CN106002312B - 一种单驱动刚柔耦合精密运动平台及其实现方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单驱动刚柔耦合精密运动平台，包括机座、直线导轨、刚柔耦合运动平台、直线驱动器及位移传感器，其中刚柔耦合平台包括刚性框架、柔性铰链和核心运动平台；所述刚柔耦合平台的核心运动平台通过柔性铰链与所述刚性框架连接。如此设置，本发明公开的单驱动刚柔耦合精密运动平台，其能够实现平台的高精度连续变化位移，避免了加速度突变导致的位移“抖动”。本发明还公开了一种包括上述平台的实现方法及应用。

Description

一种单驱动刚柔耦合精密运动平台及其实现方法及应用
技术领域
本发明涉及电机驱动技术，更具体的涉及一种单驱动刚柔耦合精密运动平台及其实现方法及应用。
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变化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。
如何降低在启动、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是影响高速精密运动平台执行精度的重要问题。针对上述问题，目前存在如下解决方案：
1.建立精确的摩擦力模型，采用运动控制驱动力补偿的方式。
2.采用无摩擦或低摩擦的运动副设计，例如采用气浮轴承、磁悬浮轴承或微进给平台的柔性铰链等结构设计。
由于运动副之间的接触面微观特性差异与制造误差等因素，很难建立高度精确的摩擦力模型，导致运动控制系统中需要采用复杂的补偿控制方法。
气浮轴承或磁悬浮轴承等低摩擦运动副的实施成本较高，限制了其使用范围。
柔性铰链作为一种无外摩擦运动副，依靠弹性变形来实现连续高精度的运动。由于工作原理的限制，柔性铰链运动副主要适用于微小行程的运动。在大行程运动场合中，柔性铰链往往会与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，进而对大范围运动进行补偿。
专利201410696217.0提出了一种直线电机共定子双驱动宏微一体化高速精密运动一维平台。所提出的宏微运动平台的宏动外框架和微动平台分别与两组直线电机动子连接。其中宏动外框架与微动平台之间通过柔性铰链连接，所述宏动外框架在对应直线电机动子的驱动下实现大行程的宏运动，所述微动平台在对应的直线电机动子的驱动下来动态补偿上述宏运动的运动偏差。利用上述宏微复合运动原理来实现大行程高精度的运动。由于所述运动平台中微动平台采用了无摩擦的柔性铰链运动副设计，实现了定位过程中的连续位移变化。专利201410696217.0所提出的运动平台存在的主要缺点有：(1)由于采用了宏微复合控制，运动平台的宏动平台和微动平台分别需要各自的驱动器及位移传感器来组成反馈系统，成本较高；(2)控制系统中需要考虑宏运动和微运动的切换控制，控制系统较为复杂；(3)平台中运动部分的质量较大，不利于在高加速等大惯性影响的场合中使用；(4)宏动平台的反馈控制系统仍要考虑定位阶段的摩擦状态影响，以确保定位过程中宏动平台的位移偏差小于柔性铰链运动副的极限变形范围。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是实现电机驱动平台的简化控制和结构优化，具体来说，本发明提供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。
本发明提供的单驱动刚柔耦合精密运动平台，包括机座、直线导轨、刚柔耦合运动平台、直线驱动器及位移传感器，其中刚柔耦合平台包括刚性框架、柔性铰链和核心运动平台；
所述刚柔耦合平台的核心运动平台通过柔性铰链与所述刚性框架连接；
所述刚柔耦合平台的核心运动平台与直线驱动器连接，所述刚性框架通过导轨滑块与固定在所述机座上的所述直线导轨连接，所述核心运动平台在所述直线驱动器作用下带动所述柔性铰链弹性变形，并通过柔性铰链带动所述刚性框架在所述直线导轨长度方向上自由运动；
所述位移传感器与所述核心运动平台连接，用于测量核心运动平台在运动方向上的位移。
优选地，所述直线驱动器为音圈电机或直线电机。
优选地，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。
优选地，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。
优选地，所述刚柔耦合运动平台为一体式加工制造。
优选地，所述柔性铰链为直梁型或切口型柔性铰链。
本发明还提供了一种单驱动刚柔耦合精密运动平台实现方法，本方法利用上述单驱动刚柔耦合精密运动平台实现，包括下述步骤：
1)直线驱动器直接驱动核心运动平台，在驱动力未能客服刚性框架静摩擦时，核心运动平台通过柔性铰链的弹性变形产生微小位移，实现精密微进给；
2)当直线驱动器驱动力加大时，克服了摩擦力，带动刚性框架运动，而此时弹性变形增大，进入限位状态，所有的驱动力传递到刚性框架进行高速运动；
3)当平台减速时，核心运动平台先制动，通过柔性铰链带动刚性框架制动，之后切换至另一限位装置和阻尼，衰减振动能量。
本发明还提供了一种单驱动刚柔耦合精密运动平台的应用，所述单驱动刚柔耦合精密运动平台应用在大行程精密加工设备上，并采用了上述单驱动刚柔耦合精密运动平台作为电机驱动平台。
相应的，本发明还提供了一种单驱动刚柔耦合精密运动平台的应用实现方法，本方法用于大行程精密加工设备，并利用上述单驱动刚柔耦合精密运动平台实现方法实现电机驱动。
本发明的有益效果：
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)运动平台采用了单驱动闭环控制系统，所采用的驱动器和传感器都连接在所述核心运动平台上，控制系统设计简单，可靠性更高。
4)运动平台采用较为紧凑的设计，相对于宏微复合运动平台而言可以实现更小的运动质量，更有利于在高加速等场合中的应用。
附图说明
图1为本发明所述刚柔耦合运动平台的工作原理示意图；
图2为本发明的实施例A示意图；
图3为本发明的实施例A局部剖切放大示意图；
图4为本发明的实施例A前剖视图及局部放大图；
图5为本发明的实施例B示意图；
图6为本发明的实施例B局部剖切放大示意图；
图7为本发明的实施例B前剖视图及局部放大图；
图8为本发明的实施例C示意图；
图9为本发明的实施例C局部剖切放大示意图；
图10为本发明的1um精密微进给实验数据曲线图；
图11为本发明的100mm的快速定位实验数据曲线图；
序号说明：
直线导轨1、刚性框架201、核心运动平台202、柔性铰链203、阻尼器3；
直线导轨A101、直线导轨滑块A102、运动平台刚性框架A201、核心运动平台A202、柔性铰链A203、阻尼装置A3、机座A4、直线电机动子A501、直线电机定子A502、光栅位移传感器A6、直线轴承衬套A701、光轴A702；
直线导轨B101、直线导轨滑块B102、运动平台刚性框架B201、核心运动平台B202、柔性铰链B203、阻尼装置B3、机座B4、直线电机动子B501、直线电机定子B502、光栅位移传感器B6、磁性块I B701、磁性块II B702；
交叉滚子直线导轨C1、运动平台刚性框架C201、核心运动平台C202、柔性铰链C203、动子连接件C301、机座C4、防撞块C6、音圈电机动子C501、音圈电机定子C502、光栅位移传感器C7、阻尼装置C8。
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。
本发明所提出的运动平台的一个实施例A如下：
如图1至图3所示，运动平台主要由机座A4、直线导轨A101、导轨滑块A102、刚性框架A201、核心运动平台A202、柔性铰链A203、光栅位移传感器A6及直线电机驱动器等组成。其中，刚性框架A201与核心运动平台A202之间通过柔性铰链A203运动副连接，刚性框架A201通过直线导轨运动副与机座A4连接。
所述直线电机驱动器由直线电机动子A501及直线电机定子A502组成。其中，直线电机动子A501与所述核心运动平台A202连接，所述直线电机动子A501可以在电磁力作用下对核心运动平台A202施加驱动力。所述驱动力可以使柔性铰链A203发生弹性变形，并进而使所述核心运动平台A202产生沿导轨长度方向的直线位移。所述柔性铰链A203的弹性变形反作用力可以用于克服所述刚性框架A201所连接的直线导轨运动副间的摩擦力，当柔性铰链A203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A201将由静止状态转为运动状态。
所述核心运动平台A202的位移可以分为两种情况：a.当柔性铰链A203的弹性变形力小于所述运动副的静摩擦力等阻力时，所述核心运动平台A202的位移为所述柔性铰链A203运动副的弹性变形量；b.当柔性铰链A203的弹性变形力大于所述运动副的静摩擦力等阻力时，所述核心运动平台(A202)的位移为所述柔性铰链A203运动副的弹性变形量与所述刚性框架A201的刚性位移的叠加。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”。所述柔性铰链A203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A202的刚性冲击。在上述任意情况下，所述核心运动平台A202都可以依靠柔性铰链A203的弹性变形来实现连续位移变化，规避摩擦“爬行”情况对运动定位精度的影响。
所述光栅位移传感器A6与所述核心运动平台A202连接，可以实时测量所述核心运动平台A202在任意情况下的位移。所述光栅位移传感器A6的位移测量可以作为反馈环节与直线电机驱动器等形成闭环控制系统，实现所述核心运动平台A202的高精度运动定位。
当所述运动平台处于高加速度等情况时，所述直线电机驱动器通过所述核心运动平台A202作用在所述柔性铰链A203驱动力容易导致所述柔性铰链A203的变形量超出极限弹性变形量。当所述柔性铰链A203的弹性变形量超出极限时，所述核心运动平台A202将与所述刚性框架A201发生接触，并构成整体刚性运动平台。在所述核心运动平台A202与所述刚性框架A201之间设置有阻尼装置A3，用于缓解所述核心运动平台A202将与所述刚性框架A201的接触冲击力。
如图3及图4所示，为提高所述核心运动平台A202的承载能力，在所述刚性框架A201与所述核心运动平台A202之间设置有直线轴承单元。其中，在刚性框架A201的两支撑端之间设置有光轴A702，所述核心运动平台A202上安装有直线轴承衬套A701。所述直线轴承衬套A701的运动自由度限制在所述光轴A702长度方向。安装在所述刚性框架A201上的光轴A702与安装在所述核心运动平台A202上的直线轴承衬套A701共同构成刚度增强单元，用于提高所述核心运动平台A202的承载能力。
本发明所提出的运动平台的一个实施例B如下：
如图5和图6所示，实施例B中的运动平台的结构设计与运动原理与实施例B相同。运动平台主要由机座B4、直线导轨B101、导轨滑块B102、刚性框架B201、核心运动平台B202、柔性铰链B203、光栅位移传感器B6及直线电机驱动器等组成。其中，刚性框架B201与核心运动平台B202之间通过柔性铰链B203运动副连接，刚性框架B201通过直线导轨运动副与机座B4连接。所述直线电机驱动器由直线电机动子B501及直线电机定子B502组成。其中，直线电机动子B501与所述核心运动平台B202连接，所述直线电机动子B501可以在电磁力作用下对核心运动平台B202施加驱动力。在所述核心运动平台B202与所述刚性框架B201之间设置有阻尼装置B3，用于缓解所述核心运动平台B202将与所述刚性框架B201的接触冲击力。
相对于实施例A，实施例B的主要变化点在于进一步改进了实施例A中提高所述核心运动平台承载能力所采用的刚度增强单元设计。
如图6和图7所示，所述刚性框架B201上设置有磁性块II B702，所述核心运动平台B202上设置有磁性块I B701。所述磁性块II B702在平台运动过程中始终位于所述磁性块IB701中间。所述磁性块II B702与所述磁性块IB701的上部相对面上采用相同的磁极极性，所述磁性块II B702与所述磁性块I B701的下部相对面上也采用相同的磁极极性。利用上述磁极布置方式，所述磁性块II B702将被所述磁性块I B701导致的磁性斥力约束在所述磁性块II B702之间，并进而提高所述核心运动平台B202的承载能力。所述磁性块II B702与磁性块I B701共同构成非接触式的刚度增强单元。
本发明所提出的运动平台的一个实施例C如下：
如图8和图9所示，运动平台主要由机座C401、交叉滚子直线导轨C1、刚性框架C201、核心运动平台C202、柔性铰链C203、光栅位移传感器C7、音圈电机等组成。其中，刚性框架C201与核心运动平台C202之间通过柔性铰链C203运动副连接，刚性框架C201通过直线导轨运动副与机座C401连接。
所述音圈电机驱动器由音圈电机动子C501及直音圈电机定子C502组成。其中，音圈电机动子C501通过动子连接件C3与所述核心运动平台C202连接。所述音圈电机动子C501可以在电磁力作用下对核心运动平台C202施加驱动力。所述驱动力可以使柔性铰链C203发生弹性变形，并进而使所述核心运动平台C202产生沿导轨长度方向的直线位移。所述柔性铰链C203的弹性变形反作用力可以用于克服所述刚性框架A201所连接的直线导轨运动副间的摩擦力，当柔性铰链C203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C201将由静止状态转为运动状态。
所述核心运动平台C202的位移情况可分为与实施例A相同的两种情况，所采用的规避摩擦“爬行”影响的方法也与实施例A相同。
所述光栅位移传感器C7与所述核心运动平台C202连接，可以实时测量所述核心运动平台C202在任意情况下的位移。所述光栅位移传感器C7的位移测量可以作为反馈环节与音圈电机驱动器等形成闭环控制系统，实现所述核心运动平台C202的高精度运动定位。
当所述运动平台处于高加速度等情况时，所述音圈电机驱动器通过所述核心运动平台C202作用在所述柔性铰链C203驱动力容易导致所述柔性铰链C203的变形量超出极限弹性变形量。当所述柔性铰链C203的弹性变形量超出极限时，所述核心运动平台C202将与所述刚性框架C201发生接触，并构成整体刚性运动平台。在所述核心运动平台C202与所述刚性框架C201之间设置有阻尼装置C8，用于缓解所述核心运动平台C202将与所述刚性框架C201的接触冲击力。
为了说明本发明的实施效果，给出了1um微位移进给和100mm快速定位两个案例。比较了普通平台(静摩擦系数0.2,动摩擦系数0.15)，本实施案例的低摩擦(摩擦系数是普通平台的1/10)和无摩擦方案。
表1精密微进给(1um)运动精度比较
从表1可以看到，在精密微进给时，由于摩擦作用，普通平台的实际位移只有0.44484um，与目标偏差为-56.616％。采用本发明低摩擦刚弹耦合宏微复合平台，核心平台弹性变形位移为0.92547um，与目标的偏差为-7.453％，刚性框架的位移仅为0.05071um。采用本发明无摩擦刚弹耦合宏微复合平台，核心平台弹性变形位移为0.98611um，与目标的偏差为-1.389％，刚性框架的位移仅为0.010593um。
可以看到，在精密微进给时，由于摩擦作用，产生很大的定位误差。而通过本方案的刚弹运动耦合，低摩擦或无摩擦的弹性变形产生微小位移，实现精密微进给。
图11.a所示为行程100mm的快速定位案例。由于摩擦，当驱动力很小时，滑块处于静止状态，直到驱动力大于静摩擦，才开始运动(图11.b)。在制动过程中，驱动力先作用到核心平台上，降低平台的运动速度，再通过柔性铰链作用到刚性框架上，因此核心平台先于刚性框架制动。当刚性框架速度接近0时，进入摩擦四驱，这时候，核心平台通过柔性铰链变形的微进给完成误差补偿(图11.c)。
表2100mm行程定位精度比较
从表2可以看到，对于有摩擦普通平台，静态位置为99.9968mm，误差-0.0032％。通过低摩擦弹性变形复合后，定位精度达到99.9992mm，误差-0.0008％。当弹性补偿无摩擦时，实际位移99.9996，相对误差-0.0004％，定位精度亚微米级。
综上所述，由于核心平台通过柔性铰链与刚性框架连接，当驱动力不足于克服摩擦时，核心平台通过柔性铰链发生变形，产生位移，因而实现快速启动。当高速运行时至停止时，速度降低，驱动力也随之降低，又出现驱动力小于静摩擦的情况，此时，核心平台继续通过柔性铰链变形实现位移。整个过程不需要算法切换，控制简单。
以上对本发明所提供的一种单驱动刚柔耦合精密运动平台、实现方法及其应用进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种单驱动刚柔耦合精密运动平台，其特征在于，包括机座、直线导轨、刚柔耦合运动平台、直线驱动器及位移传感器，其中刚柔耦合平台包括刚性框架、柔性铰链和核心运动平台；
所述刚柔耦合平台的核心运动平台通过柔性铰链与所述刚性框架连接；
所述刚柔耦合平台的核心运动平台与直线驱动器连接，所述刚性框架通过导轨滑块与固定在所述机座上的所述直线导轨连接，所述核心运动平台在所述直线驱动器作用下带动所述柔性铰链弹性变形，并通过柔性铰链带动所述刚性框架在所述直线导轨长度方向上自由运动；
所述位移传感器与所述核心运动平台连接，用于测量核心运动平台在运动方向上的位移。
2.如权利要求1所述的单驱动刚柔耦合精密运动平台，其特征在于，所述直线驱动器为音圈电机或直线电机。
3.如权利要求1所述的单驱动刚柔耦合精密运动平台，其特征在于，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。
4.如权利要求1所述的单驱动刚柔耦合精密运动平台，其特征在于，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。
5.如权利要求1-4其中之一所述的单驱动刚柔耦合精密运动平台，其特征在于，所述刚柔耦合运动平台为一体式加工制造。
6.如权利要求1-4其中之一所述的单驱动刚柔耦合精密运动平台，其特征在于，所述柔性铰链为直梁型或切口型柔性铰链。
7.如权利要求1-4其中之一所述的单驱动刚柔耦合精密运动平台，其特征在于，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、磁力支撑刚度加强结构。
8.一种单驱动刚柔耦合精密运动平台实现方法，其特征在于，本方法利用上述权利要求1-4其中之一所述的单驱动刚柔耦合精密运动平台实现，包括下述步骤：
1)直线驱动器直接驱动核心运动平台，在驱动力未能客服刚性框架静摩擦时，核心运动平台通过柔性铰链的弹性变形产生微小位移，实现精密微进 给；
2)当直线驱动器驱动力加大时，克服了摩擦力，带动刚性框架运动，而此时弹性变形增大，进入限位状态，所有的驱动力传递到刚性框架进行高速运动；
3)当平台减速时，核心运动平台先制动，通过柔性铰链带动刚性框架制动，之后切换至另一限位装置和阻尼，衰减振动能量。
9.一种单驱动刚柔耦合精密运动平台的应用，其特征在于，所述单驱动刚柔耦合精密运动平台应用在大行程精密加工设备上，并采用如权利要求1、2、3或4其中之一所述的单驱动刚柔耦合精密运动平台作为电机驱动平台。
10.一种单驱动刚柔耦合精密运动平台的应用实现方法，其特征在于，本方法用于大行程精密加工设备，并利用上述权利要求8所述的方法实现电机驱动。
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Legal Events

Date Code Title Description
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Application publication date: 20161012

Assignee: Shenzhen Taidao Precision Mechanical and Electrical Co., Ltd.

Assignor: Guangdong University of Technology

Contract record no.: 2019440020029

Denomination of invention: Single-driven rigid-flexible coupled precision motion platform as well as realizing method and application thereof

Granted publication date: 20180123

License type: Common License

Record date: 20190505