CN109465650B - 气缸式刚度切换装置及使用其的刚柔耦合运动平台和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了气缸式刚度切换装置及使用其的刚柔耦合运动平台和方法，其中所述刚柔耦合运动平台包括：刚性框架、核心运动平台与柔性铰链；所述核心运动平台通过所述柔性铰链与所述刚性框架连接；所述刚柔耦合运动平台还包括推动装置；所述推动装置推动所述核心运动平台运动，以改变所述核心运动平台与所述刚性框架之间的相对位置，从而改变所述柔性铰链的刚度。本发明能够实现高精度连续变化位移，避免了低速工况下运动副摩擦状态切换导致加速度突变导致的位移“抖动”。

Description

气缸式刚度切换装置及使用其的刚柔耦合运动平台和方法
技术领域
本发明涉及电机驱动技术，更具体的涉及一种刚柔耦合运动平台及使用该刚柔耦合运动平台的运动平台和方法。
背景技术
高速精密运动平台在半导体封装等领域中被广泛使用。而在传统高速精密运动平台的结构设计中，运动平台中运动副之间表面粗糙度的不确定变化会导致摩擦阻力幅值的不确定变化。而且定位过程中的振动衰减使得平台频繁地运动与静止，导致摩擦力在“静摩擦力”与“动摩擦力”之间切换。因此，在闭环控制中，驱动器不断调整驱动力来克服不同摩擦阻力，最终造成运动平台在最终定位位置附近的“振动”，影响定位精度。
为了降低在启动、停止和微进给过程中由于摩擦状态切换造成的定位误差影响，提出一种有效的方案——基于柔性铰链的刚柔耦合运动平台，依靠柔性铰链弹性变形来实现连续高精度的运动。柔性铰链运动副的工作原理限制了其主要适用于微小行程的运动。因此，在大行程运动过程中，柔性铰链往往会与有摩擦运动副配合使用，组成宏微复合运动平台来实现大行程高精度的运动，对定位过程的微小位移进行补偿。
然而，在长行程的定位补偿过程中，柔性铰链刚度较小，容易产生变形，两个平台之间会产生相对往复运动。平台由于惯性所产生滞后现象，因此产生“振动”现象，影响了运动平台的定位精度与定位时间。
发明内容
现有大部分的刚柔耦合宏微运动平台的结构为：宏动外框架与微动平台之间通过柔性铰链连接，宏动外框架实现大行程的宏运动，微动平台在定位过程中动态补偿上述宏运动的运动偏差。上述宏微复合运动可实现大行程高精度的运动。然而，目前的刚柔耦合平台有一个比较大的缺点就在于：宏动过程中，柔性铰链因为较低地刚度而产生振动，从而导致反馈信号的波动，影响高精密运动平台在定位过程中的精度和速度。
本发明的主要目的在提出一种刚柔耦合运动平台及使用该刚柔耦合运动平台的运动平台。在运动平台进行加速、匀速和减速的运动过程中，该装置通过气缸对微动平台推力，使柔性铰链的变形达到最大程度，从而极大地提升柔性铰链的刚度。即在这个过程中，精密运动平台可视为一个刚性平台，从而防止启动或静止过程中低刚度带来的振动。当运动平台进入定位过程后，该装置减小或卸载原有推力，增加微动平台的阻尼，使得弹性铰链处于低刚度状态，用于补偿微小位移。本发明采用的技术方案是如下。
一种刚柔耦合运动平台，所述刚柔耦合运动平台包括：刚性框架、核心运动平台与柔性铰链；所述核心运动平台通过所述柔性铰链与所述刚性框架连接；所述刚柔耦合运动平台还包括推动装置；所述推动装置推动所述核心运动平台运动，以改变所述核心运动平台与所述刚性框架之间的相对位置，从而改变所述柔性铰链的刚度。
进一步，所述推动装置为气缸阻尼装置，所述气缸阻尼装置包括：气缸、活塞和气缸推杆；所述活塞一端设置于所述气缸内，另一端与所述气缸推杆连接；所述气缸充气时，所述活塞带动所述气缸推杆对核心运动平台施加推力，所述柔性铰链刚度增大；所述气缸卸载气压时，所述活塞带动所述气缸推杆回收，所述柔性铰链刚度恢复低刚度状态。
进一步，所述刚性框架有加工孔，所述加工孔用于放置气缸阻尼装置。
进一步，所述气缸阻尼装置还包括固定法兰，所述固定法兰用于将所述气缸阻尼装置固定于加工孔内。
进一步，所述刚性框架上与所述气缸的配合的所述加工孔需要留有一定余量，以保证所述气缸推杆的运动。
进一步，在所述刚性框架与所述核心运动平台间设置有限位装置和/或阻尼器。用于缓解所述核心运动平台与所述刚性框架接触的刚性冲击。
进一步，所述核心运动平台与所述刚性框架之间的柔性铰链为对称布置。
进一步，所述核心运动平台与刚性框架还存在支撑刚度加强结构。
进一步，所述柔性铰链为直梁型或切口型柔性铰链。
进一步，所述刚柔耦合运动平台为一体式加工制造。
一种精密运动平台，所述精密运动平台包括机座、固定在所述机座上的直线导轨、导轨滑块、前述的刚柔耦合运动平台、直线驱动器；所述刚柔耦合平台中的核心运动平台与所述直线驱动器连接，所述刚性框架通过所述导轨滑块与所述直线导轨连接。
进一步，所述精密运动平台还包括位移传感器，所述位移传感器与所述核心运动平台连接，用于测量所述核心运动平台在运动方向上的位移。
进一步，所述直线驱动器为音圈电机或直线电机，直接驱动，响应速度快。
一种控制前述的精密运动平台的方法，所述推动装置为气缸阻尼装置，所述方法包括以下步骤：
S1.所述直线驱动器直接驱动所述核心运动平台，在所述直线驱动器开始工作时，所述气缸阻尼装置同步启动推动所述核心运动平台，使所述柔性铰链产生弹性形变，当所述弹性形变达到最大值时，所述柔性铰链刚度最大，此时所述直线驱动器推动所述核心运动平台高速运动；
S2.在所述核心运动平台运动过程中，所述气缸阻尼装置保持压力，使得在该运动过程中所述柔性铰链依旧保持最大刚度，满足高速运动的需要；
S3.当所述核心运动平台停止进入定位阶段时，所述气缸阻尼装置卸载压力，从而使所述柔性铰链恢复至柔性状态，利用所述柔性铰链的弹性变形进行微动补偿，实现高精度定位。
与现有技术相比，有益效果是：
1.采用无摩擦柔性铰链运动副来实现高精度连续变化位移，避免了低速工况下运动副摩擦状态切换导致加速度突变导致的位移“抖动”。
2.采用了刚柔耦合的运动平台设计，所使用的柔性铰链可以依靠自身弹性变形主动适应导轨运动副的摩擦力变化，避免了运动副摩擦状态切换导致的“爬行”对连续位移定位的影响，有利于实现更高的定位精度。
3.采用了气缸阻尼装置，在平台进行大范围运动时将柔性铰链置于高刚度状态，使得刚柔耦合平台切换成刚性平台，避免了在这个过程中柔性铰链的振动；在平台微进给过程中，气缸阻尼装置将柔性铰链恢复至低刚度状态，并增加阻尼减少弹性抖动，柔性铰链发生弹性变形，进行补偿。
附图说明
图1是本发明的示意图。
图2是本发明的前剖视图。
图3是图2的局部放大图。
图4是本发明的工作原理示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
如图1-3所示，运动平台主要由机座(A06)、直线导轨(A04)、直线导轨滑块(A05)、刚柔耦合运动平台及直线电机驱动器等组成。其中，刚柔耦合运动平台包括刚性框架(A03)、核心运动平台(A02)、柔性铰链(A01)与气缸阻尼装置。刚性框架(A03)与核心运动平台(A02)之间通过柔性铰链(A01)运动副连接，刚性框架(A03)通过直线导轨运动副与机座(A06)连接；气缸阻尼装置包括气缸(A08)，活塞(A07)，气缸推杆(A10)。活塞(A07)一端设置于气缸(A08)内，另一端与气缸推杆(A10)连接。对气缸(A08)进行充气或泄气能够推动活塞(A07)运动，活塞(A07)的运动带动气缸推杆(A10)运动，从而改变核心运动平台(A02)与刚性框架(A03)之间的相对位置，从而改变所述柔性铰链的刚度。
在一个实施例中，刚性框架(A03)有加工孔，所述加工孔用于放置气缸阻尼装置；气缸阻尼装置还包括固定法兰(A09)，固定法兰(A09)用于将所述气缸阻尼装置固定于加工孔内。刚性框架(A03)上与气缸(A08)相配合的所述加工孔需要留有一定余量，保证所述气缸推杆(A10)的运动。当然，所述气缸阻尼装置不一定要设置在刚性框架的加工孔内，也可以设置在其他地方，如核心运动平台与刚性框架之间的间隙内，只要能够改变刚性框架与核心运动平台的相对位置，从而改变柔性铰链的刚度就行了。另外，也不一定要使用气缸阻尼装置，使用其他推动装置也行。
优选的，在所述刚柔耦合平台的刚性框架与核心运动平台间设置有限位装置和/或阻尼器，用于缓解所述核心运动平台与所述刚性框架接触的刚性冲击。
优选的，在所述刚柔耦合平台的刚性框架与核心运动平台间设置有限位装置和阻尼器，用于缓解所述核心运动平台与所述刚性框架接触的刚性冲击。
优选的，刚柔耦合平台的所述核心运动平台与所述刚性框架之间的柔性铰链为对称布置。
优选的，所述刚柔耦合运动平台为一体式加工制造。
优选的，所述柔性铰链为直梁型或切口型柔性铰链。
优选的，所述刚柔耦合运动平台内的核心运动平台与刚性框架还存在直线轴承、磁力等支撑刚度加强结构。
优选的，所述直线驱动器为音圈电机或直线电机，直接驱动，响应速度快。
优选的，所述精密运动平台还包括位移传感器，所述位移传感器与所述核心运动平台连接，用于测量所述核心运动平台在运动方向上的位移。
直线电机驱动器对核心运动平台(A02)施加驱动力。所述驱动力可以使柔性铰链(A01)发生弹性变形，并进而使所述核心运动平台(A02)产生沿导轨长度方向的直线位移。所述柔性铰链(A01)的弹性变形反作用力可以用于克服所述刚性框架(A03)所连接的直线导轨运动副间的摩擦力。气缸阻尼装置的工作可分为两种情况：a.在启动阶段和运动阶段，直线电机对核心运动平台(A02)施加驱动力，此时活塞(A07)充气，推动气缸推杆(A10)对核心运动平台(A02)施加推力，柔性铰链(A01)此时刚度最大；b.在定位阶段，活塞(A07)卸载气压，气缸推杆(A10)回收，提高核心运动平台(A02)的阻尼，柔性铰链(A01)恢复低刚度状态。
当所述直线导轨运动副的运动状态在上述情况a与b之间切换时，所述直线导轨运动副静摩擦系数与动摩擦系数之间的差异导致阻力突变，产生对运动平台的刚性冲击，并导致运动副的摩擦“爬行”。同时，由于柔性铰链(A01)刚度较低，产生弹性形变，使得核心运动平台(A02)进入定位阶段时不停“抖动”。在刚柔耦合平台启动和大行程运动过程中，柔性铰链(A01)由于气缸推杆(A10)的推力作用处于高刚度的状态，使得核心运动平台(A02)获得足够的驱动力。在刚柔耦合平台停止后的定位阶段，气缸推杆(A10)推力减小导致柔性铰链(A01)刚度恢复，提高核心运动平台(A02)的阻尼，从而使得核心运动平台(A02)通过柔性铰链(A01)的弹性形变进行定位补偿。
本发明所述的刚柔耦合平台的刚度切换装置的工作原理为：
1.如图4所示，处于启动状态时，所述柔性铰链(A01)的弹性变形作用力未能克服所述刚性框架(A03)静摩擦，所述刚性框架(A03)将保持静止状态，位移传感器检测到刚性框架(A03)未运动。此时气缸阻尼装置开始工作，单动气缸(2)对气缸推杆(A10)施加推力，核心运动平台(A02)产生位移，促使柔性铰链(A01)产生最大弹性形变，达到最大刚度状态，从而使得刚性框架(A03)与核心运动平台(A02)可视为刚性连接；
2.如图4所示，启动状态结束后，刚性框架(A03)与核心运动平台(A02)可视为一个刚体。然后平台进入运动阶段，直线驱动器驱动核心运动平台(A02)，将所有驱动力传递到刚性框架(A03)，满足平台高速运动的需求；
3.如图4所示，当核心运动平台(A02)到位后进入定位阶段时，单动气缸(2)减小压力，气缸推杆(A10)推力减小，此时柔性铰链(5)恢复至低刚度状态。通过柔性铰链(A01)弹性变形的作用，核心运动平台(A02)产生微小位移，从而补偿刚性框架(A03)因摩擦等原因产生的误差。同时低压力下的单动气缸(2)具有阻尼器的作用，可减小柔性铰链在定位时因弹性变形产生的“抖动”。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种精密运动平台，其特征在于，所述精密运动平台包括机座、固定在所述机座上的直线导轨、导轨滑块、刚柔耦合运动平台、直线驱动器；
所述刚柔耦合运动平台包括：刚性框架、核心运动平台与柔性铰链；
所述核心运动平台通过所述柔性铰链与所述刚性框架连接；
所述刚柔耦合运动平台还包括推动装置；
所述推动装置被固定于所述刚性框架上；
所述推动装置能够推动所述核心运动平台运动，以改变所述核心运动平台与所述刚性框架之间的相对位置，从而改变所述柔性铰链的刚度；
所述推动装置为气缸阻尼装置，所述气缸阻尼装置包括：气缸、活塞和气缸推杆；
所述活塞一端设置于所述气缸内，另一端与所述气缸推杆连接；
所述气缸充气时，所述活塞带动所述气缸推杆对核心运动平台施加推力，所述柔性铰链刚度增大；
所述气缸卸载气压时，所述活塞带动所述气缸推杆回收，所述柔性铰链刚度恢复低刚度状态；
所述刚柔耦合运动平台中的核心运动平台与所述直线驱动器连接，所述刚性框架通过所述导轨滑块与所述直线导轨连接。
2.根据权利要求1所述的精密运动平台，其特征在于，所述刚性框架有加工孔，所述加工孔用于放置气缸阻尼装置；
所述刚性框架上与所述气缸的配合的所述加工孔需要留有一定余量，以保证所述气缸推杆的运动。
3.根据权利要求1或2所述的精密运动平台，其特征在于，在所述刚性框架与所述核心运动平台间设置有限位装置和/或阻尼器。
4.根据权利要求1或2所述的精密运动平台，其特征在于，所述核心运动平台与所述刚性框架之间的柔性铰链为对称布置。
5.根据权利要求1或2所述的精密运动平台，其特征在于，所述柔性铰链为直梁型或切口型柔性铰链。
6.根据权利要求1或2所述的精密运动平台，其特征在于，所述精密运动平台还包括位移传感器，所述位移传感器与所述核心运动平台连接，用于测量所述核心运动平台在运动方向上的位移。
7.一种控制权利要求1-6任一项所述的精密运动平台的方法，其特征在于，所述推动装置为气缸阻尼装置，所述方法包括以下步骤：
S1.所述直线驱动器直接驱动所述核心运动平台，在所述直线驱动器开始工作时，所述气缸阻尼装置同步启动推动所述核心运动平台，使所述柔性铰链产生弹性形变，当所述弹性形变达到最大值时，所述柔性铰链刚度最大，此时所述直线驱动器推动所述核心运动平台高速运动；
S2.在所述核心运动平台运动过程中，所述气缸阻尼装置保持压力，使得在该运动过程中所述柔性铰链依旧保持最大刚度；
S3.当所述核心运动平台停止进入定位阶段时，所述气缸阻尼装置卸载压力，从而使所述柔性铰链恢复至柔性状态，利用所述柔性铰链的弹性变形进行微动补偿。
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