一种单级驱动定位装置及误差补偿方法
【专利摘要】本发明公开了一种单级驱动定位装置及误差补偿方法，定位平台采用结构紧凑、集多尺度驱动模式于一体的压电马达作为单级驱动，交叉滚子导轨作为导向机构，以及高分辨率精密光栅尺作为反馈，不需要借助中间传动机构，避免了采用滚珠丝杆等中间传动环节带来的反向间隙误差、精度和刚度不足等缺陷。通过合理控制利用压电马达的AC连续驱动模式与DC扫描模式，即可实现大行程快速驱动与纳米量级精密定位的目的。而且，定位误差向后补偿方法简单有效，避免了宏/微双层位置检测反馈装置以及复杂的宏/微双级驱动阈值切换算法。而只需要一个位置检测反馈装置和简单的阈值判断控制算法，可方便控制单级驱动器压电马达的两种驱动模式进行精确定位。
【专利说明】一种单级驱动定位装置及误差补偿方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于大行程精密定位工程领域，具体涉及一种单级驱动定位装置及误差补 偿方法。
【背景技术】
[0002] 现代制造业已经由传统的机械加工进入精密加工、半导体光刻、电子束加工、离子 束加工、光制造、LIGA加工和生物制造等多种制造模式共存的格局。这一格局使得具有微 细结构的精密部件越来越呈现出如下技术特征：体积日趋微小、结构日趋精细、功能日趋复 杂、构成材料日趋多样。而微细结构的几何量、物理量和材料成分的高精度检测在微纳制 造、材料工程、工程物理、精密计量、物理化学等领域具有极其重要的作用。高分辨共焦显微 成像及光谱测试是实现精密部件微细结构应力、组分等参数高精度测量的前提。而对于具 有微细结构的精密元件，需要在较大的尺度范围内寻找特定的微细结构进行精确测量；要 求微细结构测试技术能实现宏/微跨尺度、高分辨测量，既需要保证测量范围和宏观测量 精度，又需要精确地获取微观信息。在这种背景下，就使得微细结构跨尺度高分辨层析成像 与检测系统需要实现大行程、高精度、高速度定位的要求。而这需要能够在大行程（厘米 级）的范围内达到亚微米甚至是纳米级精度的跨尺度微纳米定位系统来完成。
[0003] 同样地，在微电子工程、生物医学工程、MEMS制造等众多纳米【技术领域】中都日益迫 切需要大行程跨尺度、高精度的精密定位系统。如何能较好的解决大行程与高定位精度之 间的矛盾，实现跨尺度精密定位已成为当今众多纳米【技术领域】急需解决的基础前提和关键 技术之一。因此，国内外众多科研机构和学者投入到这一技术研究。各种大行程跨尺度精 密定位系统和装置被研制开发出来。
[0004] 传统的宏/微结合双级驱动定位平台采用粗/精定位方式可实现大行程跨尺度精 密定位。即宏动定位部分实现大行程微米级粗定位，主要由步进电机驱动丝杠、或线性马达 配上气浮轴承及导轨、或音圈电机配上导轨等实现；微动定位部分安装在宏动定位部分中 间用以补偿宏动定位误差，实现纳米级精密定位。多采用压电陶瓷驱动，结合柔性铰链作为 导向机构。在定位控制方法上，多通过设置宏/微驱动切换阈值实现粗定位与精确定位，当 宏动部分运动到距离目标位置在阈值范围内时，切换到微动部分向前进行精密补偿定位至 目标位置。
[0005] 现有的宏/微结合双级驱动定位技术采用的驱动和传动方式（步进电机，音圈电 机驱动，精密丝杠传动等）存在反向间隙误差，响应速度低，定位精度一般限制在微米或亚 微米级。定位误差则主要依靠微动定位部分完成补偿，而压电陶瓷驱动器行程只能达到几 十微米，且存在自身蠕变、迟滞、非线性等。此外，宏微两级驱动定位平台结构复杂，增加了 各级装配误差，使得实际定位精度很难达到纳米级定位要求。这些缺陷使得宏/微结合双 级驱动定位控制系统更为复杂；通过阈值切换宏微驱动，实现大闭环粗精定位控制，其对系 统的位置检测反馈装置、阈值切换控制算法要求较高。
[0006] 因此，鉴于上述问题，有必要提供一种结构较为简单的单级驱动实现大行程跨尺 度的纳米定位平台及误差补偿方法，使得定位平台整体结构简单紧凑，避免出现装配误差 及运动时的反向间隙误差，提高定位平台的定位精度，以解决微细结构跨尺度、多参量高分 辨测量与解耦的难题。
【发明内容】
[0007] 有鉴于此，本发明提供了一种单级驱动定位装置及误差补偿方法，通过采用结构 紧凑、集多尺度驱动模式于一体的压电马达作为单级驱动，实现大行程快速驱动与纳米量 级精密定位的目的。而且，所提供的跨尺度纳米定位误差向后补偿方法简单有效，可方便控 制单级驱动器压电马达的两种驱动模式进行精确定位。
[0008] 根据本发明的目的提出的一种单级驱动定位装置，包括定位平台、驱动所述定位 平台运动的压电马达，以及控制定位平台运动及定位的上位机控制器；
[0009] 所述定位平台包括基座与沿所述基座直线滑动的运动滑台，定位平台的一侧设置 有至少一个压电马达，另一侧设置有检测运动滑台运动速度及运动位置的位移检测装置， 所述位移检测装置与所述上位机控制器电连接；
[0010] 所述上位机控制器包括速度环控制器、位置环控制器、运动控制卡、压电马达驱动 器以及信号传输线缆，所述信号传输线缆设置于所述压电马达上，所述压电马达驱动器通 过所述信号传输线缆输送驱动信号；
[0011] 所述运动滑台与所述压电马达对应的一侧上固定设置有陶瓷条，所述压电马达的 前端设置有成对设置的驱动足，所述驱动足垂直压紧于所述陶瓷条上；驱动足运动，通过驱 动足与陶瓷条间的接触摩擦力驱动运动滑台移动。
[0012] 优选的，所述定位平台为上下且纵横交叉设置的两组定位平台，上一组定位平台 的基座固定于下一组定位平台的运动滑台上并随其同步滑动，实现定位平台X轴与Y轴方 向上的移动与定位。
[0013] 优选的，所述压电马达为基于逆压电效应的面内振动超声波电机，所述压电马达 固定于所述基座的中间位置处。
[0014] 优选的，所述基座两侧对称设置有成副搭配的直线导轨，所述直线导轨固定于基 座上，所述运动滑台安装于所述直线导轨上。
[0015] 优选的，所述直线导轨为交叉滚子导轨或气浮导轨或磁悬浮导轨。
[0016] 优选的，所述位移检测装置为光栅位移检测系统或激光干涉仪。
[0017] 优选的，所述光栅位移检测系统包括光栅尺、读数头、原点、左限位、右限位以及细 分盒；所述光栅尺安装于运动滑台上相对陶瓷条的另一侧，所述原点、左限位与右限位分别 安装于光栅尺的中间及左右两端位置处，所述读数头安装于基座上相对于光栅尺的同侧， 所述读数头与基座之间设置有垫块，使得读数头与光栅尺在同一高度。
[0018] 一种误差补偿方法，采用所述的单级驱动定位装置，具体如下：
[0019] (一）输入目标位置相对于原点的坐标；
[0020] (二）上位机控制器控制压电马达先以AC连续驱动模式驱动定位平台向目标位置 运动；压电马达驱动器通过信号传输线缆给压电马达施加驱动电压信号，同时激发压电马 达弯曲振动模态与纵向振动模态，使驱动足产生椭圆运动轨迹，通过驱动足与陶瓷条间的 接触摩擦力驱动运动滑台移动；
[0021] (三）位移检测装置不断检测定位平台运动位移量并反馈给上位机控制器，一旦 检测到定位平台运动到达目标位置，上位机控制器立即发出停止指令，控制压电马达停止 驱动；
[0022] (四）设置压电马达AC连续驱动模式与DC扫描模式之间的定位误差补偿阈值为 100nm-300nm，以确保精密扫描定位在DC扫描模式驱动范围±300nm内；
[0023] 当位移检测装置检测到由于机械抖动引起的位移误差在100nm-300nm范围内，上 位机控制器立即控制压电马达启动DC扫描模式，向后扫描驱动定位平台定位至目标位置 并锁定，以补偿AC连续驱动模式的定位误差，达到纳米级精密定位；
[0024] 若检测机械抖动误差超过100nm-300nm时，上位机控制器仍控制压电马达以 AC连续驱动模式向后驱动定位平台，直至位移检测装置检测当前位置距离目标位置在 100nm-300nm范围内，上位机控制器才切换控制压电马达以DC扫描模式驱动定位平台至目 标位置并锁定位置。
[0025] 优选的，所述压电马达AC连续驱动模式与DC扫描模式之间的定位误差补偿阈值 为 250nm。
[0026] 与现有技术相比，本发明公开的单级驱动定位装置及误差补偿方法的优点是：
[0027] 定位平台采用结构紧凑、集多尺度驱动模式于一体的压电马达作为单级驱动，交 叉滚子导轨作为导向机构，以及高分辨率精密光栅尺作为反馈，定位平台整体结构紧凑简 单，不需要借助中间传动机构，避免了采用滚珠丝杆等中间传动环节带来的反向间隙误差、 精度和刚度不足等缺陷。
[0028] 通过合理控制利用压电马达的AC连续驱动模式与DC扫描模式，即可实现大行程 快速驱动与纳米量级精密定位的目的。
[0029] 而且，所提供的跨尺度纳米定位误差向后补偿方法简单有效，避免了宏/微双层 位置检测反馈装置以及复杂的宏/微双级驱动阈值切换算法。而只需要一个位置检测装置 和简单的阈值判断控制算法，可方便控制单级驱动器压电马达的两种驱动模式进行精确定 位。
[0030] 本发明可应用于光学精密检测领域中微细结构高空间分辨图谱显微层析成像与 检测系统，以解决微细结构跨尺度、多参量高分辨测量与解耦的难题。
【专利附图】
【附图说明】
[0031] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以 根据这些附图获得其他的附图。
[0032] 图1为本发明公开的一种单级驱动定位装置的结构示意图1。
[0033] 图2为本发明公开的一种单级驱动定位装置的结构示意图2。
[0034] 图3为压电马达的结构示意图。
[0035] 图4为误差补偿方法的控制原理图。
[0036] 图5为单级驱动定位装置的控制原理图。
[0037] 图中的数字或字母所代表的相应部件的名称：
[0038] 1、基座2、运动滑台3、压电马达4、陶瓷条5、直线导轨31、陶瓷指尖驱动 足32、信号传输线缆6、垫块7、光栅位移检测系统71、光栅尺72、读数头73、原 点74、左限位75、右限位
【具体实施方式】
[0039] 现有的宏/微结合双级驱动定位技术采用的驱动和传动方式（步进电机，音圈电 机驱动，精密丝杠传动等）存在反向间隙误差，响应速度低，定位精度一般限制在微米或亚 微米级。定位误差则主要依靠微动定位部分完成补偿，而压电陶瓷驱动器行程只能达到几 十微米，且存在自身蠕变、迟滞、非线性等。此外，宏微两级驱动定位平台结构复杂，增加了 各级装配误差，使得实际定位精度很难达到纳米级定位要求。这些缺陷使得宏/微结合双 级驱动定位控制系统更为复杂；通过阈值切换宏微驱动，实现大闭环粗精定位控制，其对系 统的位置检测反馈装置、阈值切换控制算法要求较高。
[0040] 本发明针对现有技术中的不足，提供了一种单级驱动定位装置及误差补偿方法， 通过采用结构紧凑、集多尺度驱动模式于一体的压电马达作为单级驱动，实现大行程快速 驱动与纳米量级精密定位的目的。而且，所提供的跨尺度纳米定位误差向后补偿方法简单 有效，可方便控制单级驱动器压电马达的两种驱动模式进行精确定位。
[0041] 下面将通过【具体实施方式】对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描 述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本 领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明 保护的范围。
[0042] 请一并参见图1至图3,如图所示，一种单级驱动定位装置，包括定位平台、驱动定 位平台运动的压电马达3,以及控制定位平台运动及定位的上位机控制器（未示出）；定位 平台包括基座1与沿基座1直线滑动的运动滑台2,定位平台的一侧设置有至少一个压电马 达3,另一侧设置有检测运动滑台运动速度及运动位置的位移检测装置，位移检测装置与上 位机控制器电连接。位移检测装置可实时检测运动滑台相对原点的运动位置及运动速度， 并反馈至上位机控制器进行精密定位控制。
[0043] 定位平台为上下且纵横交叉设置的两组定位平台，上一组定位平台的基座固定于 下一组定位平台的运动滑台2上并随其同步滑动，实现定位平台X轴与Y轴方向上的移动 与定位。其中下一组定位平台可有2个压电马达同侧驱动，上一组定位平台可由一个压电 马达一侧驱动，具体数量根据使用需要而定，在此不做限制。
[0044] 上位机控制器包括速度环控制器、位置环控制器、运动控制卡、压电马达驱动器以 及信号传输线缆32,信号传输线缆32设置于压电马达3上，压电马达驱动器通过信号传输 线缆32输送驱动信号控制压电马达的驱动。
[0045] 运动滑台2与压电马达3对应的一侧上固定设置有陶瓷条4,压电马达3的前端设 置有成对设置的驱动足，驱动足垂直压紧于陶瓷条4上；驱动足运动，通过驱动足与陶瓷条 4间的接触摩擦力驱动运动滑台2移动。
[0046] 驱动足为陶瓷指尖驱动足31。压电马达3为基于逆压电效应的面内振动超声波电 机，压电马达固定于基座1的中间位置处。该压电马达结构紧凑，具有八个相同的陶瓷指尖 驱动足31，具有超强的驱动及稳定能力，同时具有内在的制动功能，驱动分辨率可达lnm， 速度范围 lym/s-250mm/s。
[0047] 安装时，压电马达3安装固定在上下两个定位平台的基座1的中间位置处；陶瓷条 4贴于对应压电马达安装侧的运动滑台2上，并通过预紧螺钉调整压电马达陶瓷指尖驱动 足31与对应陶瓷条4之间的预紧正压力。工作时，压电马达驱动器通过信号传输线缆32给 压电马达3施加谐振频率39. 6kHz的正弦波驱动电压信号，同时激发压电马达的弯曲振动 模态和纵向振动模态两种振动模态，使得陶瓷指尖驱动足31产生一个小的椭圆运动轨迹。 通过将陶瓷指尖驱动足31安装时抵压在固定于运动滑台2上的陶瓷条4上，利用两者之间 接触摩擦力作为驱动力驱动运动滑台2移动。当没有加载驱动电压信号时，压紧在陶瓷条 4上的指陶瓷指尖驱动足31在运动滑台2 -侧上会维持一个保持力矩，使平台处于稳定状 态。所用压电马达在其压电马达驱动器驱动下主要可实现两种驱动模式：AC连续驱动模式 可实现大行程快速驱动与定位；DC扫描模式，压电马达相当于普通压电陶瓷，可实现300nm 范围内的纳米量级精密定位。从而通过合理控制利用压电马达的两种驱动模式，不需借助 中间传动机构，即可实现大行程快速驱动与纳米量级精密定位。
[0048] 基座两侧对称设置有直线导轨5,其中直线导轨为高精密的交叉滚子导轨，精度 高，速度快，运动平稳，承载能力强。使用时成副搭配安装，直线导轨5固定于基座1上，运 动滑台2安装于直线导轨5上，运动滑台2可沿着直线导轨5相对于基座1直线运动，实现 运动的平稳性，避免出现位移偏差。
[0049] 其中，直线导轨还可替换为高精度的气浮导轨或磁悬浮导轨。
[0050] 位移检测装置为光栅位移检测系统，光栅位移检测系统包括光栅尺71、读数头 72、原点73、左限位74、右限位75以及细分盒；光栅尺71安装于运动滑台2上相对陶瓷条 4的另一侧，原点、左限位与右限位分别安装于光栅尺71的中间及左右两端位置处，读数头 72安装于基座1上相对于光栅尺71的同侧，读数头72与基座1之间设置有垫块6,使得读 数头72与光栅尺71在同一高度。通过光栅位移检测系统，可实时检测定位平台相对原点 的运动位置及运动速度，并反馈至上位机控制器进行实时闭环精密定位控制，提高定位平 台的移动精度。
[0051] 定位平台具体实施工作原理：在上位机运动控制界面输入目标位置相对于原点的 坐标，上位机控制器通过运动控制卡发出运动控制信号至压电马达驱动器，压电马达驱动 器通过信号传输线缆给压电马达施加谐振频率39. 6kHz的正弦波驱动电压信号，使压电马 达前端陶瓷指尖驱动足产生一个小的椭圆运动轨迹，从而利用陶瓷指尖驱动足与运动滑台 上的陶瓷条之间接触摩擦力作为驱动力驱动运动滑台沿着高精密交叉滚子导轨运动，光栅 位移检测系统实时检测运动滑台的运动位置及运动速度并通过细分盒反馈到上位机控制 器，进行实时闭环精密定位控制。上位机控制器通过合理控制利用压电马达的AC连续驱动 模式实现大行程快速驱动和DC扫描模式实现纳米级精密定位。上位机控制器及运动控制 卡可控制驱动上下两组定位平台实现X轴或Y轴单独运动与定位，也可同时控制驱动X轴 与Y轴联动定位。
[0052] 本发明中公开的单级驱动定位平台既可实现厘米级的大行程运动范围及高速定 位要求，又达到了纳米量级的定位精度。采用压电马达直接单级驱动运动定位平台，避免了 采用滚珠丝杆等中间传动环节带来的反向间隙误差、精度和刚度不足等缺陷。通过合理控 制利用压电马达的两种驱动模式，即可实现大行程快速驱动与纳米量级精密定位。所提供 的定位平台的工作范围为300mmX300mm，分辨率为lnm，重复定位精度为±30nm。
[0053] 请一并参见图4与图5,如图所示，基于此单级驱动定位平台，提供一种跨尺度纳 米定位误差向后补偿方法。具体实施方法如下：
[0054] (一）输入目标位置相对于原点的坐标；
[0055] (二）上位机控制器控制压电马达先以AC连续驱动模式驱动定位平台向目标位置 运动；压电马达驱动器通过信号传输线缆给压电马达施加驱动电压信号，同时激发压电马 达弯曲振动模态与纵向振动模态，使驱动足产生椭圆运动轨迹，通过驱动足与陶瓷条间的 接触摩擦力驱动运动滑台移动；
[0056] (三）位移检测装置不断检测定位平台运动位移量并反馈给上位机控制器，一旦 检测到定位平台运动到达目标位置，上位机控制器立即发出停止指令，控制压电马达停止 驱动；
[0057] (四）设置压电马达AC连续驱动模式与DC扫描模式之间的定位误差补偿阈值为 250nm，以确保精密扫描定位在DC扫描模式驱动范围±300nm内；
[0058] 当位移检测装置检测到由于机械抖动引起的位移误差在250nm范围内，上位机控 制器立即控制压电马达启动DC扫描模式，向后扫描驱动定位平台定位至目标位置并锁定， 以补偿AC连续驱动模式的定位误差，达到纳米级精密定位；
[0059] 若检测机械抖动误差超过250nm时，上位机控制器仍控制压电马达以AC驱动模式 向后驱动定位平台，直至位移检测装置检测当前位置距离目标位置小于250nm，上位机控制 器才切换控制压电马达以DC扫描模式驱动定位平台至目标位置并锁定位置。
[0060] 由于压电马达DC扫描模式的驱动范围为±300nm(即DC扫描模式只能在距离目 标位置±300nm范围内才能启动），因此该阈值只需在DC扫描模式误差补偿范围300nm内 即可。但由于压电马达AC连续驱动模式每步分辨率达100nm(即AC连续驱动模式下压电 马达驱动定位平台最小步距为lOOnm)，所以，压电马达AC连续驱动模式与DC扫描模式之间 的定位误差补偿阈值具体范围可为100nm-300nm。误差补偿阈值设置为250nm，是考虑到具 体实施时存在机械抖动及环境干扰等误差因素，而确保精密扫描定位在DC扫描模式驱动 范围±300nm内。
[0061] 其中，AC连续驱动模式与DC扫描模式之间的定位误差补偿阈值可为100nm-300nm 之间任意数值，具体可根据使用需要而定。
[0062] 压电马达先以AC连续驱动模式驱动定位平台向目标位置运动，一旦检测到定位 平台运动到目标位置，控制器立即发出Halt停止指令，控制压电马达停止驱动定位平台。 但由于机械抖动及环境干扰等因素的存在，定位平台必然会产生向前超出目标位置的定位 误差，这一误差实时被光栅位移检测系统所检测并反馈至上位机控制器。控制器通过比较 这一误差与AC连续驱动模式与DC扫描模式之间的定位误差补偿阈值，若这一误差在定位 误差补偿阈值内时，上位机控制器立即控制压电马达驱动DC扫描模式"向后扫描"补偿这 一误差，即以纳米级步距向后扫描驱动定位平台运动至目标位置并锁定位置。
[0063] 整个闭环控制系统主要包括速度环控制器和位置环控制器、运动控制卡、压电马 达驱动器、压电马达、定位平台以及光栅位移检测系统。
[0064] 压电马达在AC连续驱动模式下时，上位机控制器以定位平台运动速度为控制量。 光栅位移检测系统转换并反馈定位平台实时运动速度，由于压电马达驱动运动滑台是利用 接触摩擦力作为驱动力，所接触陶瓷条表面的不平整性、机械抖动及外界环境的干扰必定 影响平台运动速度的稳定性。通过PID(Proportion Integration Differentiation.比 例-积分-微分）速度环控制器对光栅反馈的定位平台运动速度进行实时的误差修正，以 使定位平台在加速、匀速和减速过程运动平稳，直到目标位置，减小由于机械抖动等因素引 起的定位误差。
[0065] 压电马达在DC扫描模式下时，上位机控制器以定位平台实时运动位置为控制量。 当压电马达由AC连续驱动模式切换到DC扫描模式时，运动平台至目标位置的定位误差在 250nm范围内，由于存在机械抖动和外界环境干扰，以及DC扫描模式下压电马达自身存在 的迟滞、蠕变以及非线性等必定影响压电马达驱动定位平台的定位精度。光栅位移检测系 统不断实时反馈定位平台距离目标位置的位移误差值，通过PID位置环控制器对光栅反馈 的定位位置误差进行实时的误差修正，以使定位平台逐步"向后扫描"至目标位置并锁定位 置。
[0066] PID速度环控制器和PID位置环控制器可采用传统PID算法，或者神经网络等现代 智能控制算法，或者它们之间的组合控制算法，具体不做限制。
[0067] 速度环控制器与位置环控制器的切换阈值设置为距离目标位置的位置误差 250nm，以确保精密扫描定位在DC扫描模式驱动范围±300nm内。
[0068] 本发明公开了一种单级驱动定位装置及误差补偿方法，定位平台采用结构紧凑、 集多尺度驱动模式于一体的压电马达作为单级驱动，交叉滚子导轨作为导向机构，以及高 分辨率精密光栅尺作为反馈，定位平台整体结构紧凑简单，不需要借助中间传动机构，避免 了采用滚珠丝杆等中间传动环节带来的反向间隙误差、精度和刚度不足等缺陷。
[0069] 通过合理控制利用压电马达的AC连续驱动模式与DC扫描模式，即可实现大行程 快速驱动与纳米量级精密定位的目的。
[0070] 而且，所提供的跨尺度纳米定位误差向后补偿方法简单有效，避免了宏/微双层 位置检测反馈装置以及复杂的宏/微双级驱动阈值切换算法。而只需要一个位置检测反馈 装置和简单的阈值判断控制算法，可方便控制单级驱动器压电马达的两种驱动模式进行精 确定位。
[0071] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。 对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的 一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明 将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一 致的最宽的范围。
【权利要求】
1. 一种单级驱动定位装置，其特征在于，包括定位平台、驱动所述定位平台运动的压电 马达，以及控制定位平台运动及定位的上位机控制器； 所述定位平台包括基座与沿所述基座直线滑动的运动滑台，定位平台的一侧设置有至 少一个压电马达，另一侧设置有检测运动滑台运动速度及运动位置的位移检测装置，所述 位移检测装置与所述上位机控制器电连接； 所述上位机控制器包括速度环控制器、位置环控制器、运动控制卡、压电马达驱动器以 及信号传输线缆，所述信号传输线缆设置于所述压电马达上，所述压电马达驱动器通过所 述信号传输线缆输送驱动信号； 所述运动滑台与所述压电马达对应的一侧上固定设置有陶瓷条，所述压电马达的前端 设置有成对设置的驱动足，所述驱动足垂直压紧于所述陶瓷条上；驱动足运动，通过驱动足 与陶瓷条间的接触摩擦力驱动运动滑台移动。
2. 如权利要求1所述的单级驱动定位装置，其特征在于，所述定位平台为上下且纵横 交叉设置的两组定位平台，上一组定位平台的基座固定于下一组定位平台的运动滑台上并 随其同步滑动，实现定位平台X轴与Y轴方向上的移动与定位。
3. 如权利要求1所述的单级驱动定位装置，其特征在于，所述压电马达为基于逆压电 效应的面内振动超声波电机，所述压电马达固定于所述基座的中间位置处。
4. 如权利要求1所述的单级驱动定位装置，其特征在于，所述基座两侧对称设置有成 副搭配的直线导轨，所述直线导轨固定于基座上，所述运动滑台安装于所述直线导轨上。
5. 如权利要求4所述的单级驱动定位装置，其特征在于，所述直线导轨为交叉滚子导 轨或气浮导轨或磁悬浮导轨。
6. 如权利要求1所述的单级驱动定位装置，其特征在于，所述位移检测装置为光栅位 移检测系统或激光干涉仪。
7. 如权利要求6所述的单级驱动定位装置，其特征在于，所述光栅位移检测系统包括 光栅尺、读数头、原点、左限位、右限位以及细分盒；所述光栅尺安装于运动滑台上相对陶瓷 条的另一侧，所述原点、左限位与右限位分别安装于光栅尺的中间及左右两端位置处，所述 读数头安装于基座上相对于光栅尺的同侧，所述读数头与基座之间设置有垫块，使得读数 头与光栅尺在同一高度。
8. -种误差补偿方法，其特征在于，采用权利要求1-7任一项所述的单级驱动定位装 置，具体如下： (一） 输入目标位置相对于原点的坐标； (二） 上位机控制器控制压电马达先以AC连续驱动模式驱动定位平台向目标位置运 动；压电马达驱动器通过信号传输线缆给压电马达施加驱动电压信号，同时激发压电马达 弯曲振动模态与纵向振动模态，使驱动足产生椭圆运动轨迹，通过驱动足与陶瓷条间的接 触摩擦力驱动运动滑台移动； (三） 位移检测装置不断检测定位平台运动位移量并反馈给上位机控制器，一旦检 测到定位平台运动到达目标位置，上位机控制器立即发出停止指令，控制压电马达停止驱 动； (四） 设置压电马达AC连续驱动模式与DC扫描模式之间的定位误差补偿阈值为 100nm-300nm，以确保精密扫描定位在DC扫描模式驱动范围±300nm内； 当位移检测装置检测到由于机械抖动引起的位移误差在100nm-300nm范围内，上位机 控制器立即控制压电马达启动DC扫描模式，向后扫描驱动定位平台定位至目标位置并锁 定，以补偿AC连续驱动模式的定位误差，达到纳米级精密定位； 若检测机械抖动误差超过100nm-300nm时，上位机控制器仍控制压电马达以AC连续驱 动模式向后驱动定位平台，直至位移检测装置检测当前位置距离目标位置在l〇〇nm-300nm 范围内，上位机控制器才切换控制压电马达以DC扫描模式驱动定位平台至目标位置并锁 定位置。
9.如权利要求8所述的误差补偿方法，其特征在于，所述压电马达AC连续驱动模式与 DC扫描模式之间的定位误差补偿阈值为250nm。
【文档编号】B23Q17/00GK104097113SQ201410288789
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年6月24日 优先权日:2014年6月24日
【发明者】汝长海, 朱军辉, 王勇, 朱玉龙 申请人:苏州大学