[发明专利]一种基于光学反馈的平面气浮工作台及控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及精密运动控制装置领域，尤其涉及一种基于光学反馈的平面气浮工作台及其控制方法。

背景技术

传统的运动平台采用层叠式导轨结构，定子与动子之间通过机械轴承连接，因此动子运动过程中存在机械摩擦。机械摩擦不仅增加了动子的摩擦阻力，使运动部件产生磨损，使机械部件震动和产生噪音，还限制了平台的运动精度。另外，运动精度受支撑面的影响，对支撑面的精度要求很高，这样也无形增加了平台的制作成本。同时，导轨驱动的刚度、稳定性、动力学特性等都影响着平台的工作精度和特性。因此，传统的运动平台需要进一步改进和完善。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于光学反馈的平面气浮工作台。

本发明的另一目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于上述工作台的控制方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种基于光学反馈的平面气浮工作台，该气浮工作台主要用于高速、高精密、高精度控制场合。所述平面气浮工作台主要包括下面板、上面板、用于驱动上面板的电磁式驱动单元、用于悬浮上面板的气浮单元、用于定位的红外传感器组、以及用于引导和定位上面板运动的控制单元。所述下面板固定安装，所述红外传感器组和气浮单元均安装在下面板上，所述驱动单元安装在上面板上。所述控制单元分别与驱动单元、气浮单元和红外传感器组连接，通过控制气浮单元，使上面板悬浮在空中，通过控制驱动单元使上面板在工作范围内运动，通过接收红外传感器组的反馈信息来定位上面板的相对位置，从而确保上面板沿着设定轨迹快速、高精度移动。优选的，由于气浮轴承具有无阻尼特性的优点，因此采用气浮轴承的工作台比传统采用磁悬浮的平面工作台体积更小、稳定性与可靠性均有明显提升。

具体的，所述驱动单元包括横向线圈、纵向线圈、横向永磁铁以及纵向永磁铁。所述横向线圈和纵向线圈均安装在上面板底部，并与控制单元连接，通过对横纵向线圈通电(正反方向电流)即可控制上面板在横向和纵向方向上的前进和后退。所述横向永磁铁和纵向永磁铁安装在下面板上，并使横向永磁铁和纵向永磁铁的磁场范围覆盖横向线圈和纵向线圈。

具体的，所述气浮单元设为气浮轴承，数量设为4个，且分别固定在下面板的四个角上，并与控制单元连接。工作时，气浮轴承通过在上面板底部产生气体刚膜，从而使上面板悬浮在空中，并能够自由移动。

具体的，所述红外传感器组包括红外收发器(用于发送和接收红外信号)，所述红外收发器的数量设为5个(红外收发器的数量应根据气浮工作台大小相应增减)，且分别固定在下面板的四个方向(前后左右)及中部上，与控制单元连接并实时反馈上面板的位置图像信息，其中，位于中部的红外收发器负责上面板运动方向的把控，其余四个位置的红外收发器负责上面板位置的定位和工作行程的限定。工作时，红外收发器向上面板发射红外线，红外线经过上面板反射后回到收发器中，红外收发器将接收到的红外图像数据反馈给图形处理器进行处理。

具体的，所述控制单元包括用于驱动横向线圈的横向驱动器、驱动纵向线圈的纵向驱动器、以及用于处理红外数据图像的图形处理器。所述横向驱动器与横向线圈连接，纵向驱动器与纵向线圈连接，所述横向驱动器与纵向驱动器相互独立、互不干扰，在联动工作时采用分时驱动控制，实现微秒级蠕动，显著提高了系统的稳定性和可靠性，使工作台长时间、高精度、平稳运行。所述图形处理器与红外收发器连接。

进一步的，所述红外传感器组还包括使红外线均匀散射出去的半球面镜，所述半球面镜盖在红外收发器上。工作时，红外收发器发射的红外线在半球面镜折射作用下，均匀发散到上面板上，经上面板的反射后，红外收发器重新接收发射的红外线，得到上面板的实时位置图像数据，利用这些图像数据可以获得上面板的实时位置信息，从而更好地控制上面板的移动方向和位移量，提高上面板的响应时间和运动精度。当上面板相对于下面板发生相对位移时，布置在不同位置的红外收发器便会收到对应的图像信号，图形处理器通过处理和比较这些信号便会得到上面板的最新位置信息，从而执行相应的控制命令。

作为本发明的优选方案，所述半球面镜的开口角度为30度至40度，壁厚为3毫米。其中，半球面镜的开口角度应根据红外收发器实际的信号反馈强弱进行调整。优选的，所述半球面镜的表面还覆有一层用于过滤其他波长的光线的透光性好的蓝宝石膜，使红外收发器只接收特定波长(大于750nm)的红外信号，从而有效减少其他色光对接收信号的干扰，增强信号强度。