CN111102442B - 一种紧凑型刚柔耦合平台连接结构及其构成的多轴运动平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种紧凑型刚柔耦合平台连接结构及其构成的多轴运动平台，包括上层平台、下层平台、运动检测元件和驱动装置，上层平台基座设计成刚柔耦合结构安装到下层平台导轨上，下层平台上安装有所述驱动装置，驱动装置驱动上层平台沿导轨方向运动；运动检测元件检测上层平台框架的位移或速度，可选第二检测元件检测柔性铰链的变形量或变形速度。本发明将上层平台底部与下层平台融合为一体，省去了中间连接板，使得平台的整体重心降低，结构紧凑，Z方向更扁平化，并且可叠加多层平台，实现多自由度运动，灵活地搭建出所需的多自由度高精度运动平台。另外，本发明的刚柔耦合连接结构采用夹心式柔性铰，同时保证无装配误差和疲劳寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种刚柔耦合平台，尤其是指一种紧凑型刚柔耦合平台连接结构及其构成的多轴运动平台。
背景技术
大行程高精度运动平台在半导体封装等领域有着广泛应用。为综合兼顾大行程和高精度两方面要求，宏微复合运动平台被普遍用于上述大行程高精度运动平台的设计。在典型的宏微复合运动平台中，基于柔性铰链可以有效的解决摩擦死区问题，在不提高成本的前提下，有大幅度提高定位精度的优点，因此微动平台往往会采用基于柔性铰链的设计方案。例如，专利号CN201310065603.5公开了一种同轴宏微复合直线运动平台装置及其精度补偿方法，以及专利号CN201410696217.0也公开了线电机共定子双驱动宏微一体化高速精密运动一维平台，这两上专利均采用了一种基于柔性铰链的单自由度导向机构。同时，专利号为CN201610508540.X也公开了一种单驱动刚柔耦合精密运动平台及其实现方法及应用，该专利中实现大行程高精度运动的运动平台也采用了类似的单自由度柔性铰链机构。
但是，由于上述类型柔性铰链机构普遍存在承载能力弱等问题，基于上述类型柔性铰链构建的单自由度大行程高精度运动平台很难简单地采用模块叠加方式用于搭建多自由度运动平台。为了实现多自由度大行程高精度运动，专利号为CN201410214646.X公开了基于应力刚化原理的刚度频率可调二维微动平台，以及专利号CN201410696781.2公开了直线电机共定子多驱动宏微一体化高速精密运动二维平台均采用了一种基于柔性铰链的二维微运动机构，可以较好地用于二维宏微复合运动平台的设计。但是，基于上述两个专利的柔性铰链的二维微运动机构也同样存在承载能力弱，难于继续用于更高自由度的大行程高精度运动平台的搭建。因此，专利号为CN201710883865.0公开了一种大承载柔性铰链及多自由度组合方式，该专利采用大承载空间柔性机构，实现了刚柔耦合平台叠层组合成多自由度机构，但是，上层平台整个基座安装到柔性平台，重心高，倾翻力矩大，容易产生变形。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种紧凑型刚柔耦合平台连接结构及其控制方法及其构成的多轴运动平台。本结构直接将上层平台底部与下层平台融合为一体，省去了中间过度的连接板，使得平台的整体重心降低，结构紧凑，Z方向更扁平化，并且本结构可叠加多层平台，实现多自由度运动，灵活地搭建出所需自由度的多自由度高精度运动平台。
本发明的目的可采用以下技术方案来达到：
一种紧凑型刚柔耦合平台连接结构，包括上层平台、下层平台、运动检测元件和驱动装置，所述上层平台的上层平台基座设计成刚柔耦合结构且安装到下层平台导轨上，所述下层平台上安装有所述驱动装置，驱动装置驱动底板和上层平台沿导轨方向运动；所述运动检测元件检测上层平台的位移或速度。
进一步地，所述底板包括框架和柔性铰链导向机构，所述框架外接与驱动装置的动力输出端连接，驱动装置驱动框架沿导轨方向运动，所述柔性铰链导向机构的导轨方向的侧面通过柔性铰链连接于框架上，所述柔性铰链导向机构的导轨方向的两端面通过弹簧片安装于框架上；所述柔性铰链导向机构设为偶数个且分别与框架的中心相对称；所述柔性铰链导向机构通过导向机构安装于下层平台上。
作为一种优选的方案，所述上层平台包括工作平台和平台框架，所述平台框架通过第二柔性铰链与工作平台连接，工作平台通过导向机构与底板连接；所述工作平台与驱动装置的驱动力输出端连接，驱动装置驱动工作平台并通过第二柔性铰链将驱动力转移到平台框架上而使上层平台整体沿着导轨方向移动；所述第二柔性铰链单边至少设置两组，且第二柔性铰链设于工作平台的两个相对侧面上。
进一步地，所述检测元件包括第一组检测器至第四组检测器，所述第一组检测器至第四组检测器均包括检测头和刻度元件，所述第一组检测器的检测头和刻度元件分别安装于框架和下层平台上，以检测上层平台底部的整体运动位移或速度；所述第二组检测器的检测头和刻度元件分别安装于框架和柔性铰链导向机构上，以检测第一柔性铰链运动平台的位移或速度；所述第三组各组检测器的检测头和刻度元件分别安装于工作平台和框架上，以检测工作平台的运动位移或速度；所述第四组检测器的检测头和刻度元件分别安装于工作平台和平台框架上，以检测平台框架的运动位移或速度。
作为一种优选的方案，所述柔性铰链导向机构包括直线导轨和可运动安装于直线导轨上的滑块。
进一步地，所述工作平台的底端与滑块连接，滑块可运动安装于直线导轨上，直线导轨通过安装块固定连接于底板上。
作为一种优选的方案，所述驱动装置包括导轨驱动装置和Y轴驱动装置，所述导轨驱动装置安装于下层平台上，且导轨驱动装置的动力输出端与底板连接；Y轴驱动装置安装于底板上，且Y轴驱动装置的动力输出端与工作平台连接。
作为一种优选的方案，所述柔性铰链导向机构的导轨方向的侧面通过压块与柔性铰链弹簧片连接。
作为一种优选的方案，所述工作平台的侧面上开有切口，所述第二柔性铰链固定在切口上，所述平台框架的侧面上设有凸起，所述凸起伸入切口内且与第二柔性铰链固定连接。
一种紧凑型刚柔耦合平台连接结构构成的多轴运动平台，其特征在于，所述导轨驱动装置和Y轴驱动装置均为直线电机。
实施本发明，具有如下有益效果：
1、本发明直接将底板与下层平台融合为一体，省去了中间过度的连接板，使得平台***整体重心降低，结构紧凑，Z方向更扁平化，并且可叠加多层平台结构，灵活地搭建出所需自由度的多自由度高精度运动平台，实现多自由度运动，从而解决了现有刚柔耦合平台难于应用于更高自由度的大行程高精度运动平台搭建的问题。
2、本发明的柔性铰链导向机构的导轨方向的两侧面采用一体式柔性铰链与框架相连，而第一柔性铰链的导轨方向的两侧面则采用柔性铰链弹簧片与框架相连，形成夹心式柔性铰链结构。该结构既保证了无装配误差，又保证了疲劳寿命，且可根据所需承载的大小来增减弹簧片厚度和工作宽度(Z方向)以调整刚度，由此可解决基于上述刚柔耦合平台承载能力弱和抵抗非工作方向变形的问题。
3、本发明在需要调节柔性铰链刚度时，只需要将设于工作平台外部的柔性铰链更换成不同厚度即可，无需拆卸下整个平台，更换简单、方便、快速和灵活，巧妙地解决了这个调节刚度较繁琐的问题。此外，将柔性铰链设为至少两组且设置在工作平台的外部，这样的结构有以下3个优点：1、在调节柔性铰链的刚度时，一组一组更换，可以保证原本的装配关系。2、各组可以分别采用不同厚度的弹簧片，通过不同厚度的弹簧片排列组合可以适应多种多样的工作场合。3、当各组弹簧片分别采用不同厚度的弹簧片，可以根据需要改变弹簧力的分布，以实现最佳的工作装配情况。
附图说明
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。
图1为本发明紧凑型刚柔耦合平台连接结构的底板的结构示意图。
图2为图1的A部的局部放大图。
图3为图1的后视图。
图4为图3的俯视图。
图5为图4的俯视图。
图6为本发明紧凑型刚柔耦合平台连接结构及其构成的直线电机驱动的二自由度运动平台的结构示意图。
图7为图6的***图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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做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。
实施例
参照图1至图5，本实施例涉及紧凑型刚柔耦合平台连接结构，包括上层平台1、下层平台2、运动检测元件和驱动装置，所述上层平台1的底部通过底板3可运动安装于下层平台2上，所述下层平台2上安装有所述驱动装置，驱动装置驱动底板3和上层平台1沿导轨方向运动；所述运动检测元件检测上层平台1的位移或速度。
本结构直接将底板3与下层平台2融合为一体，省去了中间过度的连接板，使得平台整体重心降低，结构紧凑，Z方向更扁平化，并且可叠加多层平台结构，灵活地搭建出所需自由度的多自由度高精度运动平台，实现多自由度运动，从而解决了现有刚柔耦合平台难于应用于更高自由度的大行程高精度运动平台搭建的问题。
所述底板3包括框架31和柔性铰链导向机构32，所述框架31的中心处外接与驱动装置的动力输出端连接，驱动装置驱动框架31沿导轨方向运动，所述柔性铰链导向机构32的导轨方向的侧面通过柔性铰链33连接于框架31上，所述柔性铰链导向机构32的导轨方向的两端面通过弹簧片34安装于框架31上；所述柔性铰链导向机构32设为偶数个且分别与框架31的中心相对称；所述柔性铰链导向机构32通过导向机构4安装于下层平台2上。
柔性铰链导向机构32同时采用一体式柔性铰链33与柔性铰链弹簧片34。一体式柔性铰链33由对称布置在柔性铰链导向机构32两侧的柔性铰链阵列组成。柔性铰链弹簧片34通过螺钉等装配在柔性铰链导向机构32与框架31之间。柔性铰链导向机构32分成两个单独的部分，且对称布置在下层平台2的导向机构4上，从左至右形成“框架31-柔性铰链导向机构32-框架31-柔性铰链导向机构32-框架31”的结构。
本发明的柔性铰链导向机构32的导轨方向的两侧面采用一体式柔性铰链33与框架31相连，而第一柔性铰链的导轨方向的两侧面则采用柔性铰链弹簧片34与框架31相连，形成夹心式柔性铰链结构。该结构既保证了无装配误差，又保证了疲劳寿命，且可根据所需承载的大小来增减弹簧片厚度和工作宽度(Z方向)以调整刚度，由此可解决基于上述刚柔耦合平台承载能力弱和抵抗非工作方向变形的问题。
所述上层平台1包括工作平台11和平台框架12，所述平台框架12通过第二柔性铰链13与工作平台11连接，工作平台11通过导向机构4与底板3连接；所述工作平台11与驱动装置的驱动力输出端连接，驱动装置驱动工作平台11并通过第二柔性铰链13将驱动力转移到平台框架12上而使上层平台1整体沿着导向机构4的长度方向移动；所述第二柔性铰链13单边至少设置两组，且第二柔性铰链13设于工作平台11的两个相对侧面上。
在需要调节第二柔性铰链13刚度时，只需要将设于工作平台11外部的第二柔性铰链13更换成不同厚度即可，无需拆卸下整个平台，更换简单、方便、快速和灵活，巧妙地解决了这个调节刚度较繁琐的问题。此外，将第二柔性铰链13设为至少两组且设置在工作平台11的外部，这样的结构有以下3个优点：
1、在调节第二柔性铰链13的刚度时，一组一组更换，可以保证原本的装配关系。如果只有一组，更换的时候原本的装配关系就被破坏了。
2、各组可以分别采用不同厚度的弹簧片，通过不同厚度的弹簧片排列组合可以适应多种多样的工作场合。如果只有一组，则需要配备大量不同厚度的弹簧片，不仅增加成本，而且难以适应各种各样的工况。
3、此外，当各组弹簧片分别采用不同厚度的弹簧片，可以根据需要改变弹簧力的分布，以实现最佳的工作装配情况。如果只有一组，则无法实现。
如图6和图7所示，所述运动检测元件包括第一组检测器至第四组检测器，所述第一组检测器至第四组检测器均包括检测头和刻度元件，所述第一组检测器的检测头51和刻度元件分别安装于框架31和下层平台2上，以检测上层平台1的整体运动位移或速度；所述第二组检测器的检测头53和刻度元件分别安装于框架31和柔性铰链导向机构32上，以检测柔性铰链导向机构32运动的位移或速度，检测头53通过安装块52连接于框架31上；所述第三组检测器的检测头和刻度元件55分别安装于工作平台11和框架31上，以检测工作平台11的运动位移或速度；所述第四组检测器的检测头57和刻度元件分别安装于工作平台11和平台框架12上，以检测平台框架12的运动位移或速度。通过第一组检测器至第四组检测器分别对上层平台1、柔性铰链导向机构32、工作平台11和平台框架12的位移或速度进行检测，可以实时获得各个平台的位移或速度数据，进而实现运动补偿的精确控制。
所述导向机构4包括直线导轨41和可运动安装于直线导轨41上的滑块42。所述工作平台11的底端与滑块42连接，滑块42可运动安装于直线导轨41上，直线导轨41通过安装块43固定连接于底板3上。同样的，所述底板3的底端固定安装有滑块42，滑块42可运动安装于直线导轨41上，直线导轨41固定安装于下层平台2上。
所述驱动装置包括导轨驱动装置61和Y轴驱动装置62，所述导轨驱动装置61安装于下层平台2上，且导轨驱动装置61的动力输出端与底板3连接；Y轴驱动装置62安装于底板3上，且Y轴驱动装置62的动力输出端与工作平台11连接。
所述柔性铰链导向机构32的导轨方向的侧面通过压块321与柔性铰链弹簧片34连接。本结构可以通过更换不同长度的压块调节柔性铰链导向机构32的有效长度进而调节柔性铰链弹簧片34的刚度，使平台可以满足不同工况下的使用要求。
所述工作平台11的侧面上开有切口111，所述第二柔性铰链13固定在切口111上，所述平台框架12的侧面上设有凸起，所述凸起伸入切口111内且与第二柔性铰链13固定连接。
凸起穿过切口111后既能与第二柔性铰链13连接，实现平台框架12与第二柔性铰链13的连接，保证平台框架12被悬空套设在工作平台11内，同时又能实现将第二柔性铰链13安装到工作平台11上，方便第二柔性铰链13的更换，无需拆卸下整个平台，更换简单、方便、快速和灵活。
综上所述，本发明的主要优点有：1、可以根据具体要求灵活地搭建出所需自由度的多自由度高精度运动平台；2、运动平台的重心被降低，结构紧凑，稳定性更好，适应范围广；3、刚度调节范围大，可实现弹簧片厚度和工作宽度(Z方向)的调整；4、各个单自由度大行程高精运动平台组件均采用通用机加工方式进行加工制造，不采用气浮、磁悬浮等特殊部件，成本较低。
将上述的导轨驱动装置61和Y轴驱动装置62采用直线电机，可以形成由直线电机驱动的易维护刚柔耦合运动平台。当然，导轨驱动装置61和Y轴驱动装置62还可以采用伺服电机、滚珠丝杠和螺母构成。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (7)
1.一种紧凑型刚柔耦合平台连接结构，其特征在于，包括上层平台、下层平台、运动检测元件和驱动装置，所述上层平台的底板设计成刚柔耦合结构且安装到下层平台导轨上，所述下层平台上安装有所述驱动装置，驱动装置驱动底板和上层平台沿导轨方向运动；所述运动检测元件检测上层平台的框架的位移或速度，或同时检测上层平台的框架的位移或速度和柔性铰链变形量或变形速度；
所述底板包括框架和柔性铰链导向机构，所述框架与驱动装置的动力输出端连接，驱动装置驱动框架沿导轨方向运动，所述柔性铰链导向机构的导轨方向的侧面通过柔性铰链连接于框架上，所述柔性铰链导向机构的导轨方向的端面通过弹簧片安装于框架上；所述柔性铰链导向机构通过滑块安装于下层平台导轨上；
柔性铰链导向机构采用一体式柔性铰链与柔性铰链弹簧片；一体式柔性铰链由对称布置在柔性铰链导向机构两侧的柔性铰链阵列组成。
2.根据权利要求1 所述的一种紧凑型刚柔耦合平台连接结构构成的多轴运动平台，其特征在于，所述上层平台包括工作平台和平台框架，所述工作平台通过第二柔性铰链与平台框架连接，平台框架通过滑块与上层平台导轨连接；所述工作平台与驱动装置的驱动力输出端连接，驱动装置驱动工作平台并通过第二柔性铰链将驱动力转移到平台框架上而使上层平台整体沿着上层平台导轨方向移动；所述第二柔性铰链单边至少设置两组，且第二柔性铰链设于工作平台的两个相对侧面上。
3.根据权利要求1 所述的一种紧凑型刚柔耦合平台连接结构构成的多轴运动平台，其特征在于，每一轴平台的所述运动检测元件包括第一组检测器或第一和第二组检测器，所述第一组检测器至第二组检测器均包括检测头和刻度元件，所述第一组检测器的检测头和刻度元件分别安装于框架和下层平台上，以检测上层平台底部的整体运动位移或速度；所述第二组检测器的检测头和刻度元件分别安装于框架和柔性铰链导向机构上，以检测柔性铰链的变形量和变形速度。
4.根据权利要求1 或2 所述的一种紧凑型刚柔耦合平台连接结构构成的多轴运动平台，其特征在于，所述驱动装置包括导轨驱动装置和Y 轴驱动装置，所述Y 轴驱动装置安装于下层平台上，且Y 轴驱动装置的动力输出端与底板连接；导轨驱动装置安装于底板上，且导轨驱动装置的动力输出端与工作平台连接。
5.根据权利要求1 所述的一种紧凑型刚柔耦合平台连接结构构成的多轴运动平台，其特征在于，所述柔性铰链导向机构的导轨方向的侧面通过压块与柔性铰链弹簧片连接。
6.根据权利要求2 所述的一种紧凑型刚柔耦合平台连接结构构成的多轴运动平台，其特征在于，所述工作平台的侧面上开有切口，所述第二柔性铰链固定在切口上，所述平台框架的侧面上设有凸起，所述凸起伸入切口内且与第二柔性铰链固定连接。
7.根据权利要求4 所述的一种紧凑型刚柔耦合平台连接结构构成的多轴运动平台，其特征在于，所述导轨驱动装置和Y 轴驱动装置均为直线电机。
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