定的位置反馈信号求解每个电机相应的出力，实现第一粗动台（1001）沿Y轴运动，第二粗动台（1002）对第一粗动台（1001）的跟随运动；电机输出力按以下公式计算：

F1001=My··d+kp1001ey1001+kd1001e·y1001+c1001·e·y1001+a1001ey1001|e·y1001+a1001ey1001|+b1001]]>

F1002=F1001+kp1002ey1002+kd1002e·y1002+c1002·e·y1002+a1002ey1002|e·y1002+a1002ey1002|+b1002]]>

其中：

y_d-粗动台目标运动位置；

x₁₀₀₁-第一光栅尺信号，x₁₀₀₂-第二光栅尺信号；

e_y1002＝x₁₀₀₁-x₁₀₀₂ e_y1001＝y_d-x₁₀₀₁

M-粗动台质量；

F₁₀₀₁-第一粗动台控制器输出；

F₁₀₀₂-第二粗动台控制器输出；

k_p1001、k_d1001、k_p1002、k_d1002、c₁₀₀₁、a₁₀₀₁、b₁₀₀₁、c₁₀₀₂、a₁₀₀₂、b₁₀₀₂为控制器增益系数；

3）根据求解电机的输出力得到每个电机的控制指令，该控制指令由D/A卡进行数模转换后输入至驱动器，驱动器成比例地输出电流驱动相应电机，进而实现微动台以及粗动台的运动。