CN101556932B - 串并联两坐标精密运动定位平台 - Google Patents

Abstract

一种串并联两坐标精密运动定位平台，由支撑平台组件、第一直线轴承、第二直线轴承、基座、第一驱动支链、第二驱动支链、工作平台、第一连接铰耳和第二连接铰耳组成，第一、第二驱动支链以正交的方式分别通过第一连接铰耳、第一直线轴承和第二连接铰耳、第二直线轴承与工作平台连接，所述的第一驱动支链与第一连接铰耳连接，第一连接铰耳与第一直线轴承中的第一轴承体连接，第一直线轴承中的第一轴承座与工作平台连接，第二驱动支链与第二连接铰耳连接，第二连接铰耳与第二直线轴承中的第二轴承体连接，第二直线轴承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、第二驱动支链均固定在基座上。

Description

串并联两坐标精密运动定位平台

一、技术领域

本发明涉及一种串并联两坐标精密运动定位平台，该平台的构型原理是基于一种二自由度的并联解耦机构，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和高精度定位及操作的系统和装备的要求日益突出。这类系统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。比如在微电子制造领域的芯片封装中，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(如引线键合机等)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，系统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)的高速精密定位系统已成为芯片封装、激光加工及光电检测等精密定位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两坐标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的串并联两坐标精密运动定位平台，并采用了一种无偏置的曲柄滑块机构直接驱动气浮支撑式工作平台的驱动方式。该定位平台具有结构紧凑、低阻尼及运动解耦特点，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度和高精度定位的两坐标运动定位平台。

本发明采用如下解释方案：

一种串并联两坐标精密运动定位平台的构型原理基于一种二自由度并联解耦机构(2-PP构型)。

本发明涉及一种串并联两坐标精密运动定位平台，该平台由支撑平台组件、第一直线轴承、第二直线轴承、基座、第一驱动支链、第二驱动支链、工作平台、第一连接铰耳和第二连接铰耳组成，第一、第二驱动支链以正交的方式分别通过第一连接铰耳、第一直线轴承和第二连接铰耳、第二直线轴承与工作平台连接，所述的第一驱动支链与第一连接铰耳连接，第一连接铰耳与第一直线轴承中的第一轴承体连接，第一直线轴承中的第一轴承座与工作平台连接，第二驱动支链与第二连接铰耳连接，第二连接铰耳与第二直线轴承中的第二轴承体连接，第二直线轴承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、第二驱动支链均固定在基座上。

本发明定位平台的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。

本发明的定位平台在运动方式上，通过驱动支链端的精密伺服电机D12/D22带动曲柄D15/D25的旋转用以驱动摇杆D17/D27的往复摆动，摇杆D17/D27末端通过第二转动关节D18/D28和连接铰耳F1/F2与直线轴承B1/B2的轴承体B12/B22相连，直线轴承B1/B2与工作平台E相连，进而通过精密伺服电机D12/D22的转动，实现工作平台E的直线移动。直线轴承B1/B2由轴承座B11/B21、轴承体B12/B22和导杆B13/B23组成，轴承座B11/B21固定安装在工作平台E上，轴承体B12/B22与连接铰耳F1/F2相连。支撑平台组件A的中间部件是一个真空载荷空气轴承A5，工作平台E静止时，由安装在支撑板A1上的两组紧凑型气缸A6进行支撑；工作平台E运动时，为减小工作台E的运动摩擦，气缸A6排气卸压，工作台采用空气轴承A5支撑，空气轴承A5支撑面与工作台E底面间的空气间隙由安装在导向板A3上的涡流传感器A4检测，进行气压的反馈控制。

本发明的一种串并联两坐标精密运动定位平台在驱动方式上直接采用两个驱动支链D1/D2驱动，两个驱动支链D1/D2以正交的方式，采用螺栓分别固定安装在基座C上，驱动支链D1/D2为一种无偏置的曲柄滑块机构，曲柄D15/D25一端与精密伺服电机D13/D23通过联轴器D14/D24相连，另一端与第一转动关节D16/D26和摇杆D17/D27相连，摇杆D17/D27另一端通过连接铰耳F1/F2与直线轴承B1/B2相连。通过对两个伺服电机D13/D23的控制来驱动定位平台，伺服电机D13/D23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E做平面直线运动。无偏置的曲柄滑块机构驱动的直线运动简化了传动定位的中间环节，并且实现了由转动到直线移动的“零间隙”转换，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精密伺服电机(如根据定位精度等级、推力、行程等)。

本发明的一种串并联两坐标精密运动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，定位平台的两个驱动支链D1/D2的运动解耦、控制方式简单、工作空间连续。

本发明的一种串并联两坐标精密运动定位平台的所有部件均选用标准螺栓、螺钉固定安装，定位平台亦可单独整体使用，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。

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，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，可实现两驱动支链的完全解耦控制，使得电机的控制方式简单；采用了一种无偏置的曲柄滑块机构直接驱动的方式，驱动电机的选型范围广、成本低。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是一种串并联两坐标精密运动定位平台的结构构型原理图。

图2是一种串并联两坐标精密运动定位平台的立体结构图。

图3和图4是支撑平台组件A的立体结构图。

图5是直线轴承的立体结构图。

图6是驱动支链的立体结构图。

图7是联轴器的立体结构图。

图8是联轴器传动轴的零件图。

图9是驱动支链的第一转动关节的立体结构图。

图10是驱动支链的第二转动关节的立体结构图。

五、具体实施方式

本发明涉及一种串并联两坐标精密运动定位平台，该平台由支撑平台组件、第一直线轴承、第二直线轴承、基座、第一驱动支链、第二驱动支链、工作平台、第一连接铰耳和第二连接铰耳组成。

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是本发明的一种串并联两坐标精密运动定位平台的构型原理图。传统的两坐标定位平台多采用电机-丝杠-螺母的串联机构形式，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、速度和加速度的提高。采用并联机构则可以弥补串联机构的不足，但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。本发明采用了混联的方式弥补了串联和并联机构的不足，并兼顾了两者的优点，其中，运动定位平台的主体为一种完全解耦二自由度并联机构，两个驱动支链间的两个移动输入相互垂直，并联机构的动平台(即工作平台E)与支链的一个移动副(轴承体D13/D23)相连，支链的另一移动副通过连接铰耳F1/F2与移动输入(驱动支链D1/D2)相连，结构上本发明的运动定位平台驱动支链运动结构、结构紧凑、控制简单。L另外，驱动支链D1/D2采用的是一种无偏置的曲柄滑块机构，该机构可实现转动-移动的转换，并可增大整体并联机构工作的空间。

图2是本发明一种串并联两坐标精密运动定位平台的立体结构图，该平台由支撑平台组件A、第一直线轴承B1、第二直线轴承B2、基座C、第一驱动支链D1、第二驱动支链D2、工作平台E、第一连接铰耳F1和第二连接铰耳F2组成。两个驱动支链D1/D2正交放置在工作平台E的两侧，并固定安装在基座C上，两个驱动支链D1/D2为一种无偏置的曲柄滑块机构，曲柄D15/D25一端安装精密伺服电机D12/D22，摇杆D17/D27末端的第二转动关节D18/D28通过连接铰耳F1/F2与直线轴承B1/B2的轴承体B12/B22固连，连接铰耳F1/F2的回转中心与伺服电机D12/D22的回转中心偏置距离为零，直线轴承B1/B2固定在工作平台E上，工作平台E由支撑平台组件A支撑，支撑平台组件A固定在基座C上。

在运动方式上，通过驱动支链D1/D2端的精密伺服电机D12/D22带动曲柄D15/D25的旋转用以驱动摇杆D17/D27的往复摆动，摇杆D17/D27末端通过第二转动关节D18/D28和连接铰耳F1/F2与直线轴承组件B1/B2的轴承体B12/B22相连，直线轴承B1/B2与工作平台E相连，进而通过精密伺服电机D12/D22的转动，实现工作平台E的直线移动。直线轴承B1/B2由轴承座B11/B21、轴承体B12/B22和导杆B13/B23组成，轴承座B11/B21固定安装在工作平台E上，轴承体B12/B22与连接铰耳F1/F2相连。支撑平台组件A的中间部件是一个真空载荷空气轴承A5，工作平台E静止时，由安装在支撑板A1上的两组紧凑型气缸A6进行支撑；工作平台E运动时，为减小工作台E的运动摩擦，气缸A6排气卸压，工作台采用空气轴承A5支撑，空气轴承A5支撑面与工作台E底面间的空气间隙由安装在导向板A3上的涡流传感器A4检测，进行气压的反馈控制。

图3和图4是支撑平台组件A的立体结构图。本发明定位平台的支撑平台组件A由支撑板A1、连接螺柱A2、导向板A3、涡流传感器A4、空气轴承A5和气缸A6组成，空气轴承A5和气缸A6固定在支撑板A1上，涡流传感器A4固定在导向板A3上，支撑板A1和导向板A3由四个连接螺柱A2相连。支撑平台组件A在结构上处于工作平台E和基座C中间，主要对工作平台E起到低阻尼支撑作用。支撑平台组件A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A5，并根据空气轴承A5的特性参数(刚度、承载、尺寸等)，计算出空气轴承A5的承载间隙值，然后，调定四个紧凑型气缸A6的活塞杆的外伸长度，进行工作平台E的初始定位。

图5是直线轴承组件的立体结构图。直线轴承组件B1/B2由轴承座B11/B21、轴承体B12/B22和导杆B13/B23组成，轴承座B11/B21固定安装在工作平台E上，轴承体B12/B22与连接铰耳F1/F2相连。直线轴承组件B1/B2可选购成型产品，也可根据运动平台的实际要求进行自行设计，其主要作用起到了驱动支链D1/D2与工作平台E间力的传递、解耦运动的输出等。

图6是驱动支链的立体结构图，第一驱动支链D1及第二驱动支链D2均可采用图6所示的驱动支链。第一驱动支链D1由第一电机支座D11、第一连接法兰D12、第一精密伺服电机D13、第一联轴器D14、第一曲柄D15、第一转动关节D16、第一摇杆D17和第二转动关节D18组成，第一精密伺服电机D13通过第一连接法兰D12与第一电机支座D11相连，第一电机支座D11固定在基座C上，第一联轴器D14的一端与第一精密伺服电机D13的输出轴相连，第一联轴器D14的另一端与第一曲柄D15相连，第一曲柄D15和第一摇杆D17的一端通过第一转动关节D16相连，第一摇杆D17的另一端与第二转动关节D18相连，第二转动关节D18与第一连接铰耳F1相连。第二驱动支链D2由第二电机支座D21、第二连接法兰D22、第二精密伺服电机D23、第二联轴器D24、第二曲柄D25、第三转动关节D26、第二摇杆D27和第四转动关节D28组成，第二精密伺服电机D23通过第二连接法兰D22与第二电机支座D21相连，第二电机支座D21固定在基座C上，第二联轴器D24的一端与第二精密伺服电机D23相连，第二联轴器D24的另一端与第二曲柄D25相连，第二曲柄D25和第二摇杆D27通过第三转动关节D26相连，第二摇杆D27的另一端与第四转动关节D28相连，第四转动关节D28与第二连接铰耳F2相连。

图7是联轴器D14/D24的立体结构图。第一联轴器D14及第二联轴器D24都可以采用图7所示的联轴器，所述的联轴器D14/D24由左轴套D141/D241、螺栓D142/D242、右轴套D143/D243、传动键D144/D244、传动轴D145/D245、套筒D146/D246和垫圈D147/D247组成。具体连接方式是精密伺服电机D13/D23的输出轴与联轴器D14/D24的左轴套D141/D241通过平键连接进行运动和力的传递，左轴套D141/D241与右轴套D143/D243通过螺栓D142/D242连接，传动轴D145/D245通过传动键D1451/D2451与右轴套D143/D243相连，传动轴D145/D245通过传动键D144/D244与曲柄D15/D25相连，套筒D146/D246和垫圈D147/D247进行曲柄D15/D25在传动轴D145/D245上的轴向定位。

图8是联轴器D14/D24传动轴D145/D245的零件图。传动轴D145/D245由传动键D1451/D2451和传动轴体D1452/D2452组成。传动轴D145/D245主要进行精密伺服电机D13/D23运动和力的传递。

图9是驱动支链的第一/第三转动关节D16/D26的立体结构图。第一/第三转动关节D16/D26由螺栓D161/D261、轴承盖D162/D262、传动轴D163/D263和套筒D164/D264组成。具体连接方式是轴承盖D162/D262通过螺栓D161/D261与曲柄D15/D25固连，传动轴D163/D263两端装有滚动轴承，并由轴承盖D162/D262与套筒内D164/D264轴向定位，摇杆D17/D27安装在传动轴D163/D263上，并由套筒D64轴向定位。

图10是驱动支链D1/D2的第二/第四转动关节D18/D28的立体结构图。第二/第四转动关节D18/D28由传动轴D181/D281、轴承盖D182/D282、垫圈D183/D283、螺栓D184/D284、轴承D185/D285组成。具体连接方式是传动轴D181/D281两端与连接铰耳F通过螺栓D184/D284固连，传动轴D181/D281中间装有轴承D185/D285，轴承D185/D285外套接摇杆D17/D27固连，两端通过轴承盖D182/D282和垫圈D183/D282轴向定位。

定位平台E启动时，先由控制系统发指令，气源驱动空气轴承A5，同时发电信号到涡流传感器A4，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A6排气卸压，活塞杆缩回，控制系统驱动精密伺服电机D13/D23带动驱动支链动作，进而驱动工作平台E做平面运动。

定位平台E停止时，先由控制系统发指令，气源驱动气缸A6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A5卸压，涡流传感器A4停止气隙检测。

本发明的一种串并联两坐标精密运动定位平台所涉及的一些部件如空气轴承A5、直线轴承部件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。

本发明的一种串并联两坐标精密运动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 (4)

1.一种串并联两坐标精密运动定位平台，其特征在于该平台由支撑平台组件(A)、第一直线轴承(B1)、第二直线轴承(B2)、基座(C)、第一驱动支链(D1)、第二驱动支链(D2)、工作平台(E)、第一连接铰耳(F1)和第二连接铰耳(F2)组成，第一、第二驱动支链(D1、D2)以正交的方式分别通过第一连接铰耳(F1)、第一直线轴承(B1)和第二连接铰耳(F2)、第二直线轴承(B2)与工作平台(E)连接，所述的第一驱动支链(D1)与第一连接铰耳(F1)连接，第一连接铰耳(F1)与第一直线轴承(B1)中的第一轴承体(B12)连接，第一直线轴承(B1)中的第一轴承座(B11)与工作平台(E)连接，第二驱动支链(D2)与第二连接铰耳(F2)连接，第二连接铰耳(F2)与第二直线轴承(B2)中的第二轴承体(B22)连接，第二直线轴承(B2)中的第二轴承座(B21)与工作平台(E)连接，工作平台(E)由支撑平台组件(A)支撑，支撑平台组件(A)和第一、第二驱动支链(D1、D2)均固定在基座(C)上。

2.根据权利要求1所述的串并联两坐标精密运动定位平台，其特征在于支撑平台组件(A)由支撑板(A1)、连接螺柱(A2)、导向板(A3)、涡流传感器(A4)、空气轴承(A5)和气缸(A6)组成，空气轴承(A5)和气缸(A6)固定在支撑板(A1)上，涡流传感器(A4)安装在导向板(A3)上，支撑板(A1)和导向板(A3)通过所述的连接螺柱(A2)相连，在导向板(A3)上设有导向窗口，导向窗口位于空气轴承(A5)的上方，在导向板(A3)上设有供气缸(A6)活塞杆进出的导向孔。

3.根据权利要求1所述的串并联两坐标精密运动定位平台，其特征在于第一驱动支链(D1)由第一电机支座(D11)、第一连接法兰(D12)、第一精密伺服电机(D13)、第一联轴器(D14)、第一曲柄(D15)、第一转动关节(D16)、第一摇杆(D17)和第二转动关节(D18)组成，第一精密伺服电机(D13)通过第一连接法兰(D12)与第一电机支座(D11)相连，第一电机支座(D11)固定在基座(C)上，第一联轴器(D14)的一端与第一精密伺服电机(D13)的输出轴相连，第一联轴器(D14)的另一端与第一曲柄(D15)相连，第一曲柄(D15)和第一摇杆(D17)的一端通过第一转动关节(D16)相连，第一摇杆(D17)的另一端与第二转动关节(D18)相连，第二转动关节(D18)与第一连接铰耳(F1)相连。

4.根据权利要求1所述的串并联两坐标精密运动定位平台，其特征在于第二驱动支链(D2)由第二电机支座(D21)、第二连接法兰(D22)、第二精密伺服电机(D23)、第二联轴器(D24)、第二曲柄(D25)、第三转动关节(D26)、第二摇杆(D27)和第四转动关节(D28)组成，第二精密伺服电机(D23)通过第二连接法兰(D22)与第二电机支座(D21)相连，第二电机支座(D21)固定在基座(C)上，第二联轴器(D24)的一端与第二精密伺服电机(D23)的输出轴相连，第二联轴器(D24)的另一端与第二曲柄(D25)相连，第二曲柄(D25)和第二摇杆(D27)通过第三转动关节(D26)相连，第二摇杆(D27)的另一端与第四转动关节(D28)相连，第四转动关节(D28)与第二连接铰耳(F2)相连。

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