CN110253160B - 一种高速精密激光打孔平台及其控制方法 - Google Patents

一种高速精密激光打孔平台及其控制方法 Download PDF

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本发明涉及一种高速精密激光打孔平台及其控制方法，所述高速精密激光打孔平台包括：宏XY运动平台、微XY运动平台、工作吸盘；所述微XY运动平台安装在宏XY运动平台上；所述微XY运动平台包括：支撑座、连接架、微承载平台、X轴柔性铰链片、Y轴柔性铰链片；所述X轴柔性铰链片两端分别被固定在所述连接架与所述支撑座上；所述Y轴柔性铰链片两端分别被固定在所述连接架与所述微承载平台上；所述微承载平台上还设置有微X轴编码器与微Y轴编码器，分别用于测量所述微承载平台的X/Y方向的运动信息；所述工作吸盘安装在所述微XY运动平台的所述微承载平台上。本发明利用柔性铰链的弹性变形实现高速插补，实现孔间高速精密定位。

Description

一种高速精密激光打孔平台及其控制方法
技术领域
本发明涉及激光打孔平台的技术领域，更具体地，涉及一种高速精密激光打孔平台及其控制方法。
背景技术
现有的激光微孔阵列加工设备运动平台主要采用机械导轨式直线电机平台，受摩擦影响，每秒只能加工2-3个孔。国外采用交叉滚珠导轨平台，摩擦力小，每秒可达10个孔，但价格昂贵，且效率仍然远低于每秒上百孔的工艺极限。激光微孔阵列加工主要运动为孔中心间高速精密定位+微孔的高速精密插补运动。若插补运动采用无摩擦的柔性铰链机构，可以实现几十甚至几百赫兹的插补频率，将柔性铰链装到直线平台上，由直线平台进行孔间高速精密定位，则可以大幅提升微孔阵列加工效率。然而，现有柔性铰链普遍行程小，只有几百微米。大行程的需要采用放大机构，高速时产生多模态叠加响应，难于实现精密控制。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种高速精密激光打孔平台及其控制方法，本发明采用的技术方案如下。
一种高速精密激光打孔平台，所述高速精密激光打孔平台包括：宏XY运动平台、微XY运动平台、工作吸盘；其中，所述微XY运动平台安装在宏XY运动平台上；所述微XY运动平台包括：支撑座、连接架、微承载平台、X轴柔性铰链片、Y轴柔性铰链片；所述X轴柔性铰链片两端分别被固定在所述连接架与所述支撑座上；所述Y轴柔性铰链片两端分别被固定在所述连接架与所述微承载平台上；所述微承载平台上还设置有微X轴编码器与微Y轴编码器，分别用于测量所述微承载平台的X/Y方向的运动信息；所述工作吸盘安装在所述微XY运动平台的所述微承载平台上。
进一步，所述微XY运动平台还包括：微X轴直线驱动器和微Y轴直线驱动器；所述微X轴直线驱动器上用于驱动所述连接架产生X向运动；所述微Y轴直线驱动器上用于驱动所述微承载平台产生Y向运动，并通过所述Y轴柔性铰链片带动所述连接架产生Y向运动。
进一步，所述X轴柔性铰链片有两组，所述Y轴柔性铰链片有两组；两组所述X轴柔性铰链片和两组所述Y轴柔性铰链片成平行四边形布置。
进一步，所述支撑座上有第一固定件和第二固定件；所述连接架整体为三角形结构，且底边上设置有台阶部；所述第一固定件与所述连接架的左底角共同固定一组X轴柔性铰链片，所述第二固定件与所述连接架的右底角共同固定另一组X轴柔性铰链片；所述连接架的顶角与所述微承载平台共同固定了组Y轴柔性铰链片，所述连接架底边上的台阶部与所述微承载平台共同固定另一组Y轴柔性铰链片。
进一步，所述微XY运动平台还包括基座，所述支撑座、所述连接架和所述微承载平台均安装在所述基座上；所述微X轴直线驱动器上的相对运动部件分别固定在所述基座和所述连接架上；所述微Y轴直线驱动器上的相对运动部件分别固定在所述基座和所述微承载平台上。
进一步，所述X轴柔性铰链片上设置有用于调节X轴柔性铰链片的工作长度U形孔槽；和/或，所述Y轴柔性铰链片上设置有用于调节Y轴柔性铰链片的工作长度U形孔槽。
进一步，所述X轴柔性铰链片采用夹紧块螺纹紧固方式与所述连接架刚性连接；所述X轴柔性铰链片采用夹紧块螺纹紧固方式与所述支撑座刚性连接；所述Y轴柔性铰链片采用夹紧块螺纹紧固方式与所述连接架刚性连接；所述Y轴柔性铰链片采用夹紧块螺纹紧固方式与所述微承载平台刚性连接。
进一步，所述微X轴直线驱动器与所述微Y轴直线驱动器为动圈式和/或动磁式音圈电机。
进一步，所述微XY运动平台还包括基座，所述支撑座、所述连接架和所述微承载平台均安装在所述基座上；所述工作吸盘在所述微承载平台上安装后的工作重心偏向所述微承载平台在所述基座的安装位置。
一种控制如上所述的高速精密激光打孔平台的方法，所述方法包括以下步骤：
S1.微XY运动平台一直高速运动；
S2.宏XY运动平台高速运动定位到要切割的圆的切线处；
S3.打开激光；
S4.激光通过微XY运动平台高速运动插补切开孔；
S5.关闭激光。
与现有技术相比，有益效果是：
1、本发明采用直线电机平台+大行程柔性铰链机构，利用柔性铰链的弹性变形实现高速插补，直线平台实现孔间高速精密定位，从而实现高效加工。
2、柔性铰链采用大宽厚比弹簧薄片，兼顾音圈电机小推力下实现大变形和工作负载能力，工作方向可以实现大变形，并保证了疲劳寿命。
3、加紧位置可调方式实现刚度频率可调，消除设计制造误差，保证多轴协调工作性能。
4、工作台配重设计，使得工作台在柔性铰链负载方向变形时仍能保持水平。
附图说明
图1是本发明激光打孔平台的整体结构示意图。
图2是本发明激光打孔平台的爆炸示意图。
图3是微XY运动平台轴测图。
图4是微XY运动平台轴测剖视图。
图5是微XY运动平台俯视图。
图6是微XY运动平台局部剖视放大图。
图7是微XY运动平台平面剖视图(静止状态)。
图8是微XY运动平台平面剖视图(工作状态)。
图9是本发明激光打孔平台的打孔轨迹图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
如图1、2所示，一种高速精密激光打孔平台包括：宏XY运动平台(1)、微XY运动平台(2)、工作吸盘(3)。其中微XY运动平台(2)安装在宏XY运动平台(1)上，所述微XY运动平台(2)包括有基座(202)、X轴柔性铰链片(203a)、Y轴柔性铰链片(203b)、微承载平台(206)、连接架(208)、微X轴直线驱动器(201a)、微Y轴直线驱动器(201b)、支撑座(204)等部件，所述工作吸盘(3)安装在微XY运动平台(2)的微承载平台(206)上。
如图3-5所示，所述微XY运动平台(2)包含有两组正交布置的大宽厚比X轴柔性铰链片(203a)与Y轴柔性铰链片(203b)。其中两组X轴柔性铰链片(203a)两端分别固定在连接架(208)与支撑座(204)上，两组Y轴柔性铰链片(203b)两端分别固定在连接架(208)与微承载平台(206)。所述支撑座(204)设置于所述基座(202)的中部，支撑座(204)上有第一固定件(2041)和第二固定件(2042)。所述连接架(208)整体为三角形结构，但底边上设置有台阶部。第一固定件(2041)与三角形连接架(208)的左底角共同固定了一组X轴柔性铰链片(203a)。第二固定件(2042)与三角形连接架(208)的右底角共同固定了另一组X轴柔性铰链片(203a)。三角形连接架(208)的顶角与微承载平台(206)共同固定了一组Y轴柔性铰链片(203b)。三角形连接架(208)底边上的台阶部与微承载平台(206)共同固定了另一组Y轴柔性铰链片(203b)。所述支撑座(204)刚性连接微XY运动平台(2)中的基座(202)。分别用于测量微承载平台(206)的X/Y方向的运动信息微X轴编码器(205a)与微Y轴编码器(205b)设置于所述微承载平台(206)上。
优选的，如图4所示，所述工作吸盘(3)采用偏心安装方式，其与微承载平台(206)的安装。工作吸盘(3)在所述微承载平台(206)上安装后的工作重心偏向所述微承载平台在所述基座(202)的安装位置。
特别的，微XY运动平台(2)中的X轴柔性铰链片(203a)和Y轴柔性铰链片(203b)均通过夹紧块(207)夹紧并用螺纹紧固方式刚性连接在连接架(208)、微承载平台(206)、支撑座(204)等部件上。
特别的，如图6所示，所述X轴柔性铰链片(203a)和Y轴柔性铰链片(203b)的工作长度是可调的，以实现了微运动平台(2)的动力学特性调节。具体地，在X轴柔性铰链片(203a)和Y轴柔性铰链片(203b)上设置有U形孔槽来调节工作长度。
所述微XY运动平台(2)设置有微X轴直线驱动器(201a)与微Y轴直线驱动器(201b)。所述微X轴直线驱动器(201a)上的相对运动部件分别固定在基座(204)和连接架(208)上，用于驱动连接架(208)产生X向运动。所述微Y轴直线驱动器(201b)上的相对运动部件分别固定在基座(202)和微承载平台(206)上，用于驱动微承载平台(206)以及通过所述Y轴柔性铰链片(203b)所连接的连接架(208)产生Y向运动。
特别的，本发明所述的微X轴直线驱动器(201a)与微Y轴直线驱动器(201b)可以采用定子固定在支撑座(204)或基座(202)上、线圈固定在连接架(208)或微承载平台(206)的动圈式安装布局的动圈式音圈电机，也可以采用线圈固定在在支撑座(204)或基座(202)上、定子固定在连接架(208)或微承载平台(206)的动磁式音圈电机安装布局。当然，本领域技术人员也可以根据实际情况，采用其他驱动方式的驱动器。
如图7、图8所示，本发明所述的微XY运动平台(2)的工作原理是：在所述微X轴直线驱动器(201a)与微Y轴直线驱动器(201b)的作用下，两两成平行四边形布置且为大宽厚比柔性铰链的所述X轴柔性铰链片(203a)和Y轴柔性铰链片(203b)产生形变，从而带动所述微承载平台(206)产生二维运动。
一种使用该高速精密激光打孔平台的控制方法，微XY运动平台一直高速运动，宏XY运动平台高速运动定位到要切割的圆的切线处，打开激光，激光通过微XY运动平台高速运动插补切开孔，然后关闭激光。打完一个孔后，宏XY运动平台定位到下一个切线处，重复上述步骤。其切割痕迹如图9所示，黑色点为宏XY运动平台的定位点，圆圈为微XY运动平台插补后激光切割轨迹。本打孔平台启动后就一直按照加工速度连续高速插补，激光开关同步控制打孔，不需要每次加速时间，效率非常高，可比现有效率提高十倍以上。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高速精密激光打孔平台，其特征在于，所述高速精密激光打孔平台包括：宏XY运动平台、微XY运动平台、工作吸盘；
其中，所述微XY运动平台安装在宏XY运动平台上；
所述微XY运动平台包括：支撑座、连接架、微承载平台、X轴柔性铰链片、Y轴柔性铰链片；
所述X轴柔性铰链片两端分别被固定在所述连接架与所述支撑座上；
所述Y轴柔性铰链片两端分别被固定在所述连接架与所述微承载平台上；
所述微承载平台上还设置有微X轴编码器与微Y轴编码器，分别用于测量所述微承载平台的X/Y方向的运动信息；
所述工作吸盘安装在所述微XY运动平台的所述微承载平台上；
所述微XY运动平台还包括：微X轴直线驱动器和微Y轴直线驱动器；
所述微X轴直线驱动器上用于驱动所述连接架产生X向运动；
所述微Y轴直线驱动器上用于驱动所述微承载平台产生Y向运动，并通过所述Y轴柔性铰链片带动所述连接架产生Y向运动；
所述X轴柔性铰链片有两组，所述Y轴柔性铰链片有两组；
两组所述X轴柔性铰链片和两组所述Y轴柔性铰链片成平行四边形布置。
2.根据权利要求1所述的高速精密激光打孔平台，其特征在于，所述支撑座上有第一固定件和第二固定件；
所述连接架整体为三角形结构，且底边上设置有台阶部；
所述第一固定件与所述连接架的左底角共同固定一组X轴柔性铰链片，所述第二固定件与所述连接架的右底角共同固定另一组X轴柔性铰链片；
所述连接架的顶角与所述微承载平台共同固定了一组Y轴柔性铰链片，所述连接架底边上的台阶部与所述微承载平台共同固定另一组Y轴柔性铰链片。
3.根据权利要求1所述的高速精密激光打孔平台，其特征在于，所述微XY运动平台还包括基座，所述支撑座、所述连接架和所述微承载平台均安装在所述基座上；
所述微X轴直线驱动器上的相对运动部件分别固定在所述基座和所述连接架上；
所述微Y轴直线驱动器上的相对运动部件分别固定在所述基座和所述微承载平台上。
4.根据权利要求1-3任一项所述的高速精密激光打孔平台，其特征在于，所述X轴柔性铰链片上设置有用于调节X轴柔性铰链片的工作长度U形孔槽；
和/或，所述Y轴柔性铰链片上设置有用于调节Y轴柔性铰链片的工作长度U形孔槽。
5.根据权利要求1-3任一项所述的高速精密激光打孔平台，其特征在于，所述X轴柔性铰链片采用夹紧块螺纹紧固方式与所述连接架刚性连接；
所述X轴柔性铰链片采用夹紧块螺纹紧固方式与所述支撑座刚性连接；
所述Y轴柔性铰链片采用夹紧块螺纹紧固方式与所述连接架刚性连接；
所述Y轴柔性铰链片采用夹紧块螺纹紧固方式与所述微承载平台刚性连接。
6.根据权利要求1-3任一项所述的高速精密激光打孔平台，其特征在于，所述微X轴直线驱动器与所述微Y轴直线驱动器为动圈式和/或动磁式音圈电机。
7.根据权利要求1-3任一项所述的高速精密激光打孔平台，其特征在于，所述微XY运动平台还包括基座，所述支撑座、所述连接架和所述微承载平台均安装在所述基座上；
所述工作吸盘在所述微承载平台上安装后的工作重心偏向所述微承载平台在所述基座的安装位置。
8.一种控制如权利要求1-7任一项的高速精密激光打孔平台的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1.微XY运动平台一直高速运动；
S2.宏XY运动平台高速运动定位到要切割的圆的切线处；
S3.打开激光；
S4.激光通过微XY运动平台高速运动插补切开孔；
S5.关闭激光。
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