[发明专利]基于压电陶瓷的高速高精度宏微平台及切换方法

说明书

技术领域

本发明是一种基于压电陶瓷的高速高精度宏微平台及切换方法，属于基于压电陶瓷的高速高精度宏微平台的改造技术。 

背景技术

微电子产品高质量高产能的制造，取决于关键机构的高精度定位与高加速度运动的二者兼顾。高精度与高加速度运动与定位可采用宏微运动相结合的复合运动实现，国内外已有类似研究。然而，宏微复合高速运动及其子系统运动的切换机理及行为描述等核心问题，包括数学描述、振动行为、运动特性、以及稳定性评价等，一直未得以有效解决。高速精密运动平台的结构设计、在振动抑制方法设计与控制策略确定，成为提高当前与未来微电子制造装备及其运动平台的关键。此外，微纳米运动生成的致动器系统，涉及电、磁、机构、功能材料等多物理场耦合建模，运动性能受到多场多因素影响约束与影响，是多学科融合的科学难题；宏微复合运动工况下基于功能材料的微纳米精度生成的机理，尤其是材料特性、结构尺寸与组成成分对非线性迟滞、蠕变与漂移效应的物理本质与影响规律，相关理论的缺欠一直限制着高速运动平台的精确性。宏微高速精密运动平台的设计，已经成为微电子制造装备向着大行程、高速、高加速度、高精度等高性能指标发展的瓶颈。 

发明内容

本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种可实现大行程、高速运动，同时能保证运动精度的基于压电陶瓷的高速高精度宏微平台。本发明设计合理，方便实用。 

本发明的另一目的在于提供一种操作简单，方便实用的基于压电陶瓷的高速高精度宏微平台的切换方法。 

本发明的技术方案是：本发明的基于压电陶瓷的高速高精度宏微平台，包括有平台底板及音圈电机，平台底板安装在隔振基座上，音圈电机安装在平台底板的一侧，音圈电机包括有音圈电机外壳、音圈电机磁铁组件、音圈电机线圈、音圈电机线性编码器、音圈电机轴、电机轴连接架、音圈电机伸出轴、联轴器，其中音圈电机磁铁组件安装在音圈电机外壳的侧面，音圈电机线圈安装在音圈电机外壳的底部，音圈电机轴安装在音圈电机线圈内，音圈电机轴通过联轴器及电机轴连接架与音圈电机伸出轴的一端连接，电机轴连接架的下方安装有对音圈电机的位置信号进行反馈的音圈电机线性编码器，音圈电机伸出轴的另一端与压杆的一端连接，压杆的另一端与压电陶瓷连接，压电陶瓷安装固定在工作台上，工作台的上方装设有加速度传感器，工作台的下方安装有直线导轨滑块，直线导轨滑块装设在直线导轨上组成直线运动副，直线导轨滑块能在直线导轨上进行直线运动，电机轴连接架能沿直线导轨直线运动，直线导轨装设在工作台上，工作台的侧边安装有绝对光栅读数头，光栅读数头沿运动方向紧贴安装有绝对光栅尺，绝对光栅尺安装在平台底板上。 

本发明基于压电陶瓷的高速高精度宏微平台的切换方法，包括如下步骤： 

1）当工作台的运动位移为P时，其运动可分解为宏运动位移P1和微运动位移P2，平台的定位精度由压电陶瓷的微进给保证，首先宏运动由音圈电机驱动进给实现，由音圈电机线性编码器反馈平台的位置信号，通过位置信号的比较与闭环反馈控制，实现音圈电机的宏运动，在工作台的宏运动过程中，音圈电机的线性编码器具有高响应频率，能在高速运动中实时反馈平台的位置信号；

2）在宏运动平台的高速加减速运动中，平台的振动信号通过数据采集卡从加速度传感器实时提取，f1是实时分析振动信号所得到的工作台振动主频率；当平台减速时，必然在高速运动情况下产生较大的振动，当主频率f1超过预定阈值频率f0，则启动轴向安装的压电陶瓷的减振功能，对平台施加反向运动，实现平台的快速减振；

3）当宏运动平台接近行程终点，即P1-Pz<＝e1成立时，e1为宏运动的位置精度，若平台的振动频率f1仍然大于平台稳定时要求的频率f0，则压电陶瓷继续进行减振，当f1<＝f0成立时，系统进行压电陶瓷的功能切换和光栅信号的切换，启动平台的微驱动，并同时读取绝对光栅尺的位置读数；微运动由压电陶瓷驱动，其闭环位置控制的位置信号由具有高分辨率的绝对光栅尺提供，将绝对光栅尺的位置信号Pj和终点位置P进行比较，通过高精度位置闭环控制，最终实现纳米级别的微定位。