CN106891306B - 基于变刚度柔性结构的磁辅助激励精密驱动工作台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于变刚度柔性结构的磁辅助激励精密驱动工作台，包括底座和工作台，底座上设置有直线导轨，直线导轨上装配有两个滑块，每个滑块和工作台之间均装有柔性体，柔性体包括通过V型铰接板连接的U型框架和矩形块，U型框架上开有螺栓孔a，U型框架与滑块通过穿过螺栓孔a的螺栓连接，矩形块上开有螺栓孔b，矩形块与工作台通过穿过螺栓孔b的螺栓连接，矩形块上装有永磁磁铁，U型框架上装有电磁激励装置，永磁磁铁和电磁激励装置相对设置。本发明磁辅助激励精密驱动工作台，解决了滚柱/滚珠式精密驱动工作台的预滚滑摩擦扰动问题，并在保证精度的前提下有效降低系统能耗和抑制工作台的残余振动，提升了工作台系统的动态稳定性。
Description
技术领域
本发明属于机械设计与制造技术领域，具体涉及一种基于变刚度柔性结构的磁辅助激励精密驱动工作台。
背景技术
高精密工作台是微机电系统监测、微纳加工及微量增材制造等检测或加工过程中最重要的机械驱动部件。近年来，国内外学者关于高速超精密驱动问题进行了大量研究，采用了包括柔性结构体、静压导轨、磁悬浮导轨或滚珠、滚柱滑块等导向零部件，以期实现高速、精确的移动位置控制。但到目前为止，如何开发高效、低成本、高精度直驱工作台，仍未得到很好的解决。一般说来，柔性体工作台具有结构紧凑、成本低廉且不存在摩擦扰动的优势，但受柔性结构自身工作行程和承载能力的限制，使其难以应用于大行程或中、高载荷工况，例如纳米光刻机。与之相比，磁悬浮式工作台具有较高的承载能力，但由于其制造成本过高且控制复杂，因而仅限用于高端装备领域，例如半导体制造。此外，静压导轨也具有较大行程时的精准定位能力，可是受工作原理的限制，使其难以满足超洁净室或真空环境的需求。目前，滚柱、滚珠滑块式工作台是使用最为广泛且最具成本效益的驱动形式，它可以在各种工况环境下实现较为精确的移动定位，包括洁净室与真空环境(例如扫描电子显微镜和聚焦离子束系统)，且具有较低的制造成本。然而，在预滑动阶段，滚珠/滚柱滑块式导向驱动工作台由于弹塑性变形、滚动元件与密封件的微滑移，致使其定位精度仅能满足微米级加工的要求。同时，相对于无摩擦的磁悬浮工作台，滚柱/滚珠滑块式工作台定位过程需花费5～10倍的时间到达指定位置，因而极大地约束了驱动台的工作效率及产品生产能力。此外，当高速运行换向时，精密工作台由于自身的惯性作用会造成直线电机的高能耗和大发热量，并易引发热变形误差及残余振动。
由此可见，在高效、低成本的前提下，解决滚柱/滚珠滑块式超精密驱动台预滑阶段摩擦力的补偿及高速运行换向阶段高能耗、残余振动问题，对推动超精密驱动领域的创新开发和发展具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于变刚度柔性结构的磁辅助激励精密驱动工作台，解决了现有滚柱/滚珠滑块式精密驱动台预滑非线性摩擦力带来的定位误差的问题，同时在保证精度的前提下有效降低驱动系统能耗并抑制工作台的残余振动。
本发明所采用的技术方案是，本发明基于变刚度柔性结构的磁辅助激励精密驱动工作台，包括底座和工作台，底座上依次平行设置有直线导轨、直线电机、用于定位支撑直线电机的支撑板、侧挡板，直线导轨上装配有两个滑块，每个滑块和工作台之间均装有柔性体，柔性体包括通过V型铰接板连接的U型框架和矩形块，U型框架上开有螺栓孔a，U型框架与滑块通过穿过螺栓孔a的螺栓连接，矩形块上开有螺栓孔b，矩形块与工作台通过穿过螺栓孔b的螺栓连接，矩形块上装有永磁磁铁，U型框架上装有电磁激励装置，永磁磁铁和电磁激励装置相对设置。
本发明的特点还在于：
电磁激励装置包括绕有电磁线圈的铁芯，铁芯外套接有盖板，盖板通过螺栓固定于U型框架上。
侧挡板上设置有光栅编码器定尺，工作台上设置有与光栅编码器定尺相配合的光栅编码器滑尺。
滑块为滚珠式滑块或者滚柱式滑块。
底座两端对称设置有端面挡板，端面挡板上设置有缓冲器。
工作台通过连接板与拖链连接，拖链内穿有用于连接光栅编码器滑尺的电缆。
本发明的有益效果是：本发明基于变刚度柔性结构的磁辅助激励精密驱动工作台，具有低成本、高精度和高敏捷度的特点，通过结构设计优化与磁辅助激励装置，可实现工作台在不同移动模式下驱动刚度的调控，有效解决了目前滚柱/滚珠式精密驱动工作台的预滚滑摩擦扰动问题，并在保证精度的前提下有效降低系统能耗和抑制工作台的残余振动，提升了工作台系统的动态稳定性。
附图说明
图1是本发明磁辅助激励精密驱动工作台的结构示意图一；
图2是本发明磁辅助激励精密驱动工作台的结构示意图二；
图3是本发明磁辅助激励精密驱动工作台中柔性体的结构示意图一；
图4是本发明磁辅助激励精密驱动工作台中柔性体的结构示意图二。
图中，1.工作台，2.连接板，3.光栅编码器滑尺，4.柔性体，5.端面挡板，6.缓冲器，7.滑块，8.直线导轨，9.直线电机，10.底座，11.支撑板，12.侧挡板，13.电缆，14.光栅编码器定尺，15.电磁激励装置，16.拖链，17.盖板，18.电磁线圈，19.铁芯，20.螺栓，21.永磁磁铁，22.螺栓孔a，23.螺栓孔b，24.V型铰接板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明基于变刚度柔性结构的磁辅助激励精密驱动工作台结构如图1、2所示，包括底座10和工作台1，底座10上依次平行设置有直线导轨8、直线电机9、用于定位支撑直线电机9的支撑板11、侧挡板12，直线电机9为精密工作台的运动提供动力。
直线导轨8上装配有两个滑块7，滑块7为工作台1运动提供导向和定位功能，滑块7可采用滚珠式滑块或者滚柱式滑块，每个滑块7和工作台1之间均装有柔性体4，柔性体4在轴向近似为柔性，在竖向和横向近似为刚性，如图3、4所示，柔性体4包括通过V型铰接板24连接的U型框架和矩形块，U型框架上开有螺栓孔a22，U型框架与滑块7通过穿过螺栓孔a22的螺栓连接，矩形块上开有螺栓孔b23，矩形块与工作台1通过穿过螺栓孔b23的螺栓连接，矩形块上装有永磁磁铁21，U型框架上装有电磁激励装置15，永磁磁铁21和电磁激励装置15相对设置。电磁激励装置15包括绕有电磁线圈18的铁芯19，铁芯19外套接有盖板17，盖板17通过螺栓20固定于U型框架上，从而将绕有电磁线圈18的铁芯19固定于U型框架内，与矩形块上安装的永磁磁铁21产生磁力作用。
V型铰接板24在正常情况下，在电机驱动力方向具有近似零刚度和柔性而在其它方向刚度较大。
矩形块上装有永磁磁铁21，U型框架上装有电磁激励装置15，通过调节电磁铁的输出力就可以修正V型铰接板24在驱动力方向上的刚度，由此可依据预滑或高速运行、换向模式调整V型铰接板24在驱动力方向上的刚度，避免非线性摩擦力对工作台1定位精度的影响，即在工作台1预滑阶段，将电磁辅助装置15的输出力调整为零，使得V型铰接板24在驱动方向的刚度近似为零，进而避免预滑阶段非线性摩擦力对工作台1定位的直接影响，实现“机械式滤波”；在工作台1高速直线运行阶段，电磁激励装置15提供合理的电磁力，使柔性体4实现类似于弹簧式的压缩变形，提升工作台1运行方向上的刚度，从而弥补直线电机动态刚度差及柔性体4该方向上的低刚度的问题；在工作台1高速运行换向阶段，可依据移动状态的特征将电磁激励装置15的输出磁场力进行调整，使得V型铰接板24在驱动方向上获得适当的刚性，避免外界扰动力所引发的振动对工作台1定位精度的直接影响，同时利用辅助磁力来抵抗工作台惯性力，进而抑制由于工作台惯性力造成的驱动电机能量损耗与工作台本体的残余振动，实现工作台1的超精密快速定位。电磁激励装置15和永磁磁铁21为V型铰接板24提供可变的刚度，有效地减少了预滑阶段摩擦力及外界振动(包括地基振动和残余振动)对工作台1定位精度的影响，同时减少了直线电机能耗及发热量。
侧挡板12上设置有光栅编码器定尺14，工作台1上设置有与光栅编码器定尺14相配合的光栅编码器滑尺3，光栅编码器滑尺3装配在工作台1上并随其运动，与光栅编码器定尺14配合可以实现工作台1运动位置测量，便于实现超精密工作台的高速、精准定位。
底座10两端对称设置有端面挡板5，端面挡板5上设置有缓冲器6，两端的端面挡板5及缓冲器6为超精密工作台的运动提供保护作用，防止其在高速工作过程中超出工作范围，提供缓冲保护作用。
工作台1通过连接板2与拖链16连接，拖链16内穿有用于连接光栅编码器滑尺3的电缆13，拖链16保护电缆13在工作台1运动过程中不会受到拉力，避免出现电缆13的损坏。
实际加工或操作过程中存在装配误差、部件加工误差、外力扰动、热或磨损效应，可通过直线电机9提供一个补偿力使其对工作台定位精度和运行效率的影响最小化。
本发明基于变刚度柔性结构的磁辅助激励精密驱动工作台，使用时，直线电机9通电，工作台1在滑块7的支撑下在直线导轨8上开始直线运动，光栅编码器滑尺3随工作台1同步运动，通过与固定在侧挡板12上的光栅编码器定尺14共同作用实时测量并反馈工作台1的位置信息；在工作台1启动或即将到达指定位置时，其两端的柔性体4中电磁激励装置15停止工作，在摩擦力方向直接减少输出支撑力，进而降低V型铰接板24的刚度，以此来抵消直线导轨8与滑块7之间的预滑非线性摩擦力对工作台1起停时的扰动，可实现“机械式滤波”的思想；在工作台1高速直线运行阶段，电磁激励装置15提供合理的电磁力，使柔性体4实现类似于弹簧式的压缩变形，提升工作台1运行方向上的刚度，从而弥补直线电机动态刚度差及柔性体4该方向上的低刚度的问题；工作台1在高速运行换向阶段通过增大电磁激励装置15的励磁电流，利用辅助磁力来抵抗工作台惯性力，进而抑制由于工作台惯性力造成的驱动电机能量损耗与工作台本体的残余振动。依据工作台1的运行状态，利用电磁铁合理地调控柔性体4的输出刚度，将极大地提升超精密工作台的定位精度，同时相对于传统的工作台，它的定位时间也在很大程度上得到了缩减，大大提高了超精密加工的效率，同时在保证定位精度的前提下同时减少了系统能耗和工作台残余振动。
本发明基于变刚度柔性结构的磁辅助激励精密驱动工作台，利用可变刚度柔性结构V型铰接板24减小直线导轨8与滑块7之间预滑摩擦力的有害影响，从而实现高精密工作台的快速、精准地定位。采用可变刚度柔性体4来联接工作台1与滑块7，并通过柔性体4上的电磁激励装置15和永磁磁铁21来改变柔性体刚度，使其直接作用于摩擦力方向，极大地减小了预滑摩擦力对超精密工作台定位的不良影响，同时利用直线电机9又避免了外界扰动力对工作台定位的干扰作用。在变刚度V型铰接板24的作用下，超精密工作台的定位精度可得到极大地提升。相比传统的工作台而言，本发明磁辅助激励精密驱动工作台在定位时间方面也得到了缩减，大大提升了超精密加工的效率。
本发明基于变刚度柔性结构的磁辅助激励精密驱动工作台，具有低成本、高精度和高敏捷度的特点，通过结构设计优化与辅助磁激励实现了依据工作台移动模式的驱动刚度调控，可有效提升目前滚柱/滚珠式导向精密工作台的定位精度和工作效率问题。
Claims (5)
1.基于变刚度柔性结构的磁辅助激励精密驱动工作台，包括底座(10)和工作台(1)，底座(10)上依次平行设置有直线导轨(8)、直线电机(9)、用于定位支撑直线电机(9)的支撑板(11)、侧挡板(12)，直线导轨(8)上装配有两个滑块(7)，每个滑块(7)和工作台(1)之间均装有柔性体(4)，其特征在于，柔性体(4)包括通过V型铰接板(24)连接的U型框架和矩形块，U型框架上开有螺栓孔a(22)，U型框架与所述滑块(7)通过穿过螺栓孔a(22)的螺栓连接，矩形块上开有螺栓孔b(23)，矩形块与所述工作台(1)通过穿过螺栓孔b(23)的螺栓连接，矩形块上装有永磁磁铁(21)，U型框架上装有电磁激励装置(15)，永磁磁铁(21)和电磁激励装置(15)相对设置；
所述滑块(7)为滚珠式滑块或者滚柱式滑块。
2.根据权利要求1所述的基于变刚度柔性结构的磁辅助激励精密驱动工作台，其特征在于，所述电磁激励装置(15)包括绕有电磁线圈(18)的铁芯(19)，铁芯(19)外套接有盖板(17)，盖板(17)通过螺栓(20)固定于所述U型框架上。
3.根据权利要求1所述的基于变刚度柔性结构的磁辅助激励精密驱动工作台，其特征在于，所述侧挡板(12)上设置有光栅编码器定尺(14)，工作台(1)上设置有与光栅编码器定尺(14)相配合的光栅编码器滑尺(3)。
4.根据权利要求1所述的基于变刚度柔性结构的磁辅助激励精密驱动工作台，其特征在于，所述底座(10)两端对称设置有端面挡板(5)，端面挡板(5)上设置有缓冲器(6)。
5.根据权利要求1所述的基于变刚度柔性结构的磁辅助激励精密驱动工作台，其特征在于，所述工作台(1)通过连接板(2)与拖链(16)连接，拖链(16)内穿有用于连接光栅编码器滑尺(3)的电缆(13)。
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