一种音圈电机驱动二维超精密定位平台的制作方法

本发明涉及精密测距的技术领域，尤其涉及到一种音圈电机驱动二维超精密定位平台。

背景技术：

随着科学技术的发展，对超精密位移平台的性能要求越来越高，超精密位移平台越来越趋向微型化、商业化、精准化。超精密位移平台越来越广泛应用于：新型机械制造、超精密加工、生物工程、集成电路制造、医疗科学、扫描探针显微镜、扫描隧道显微镜、光学调整、光纤对接。

普通的超精密位移平台多采用步进电机作为驱动电机和滚珠丝杠作为传动机构的配合结构，在满足相同的位移以及相同的载荷时，该结构的体积相对较大，同时滚珠丝杠的传动机构会存在传动误差，从而影响平台的定位精度。而且该结构的速度响应慢、承载能力低。对于使用其他直线电机的位移平台系统，使用直线电机的模组多为一维模组，其控制系统复杂，对于非控制行业的人员很难实现其精密定位控制，而且其控制模式固定、用途有限、成本高。市面上现有超精密定位平台的的结构和造型还不够完善，存在体积大、不易操作，造型初始化、人机效能低下等问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种传动误差小、平台体积小、响应速度快、承载能力强、精确度高、人机效能高、可实现不同控制模式的音圈电机驱动二维超精密定位平台。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种音圈电机驱动二维超精密定位平台，包括平台底座、移动平台、第一、二导轨、第一、二电机以及第一、二光栅尺，其中，平台底座由横底座和竖底座组成，第一电机安装于横底座上；移动平台包括上下移动平台和前后移动平台，上下移动平台固连在第一电机上方由第一电机驱动沿着铺设于竖底座的第一导轨上下移动，并由分别安装在竖底座侧面的第一光栅尺读数尺和上下移动平台侧面的第一光栅尺读数头配合测量上下位移量；前后移动平台位于上下移动平台上方，由安装在上下移动平台上的第二电机驱动沿着铺设于上下移动平台上的第二导轨前后移动，并由分别安装在上下移动平台侧面的第二光栅尺读数头和前后移动平台侧面的第二光栅尺读数尺配合测量前后位移量。

进一步地，第一、二电机均为音圈电机。

进一步地，第一、二光栅尺均为增量式光栅尺，作为位置反馈装置。

进一步地，二电机由安装在竖底座另一面的DC驱动器驱动，而该DC驱动器接收到的控制命令由设于其上方的控制器发出。

进一步地，控制器包括控制模式选择模块、限定增益设定模块、控制参数设定模块、移动距离和移动速度设定模块以及显示模块；

其中，控制模式选择模块，包括电流控制模式、速度控制模式、位置控制模式；

限定增益设定模块，设定DC驱动器的限制和增益，减少定位平台的震动，提高平台的响应性能；

控制参数设定模块，设定移动平台运动时的最高速度、加速度和减速度、回零方式；

移动距离和移动速度设定模块，设定移动平台的移动距离和移动速度；

显示模块，显示当前各种操作数据。

进一步地，控制器和DC驱动器之间通过串口通讯传输数据。

本方案原理如下：

在控制器上设定控制模式、限定增益、控制参数以及移动距离和移动速度，随之把设定好的命令发送给DC驱动器，DC驱动器根据命令驱动第一、二电机，从而带动上下移动平台沿着第一导轨作上下移动，前后移动平台沿着第二导轨作前后移动，上下移动平台和前后移动平台的位移量分别由第一、二光栅尺测量，显示模块显示移动距离和移动速度等数据，完成工作后回零。

与现有技术相比，本方案具有以下优点及有益效果：

1.选用音圈电机，在结构上，不需要传动机构，减小了传动误差和平台体积；在性能上，响应速度快，承载能力强。

2.配合光栅尺，平台的定位精度较高；理论上平台有无限大的分辨率，其分辨率只受限于位移传感器；对于不同的定位精度要求，只需要安装不同精确度的光栅读数尺。

3.DC驱动器可完成电流环，速度环，位移环的相关参数设置，当使用环境改变时只需对DC驱动器的相关参数进行调整，便可完成对平台的精确控制。

4.通过控制器串口通讯直接控制DC驱动器的输出位置和反应速度，其控制环工作模式多种，只需通过串口向DC驱动器发送相对应得指令集便可实现平台的不同模式的控制，在对移动平台输出力要求精确控制时可采用电流控制模式，对移动平台的移动速度需要精确控制时采用速度控制模式，对移动平台的定位精度要求高时采用位移控制模式。

5.机械结构可系统扩展，系统重建，以适应不同的应用平台；系统满足开放性、可移植性、扩展性、相互操作性的要求。

6.满足上下和前后方向的二维超精密定位。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中控制器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明：

参见附图1-2所示，本实施例所述的一种音圈电机驱动二维超精密定位平台，包括平台底座1、移动平台2、第一、二导轨3、4、第一、二音圈电机5、6、第一、二增量式光栅尺9、10、DC驱动器11以及控制器12。

其中，平台底座1由横底座101和竖底座102组成，第一音圈电机5安装于横底座101上。

移动平台2包括上下移动平台7和前后移动平台8。

上下移动平台7固连在第一音圈电机5上方由第一音圈电机5驱动沿着铺设于竖底座102的第一导轨3上下移动，并由分别安装在竖底座102侧面的第一增量式光栅尺9读数尺和上下移动平台7侧面的第一增量式光栅尺9读数头配合测量上下位移量。

前后移动平台8位于上下移动平台7上方，由安装在上下移动平台7上的第二音圈电机6驱动沿着铺设于上下移动平台7上的第二导轨4前后移动，并由分别安装在上下移动平台7侧面的第二增量式光栅尺10读数头和前后移动平台8侧面的第二增量式光栅尺10读数尺配合测量前后位移量。

第一、二音圈电机5、6由安装在竖底座102另一面的DC驱动器11驱动，而该DC驱动器11接收到的控制命令由设于其上方的控制器12发出，控制器12和DC驱动器11之间通过串口通讯传输数据；

控制器12包括控制模式选择模块1101、限定增益设定模块1102、控制参数设定模块1103、移动距离和移动速度设定模块1104以及显示模块1105。

其中，控制模式选择模块1101，包括电流控制模式、速度控制模式、位置控制模式；

限定增益设定模块1102，设定DC驱动器的限制和增益，减少定位平台的震动，提高平台的响应性能，在粗调时可直接通过电脑与驱动器相连来设定；

控制参数设定模块1103，设定移动平台移动时的最高速度、加速度和减速度、回零方式；

移动距离和移动速度设定模块1104，移动平台的移动距离可以精确到1um，例如设定移动4000即为移动4000um，移动速度为移动平台达到稳定速度时的移动速度，平台的移动速度可达到很快的速度，为观察移动定位过程也可以设置为较慢的运动速度；

显示模块1105，显示当前各种操作数据。

本实施例工作过程如下：

在控制器12中选择位置控制模式，合理设定DC驱动器的限制和增益以及平台移动时的最高速度、加速度和减速度、回零方式、移动距离和移动速度，各模块设定后将命令发送给DC驱动器11，DC驱动器11根据命令驱动第一、二音圈电机5、6，从而带动上下移动平台7沿着第一导轨3作上下移动，前后移动平台8沿着第二导轨4作前后移动，上下移动平台7和前后移动平台8的位移量分别由第一、二增量式光栅尺9、10测量，显示模块1105显示移动距离和移动速度等数据，完成工作后回零。

本实施例中，选用音圈电机，在结构上，不需要传动机构，减小了传动误差和平台体积；在性能上，响应速度快，承载能力强。

配合光栅尺，平台的定位精度较高；理论上平台有无限大的分辨率，其分辨率只受限于位移传感器；对于不同的定位精度要求，只需要安装不同精确度的光栅读数尺。

DC驱动器可完成电流环，速度环，位移环的相关参数设置，当使用环境改变时只需对DC驱动器的相关参数进行调整，便可完成对平台的精确控制。

通过控制器串口通讯直接控制DC驱动器的输出位置和反应速度，其控制环工作模式多种，只需通过串口向DC驱动器发送相对应得指令集便可实现平台的不同模式的控制，在对移动平台输出力要求精确控制时可采用电流控制模式，对移动平台的移动速度需要精确控制时采用速度控制模式，对移动平台的定位精度要求高时采用位移控制模式。

机械结构可系统扩展，系统重建，以适应不同的应用平台；系统满足开放性、可移植性、扩展性、相互操作性的要求。

满足上下和前后方向的二维超精密定位。

以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。