CN105759389B - 具有平衡装置的大负载单端驱动移动平台 - Google Patents

Abstract

具有平衡装置的大负载单端驱动移动平台，涉及一种大负载单端驱动移动平台。解决了现有单侧驱动易造成机构偏载，上升和下降过程中机构形变不同，影响设备的运行精度或安装过程中误差过大，会导致元件卡死在两侧导轨之间，造成设备损坏的问题。本发明的两个气缸结构的浮动接头的下端固定在承载框体的下边框的上表面，且浮动接头的上端与低摩擦力气缸杆螺纹连接，低摩擦力气缸杆在低摩擦力气缸体内做活塞运动，低摩擦力气缸体顶端穿过龙门横板与双耳环座固定链接，双耳环结构安装在龙门肋板上，双耳环结构(11)与双耳环座(12)之间通过气缸铰链轴铰接，实现相对旋转。本发明适用于作为单端驱动形成装置使用。

Description

具有平衡装置的大负载单端驱动移动平台

技术领域

本发明涉及一种大负载单端驱动移动平台。

背景技术

在大口径曲面光学元件表面微缺陷检测与激光修复系统中，采用垂直放置的二维大行程移动平台，竖直(Y轴)方向的电机需带动光学元件在竖直方向上做直线运动。Y轴所负载的零件包括光学元件、光学元件夹具、夹具承载框体以及相关附件。其中光学元件重量在1Kg～80Kg，夹具重7Kg，承载框体重40Kg，因此Y轴的总负载量在48Kg～127Kg。

在大口径曲面光学元件修复设备中，虽然在该设备中采用双端支撑，承载框体两侧分别安装在两根导轨上，但由于该设备中采用单侧电机驱动，造成以下三个问题：1)单端驱动造成机构偏载，机构上升和下降的过程中，导轨和承载框体产生变形，未加负载端会产生较大的偏移，严重地影响设备的定位精度；2)偏载较大，电机长时间处在大电流工况下，严重地影响导轨和电机的使用寿命；3)由于机构偏载，若安装误差较大，导致整个元件框体卡死在两侧导轨之间，严重时造成设备损坏。

为解决大负载偏载的问题，现有以下两种解决方案：一是采用双电机驱动，但增加了一个电机会相应的增加成本，并且需要解决两个电机不同步的现象；二是采用同步带等机械结构，将单个电机的运动传递到两侧的导轨上，虽然有效地解决了两侧导轨运动同步问题，但因加入了机械传动环节，精度控制难度增加，且结构较为复杂，占用空间大，造成设备庞大。

发明内容

本发明是为了解决现有单侧驱动易造成机构偏载，上升和下降过程中机构形变不同，影响设备的运行精度或安装过程中误差过大，会导致元件卡死在两侧导轨之间，造成设备损坏的问题，提出了一种具有平衡装置的大负载单端驱动移动平台。

本发明所述的具有平衡装置的大负载单端驱动移动平台，它包括龙门架、Y轴运动单元、承载框体2和平衡装置；

龙门架包括两根立柱1、顶盖13、龙门竖板15、龙门横板14和龙门肋板10；

两根立柱1和龙门横板14构成龙门架结构，龙门横板14的两个长边的上表面固定有两块龙门竖板15，所述龙门竖板15为梯形板，顶盖13为下侧开口的U型框，两块龙门竖板15、顶盖13和龙门横板14围成密闭结构；

Y轴运动单元包括两根Y轴运动导轨6和Y轴伺服电机7；

两根Y轴运动导轨6分别固定在两根立柱1的内侧，两根Y轴运动导轨6的内侧均固定有导轨滑台，Y轴伺服电机7带动其中一根Y轴运动导轨6上下移动，承载框体2的左右两个边框均固定在两根Y轴运动导轨6的导轨滑台上；

平衡装置包括两个气缸结构，每个气缸结构均包括浮动接头3、低摩擦力气缸杆4、低摩擦力气缸体5、气缸铰链轴9、双耳环结构11和双耳环座12；两个气缸结构的浮动接头3的下端均固定在承载框体2的下边框的上表面，且浮动接头3的上端与低摩擦力气缸杆4螺纹连接，低摩擦力气缸杆4在低摩擦力气缸体5内做活塞运动，低摩擦力气缸体5顶端穿过龙门横板14与双耳环座12固定链接，双耳环结构11安装在龙门肋板10上，双耳环结构11与双耳环座12之间通过气缸铰链轴9铰接，实现相对旋转。

本发明在框体上对称安装两根低摩擦系数气缸，气缸体一端与固定在运动框体上的浮动接头相连接，另一端通过铰链与龙门基体相连，并且双气缸并联连接保证气缸同步运动。可以在本发明所述的低摩擦力气缸杆的供气端安装大流量精密调压阀通过调节调压阀的旋钮，提供不同大小的气压，用于平衡相应的负载。设备工作时，框体在垂直方向上运动，这通过浮动接头与框体相连的气缸杆会随着框体上下运动，为框体提供恒定而稳定的平衡力。为机构在垂直方向上运动过程中提供同步且恒定的平衡力，减轻电机负载，提高设备的运行精度。

附图说明

图1为本发明所述具有平衡装置的大负载单端驱动移动平台的结构示意图；

图2为平衡装置顶端与龙门肋板连接部分结构示意图；

图3为现有大负载单端驱动移动平台的驱动原理图；

图4为本发明所述具有平衡装置的大负载单端驱动移动平台原理图；

图5为承载框体上升过程中受力图；

图6为气缸径为40mm的单根气缸的理论输出力曲线图；

图7为气缸直径分别32mm、40mm和50mm时气缸负载与速度曲线图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述的具有平衡装置的大负载单端驱动移动平台，它包括龙门架、Y轴运动单元、承载框体2和平衡装置；

龙门架包括两根立柱1、顶盖13、龙门竖板15、龙门横板14和龙门肋板10；

两根立柱1和龙门横板14构成龙门架结构，龙门横板14的两个长边的上表面固定有两块龙门竖板15，所述龙门竖板15为梯形板，顶盖13为下侧开口的U型框，两块龙门竖板15、顶盖13和龙门横板14围成密闭结构；

Y轴运动单元包括两根Y轴运动导轨6和Y轴伺服电机7；

两根Y轴运动导轨6分别固定在两根立柱1的内侧，两根Y轴运动导轨6的内侧均固定有导轨滑台，Y轴伺服电机7带动其中一根Y轴运动导轨6上下移动，承载框体2的左右两个边框均固定在两根Y轴运动导轨6的导轨滑台上；

平衡装置包括两个气缸结构，每个气缸结构均包括浮动接头3、低摩擦力气缸杆4、低摩擦力气缸体5、气缸铰链轴9、双耳环结构11和双耳环座12；两个气缸结构的浮动接头3的下端均固定在承载框体2的下边框的上表面，且浮动接头3的上端与低摩擦力气缸杆4螺纹连接，低摩擦力气缸杆4在低摩擦力气缸体5内做活塞运动，低摩擦力气缸体5顶端穿过龙门横板14与双耳环座12固定链接，双耳环结构11安装在龙门肋板10上，双耳环结构11与双耳环座12之间通过气缸铰链轴9铰接,实现相对旋转。

具体实施方式二、本实施方式是对具体实施方式一所述的具有平衡装置的大负载单端驱动移动平台的进一步说明，两个气缸结构沿承载框体2竖直方向的中心对称设置。

如图3和图4所示，为该机构增加平衡装置前后的机械原理图，未加双气缸平衡装置的状况如图3所示，采用双端支撑单边驱动的形式，滚珠丝杠带动框体在直线导轨上做垂直方向上的直线运动，光学元件夹具和光学元件放置在框体上，随框体运动。由于摩擦和负载的存在，在运动的过程中会产生不同程度的形变，框体也会有不同程度的倾斜。相比较而言，上升过程中其形变较大，工况较差，因此针对上升运动进行分析，如图5所示，框体上升过程中受力图。

为保证框体能够上升，且能做加减速运动，可得式(1)：

F≥W+μ(P_a+P_b) (1)

再由框体的平衡方程，可得式(2)和(3)：

P_a-P_b＝0 (2)

式中：

F—滚珠丝杠提供的上升力；

W—负载；

P_a—导轨对框体左侧的反作用力；

P_b—导轨对框体右侧的反作用力；

μ—摩擦系数；

s—上升力F作用点与导轨的距离；

h—导轨与框体的接触长度；

L—框体宽度；

若令表示上升力F的作用点偏离框体中心的距离，则由式(1)、(2)和(3)可得式(4)：

F(h-2μe)≥hW (4)

即为保证上升运行顺利，需满足式(4)。在h、e、μ参数确定的情况下，为使电机的在较好的工况下运行，其提供的上升力F应尽量小。

为了使上升力F应尽量小，由式(4)可知，需将负载W用气缸平衡。用气缸作平衡装置时，需要将平衡气缸的数量以及作用位置进行确定。为了保证气缸动作的一致性，应尽量减少气缸的数量。

当平衡气缸数量为一个时，为平衡负载又不增加对框体中心O的转矩，气缸的平衡力应过框体中心O点处，与负载W大小相等，方向相反。由于承载框体内部需要安装光学元件随行夹具，气缸末端的浮动接头只能安装在承载框体的上部，这样Y轴就需要增加气缸缸体长度，造成设备庞大，不宜采取。

当平衡气缸数量为两个时，为平衡负载又不增加对框体中心O的转矩，气缸应关于框体中心O所在中心线对称布置，如图4所示，气缸末端的浮动接头安装在承载框体下部，气缸收缩时缸体会嵌入在承载框体内部，不会额外增加设备的体积，可采取。

如图6所示，为缸径为40mm的单根气缸的理论输出力图，由于该设备中垂直方向只需步进运动，对于中间过程的运动不做要求，故无需在气缸的有杆腔和无杆腔都添加压力伺服阀进行精确压力伺服控制，仅在出力缸前安装带溢流阀的大流量精密调压阀即可，始终保持出力缸中的压力与重力平衡。本设备气缸是通过有杆腔的压力进行配重，需根据缩回曲线，选取压力0.01MPa～1.0MPa，此时单根气缸理论输出力为1.077kg～107.7kg，两根气缸输出力2.154kg～215.4kg，而Y轴的总负载量在48kg～127kg，因此可根据不同负载适当调节气缸压力。

根据双气缸负载在48kg～127kg，那么单根气缸负载在24kg～63.5kg，根据图7气缸负载与速度曲线图可得，缸径为40的低摩擦力气缸速度可达到400mm/s～700mm/s，完全满足垂直方向上达到30mm/s的速度要求。

双气缸平衡装置主要是对原有龙门结构的改进，在框体下板18和龙门肋板10之间对称安装两根低摩擦系数气缸，并选择合适的气压，用于平衡负载，使得该轴在垂直方向运动时仅需克服机构的摩擦力。

具体实施方式三、本实施方式是对具体实施方式一或二所述的具有平衡装置的大负载单端驱动移动平台的进一步说明，气缸铰链轴的两端上开有挡圈槽，所述挡圈槽内安装有挡圈。

低摩擦气缸体的尾部固连双耳环，双耳环通过铰链轴与双耳环座相连，实现相对转动。铰链轴两端对称开有两个挡圈槽，用于安装轴端挡圈，防止铰链轴出现轴向移动。双耳环座通过四根内六角圆柱头螺钉固连在龙门肋板上。低摩擦气缸杆头部螺纹孔旋入浮动接头一端，并与之固定连接，浮动接头另一端旋入框体下板的螺纹孔内，并通过六角螺母将其锁紧在框体下板上。浮动接头的两端通过球铰链相连，有三个自由度，保护低摩擦气缸在负载工作时不受径向力，防止气缸漏气造成输出力不稳定，提高设备运行的稳定性和精度。

具体实施方式四、本实施方式是对具体实施方式一所述的具有平衡装置的大负载单端驱动移动平台的进一步说明，浮动接头3采用具有三个自由度的浮动接头。

本发明用于解决垂直方向上单端驱动所带来的问题。在框体上对称安装两根低摩擦系数气缸，气缸体一端与固定在运动框体上的浮动接头相连接，另一端通过铰链与龙门基体相连，并且双气缸并联连接保证气缸同步运动。在供气端安装大流量精密调压阀，通过调节调压阀的旋钮，提供不同大小的气压，用于平衡相应的负载。设备工作时，框体在垂直方向上运动，这通过浮动接头与框体相连的气缸杆会随着框体上下运动，为框体提供恒定而稳定的平衡力。

本发明的优点：

(1)本发明所述装置采用的对称安装的双气缸平衡装置的方式，可提供2.154kg～215.4kg的平衡力，极大地增加了该装置的负载能力，同时对称安装，可将气缸深入到承载框体内部，减小装置的尺寸；

(2)本发明所述装置的气缸末端安装具有三个自由度的浮动接头，保证在垂直方向运动过程中气缸不受径向力，降低漏气的可能性，提供平稳恒定的输出力；

(3)本发明所述装置采用单向输出提供平衡力，不进行气压换向，对机构没有瞬间冲击，保证机构的稳定性，提高控制精度；

(4)本发明所述装置采用大流量精密调压阀调节压力，可提供不同的平衡力，保证设备在不同负载下均可正常工作，同时提供恒定压力，保证气源稳定不产生波动，提高运动精度；

(5)本发明所述装置采用的低摩擦气缸直径为40mm，工作行程为550mm，工作气压0.01～1.0MPa，工作速度50～1000mm/s。

Claims (4)

1.具有平衡装置的大负载单端驱动移动平台，其特征在于，它包括龙门架、Y轴运动单元、承载框体(2)和平衡装置；

龙门架包括两根立柱(1)、顶盖(13)、龙门竖板(15)、龙门横板(14)和龙门肋板(10)；

两根立柱(1)和龙门横板(14)构成龙门架结构，龙门横板(14)的两个长边的上表面固定有两块龙门竖板(15)，所述龙门竖板(15)为梯形板，顶盖(13)为下侧开口的U型框，两块龙门竖板(15)、顶盖(13)和龙门横板(14)围成密闭结构；

Y轴运动单元包括两根Y轴运动导轨(6)和Y轴伺服电机(7)；

两根Y轴运动导轨(6)分别固定在两根立柱(1)的内侧，两根Y轴运动导轨(6)的内侧均固定有导轨滑台，Y轴伺服电机(7)带动其中一根Y轴运动导轨(6)上下移动，承载框体(2)的左右两个边框均固定在两根Y轴运动导轨(6)的导轨滑台上；

平衡装置包括两个气缸结构，每个气缸结构均包括浮动接头(3)、低摩擦力气缸杆(4)、低摩擦力气缸体(5)、气缸铰链轴(9)、双耳环结构(11)和双耳环座(12)；两个气缸结构的浮动接头(3)的下端均固定在承载框体(2)的下边框的上表面，且浮动接头(3)的上端与低摩擦力气缸杆(4)螺纹连接，低摩擦力气缸杆(4)在低摩擦力气缸体(5)内做活塞运动，低摩擦力气缸体(5)顶端穿过龙门横板(14)与双耳环座(12)固定链接，双耳环结构(11)安装在龙门肋板(10)上，双耳环结构(11)与双耳环座(12)之间通过气缸铰链轴(9)铰接,实现相对旋转。

2.根据权利要求1所述的具有平衡装置的大负载单端驱动移动平台，其特征在于，两个气缸结构沿承载框体(2)竖直方向的中心对称设置。

3.根据权利要求1或2所述的具有平衡装置的大负载单端驱动移动平台，其特征在于，气缸铰链轴的两端上开有挡圈槽，所述挡圈槽内安装有挡圈。

4.根据权利要求1所述的具有平衡装置的大负载单端驱动移动平台，其特征在于，浮动接头(3)采用具有三个自由度的浮动接头。