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CN113029235B - 小行程纳米级运动台及热相关滞回数据测量方法 - Google Patents

小行程纳米级运动台及热相关滞回数据测量方法 Download PDF

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CN113029235B CN202110213939.6A CN202110213939A CN113029235B CN 113029235 B CN113029235 B CN 113029235B CN 202110213939 A CN202110213939 A CN 202110213939A CN 113029235 B CN113029235 B CN 113029235B
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Abstract

小行程纳米级运动台及热相关滞回数据测量方法，属于高端装备技术领域。左双极电磁铁的定子组件及两个尺蠖电机的定子组件均固定在左基础框架上，左双极电磁铁的动子组件及两个尺蠖电机的动子均固定在平台运动部件的左侧面；右双极电磁铁的动子组件固定在平台运动部件的右侧面，右双极电磁铁的定子组件固定在右基础框架上；平台运动部件固定装在气浮导轨的导套上；左、右双极电磁铁的定子组件内分别固定有电涡流传感器和霍尔传感器。方法是：温度设定；产生位移；工装固定；数据采集；数据计算处理；重复步骤一到步骤五，完成运动台在运动过程中，不同温度、位移条件下的电流‑力数据采集，完成表格绘制。本发明为运动台的高精度控制垫定基础。

Description

小行程纳米级运动台及热相关滞回数据测量方法
技术领域
本发明属于高端装备技术领域，具体涉及一种小行程纳米级运动台及热相关滞回数据测量方法。
背景技术
洛伦兹电机因其具有结构简单、体积小、出力稳定、线性度高等特点，目前被广泛应用于高精度定位平台中。但是，随着下一代高端装备产率的日益提升，对其中运动平台的高速、高加速、高精度需求也随之不断提高。但在有限空间尺寸内，洛伦兹电机的功率密度已经接近物理极限。一方面，大输出力导致电机体积质量增大，难以满足纳米级运动台的空间约束条件；另一方面，大电流会导致洛伦兹电机的铜损耗增加，散热问题难以解决。这些问题在小行程运动台中尤为突出。因此，为满足高端装备高精度定位系统对高加速不断增长的要求，提出一种小行程纳米级运动台。
滞回模型的建立与补偿是该运动台控制的核心部分，其模型的精确性和平台的控制精度息息相关。数据测量是模型建立的基础，直接决定模型建立的精确性。
目前描述磁滞回特性过程中所涉及的数据测量方法主要应用于磁滞材料基本迟滞回线的测量。《201610212992.3》专利所述利用测量装置测量软磁材料基本磁滞回线的方法，较好的描述基本迟滞回线以及对应的各种磁滞参数。《201910450042.8》专利所述一种磁心材料磁滞回线测量方法，提供一种磁心材料磁滞回线测量装置，测量出磁件的一组极限磁滞回线并同时得到被测磁件的磁化曲线；这两种方法能测量出固定温度参数下铁磁材料的磁导率，但不能获取电磁铁气隙和线圈温度变化时通电电流和吸合力之间的关系。
《201920577534.9》专利所述一种磁性材料特性测试仪，实现不同温度下磁性材料的磁化曲线，以及不同温度条件下，磁滞回线随频率和幅值的变化关系；此专利考虑了温度特性对磁导率的影响，但未考虑气隙对电磁铁吸合力的影响，也不能表征本专利所述运动台执行机构的热相关动态出力滞回特性。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种小行程纳米级运动台，以解决现有微纳定位平台领域洛伦兹电机的功率密度不足，难以满足高加速度需求，进而影响装备产率的问题。
本发明的目的之二是提供一种小行程纳米级运动台的热相关滞回数据测量方法，该方法能精确获取运动台工作过程中的线圈温度、控制电流与执行器(双极电磁铁)出力数据，为建立执行器的动态出力滞回特性模型提供技术支撑。
本发明可以精确的获取运动台在工作中位移、控制电流以及温度等条件对执行器出力影响的相关数据，为运动台的高精度控制垫定基础。
为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
小行程纳米级运动台，包括两个基础框架、平台运动部件、两个尺蠖电机、两个双极电磁铁、两个测量系统和气浮导轨；所述两个基础框架分别是左基础框架和右基础框架；所述两个双极电磁铁分别是左双极电磁铁和右双极电磁铁；两个所述测量系统均包括电涡流传感器和霍尔传感器；
所述左双极电磁铁的定子组件及两个尺蠖电机的定子组件分别固定在左基础框架的右侧面上，左双极电磁铁的动子组件及两个尺蠖电机的动子均固定在平台运动部件的左侧面；所述右双极电磁铁的动子组件固定在平台运动部件的右侧面，右双极电磁铁的定子组件固定在右基础框架的左侧面上；所述平台运动部件固定装在气浮导轨的导套上，通过气浮导轨的导轴引导平台运动部件在X和Rz自由度上运动；左双极电磁铁的定子组件和右双极电磁铁的定子组件内均固定有电涡流传感器和霍尔传感器，用以实现双极电磁铁的磁通测量和平台运动部件在X、Rz向的自由度的位移测量。
一种小行程纳米级运动台的热相关滞回数据测量方法，所述方法包括如下步骤：
步骤一、温度设定：所述上位机下达指令，通过温度控制器对双极电磁铁的线圈的温度进行设定；
步骤二、产生位移：对两个尺蠖电机进行通电，通过运动控制器以及功率放大器一，使平台运动部件移动到期望位置；
步骤三、工装固定：采用工装将平台运动部件固定在步骤二所达到的期望位置；
步骤四、数据采集：上位机下达指令，运动控制器控制两个双极电磁铁的线圈电流以不同的频率和幅值进行变化，力传感器对对应条件下的双极电磁铁吸合力进行测量；信号采集卡对此过程涉及的数据进行采集，传递到上位机中进行储存；在该过程中，通过温度控制器和水冷系统协调，监测并调节小行程纳米级运动台的工作温度，确保所述运动台在运动过程中温度维持在设定值；
步骤五、数据计算处理：上位机对获得的数据进行标号存储，得到一组测量结果；
步骤六、重复上述步骤一到步骤五，完成运动台在运动过程中不同温度、不同位移条件下的电流-力数据采集，最后完成表格绘制。
本发明相对于现有技术的有益效果是：
1、本发明采用尺蠖电机和双极电磁铁复合方式驱动运动台，既可以发挥电磁铁的大出力优势，又能利用尺蠖电机的高分辨率、高频响出力特性，使运动台兼顾高加速度和高定位精度，进而在装备中采用宏微复合平台结构实现高速度、高加速度和高定位精度(加速度可达到128m/s2，速度可达到32m/s，精度可达到1nm)的运动性能指标。此外，本发明的运动台可实现绕Z自由度转动，并可以掉电自锁，提高高端制造过程中工件的安全性。
2、本发明的方法针对热-电-磁等多场耦合作用下，执行器的动态出力滞回非线性数据进行采集。可以精确的描述运动台在工作中，位移、控制电流以及温度等条件对执行器出力的影响，可以准确地建立平台运动部件在运动过程中的滞回模型，为运动台的高精度控制垫定基础。
附图说明
图1是本发明的小行程纳米级运动台的结构示意图；
图2是本发明的小行程纳米级运动台的主视图；
图3是本发明的小行程纳米级运动台中双极电磁铁的定子组件、水冷系统和测量系统装配的示意图；
图4是本发明的小行程纳米级运动台的轴测图；
图5是本发明的小行程纳米级运动台的工装结构示意图；
图6是本发明的小行程纳米级运动台的电控系统框图；
图7是本发明的小行程纳米级运动台的热相关滞回数据测量方法的流程图。
上述附图中涉及的部件名称及标号如下：
1-左基础框架；2-尺蠖电机的定子组件；3-尺蠖电机的动子；4-平台运动部件；5-右双极电磁铁的动子组件；6-右双极电磁铁的定子组件；7-右基础框架；8-气浮导轨；9-气浮导轨8的导套；10-左双极电磁铁的动子组件；11-左双极电磁铁的定子组件；12-1-冷却液进出口；12-2-水冷板；13-气浮导轨的导轴；14-上位机；15-数据总线；16-运动控制器；17-功率放大器一；18-功率放大器二；19-温度控制器；20-信号采集卡；21-工装；22-力传感器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体结构、机理和工作过程作进一步详细的说明：
具体实施方式一：如图1-图4所示，本实施方式披露了一种小行程纳米级运动台其特征在于：包括两个基础框架、平台运动部件4、两个尺蠖电机、两个双极电磁铁、两个测量系统和气浮导轨8；所述两个基础框架分别是左基础框架1和右基础框架7；所述两个双极电磁铁分别是左双极电磁铁和右双极电磁铁；两个所述测量系统均包括电涡流传感器和霍尔传感器；
所述左双极电磁铁的定子组件11及两个尺蠖电机的定子组件2分别固定在左基础框架1的右侧面上，左双极电磁铁的动子组件10及两个尺蠖电机的动子3均固定在平台运动部件4的左侧面；所述右双极电磁铁的动子组件5固定在平台运动部件4的右侧面，右双极电磁铁的定子组件6固定在右基础框架7的左侧面上；所述平台运动部件4固定装在气浮导轨的导套9上，通过气浮导轨的导轴13引导平台运动部件4在X和Rz自由度上运动；左双极电磁铁的定子组件11和右双极电磁铁的定子组件6内均固定有电涡流传感器和霍尔传感器，用以实现双极电磁铁的磁通测量和平台运动部件4在X、Rz向的自由度的位移测量。
两个双极电磁铁结构和性能均相同，在工作过程中，两个双极电磁铁依次通电，双极电磁铁的定子组件和动子组件之间依次产生吸力，确保纳米级运动台的高加速度；两个双极电磁铁通过调节两个线圈中电流的大小和通电时序，产生非对称力，实现大转矩。
两个尺蠖电机结构和性能均相同，用以确保纳米级运动台在运动过程中的精度和快速响应特性，并可实现平台运动部件4的掉电自锁。
左基础框架1是左双极电磁铁的定子组件11和两个尺蠖电机的定子组件2的安装载体。
右基础框架7是右双极电磁铁的定子组件6以及工装21的安装载体。
两个双极电磁铁的定子组件均包括电磁铁定子、线圈和电磁铁定子壳，所述线圈安装在电磁铁定子上并封装在电磁铁定子壳内(为现有技术)。
两个双极电磁铁的动子组件均包括电磁铁动子壳和电磁铁动子，所述电磁铁动子封装在电磁铁动子壳内(为现有技术)。
两个尺蠖电机的定子组件2均包括压电陶瓷足系和尺蠖电机定子壳，所述压电陶瓷足系安装在尺蠖电机定子壳的内侧面上(为现有技术)。
所述平台运动部件4是两个双极电磁铁的动子组件及两个尺蠖电机的动子的安装载体。
左双极电磁铁的动子组件10、两个尺蠖电机的动子3与固定在左基础框架1上的左双极电磁铁的定子组件11、两个尺蠖电机的定子组件2相对安装。
右双极电磁铁的定子组件6固定在右基础框架7左侧面的中心位置，与固定在平台运动部件4右侧面上的右双极电磁铁的动子组件5相对安装。
测量系统采用电涡流传感器实现在X自由度方向的位移测量，采用霍尔传感器实现不同位移下磁通量的测量。
气浮导轨提供非接触、无摩擦导向。还可以采用磁浮或气磁复合等高精密导向机构引导平台运动部件4沿X自由度移动。
具体实施方式二：如图1、图3所示，本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述小行程纳米级运动台还包括两个水冷系统；所述两个水冷系统均包括水冷机、冷却液进出口12-1及水冷板12-2；所述左基础框架1和右基础框架7上均设有冷却液进出口12-1，所述两个双极电磁铁的电磁铁定子壳内四周设置有冷水板12-2，所述冷却液进出口12-1与电磁铁定子壳连通，所述水冷机与冷却液进出口12-1连通。对线圈进行冷却，用以维持线圈的工作温度，提高磁导率对环境变化的鲁棒性，保证电磁铁出力性能的稳定性，降低平台的控制难度。
具体实施方式三：如图1、图2及图4所示，本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述左双极电磁铁的定子组件11固定在左基础框架1的右侧面的中心位置，所述两个尺蠖电机的定子组件2固定在左基础框架1的右侧面的前后两侧，并关于左双极电磁铁的定子组件11对称分布。
具体实施方式四：如图1、图2及图4所示，本实施方式是对具体实施方式一或三作出的进一步说明，所述左双极电磁铁的动子组件10和右双极电磁铁的动子组件5固定在平台运动部件4的左右两侧面的中心位置，所述两个尺蠖电机的动子3固定在平台运动部件4左侧面的前后两侧，关于左双极电磁铁的动子组件10对称分布。
具体实施方式五：如图1、图5所示，本实施方式是对具体实施方式二作出的进一步说明，所述右基础框架7的左侧面上固定有工装21(工装21是一个可伸缩调节装置，为现有构件，在数据采集过程中，对运动部件4在不同位移下进行固定，对运动部件4数据采集起到辅助固定的作用)，所述工装21上固定有力传感器22。
具体实施方式六：如图3及图6所示，本实施方式是对具体实施方式五作出的进一步说明，所述小行程纳米级运动台还包括电控系统；所述电控系统包括上位机14、数据总线15、运动控制器16、功率放大器一17、功率放大器二18、温度控制器19及信号采集卡20；
所述上位机14与运动控制器16、温度控制器19以及信号采集卡20之间通过(VME)数据总线15数据互通，以便进行实时内部信息交换；所述运动控制器16通过功率放大器一17对两个尺蠖电机进行控制；所述运动控制器16通过功率放大器二18对两个双极电磁铁进行控制；所述温度控制器19对水冷机进行控制，通过水冷板12-2对双极电磁铁的线圈温度进行调节；所述信号采集卡20对电涡流传感器采集的位置信息以及力传感器22采集的力信息进行采集和传递，并将其采集的信息反馈到上位机14，所述上位机14对其数据进行整理。
具体实施方式七：如图7所示，本实施方式披露了一种具体实施方式六所述的小行程纳米级运动台的热相关滞回数据测量方法，所述方法包括如下步骤：
步骤一、温度设定：所述上位机14下达指令，通过温度控制器19对双极电磁铁的线圈的温度进行设定；
步骤二、产生位移：对两个尺蠖电机进行通电，通过运动控制器16以及功率放大器一17，使平台运动部件4移动到期望位置；
步骤三、工装21固定：采用工装21将平台运动部件4固定在步骤二所达到的期望位置；
步骤四、数据采集：上位机14下达指令，运动控制器16控制两个双极电磁铁的线圈电流以不同的频率和幅值进行变化，力传感器22对对应条件下的(对应条件是指步骤一中设定的温度，步骤二中产生的位移)双极电磁铁吸合力进行测量；信号采集卡20对此过程涉及的数据进行采集，传递到上位机14中进行储存；在该过程中，通过温度控制器19和水冷系统协调，监测并调节小行程纳米级运动台的工作温度，确保所述运动台在运动过程中温度维持在设定值；
步骤五、数据计算处理：上位机14对获得的数据进行标号存储，得到一组测量结果(得到一组测试结果，是指一定的温度、一定的位置条件下对应的力信息)；
步骤六、重复上述步骤一到步骤五，完成运动台在运动过程中不同温度、不同位移条件下的电流-力数据采集，最后完成表格绘制。
工作原理：
在工作过程中，两个双极电磁铁依次通电，左双极电磁铁的定子组件11与左双极电磁铁的动子组件10之间以及右双极电磁铁的定子组件6与右双极电磁铁的动子组件5之间依次产生吸力，确保纳米级运动台的高加速度。气浮导轨8的导轴13通过气浮导轨8的导套9引导平台运动部件4在X向自由度往复运动；
本发明的小行程纳米级运动台可通过前后设置的两个尺蠖电机及左右两个双极电磁铁非对称出力，形成转矩，驱动运动台Rz自由度产生高加速度高精度运动。其中，双极电磁铁通过调节两个线圈中电流的大小和通电时序，实现大转矩。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种小行程纳米级运动台，其特征在于：包括两个基础框架、平台运动部件(4)、两个尺蠖电机、两个双极电磁铁、两个测量系统和气浮导轨(8)；所述两个基础框架分别是左基础框架(1)和右基础框架(7)；所述两个双极电磁铁分别是左双极电磁铁和右双极电磁铁；两个所述测量系统均包括电涡流传感器和霍尔传感器；
所述左双极电磁铁的定子组件(11)及两个尺蠖电机的定子组件(2)分别固定在左基础框架(1)的右侧面上，左双极电磁铁的动子组件(10)及两个尺蠖电机的动子(3)均固定在平台运动部件(4)的左侧面；所述右双极电磁铁的动子组件(5)固定在平台运动部件(4)的右侧面，右双极电磁铁的定子组件(6)固定在右基础框架(7)的左侧面上；所述平台运动部件(4)固定装在气浮导轨(8)的导套(9)上，通过气浮导轨(8)的导轴(13)引导平台运动部件(4)在X和Rz自由度上运动；左双极电磁铁的定子组件(11)和右双极电磁铁的定子组件(6)内均固定有电涡流传感器和霍尔传感器，用以实现双极电磁铁的磁通测量和平台运动部件(4)在X、Rz向的自由度的位移测量。
2.根据权利要求1所述的小行程纳米级运动台，其特征在于：所述小行程纳米级运动台还包括两个水冷系统；所述两个水冷系统均包括水冷机、冷却液进出口(12-1)及水冷板(12-2)；所述左基础框架(1)和右基础框架(7)上均设有冷却液进出口(12-1)，所述两个双极电磁铁的电磁铁定子壳内四周设置有冷水板(12-2)，所述冷却液进出口(12-1)与电磁铁定子壳连通，所述水冷机与冷却液进出口(12-1)连通。
3.根据权利要求1所述的小行程纳米级运动台，其特征在于：所述左双极电磁铁的定子组件(11)固定在左基础框架(1)的右侧面的中心位置，所述两个尺蠖电机的定子组件(2)固定在左基础框架(1)的右侧面的前后两侧，并关于左双极电磁铁的定子组件(11)对称分布。
4.根据权利要求1或3所述的小行程纳米级运动台，其特征在于：所述左双极电磁铁的动子组件(10)和右双极电磁铁的动子组件(5)固定在平台运动部件(4)的左右两侧面的中心位置，所述两个尺蠖电机的动子(3)固定在平台运动部件(4)左侧面的前后两侧，关于左双极电磁铁的动子组件(10)对称分布。
5.根据权利要求2所述的小行程纳米级运动台，其特征在于：所述右基础框架(7)的左侧面上固定有工装(21)，所述工装(21)上固定有力传感器(22)。
6.根据权利要求5所述的小行程纳米级运动台，其特征在于：所述小行程纳米级运动台还包括电控系统；所述电控系统包括上位机(14)、数据总线(15)、运动控制器(16)、功率放大器一(17)、功率放大器二(18)、温度控制器(19)及信号采集卡(20)；
所述上位机(14)与运动控制器(16)、温度控制器(19)以及信号采集卡(20)之间通过数据总线(15)数据互通，以便进行实时内部信息交换；所述运动控制器(16)通过功率放大器一(17)对两个尺蠖电机进行控制；所述运动控制器(16)通过功率放大器二(18)对两个双极电磁铁进行控制；所述温度控制器(19)对水冷机进行控制，通过水冷板(12-2)对双极电磁铁的线圈温度进行调节；所述信号采集卡(20)对电涡流传感器采集的位置信息以及力传感器(22)采集的力信息进行采集和传递，并将其采集的信息反馈到上位机(14)，所述上位机(14)对其数据进行整理。
7.一种权利要求6所述的小行程纳米级运动台的热相关滞回数据测量方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
步骤一、温度设定：所述上位机(14)下达指令，通过温度控制器(19)对双极电磁铁的线圈的温度进行设定；
步骤二、产生位移：对两个尺蠖电机进行通电，通过运动控制器(16)以及功率放大器一(17)，使平台运动部件(4)移动到期望位置；
步骤三、工装(21)固定：采用工装(21)将平台运动部件(4)固定在步骤二所达到的期望位置；
步骤四、数据采集：上位机(14)下达指令，运动控制器(16)控制两个双极电磁铁的线圈电流以不同的频率和幅值进行变化，力传感器(22)对对应条件下的双极电磁铁吸合力进行测量；信号采集卡(20)对此过程涉及的数据进行采集，传递到上位机(14)中进行储存；在该过程中，通过温度控制器(19)和水冷系统协调，监测并调节小行程纳米级运动台的工作温度，确保所述运动台在运动过程中温度维持在设定值；
步骤五、数据计算处理：上位机(14)对获得的数据进行标号存储，得到一组测量结果；
步骤六、重复上述步骤一到步骤五，完成运动台在运动过程中不同温度、不同位移条件下的电流-力数据采集，最后完成表格绘制。
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