[发明专利]一种直驱式运动解耦的高精度伺服平台

说明书

技术领域

本发明涉及一种运动伺服平台，尤其涉及一种二自由度直线驱动运动解耦的高精密度伺服平台。

背景技术

    随着科学技术和工业技术的不断发展，人类的创造力不断向着微观领域发展。近年来，在微电子制造、超精密机械制造、微机器人操作及精密测量等领域中，高精密运动控制系统的重要性日益突出，这迫切需要能够在微米级、亚微米级，甚至在纳米级精度上进行定位和操作的系统和装备。因此，精密运动伺服平台的地位日益突出，对它的研究倍受国内外研究者的青睐。

    当前应用广泛的X-Y两坐标平面运动平台采用的滚珠丝杠等作为相对运动部分的串联方式，即电机—丝杠—螺母机构形式，在传统的滚珠丝杠驱动方式下，伺服电机的旋转运动通过丝杠转为直线运动，由于存在中间环节，使得机构的运动副间存在着运动间隙，运动部件的惯量大，由此限制了设备的定位精度、速度和加速度的进一步提高。因此，传统的运动平台越来越无法满足微米甚至纳米级的超精密定位和加工要求。对于精密定位平台技术，国内外相关的研究机构和商业公司都展开了广泛的探索和研究，并且开发了一些具有前沿性的技术产品和商业产品。

    现在市场上比较精密的定位平台大多采用直线电机直接驱动的方式，省去了旋转电机驱动方式的中间环节，减小了由于加工及装配误差对平台运动精度的影响。美国H2W Tech公司生产的31-0305 XY音圈电机驱动平台，是目前市场上比较成熟、定位精度较高的一款运动平台，其结构如图1a、图1b所示，该平台由上下两层平台组成，上层平台固定在下层平台上，分别由音圈电机驱动。音圈电机是基于安培力原理制造的一种新型直接驱动电机，它除了和直线电机一样可以避免旋转电机驱动中传动环节存在的间隙等不足外，在理论上其具有无限分辨率、无滞后、高响应、高加速度、高速度、体积小、力学性能好、控制方便等优点。但是从图中可以看到，当上层平台运动时，音圈电机的电缆和光栅的信号线随着平台一块运动，严重影响了整套平台的性能。图2所示为实验测得的该平台经实验测得的幅频、相频特性图，经分析系统的带宽仅在15HZ左右。

    中国专利CN101556933A提出了一种运动解耦的XY向精密定位平台，该定位平台由两个相互正交的音圈电机驱动，通过两个直线轴承组件实现两个方向上的运动解耦。该平台在工作时，工作平台气浮，由空气轴承支撑，摩擦力较小，并且该平台结构紧凑，刚度大，响应速度快。但是，由于该平台采用气浮的方式，为保证工作平台的平稳，必须有专门的控制算法来保证工作平台与空气轴承之间的气隙保持恒定，加大了系统控制的难度，增大了实际应用的复杂性和设备成本。

    中国专利CN101924450A提出了一种固定音圈电机直驱式X-Y微动平台，该平台采用音圈直动电机驱动运动平台，省去了旋转电机驱动方式的中间环节，提高了X-Y微动平台的效率、响应速度和精度，并且采用解耦部件，保证了X向和Y向音圈电机在平台运动过程中是静止的，只有电机轴在相应方向做往返直线运动，改变了微动平台的动态特性。但该平台结构不够紧凑，音圈电机轴与运动平台之间存在中间环节联轴器，增大了传递误差，降低了平台运动的精度，并且反馈元件光栅放置在音圈电机轴末端，测量电机轴的位移来代替平台的位移，存在着一定的误差，并且这种误差将是伺服控制系统无法测量的，从而严重影响了该微动平台的整体精度和性能。

    中国专利CN102723296A提出了一种双层直线电机驱动的XY运动平台，该平台采用双动子结构的X轴/Y轴直线电机进行驱动，因而驱动力较大，能够获得更高的运动速度和加速度，并且采用自适应解耦式直线电机解耦，使得平台整体结构简单，结构尺寸较小，平台运动质量较小。但该平台直线电机动子上接有信号线，且随动子运动而运动，对平台性能造成一定的影响；平台采用自适应解耦式直线电机解耦，其动子既在X方向上运动，又在Y方向上运动，因而加大了系统控制的难度。

    鉴于上述市场中及以往专利中提出的定位平台存在的一些问题，因此有必要设计一种新的精密伺服平台，在保持平台定位和操作精度高、响应速度快等优点及不增加定位平台控制算法难度的同时，从机电一体化角度对伺服平台进行创新和优化。

发明内容