CN109465652A - 接触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

Abstract

本发明公开了一种带刚度切换装置的刚柔耦合平台，所述刚柔耦合平台包括：中空刚性框架、核心运动平台和柔性铰链；所述中空刚性框架通过所述柔性铰链与所述核心运动平台连接；所述刚柔耦合运动平台还包括刚度切换装置；所述刚度切换装置固定于所述中空刚性框架与所述核心运动平台之间的空隙；所述刚度切换装置包括致动机构和楔形块；所述致动机构控制所述楔形块在所述空隙中移动，以改变所述核心运动平台与所述刚性框架之间的所述空隙大小，从而改变所述柔性铰链的刚度。本发明能够解决刚柔耦合平台在高速运动过程中的振动问题，实现高低刚度切换，避免了低刚度柔性铰链高速时振动和高刚度柔性铰链补偿效果不佳的矛盾。

Description

接触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，更具体的涉及一种带刚度切换装置的刚柔耦合平台及运动平台。

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。高速精密运动平台中运动副之间表面粗糙度的不确定会导致摩擦阻力的幅值不确定变化。而在运动平台的启动、停止和微进给过程中，运动平台的速度相对较低，上述摩擦阻力的幅值波动容易导致运动平台出现“爬行”现象。在闭环控制系统作用下，驱动器将会通过增大驱动力的方式来克服摩擦阻力，补偿运动平台定位误差。在上述补偿过程中，运动平台将经历频繁的“静止→运动”状态切换。在“静止→运动”过程中，运动副之间的摩擦阻力会经历“静摩擦力→动摩擦力”的状态切换，而静摩擦系数与动摩擦系数之间的差异会导致上述状态切换瞬间的加速度突变，造成运动平台在最终定位位置附近的“抖动”，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，提出一种非常有效的方案——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，对大范围运动进行补偿。

然而，在这个大范围的运动过程中，由于柔性铰链本身的刚度非常小，因此柔性铰链会随着平台的运动而不断往复振动，会影响大范围运动过程中精密平台的刚度和运动精度。

发明内容

本发明旨在提出一种带刚度切换装置的刚柔耦合平台，在宏动平台进行大范围运动过程中，该装置将微动平台“锁死”，从而抑制柔性铰链的振动，即在这个过程中，精密运动平台可视为一个刚性平台；当精密运动平台启动、停止和微进给过程中时，该装置自动“解锁”，放开柔性铰链，使得微动平台进行微小行程的运动，得以对大范围运动进行补偿。如此便可降低精密运动平台在大范围运动过程中柔性铰链的振动对平台刚度和运动精度的影响，同时也能降低精密运动平台在启动、停止和微进给过程中摩擦力变化导致的“爬行”对运动和定位精度的影响。具体技术方案如下。

一种带刚度切换装置的刚柔耦合平台，所述刚柔耦合平台包括：中空刚性框架、核心运动平台和柔性铰链；所述中空刚性框架通过所述柔性铰链与所述核心运动平台连接；所述刚柔耦合运动平台还包括刚度切换装置；所述刚度切换装置固定于所述中空刚性框架与所述核心运动平台之间的空隙；所述刚度切换装置包括致动机构和楔形块；所述致动机构控制所述楔形块在所述空隙中移动，以改变所述核心运动平台与所述刚性框架之间的所述空隙大小，从而改变所述柔性铰链的刚度。

进一步，所述楔形块包括上端楔形块和下端楔形块；所述致动机构包括轴、弹簧、电磁铁和推拉电磁铁；所述上端楔形块固定在所述轴的上端，两个所述楔形块之间均设置有弹簧，下端楔形块的下方设有电磁铁，轴的下端连接推拉电磁铁。

进一步，所述刚性框架和/或所述核心运动平台留有通孔；所述轴穿过所述通孔与所述刚性框架和/或所述核心运动平台连接；所述弹簧包括上弹簧和下弹簧；所述上弹簧设置在所述通孔与所述上楔形块之间；所述下弹簧设置在所述通孔与所述下端楔形块之间。

进一步，所述通孔应预留出一定的余量，给轴留出一个横向的运动空间。

进一步，所述致动机构还包括上端固定挡块和下端固定挡块；所述上端楔形块通过所述上端固定挡块固定在轴的上端；所述电磁铁设置于所述下端楔形块与所述下端固定挡块之间。

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，所述中空刚性框架的内侧和/或所述核心运动平台的外侧有与所述楔形块配合的斜度，该斜度应小于平台的摩擦角，与楔形块接触时能够自锁。

进一步，所述核心运动平台与所述刚性框架之间的斜度为对称布置。

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，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。

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、权利要求1-8任一项所述的刚柔耦合运动平台、直线驱动器、位移传感器；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；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。

一种控制上述的精密运动平台的方法，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，在驱动力未能克服所述刚性框架静摩擦时，所述刚度切换装置不工作，所述核心运动平台通过所述柔性铰链的弹性变形产生微小位移，实现精密微进给；

S2.当驱动力加大时，克服了摩擦力，带动所述刚性框架运动，而此时弹性变形增大到一定程度，进入限位状态，所有的驱动力传递到所述刚性框架进行高速运动，此时刚度切换装置进入工作状态，所述刚度切换装置将所述柔性铰链“锁死”，不能发生弹性变形；

S3.当停止时，核心平台先制动，通过所述柔性铰链带动所述刚性框架制动，当所述刚性框架完全制动后，刚度切换装置结束工作，此时所述刚度切换装置对所述柔性铰链“解锁”，发生弹性变形衰减振动能量。

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.采用了自动的刚度切换装置，在平台进行大范围运动时将柔性铰链“锁死”，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；在平台启动、停止和微进给过程中，刚度切换装置将柔性铰链“解锁”，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是刚柔耦合平台的刚度切换装置工作原理示意图。

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所示，运动平台主要由机座(A05)、直线导轨(A04)、直线导轨滑块(A06)、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)与刚度切换装置。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；刚度切换装置包括轴、固定挡块(A07)、楔形块(A08)、弹簧(A09)、电磁铁(A10)和推拉电磁铁(A11)。刚度切换装置的轴两端分别连接楔形块(A08)，上端楔形块(A08)通过固定挡块(A07)固定在轴的上端，轴通过穿过刚性框架留出的通孔与刚性框架连接。两个楔形块(A08)与刚性框架之间均设置有弹簧(A09)。下端楔形块与下端固定挡块之间设有电磁铁(A10)。轴的下端连接推拉电磁铁(A11)。刚度切换装置设置在刚性框架(A03)和核心运动平台(A02)之间。

当然，也可以在核心运动平台(A02)上设置通孔，把轴设置于核心运动平台(A02)的通孔上，以固定刚度切换装置。又或者二者皆设置有通孔。

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。刚度切换装置的工作可分为两种情况：a.当柔性铰链(A01)的弹性变形力小于所述运动副的静摩擦力等阻力时，光栅尺位移传感器检测到刚性框架(A03)不运动，电磁铁(A10)与推拉电磁铁(A11)不得电，弹簧(A09)回弹，楔形块(A08)松开；b.当柔性铰链(A01)的弹性变形发作用力大于所述直线导轨运动副之间的静摩擦力等阻力时，所述刚性框架(A03)将由静止状态转为运动状态，电磁铁(A10)与推拉电磁铁(A11)得电，电磁铁(A10)张开，推拉电磁铁(A11)下拉，楔形块(A08)锁紧。

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”。在刚柔耦合平台启动、停止和微进给过程中，所述柔性铰链(A01)可以依靠自身的弹性变形主动适应上述由运动副摩擦状态切换导致的摩擦阻力突变，缓解摩擦阻力突变对所述核心运动平台(A02)的刚性冲击；在刚柔耦合平台进行大行程运动中，刚度切换装置将柔性铰链“锁死”，切换成刚性平台进行运动。

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(I)所示，当所述柔性铰链的弹性变形作用力未能克服所述刚性框架(A03)静摩擦时，则所述刚性框架(A03)将保持静止状态，位移传感器检测到刚性框架(A03)未运动，刚度切换装置不工作，弹簧(A09)回弹，楔形块(A08)松开，柔性铰链工作，刚柔耦合平台通过所述柔性铰链的弹性变形实现精确连续运动；

2.如图4(II)所示，当所述柔性铰链的弹性变形作用力足够克服所述刚性框架(A03)静摩擦时，则所述刚性框架(A03)将开始运动，此时位移传感器检测到刚性框架进行运动，最下端的推拉电磁铁(A11)将轴下拉，上方楔形块(A08)锁紧；同时，下方的电磁铁(A10)张开，下方楔形块(A08)也锁紧，刚度切换装置进入工作。此时由于其斜度小于平台的摩擦角，斜面自锁，柔性铰链被“锁死”，不能发生弹性变形，刚柔耦合平台切换成刚性平台进行高速运动。

3.如图4(I)所示，当核心运动平台(A02)运动到位准备停止时，核心运动平台(A02)制动，通过所述柔性铰链带动刚性框架(A03)制动，当位移传感器检测到刚性框架(A03)制动至停止，推拉电磁铁(A11)将轴推回，上方弹簧(A09)回弹，楔形块(A08)松开；同时，下方电磁铁(A10)合住，弹簧(A09)回弹，楔形块(A08)松开，刚度切换装置结束工作。此时柔性铰链“解锁”，发生弹性变形衰减振动能量。

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 (10)

1.一种带刚度切换装置的刚柔耦合平台，所述刚柔耦合平台包括：中空刚性框架、核心运动平台和柔性铰链；

所述中空刚性框架通过所述柔性铰链与所述核心运动平台连接；

其特征在于，所述刚柔耦合运动平台还包括刚度切换装置；

所述刚度切换装置固定于所述中空刚性框架与所述核心运动平台之间的空隙；

所述刚度切换装置包括致动机构和楔形块；

所述致动机构控制所述楔形块在所述空隙中移动，以改变所述核心运动平台与所述刚性框架之间的所述空隙大小，从而改变所述柔性铰链的刚度。

2.根据权利要求1所述的刚柔耦合平台，其特征在于，所述楔形块包括上端楔形块和下端楔形块；

所述致动机构包括轴、弹簧、电磁铁和推拉电磁铁；

所述上端楔形块固定在所述轴的上端，两个所述楔形块之间均设置有弹簧，下端楔形块的下方设有电磁铁，轴的下端连接推拉电磁铁。

3.根据权利要求2所述的刚柔耦合平台，其特征在于，

所述刚性框架和/或所述核心运动平台留有通孔；

所述轴穿过所述通孔与所述刚性框架和/或所述核心运动平台连接；

所述弹簧包括上弹簧和下弹簧；

所述上弹簧设置在所述通孔与所述上楔形块之间；

所述下弹簧设置在所述通孔与所述下端楔形块之间。

4.根据权利要求3所述的刚柔耦合平台，其特征在于，所述通孔应预留出一定的余量，给轴留出一个横向的运动空间。

5.根据权利要求2-4中任一项所述的刚柔耦合平台，其特征在于，所述致动机构还包括上端固定挡块和下端固定挡块；

所述上端楔形块通过所述上端固定挡块固定在轴的上端；

所述电磁铁设置于所述下端楔形块与所述下端固定挡块之间。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的刚柔耦合运动平台，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。

7.根据权利要求1-4中任一项所述的刚柔耦合运动平台，其特征在于，所述中空刚性框架的内侧和/或所述核心运动平台的外侧有与所述楔形块配合的斜度。

8.根据权利要求1-4中任一项所述的刚柔耦合运动平台，其特征在于，所述柔性铰链为直梁型或切口型柔性铰链。

9.一种精密运动平台，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、权利要求1-8任一项所述的刚柔耦合运动平台、直线驱动器、位移传感器；

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；

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。

10.一种控制权利要求9所述的精密运动平台的方法，其特征在于，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，在驱动力未能克服所述刚性框架静摩擦时，所述刚度切换装置不工作，所述核心运动平台通过所述柔性铰链的弹性变形产生微小位移，实现精密微进给；

S2.当驱动力加大时，克服了摩擦力，带动所述刚性框架运动，而此时弹性变形增大到一定程度，进入限位状态，所有的驱动力传递到所述刚性框架进行高速运动，此时刚度切换装置进入工作状态，所述刚度切换装置将所述柔性铰链“锁死”，不能发生弹性变形；

S3.当停止时，所述核心运动平台先制动，通过所述柔性铰链带动所述刚性框架制动，当所述刚性框架完全制动后，刚度切换装置结束工作，此时所述刚度切换装置对所述柔性铰链“解锁”，发生弹性变形衰减振动能量。