CN101556933A - 一种运动解耦的xy向精密定位平台 - Google Patents

Abstract

一种运动解耦的XY向精密定位平台，平台由基座、第一、第二音圈直线电机、第一、第二连接法兰、第一、第二直线轴承组件、工作平台和支撑平台组件组成，第一、第二音圈直线电机以正交方式分别通过第一连接法兰、第一直线轴承组件和第二连接法兰、第二直线轴承组件与工作平台连接，第一音圈直线电机与第一连接法兰连接，第一连接法兰与第一直线轴承组件的第一轴承体连接，第一直线轴承组件的第一轴承座与工作平台连接，第二音圈直线电机与第二连接法兰连接，第二连接法兰与第二直线轴承组件的第二轴承体连接，第二直线轴承组件的第二轴承座与工作平台连接，工作平台由支撑平台组件支撑，支撑平台组件和第一、第二音圈直线电机在基座上。

Description

一种运动解耦的XY向精密定位平台

一、技术领域

本发明涉及一种基于二自由度并联解耦机构的XY向平面运动定位平台，采用音圈直线电机直接驱动，适合于芯片封装、激光加工及光电检测等精密定位工程领域所需的高速、高加速和高精度定位的要求，属于传动机构领域。

二、背景技术

目前，在芯片封装、激光加工及光电检测等工业领域，随着对产品的使用性能、质量及制造周期等方面要求的提高，直接与生产效率和产品质量相关联的高速度、高加速度和高精度的运动控制***的重要性也日益突出，这迫切需要能够在微米级、亚微米级，甚至在纳米级精度上进行定位及操作的***和装备。这类***和装备的显著特点是，其运动定位机构除了要求具有高速度、高加速度及高精度的定位性能之外，同时还要求其工作范围大、运动部件质量轻、高可靠性及低功耗等。比如在微电子制造的芯片封装中，随着科学技术的发展，IC封装的主流方向是轻、薄、短、小、高密度及细间距等，这对芯片封装装备的定位精度、速度和加速度提出了更高的要求。但是，设备定位精度与速度的提高是相互矛盾的。运动速度、加速度的提高，使得定位机构的惯性力增大，惯性力变化的频率也随之加大，***易于产生弹性变形和振动现象，既破坏机构的运动精度，又影响构件的疲劳强度，并加剧运动副间的磨损。因此，机构形式和驱动方式是影响定位机构运动性能的重要因素。

当前广泛应用的XY向两坐标平面运动平台采用的是滚珠丝杠等作为相对运动部分的串联方式，即电机-丝杠-螺母机构形式，在传统的滚珠丝杠驱动方式下，伺服电机的旋转运动通过丝杠转为直线运动，由于存在中间传动环节，使得机构的运动副间存在着运动间隙，运动部件的惯量大，由此限制了设备的定位精度、速度和加速度的进一步提高。因此，开发基于新的驱动方式和机构形式(如低摩擦机构、运动解耦机构)的高速精密定位***已成为芯片封装、激光加工及光电检测等精密工程领域的重要研究内容。

三、发明内容

本发明的目的在于克服传统XY向定位平台中滚珠丝杠(齿轮、齿条)传动中的反向间隙、摩擦力和刚度不足等缺点，而提供了一种基于二自由度并联解耦机构，并采用快速、精密的音圈直线电机直接驱动的运动解耦的XY向精密定位平台。该定位平台具有结构紧凑、低阻尼及运动解耦等特点，本发明适合于芯片封装、激光加工及光电检测等精密定位工程领域所需的高速、高加速和高精度定位的XY运动定位平台。

本发明采用如下解释方案：

一种运动解耦的XY向精密定位平台的运动原理基于一种二自由度并联解耦机构(2-PP构型)。

本发明的一种运动解耦的XY向精密定位平台由基座、第一音圈直线电机、第二音圈直线电机、第一连接法兰、第二连接法兰、第一直线轴承组件、第二直线轴承组件、工作平台和支撑平台组件组成，第一、第二音圈直线电机以正交的方式分别通过第一连接法兰、第一直线轴承组件和第二连接法兰、第二直线轴承组件与工作平台连接，所述的第一音圈直线电机与第一连接法兰连接，第一连接法兰与第一直线轴承组件中的第一轴承体连接，第一直线轴承组件中的第一轴承座与工作平台连接，第二音圈直线电机与第二连接法兰连接，第二连接法兰与第二直线轴承组件中的第二轴承体连接，第二直线轴承组件中的第二轴承座与工作平台连接，工作平台由支撑平台组件支撑，支撑平台组件和第一、第二音圈直线电机均固定在基座上。

支撑平台组件由支撑板、连接螺柱、导向板、涡流传感器、空气轴承和气缸组成，空气轴承和气缸固定在支撑板上，涡流传感器安装在导向板上，支撑板和导向板通过所述的连接螺柱相连，在导向板上设有导向窗口，导向窗口位于空气轴承的上方，在导向板上设有供气缸活塞杆进出的导向孔。

直线轴承组件由轴承座、导杆和轴承体组成，轴承座固定安装在工作台上，轴承体与连接法兰相连。

本发明的XY向精密定位平台在驱动方式上直接采用高速、高精度的音圈直线电机驱动，两个音圈直线电机以正交的方式，采用螺栓分别固定安装在基座上，音圈直线电机的输出轴与连接法兰以键的传递方式相连，通过对两个音圈直线电机的控制来驱动定位平台，音圈直线电机的驱动方式可以根据定位的需要，进行单电机的运动或双电机的联动，进而驱动工作平台沿XY向做平面运动。音圈直线电机驱动的直线运动简化了传动定位的中间环节，实现了“零传动”，具有较高的精度和动态性能，在定位平台实际的应用中，可根据需要选取不同规格要求的音圈直线电机(如根据定位精度等级、推力、行程等)。另外，在支撑平台组件的中间部件是一个真空载荷空气轴承，为防止音圈直线电机输出轴的径向微小变形，工作平台静止时，由安装在支撑板上的气缸进行支撑；工作平台运动时，为减小工作台的运动摩擦，气缸排气卸压，工作台采用空气轴承支撑，空气轴承支撑面与工作台底面间的空气间隙由安装在导向板上的涡流传感器检测，进行气压的反馈控制。

本发明的XY向精密定位平台在机构构型方式上依据的是一种二自由度并联解耦机构，并联机构具有刚度大、承载能力强、位置精度高、响应快等许多串联机构所没有的优点，其应用前景十分广阔。一般的并联机构各支链间存在耦合的现象，这使得机构的控制复杂，而本发明的精密定位平台基于一种并联解耦机构，定位平台的各支链运动解耦、控制方式简单、工作空间连续。

本发明的XY向精密定位平台的所有部件均通过螺栓固定安装在基座上，平台可单独整体使用，也可改装在专用设备上使用。整个定位平台构件间连接可靠、结构紧凑、传动关系简单、拆卸方便。适合用于芯片封装、激光加工及光电检测等精密定位工程领域所需的高速、高加速和高精度定位的XY运动平台。

本发明的具体优点如下：

机构形式和驱动方式是影响定位机构运动性能的重要因素，目前，XY向两坐标平面运动平台广泛应用在芯片封装的关键设备(键合机、装片机等)中，除了传统的以电机-滚珠丝杠-螺母组成串联机构的方式以外，以并联机构方式为主，采用直线电机驱动的XY向气浮定位平台的研究已有一些成果，但多数的定位平台机构仍存在一些不足，比如运动气浮部件加工工艺复杂、成本高、运动部件惯量大等。本发明在机构形式和驱动方式及平台结构设计上进行了一些改进，在机构形式上基于的是一种完全解耦的二自由度并联机构，可实现XY向支链的完全解耦控制，使得电机的控制方式简单；采用了音圈直线电机直接驱动的方式，使得平台结构紧凑，易于实现机构间的“零间隙”，另外，在平台运动时，以空气轴承作为定位平台的Z向支撑，实现了工作平台与支撑平台间的低阻尼运动。本发明除了具有结构紧凑、低阻尼及运动解耦等特点外，在平台的制造成本上也可以得到一些控制，其关键部件如空气轴承、直线空气轴承组件可选购知名企业的成型产品，也可委托加工，可避免自行加工造成工件成本提高、累计误差增大等不足。

四、附图说明：

图1是XY向精密定位平台的结构构型原理图。

图2是XY向精密定位平台的立体结构图。

图3是直线轴承组件的立体结构图。

图4是连接法兰的立体结构图。

图5和图6是支撑平台组件的立体结构图。

五、具体实施方式

本发明涉及一种基于二自由度并联解耦机构的XY向平面运动定位平台，该平台由基座、第一音圈直线电机、第二音圈直线电机、第一连接法兰、第二连接法兰、第一直线轴承组件、第二直线轴承组件、工作平台和支撑平台组件组成。

下面参照说明书附图，并在兼顾考虑平台结构优化、制造工艺等因素的基础上，对本发明做出更为详细的描述：

图1是本发明XY向精密定位平台的结构构型原理图，并联机构作为多支链传动机构，由定平台、动平台和多个(两个及以上)支链组成，在一般的并联机构中，各支链间存在着耦合约束，不利于并联机构的控制和标定，而完全解耦的并联机构则可以使得各支链完全解耦，并可简化机构的控制和标定，提高运动精度。本发明基于的是一种完全解耦二自由度并联机构，两个支链间的两个移动输入相互垂直，并联机构的动平台与支链的一个移动副(轴承体D13/D23)相连，支链的另一移动副和移动输入(直线电机)相连。具体运行时，X或Y向的直线电机轴的输出力通过连接法兰传递给轴承体D13/D23，再传递给工作台，在正交垂直力的作用下，工作台即可沿固连的直线轴承组件的导杆D12/D22在XY向做快速直线运动，若同时驱动电机，工作平台即可做平面复合运动。

图2是本发明XY向精密定位平台的立体结构图，本发明由基座、第一音圈直线电机、第二音圈直线电机、第一连接法兰、第二连接法兰、第一直线轴承组件、第二直线轴承组件、工作平台和支撑平台组件组成，第一、第二音圈直线电机以正交的方式分别通过第一连接法兰、第一直线轴承组件和第二连接法兰、第二直线轴承组件与工作平台连接，所述的第一音圈直线电机与第一连接法兰连接，第一连接法兰与第一直线轴承组件中的第一轴承体连接，第一直线轴承组件中的第一轴承座与工作平台连接，第二音圈直线电机与第二连接法兰连接，第二连接法兰与第二直线轴承组件中的第二轴承体连接，第二直线轴承组件中的第二轴承座与工作平台连接，工作平台由支撑平台组件支撑，支撑平台组件和第一、第二音圈直线电机均固定在基座上。

图3是本发明XY向精密定位平台中的直线轴承组件D的立体结构图，直线轴承组件D1/D2由轴承座D11/D21、导杆D12/D22和轴承体D13/D23组成，轴承座D11/D21固定安装在工作台E上，轴承体D13/D23套装在导杆D12/D22上，轴承体D13/D23与连接法兰C1/C2相连。

图4是连接法兰的立体结构图，连接法兰C1/C2的一端通过紧固螺钉与轴承体D13/D23相连，另一端与音圈直线电机B1/B2的输出轴相连，具体运行时，连接法兰C1/C2承担电机输出轴与工作台E间力的转换。

图5和图6是支撑平台组件F的立体结构图，图5是支撑平台组件F的结构装配图，图6是支撑平台组件F的立体***视图。支撑平台组件F由支撑板F1、连接螺柱F2、导向板F3、涡流传感器F4、空气轴承F5和气缸F6组成，支撑板F1通过螺栓与基座A相连接，空气轴承F5和气缸F6通过螺栓固定在支撑板F1上，涡流传感器F4固定在导向板F3上，支撑板F1和导向板F3通过四个连接螺柱F2相连。支撑平台组件F装配时，首先预估算出工作平台E的荷重，选择相应的空气轴承F5，并根据空气轴承F5的特性参数(刚度、承载、尺寸等)，计算出空气轴承F5的承载间隙值，然后，调定四个紧凑型气缸F6的活塞杆的外伸长度，进行工作平台E的初始定位。

定位平台E启动时，先由控制***发指令，气源驱动空气轴承F5，同时发电信号到涡流传感器F4，进行气隙检测，待气隙检测值与设定值相等时，气源驱动气缸F6排气卸压，活塞杆缩回，控制***驱动音圈直线电机动作，进而驱动工作平台E沿XY向做平面运动。

定位平台E停止时，先由控制***发指令，气源驱动气缸F6充气增压，活塞杆伸出，停滞设定时间(如2秒)后，气源驱动空气轴承F5卸压，涡流传感器F4停止气隙检测。

本发明XY向精密定位平台所涉及的一些部件如空气轴承F5、直线轴承部件D均可选用知名厂家成型产品，或根据实际应用的设计需要由生产厂家进行配做，以减少零件加工的累积误差。

本发明XY向精密定位平台需购买一定量的标准件如螺栓、螺钉等，另外，还需购置一定压力的气源设备(气泵)和气阀(换向阀、节流阀等)。

Claims (2)

1.一种运动解耦的XY向精密定位平台，其特征在于平台由基座(A)、第一音圈直线电机(B1)、第二音圈直线电机(B2)、第一连接法兰(C1)、第二连接法兰(C2)、第一直线轴承组件(D1)、第二直线轴承组件(D2)、工作平台(E)和支撑平台组件(F)组成，第一、第二音圈直线电机(B1、B2)以正交的方式分别通过第一连接法兰(C1)、第一直线轴承组件(D1)和第二连接法兰(C2)、第二直线轴承组件(D2)与工作平台(E)连接，所述的第一音圈直线电机(B1)与第一连接法兰(C1)连接，第一连接法兰(C1)与第一直线轴承组件(D1)中的第一轴承体(D12)连接，第一直线轴承组件(D1)中的第一轴承座(D11)与工作平台(E)连接，第二音圈直线电机(B2)与第二连接法兰(C2)连接，第二连接法兰(C2)与第二直线轴承组件(D2)中的第二轴承体(D22)连接，第二直线轴承组件(D2)中的第二轴承座(D21)与工作平台(E)连接，工作平台(E)由支撑平台组件(F)支撑，支撑平台组件(F)和第一、第二音圈直线电机(B1、B2)均固定在基座(A)上。

2.根据权利要求1所述的运动解耦的XY向精密定位平台，其特征在于支撑平台组件(F)由支撑板(F1)、连接螺柱(F2)、导向板(F3)、涡流传感器(F4)、空气轴承(F5)和气缸(F6)组成，空气轴承(F5)和气缸(F6)固定在支撑板(F1)上，涡流传感器(F4)安装在导向板(F3)上，支撑板(F1)和导向板(F3)通过所述的连接螺柱(F2)相连，在导向板(F3)上设有导向窗口，导向窗口位于空气轴承(F5)的上方，在导向板(F3)上设有供气缸(F6)活塞杆进出的导向孔。

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