CN106625621A - 一种基于拉伸共形原理的柔性膜曲面转移机械手 - Google Patents

Abstract

本发明属于柔性薄膜转移及贴合工艺相关设备领域，并公开了一种基于拉伸共形原理的柔性膜曲面转移机械手，其包括基座、X向伸缩机构、Y向张合机构和共形柔性曲面吸附盘，其中该X向伸缩机构设于基座用于实现共形柔性曲面吸附盘的X向伸缩，该Y向张合机构设于X向伸缩机构并用于实现共形柔性吸附盘的Y向伸缩；该共形柔性曲面吸附盘与目标曲面共形，具有可弯曲、拉伸的特点，在拉伸成平面状态时拾取目标薄膜，恢复成弯曲状态后实现目标薄膜与目标曲面的共形贴合。通过本发明，能够实现对柔性薄膜的拾取、变形与贴合到曲面等功能，同时具备结构紧凑，便于操控、曲面柔性薄膜的转移精度高和适用范围广等优点。

Description

一种基于拉伸共形原理的柔性膜曲面转移机械手

技术领域

本发明属于柔性薄膜转移及贴合工艺相关设备领域，更具体地，涉及一种基于拉伸共形原理的柔性膜曲面转移机械手。

背景技术

柔性曲面电子具有大面积、可变形、轻质和非平面等特点，具有平面硅基微电子/传感器无可比拟的优势，因而在航空航天、信息通信和健康医疗等领域已显示出巨大发展空间和应用前景。然而，在将譬如飞行器智能蒙皮之类的柔性曲面电子进行转移时，往往需要将在平面基底上已预先处理的电子薄膜吸附后转移贴附到目标曲面上，该工序直接影响到最终产品的质量可靠性，因而属于关键的制造环节之一。

目前的现有技术中，已经提出了一些用于面向芯片之类对象的拾取或贴放转移的方案，例如CN201420671749.4、CN200910272685.4等早期专利，然而进一步的研究表明，现有的各类技术中并没有披露当贴放对象为曲面时应对如何进行针对性处置的解决方案，同时也未能结合柔性曲面电子制造为智能蒙皮这类电子系统制造(大面积、可变形、非平面、异质多层)提供理想的解决方案。相应地，本领域亟需提出更为妥善的解决方式，以满足目前日益提高的工艺要求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于拉伸共形原理的柔性膜曲面转移机械手，其中通过对该曲面转移机械手的整体构造组成及布局进行重新设计，并对其关键部件如共形柔性曲面吸附盘、X向伸缩机构、Y向张合机构等的具体结构及其安装设置方式作出进一步的改进，相应能够高效率、高精度解决柔性薄膜不易贴合目标曲面上的技术问题，而且可有效实现目标薄膜在平面与曲面之间的主动变形，以及变形后和目标曲面的共形贴附，因而尤其适用于飞行器智能蒙皮之类的柔性曲面电子的大批量工业化制造用途。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种基于拉伸共形原理的柔性膜曲面转移机械手，该曲面转移机械手包括基座、X向伸缩机构、Y向张合机构以及共形曲面吸附盘，其特征在于：

所述X向伸缩机构包括伺服电机以及由曲柄、第一连杆、滑块和直线导轨共同组成的曲柄滑块单元，其中该伺服电机设置在所述基座的上部，并用于驱动与其相联接的所述曲柄；所述直线导轨设置在所述基座的下部，并用于引导所述滑块沿着X轴方向的往返直线运动；所述滑块左右对称地布置安装在该直线导轨之上，并各自通过所述第一连杆与所述曲柄相铰接，由此在所述伺服电机的驱动下沿着X轴方向执行相对直线运动，进而带动整体设置于此滑块上的Y向张合机构、共形曲面吸附盘实现X轴方向的伸缩运动；

所述Y向张合机构保持对称地设置于各个所述滑块上，且随其一同执行沿着X轴方向的相对直线运动；此外，该Y向张合机构包括安装板、电动推杆、第二连杆和连接块，其中该安装板固定在各滑块的下侧，并沿着Y轴方向延伸；该电动推杆固定安装在各安装板的侧部且同样沿着Y轴方向延伸，并在所述曲柄滑块单元的带动下对所述第二连杆执行直线驱动；该第二连杆分别联接在所述电动推杆的下端，并用于推动各自铰接在所述安装板下端的所述连接块执行转动，进而带动整体设置于此连接块上的所述共形曲面吸附盘实现Y轴方向的横向张合；

所述共形曲面吸附盘包括处于中间部位的工作曲面和处于两侧部位的夹持平面，并用于在执行X轴方向的伸缩运动以及Y轴方向的横向张合过程中相应发生变形，由此吸附目标薄膜并使其随着该共形曲面吸附面的变形而发生形状变化，进而实现此目标薄膜与目标曲面之间的共形贴合。

作为进一步优选地，所述共形曲面吸附盘经由吸盘夹持装置整体水平设置于所述连接块之下，该吸盘夹持装置包括真空吸盘组件和固定座，并且所述真空吸盘组件通过所述固定座与所述连接块相联接。

作为进一步优选地，所述共形曲面吸附盘的工作曲面被设定为与所述目标曲面共形，并且具备可弯曲和可拉伸的特性。

作为进一步优选地，所述共形柔性曲面吸附盘的制造工艺优选如下：首先针对目标曲面执行形状的扫描，并根据扫描得到的模型采用弹性材料制造出每一块所需的共形曲面，然后将其组合制成所需的吸附盘。

作为进一步优选地，所述共形柔性曲面吸附盘可根据不同目标曲面的形状进行替换。

作为进一步优选地，上述柔性膜曲面转移机械手用于转移柔性薄膜的流程如下：①初始状态下，所述X向伸缩机构、Y向张合机构处于收缩状态，所述共形柔性曲面吸附盘处于弯曲状态；②该曲面转移机械手移动至目标薄膜上方，所述X向伸缩机构、Y向张合机构各自沿着X轴方向、Y轴方向展开，导致所述共形柔性曲面吸附盘被拉伸至平面状态；③该曲面转移机械手下降，与下方基板的目标薄膜接触，并吸附住该目标薄膜；④该曲面转移机械手上升离开基板，所述X向伸缩机构、Y向张合机构分别沿着X轴方向、Y轴方向收缩，导致所述共形柔性曲面吸附盘及目标薄膜恢复成弯曲状态；⑤该曲面转移机械手移动到目标曲面处下降，直至所述共形柔性曲面吸附盘上的目标薄膜与目标曲面共形贴合，此时目标薄膜与目标曲面因黏性完成贴合；⑥该共形转移机械手上升并离开目标曲面，恢复初始状态。

总体而言，按照本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1、通过对该曲面转移机械手的整体构造组成及布局进行重新设计，可充分藉由拉伸共形的原理来执行柔性膜至曲面的整体操作过程，而且共形柔性曲面吸附盘可在平面状态下将平面的目标薄膜吸附后恢复到弯曲状态，转移至目标曲面处实现共形贴合，使得目标薄膜与目标曲面相贴合时，两者曲面形状相同，可实现其充分贴合，相应在现在提高贴合精度的同时，还有助于杜绝气泡产生；

2、本发明还对一些关键部件尤其如X向伸缩机构、Y向张合机构、共形柔性曲面吸附盘等在具体结构和安装设置方式做出改进，相应能够在方便地执行柔性薄膜至目标曲面的整体转移过程的同时，还能可有效实现目标薄膜在平面与曲面之间的主动变形，以及变形后和目标曲面的共形贴附；

3、按照本发明的曲面转移机械手结构紧凑、适应性强且精度高，并具备便于操控、不损害薄膜和可靠性强等特点，因而尤其适用于各类柔性膜至目标曲面的转移及控制应用场合。

附图说明

图1是按照本发明优选实施方式所构建的基于拉伸共形原理的柔性膜曲面转移机械手的整体三维结构示意图；

图2示用于示范性显示该曲面转移机械手的共形柔性曲面吸附盘的操作及变形示意图；

图3是用于更为具体地解释说明按照本发明的曲面转移机械手用于转移柔性薄膜的工艺作流程图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

10-基座；20-共形柔性曲面吸附盘，21-工作曲面，22-夹持平面；30-X向伸缩机构，31-伺服电机，32-曲柄，33-第一连杆，34-滑块，35-直线导轨；40-Y向张合机构，41-电动推杆，42-安装板，43-第二连杆，44-连接块；50-吸盘夹持装置，51-真空吸盘组件，52-固定座；60-目标薄膜；70-目标曲面。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是按照本发明优选实施方式所构建的基于拉伸共形原理的柔性膜曲面转移机械手的整体三维结构示意图。如图1中所示，该曲面转移机械手主要包括基座10、X向伸缩机构30、Y向张合机构40以及共形曲面吸附盘20等组件部件，下面将对其逐一进行具体解释说明。

X向伸缩机构30主要包括伺服电机31以及由曲柄32、第一连杆33、滑块34和直线导轨35共同组成的曲柄滑块单元，其中该伺服电机31譬如设置在基座10的上部，并用于驱动与其相联接的曲柄32；直线导轨35譬如设置在基座10的下部，并用于引导所述滑块34沿着图中所示的X轴方向的往返直线运动；滑块34可左右对称地布置安装在该直线导轨35之上，并各自通过第一连杆33与所述曲柄32相铰接，由此在所述伺服电机31的驱动下沿着X轴方向执行相对直线运动，进而带动整体设置于此滑块上的Y向张合机构40、共形曲面吸附盘20实现X轴方向的伸缩运动。换而言之，当需要执行X轴方向也即纵向的伸缩时，伺服电机31驱动曲柄32作转动，曲柄32转动并通过第一连杆33带动安装在基座10上对称布置的滑块34在直线导轨35上做直线运动，实现共形柔性曲面吸附盘20的纵向伸缩。

Y向张合机构40保持对称地设置于各个所述滑块34上，且随其一同执行沿着X轴方向的相对直线运动；此外，该Y向张合机构包括安装板42、电动推杆41、第二连杆43和连接块44，其中该安装板42固定在各滑块34的下侧，并沿着Y轴方向延伸；该电动推杆41固定安装在各安装板42的侧部且同样沿着Y轴方向延伸，并在所述曲柄滑块单元的带动下对所述第二连杆43执行直线驱动；该第二连杆43分别联接在所述电动推杆的下端，并用于推动各自铰接在所述安装板42下端的所述连接块44执行转动，进而带动整体设置于此连接块上的所述共形曲面吸附盘20实现Y轴方向的横向张合。换而言之，当需要执行Y轴方向也即横向的张合时，电动推杆41驱动第二连杆43作移动，第二连杆43作移动并带动连接块44作转动，由此实现共形柔性曲面吸附盘20的横向张合。

可在Y向张合机构40的连接块44下方设置一个吸盘夹持装置50。该吸盘夹持装置50包含真空吸盘组件51和固定座52。真空吸盘组件51通过固定座52与连接块44相连接，由此将处于下侧的共形曲面吸附盘整体设置于其上且随同执行运动。

共形曲面吸附盘20优选可包括处于中间部位的工作曲面21和处于两侧部位的夹持平面22，并用于在执行X轴方向的伸缩运动以及Y轴方向的横向张合过程中相应发生变形，由此吸附目标薄膜60并使其随着该共形曲面吸附面的变形而发生形状变化，进而实现此目标薄膜与目标曲面70之间的共形贴合。

下面将参照图3来进一步示范性解释说明按照本发明的柔性膜曲面转移机械手的工作流程。

在工作时，X向伸缩机构30位于第一起始位置，且Y向张合机构40位于第二起始位置，使得共形柔性曲面吸附盘20呈弯曲状态，准备开始工作。然后通过伺服电机31的带动，X向伸缩机构3的滑块34在曲柄滑块机构的带动下沿直线导轨35自第一起始位置位移至第一工作位置。当Y向伸缩机构30位于第一工作位置时，共形柔性曲面吸附盘20发生纵向展开。同时通过电动推杆41的带动，Y向张合机构40的连接块44在曲柄滑块机构的带动下转动，自第二起始位置移至第二工作位置，共形柔性曲面吸附盘20发生横向展开。也就是说，当X向伸缩机构30位于第一工作位置，Y向张合机构40位于第二工作位置时，共形柔性曲面吸附盘20的工作平面21由弯曲状态转变为平面状态，准备拾取目标薄膜60。此时X向伸缩机构30保持与第一工作位置，且Y向张合机构40保持于第二工作位置时，曲面转移机械手下降，直至平面状态下工作平面21与盛放目标薄膜60的平面基板的共形贴合，实现对目标薄膜60的拾取。目标薄膜60拾取后，曲面转移机械手上升，目标薄膜60随共形柔性曲面吸附盘20转移至目标曲面70上方。之后X向伸缩机构30通过伺服电机31的驱动，滑块34在曲柄滑块机构的带动下沿直线导轨35自第一工作位置位移至第一起始位置，共形柔性曲面吸附盘20发生纵向收缩；同时通过电动推杆41的带动，Y向张合机构40的连接块44在曲柄滑块机构的带动下转动，自第二工作位置移至第二起始位置，共形柔性曲面吸附盘20发生横向收缩。也就是说，当X向伸缩机构30重新位于第一起始位置，Y向张合机构40重新位于第二起始位置时，共形柔性曲面吸附盘20的工作平面21由平面状态恢复为弯曲状态，其上拾取的目标薄膜60同时也变为和目标曲面70相同形状，准备实现目标薄膜60与目标曲面07的共形贴合。X向伸缩机构30保持与第一起始位置，且Y向张合机构40保持于第二起始位置时，曲面转移机械手下降，直至弯曲状态下工作平面21及拾取的目标薄膜60与目标曲面70相接触，通过黏性作用实现目标薄膜60与目标曲面70的共形贴合。

上述过程的主要步骤可概括如下：①初始状态下，该X向伸缩机构30和Y向张合机构40处于收缩状态，该共形柔性曲面吸附盘20处于弯曲状态；②该曲面转移机械手移动至目标薄膜60上方，该X向伸缩机构30和Y向张合机构40展开，该共形柔性曲面吸附盘20拉伸至平面状态；③该曲面转移机械手下降，与下方基板的目标薄膜60接触，吸附目标薄膜60；④该曲面转移机械手上升离开基板，该X向伸缩机构30和Y向张合机构40收缩，该共形柔性曲面吸附盘20及目标薄膜60恢复成弯曲状态；⑤该曲面转移机械手移动到目标曲面70处下降，直至该共形柔性曲面吸附盘20上目标薄膜60与目标曲面70共形贴合时，目标薄膜60与目标曲面70因黏性完成贴合；⑥该共形转移机械手上升并离开目标曲面70，恢复初始状态。

按照本发明的一个优选实施例，所述共形曲面吸附盘的工作曲面被设定为与所述目标曲面共形，并且具备可弯曲和可拉伸的特性。此外，参看图2，共形柔性曲面吸附盘的制造工艺可优选如下：首先针对目标曲面执行形状的扫描，并根据扫描得到的模型采用弹性材料制造出每一块所需的共形曲面，然后将其组合制成所需的吸附盘。在使用时，由于该共形柔性曲面吸附盘20具有可弯曲、可拉伸的特性，通过X向伸缩机构30和Y向张合机构40的运动实现从起始位置的自然弯曲状态，到工作位置后拉伸成平面状态进行目标薄膜60的共形吸附，拾取后共形柔性曲面吸附盘20和目标薄膜60一起收缩成弯曲状态，与目标曲面70实现共形贴合。

综上，按照本发明的曲面变形机械手无论从整体构造设计、还是关键组件的结构组成及设置方式均面向曲面转移的特定应用场合进行了针对性设计。其中X向伸缩机构、Y向张合机构相互连接且巧妙配合，由此共同实现共形柔性曲面吸附盘的纵向伸缩和横向伸缩；吸盘夹持装置设于横向张合机构下方，相应随着上述运动发生变形来实现共形柔性曲面吸附盘的夹持与释放。通过本发明，不仅能够实现对柔性薄膜的拾取、变形与贴放到曲面等复杂功能，而且具备结构紧凑、便于操控、转移精度高、适用范围广等优点，因而尤其适用于譬如飞行器智能蒙皮之类的柔性曲面电子的大规模工业制作用途。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于拉伸共形原理的柔性膜曲面转移机械手，该曲面转移机械手包括基座(10)、X向伸缩机构(30)、Y向张合机构(40)以及共形曲面吸附盘(20)，其特征在于：

所述X向伸缩机构(30)包括伺服电机(31)以及由曲柄(32)、第一连杆(33)、滑块(34)和直线导轨(35)共同组成的曲柄滑块单元，其中该伺服电机(31)设置在所述基座的上部，并用于驱动与其相连接的所述曲柄(32)；所述直线导轨(35)设置在所述基座的下部，并用于引导所述滑块沿着X轴方向的往返直线运动；所述滑块左右对称地布置安装在该直线导轨(35)之上，并各自通过所述第一连杆(33)与所述曲柄(32)相铰接，由此在所述伺服电机(31)的驱动下沿着X轴方向执行相对直线运动，进而带动整体设置于此滑块上的Y向张合机构(40)、共形曲面吸附盘(20)实现X轴方向的伸缩运动；

所述Y向张合机构(40)保持对称地设置于各个所述滑块(34)上，且随其一同执行沿着X轴方向的相对直线运动；此外，该Y向张合机构包括安装板(42)、电动推杆(41)、第二连杆(43)和连接块(44)，其中该安装板(42)固定在各滑块(34)的下侧，并沿着Y轴方向延伸；该电动推杆(41)固定安装在各安装板(42)的侧部且同样沿着Y轴方向延伸，并在所述曲柄滑块单元的带动下对所述第二连杆(43)执行直线驱动；该第二连杆(43)分别联接在所述电动推杆的下端，并用于推动各自铰接在所述安装板(42)下端的所述连接块(44)执行转动，进而带动整体设置于此连接块上的所述共形曲面吸附盘(20)实现Y轴方向的张合运动；

所述共形曲面吸附盘(20)包括处于中间部位的工作曲面(21)和处于两侧部位的夹持平面(22)，并用于在执行X轴方向的伸缩运动以及Y轴方向的张合运动过程中相应发生变形，由此吸附目标薄膜(60)并使其随着该共形曲面吸附面的变形而发生形状变化，进而实现此目标薄膜与目标曲面(70)之间的共形贴合。

2.如权利要求1所述的一种基于拉伸共形原理的柔性膜曲面转移机械手，其特征在于，所述共形曲面吸附盘(20)经由吸盘夹持装置(50)整体水平设置于所述连接块(44)之下，该吸盘夹持装置(50)包括真空吸盘组件(51)和固定座(52)，并且所述真空吸盘组件(51)通过所述固定座(52)与所述连接块(44)相联接。

3.如权利要求1或2所述的一种基于拉伸共形原理的柔性膜曲面转移机械手，其特征在于，所述共形曲面吸附盘(20)的工作曲面被设定为与所述目标曲面共形，并且具备可弯曲和可拉伸的特性。

4.如权利要求1-3任意一项所述的一种基于拉伸共形原理的柔性膜曲面转移机械手，其特征在于，所述共形柔性曲面吸附盘(20)的制造工艺优选如下：首先针对目标曲面执行形状的扫描，并根据扫描得到的模型采用弹性材料制造出每一块所需的共形曲面，然后将其组合制成所需的吸附盘。

5.如权利要求1-4任意一项所述的一种基于拉伸共形原理的柔性膜曲面转移机械手，其特征在于，所述共形柔性曲面吸附盘(20)可根据不同目标曲面的形状进行替换。

6.如权利要求1-5任意一项所述的一种基于拉伸共形原理的柔性膜曲面转移机械手，其特征在于，上述柔性膜曲面转移机械手用于转移柔性薄膜的流程如下：①初始状态下，所述X向伸缩机构(30)、Y向张合机构(40)处于收缩状态，所述共形柔性曲面吸附盘(20)处于弯曲状态；②该曲面转移机械手移动至目标薄膜(60)上方，所述X向伸缩机构(30)、Y向张合机构(40)各自沿着X轴方向、Y轴方向展开，导致所述共形柔性曲面吸附盘(20)被拉伸至平面状态；③该曲面转移机械手下降，与下方基板的目标薄膜接触，并吸附住该目标薄膜；④该曲面转移机械手上升离开基板，所述X向伸缩机构、Y向张合机构分别沿着X轴方向、Y轴方向收缩，导致所述共形柔性曲面吸附盘及目标薄膜恢复成弯曲状态；⑤该曲面转移机械手移动到目标曲面处下降，直至所述共形柔性曲面吸附盘上的目标薄膜与目标曲面共形贴合，此时目标薄膜与目标曲面因黏性完成贴合；⑥该共形转移机械手上升并离开目标曲面，恢复初始状态。