CN112096739B - 一种气浮导轨式可切换刚柔耦合运动平台 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种气浮导轨式可切换刚柔耦合运动平台，包括：气浮导轨、刚柔耦合平台、驱动组件、检测组件和接触切换装置；刚柔耦合平台包括框架、工作平台和柔性铰链组件；工作平台与框架通过柔性铰链组件连接。工作时各组成部件相互配合，由气浮导轨实现长行程运动，通过刚柔耦合平台的柔性铰链弹性形变实现纳米级定位；当运动行程大于柔性铰链最大形变时，接触切换装置控制框架与气浮导轨之间切换为非接触状态，刚柔耦合平台自由运动；当运动平台位移误差小于柔性铰链最大变形后，将框架与气浮导轨之间切换为接触状态，消除刚柔耦合平台框架在气浮导轨上的波动，此时工作平台的位移完全由柔性铰链形变产生，能够实现纳米平台的精度。

Description

一种气浮导轨式可切换刚柔耦合运动平台

技术领域

本发明涉及电机驱动技术领域，尤其涉及一种气浮导轨式可切换刚柔耦合运动平台。

背景技术

激光直写、光刻、精密光学检测等设备和仪器，需要长行程纳米定位的运动平台支撑。机械导轨运动平台由于具有高加速性能，广泛应用于对速度和精度都有要求的装备中。然而，机械导轨存在摩擦，精度受摩擦限制，目前商用最高精度是500nm，远远无法满足光刻机等高端装备的需求。实现更高精度则需要采用交叉滚柱导轨或气浮导轨等方式减小或消除摩擦。其中，交叉滚柱导轨摩擦系数小，运动平台的重复定位精度是75～100nm，但行程通常小于300mm；气浮平台导轨可以消除摩擦，精度大约在10～100nm。

目前，荷兰ASML公司已经研制出了10nm节点的极紫外(EUV)光刻机。从节点制成成本看，下一代7nm的光刻推出也是必然事件，突破5nm后，3.5nm是光刻的极限，再往下走，产生量子效益，制造成本也会急剧增加。以后的摩尔定律只能靠芯片及立体封装来实现。可见，在光刻领域，下一代长行程纳米定位运动平台开发是一个极大地挑战。

气浮平台通常配套气浮导轨使用，气浮导轨一般采用研磨加工，可以获得很高的直线度。虽然当前商用气浮平台所能达到10nm的最大精度，但是气浮导轨由于没有摩擦、阻尼小，平衡位置难于控制，重复定位精度通常只有50～100nm。对此，有的应用中采用柔性铰链平台，依靠弹性变形，非常容易实现纳米级定位，最高的重复定位精度能够达到2nm，但是其存在的缺点是行程只有几百微米，不满足长行程的应用需求。

为了实现长行程纳米级定位，宏微复合是一个有效的手段，通过微动平台的柔性铰链变形可以实现2nm的精度。然而，现有宏微复合平台是宏平台上搭载微动平台，最终精度是宏微平台互相叠加的结果，且宏微平台切换控制效率低下。可见，宏微复合方式在长行程纳米级定位中存在一定的局限性。

专利CN201610508540.X中提出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方案，创新性地融合长行程直线平台与高精度柔性铰链纳米平台，采用柔性铰链弹性变形补偿摩擦死区，并实现了宏微自适应切换控制。然而，刚柔耦合平台的直线度和平面度受机械导轨的制造和安装精度的限制，不能满足光刻机等高端装备的需求。

专利CN201210055122.1公开了一种同轴宏微复合直线运动平台装置，该装置的宏动平台采用气浮导轨导向，直线电机驱动，光栅尺检测位置精度；宏动平台带动微动平台；微动平台由整体金属板切割加工出四周框架、内部的微动平台和起连接以及导向作用的柔性铰链，框架固定在宏动平台上；微动平台和宏动平台之间通过气浮消除摩擦阻力；微动平台和宏动平台的运动方向同轴；微动平台通过柔性铰链与框架实体连接；柔性铰链对称分布，通过材料的微量弹性弯曲变形，确保微动平台的导向和移动，压电陶瓷驱动器或音圈电机提供微动平台移动的动力，微动传感器感应微动平台的位移，从而实现微动平台的高精度位移和定位。然而，该专利仍然是传统的宏微复合方案，微动平台叠加到宏平台上，需要宏微切换控制，效率低。另外，宏平台采用气浮导轨，由于无摩擦，阻尼小，控制困难，在平衡位置会受到干扰。

总而言之，现有长行程纳米定位平台应用中主要采用气浮平台、柔性铰链平台、宏微复合平台和刚柔耦合平台的技术，至少存在以下技术缺陷：

1)气浮平台直线度、平面度好，但是刚度小，气浮导轨无摩擦、小阻尼，平衡不容易控制；

2)柔性铰链平台精度高，但是行程小，应用范围窄；

3)宏微复合平台可以实现长行程精密定位，但是需要宏微切换控制、效率低，且两套驱动、成本高；

4)刚柔耦合平台在宏微复合平台上改进而来，可以实现宏微自适应切换控制，但是直线度受导轨的限制。

发明内容

针对上述技术缺陷，本发明提供了一种气浮导轨式可切换刚柔耦合运动平台，包括：气浮导轨、刚柔耦合平台、驱动组件、检测组件和接触切换装置；

所述刚柔耦合平台包括：框架、工作平台和柔性铰链组件；所述工作平台与所述框架通过所述柔性铰链组件连接；

所述刚柔耦合平台安装在所述气浮导轨上；所述驱动组件安装在所述工作平台的底部，用于驱动所述刚柔耦合平台在所述气浮导轨上运动；

所述检测组件安装在刚柔耦合平台上，用于检测所述运动平台的位移和速度；

所述接触切换装置固定安装在所述框架上，且设置在所述框架与所述气浮导轨之间，用于基于所述运动平台的位移和速度控制所述框架与所述气浮导轨为接触状态或非接触状态。

可选的，所述柔性铰链组件连接设置在所述框架和所述工作平台之间，所述柔性铰链组件的形式包括：一体加工式和/或组装式；其中，

一体加工式柔性铰链组件与所述框架和所述工作平台一体加工；

组装式柔性铰链组件设置在所述工作平台的运动方向的两端，在所述两端的任一端设置至少两组与所述框架和所述工作平台组装连接的柔性铰链，在任一组柔性铰链的中部或者两端设有调节有效工作长度的调节块。

可选的，所述驱动组件采用直线或音圈电机，所述驱动组件的驱动方式为非接触驱动方式。

可选的，所述检测组件包括：设置在所述工作平台和所述气浮导轨之间的第一检测单元，设置在所述工作平台和所述框架之间的第二检测单元，和/或设置在所述框架和所述气浮导轨之间的第三检测单元；

所述第一检测单元包括分别设置在所述工作平台和所述气浮导轨上的第一检测部件和第一检测基准件；

所述第二检测单元包括分别设置在所述工作平台和所述框架上的第二检测部件和第二检测基准件；

所述第三检测单元包括分别设置在所述气浮导轨和所述框架上的第三检测部件和第三检测基准件；

其中，通过所述第一检测单元检测获得的位移和速度为第一反馈，通过所述第二检测单元检测获得的位移和速度为第二反馈，通过所述第三检测单元检测获得的位移和速度为第三反馈。

可选的，所述检测组件的测量方式包括：单反馈或双反馈；其中，

单反馈测量方式包括所述第一反馈；

双反馈测量方式包括所述第一反馈和所述第二反馈，或者包括所述第一反馈和所述第三反馈。

可选的，所述接触切换装置采用气缸、压电、磁致伸缩材料、音圈电机、直线电机或电磁开关状态切换装置。

可选的，当所述检测组件检测到所述运动平台的运动行程大于所述柔性铰链组件的最大变形量，且所述运动平台的速度大于预设值时，所述接触切换装置控制所述框架与所述气浮导轨为非接触状态；

当所述检测组件检测到所述运动平台的速度小于等于预设值，且所述框架停止运动时，所述接触切换装置控制所述框架与所述气浮导轨为接触状态。

可选的，还包括：设置在所述框架和所述工作平台之间的阻尼调节组件，用于使所述工作平台在受驱动或制动时带阻尼运动。

可选的，还包括：设置在所述框架和所述工作平台之间的辅助驱动组件，用于当所述框架锁定时，驱动所述工作平台进行微距离运动，使所述柔性铰链组件产生变形，实现纳米级定位精度。

可选的，还包括：安装在所述气浮导轨上的缓冲组件，用于在与所述刚柔耦合平台接触时减缓其运动速度至安全范围。

总而言之，本发明提供的气浮导轨式可切换刚柔耦合运动平台包括气浮导轨、刚柔耦合平台、驱动组件、检测组件和接触切换装置；其中，刚柔耦合平台包括框架、工作平台和柔性铰链组件；所述工作平台与所述框架通过所述柔性铰链组件连接。工作时各组成部件相互配合，由气浮导轨实现长行程运动，通过刚柔耦合平台的柔性铰链弹性形变实现纳米级定位。当运动平台的运动行程大于柔性铰链最大形变时，接触切换装置控制框架与气浮导轨之间切换为非接触状态，刚柔耦合平台可以自由运动。当运动平台位移误差小于柔性铰链最大变形后，将框架与气浮导轨之间切换为接触状态，消除刚柔耦合平台框架在气浮导轨上的波动，此时工作平台的位移完全由柔性铰链形变产生，能够实现纳米平台的精度。有效地克服了现有平台(气浮平台、柔性铰链平台、宏微复合平台、刚柔耦合平台)在长行程纳米定位平台应用中的缺陷。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例一提供的一种气浮导轨式可切换刚柔耦合运动平台的结构图；

图2为本发明实施例一提供的基于图1所示气浮导轨式可切换刚柔耦合运动平台的一种双反馈测量方案的结构示意图；

图3为本发明实施例一提供的基于图1所示气浮导轨式可切换刚柔耦合运动平台的另一种双反馈测量方案的结构示意图；

图4为本发明实施例一提供的气浮导轨式可切换刚柔耦合运动平台的接触切换装置的结构示意图；

图5为本发明实施例一提供的气浮导轨式可切换刚柔耦合运动平台的阻尼调节组件的结构示意图；

图6为本发明实施例二提供的一种气浮导轨式可切换刚柔耦合运动平台的结构图；

图7为本发明实施例二提供的一种气浮导轨式可切换刚柔耦合运动平台的局部剖视图；

图8A为本发明实施例二提供的气浮导轨式可切换刚柔耦合运动平台的刚柔耦合平台的第一种局部剖视图；

图8B为本发明实施例二提供的气浮导轨式可切换刚柔耦合运动平台的刚柔耦合平台的第二种局部剖视图；

图8C为本发明实施例二提供的图8B所示刚柔耦合平台的柔性铰链组件的局部剖视图；

图9A为本发明实施例二提供的气浮导轨式可切换刚柔耦合运动平台的第一检测单元的安装示意图；

图9B为本发明实施例二提供的图9A所示第一检测单元的局部剖视图；

图10A为本发明实施例二提供的气浮导轨式可切换刚柔耦合运动平台的第二检测单元的安装示意图；

图10B为本发明实施例二提供的图10A所示第二检测单元的局部剖视图；

图11A为本发明实施例二提供的气浮导轨式可切换刚柔耦合运动平台的接触切换组件的局部剖视图；

图11B为本发明实施例二提供的气浮导轨式可切换刚柔耦合运动平台的阻尼调节组件的局部剖视图；

图12A为本发明实施例三提供的一种气浮导轨式可切换刚柔耦合运动平台的侧视图；

图12B为本发明实施例三提供的一种气浮导轨式可切换刚柔耦合运动平台的俯视图；

图13为本发明实施例三提供的气浮导轨式可切换刚柔耦合运动平台的局部剖视图；

图14A为本发明实施例三提供的气浮导轨式可切换刚柔耦合运动平台的柔性铰链组件的局部放大图；

图14B为本发明实施例三提供的一种气浮导轨式可切换刚柔耦合运动平台的接触切换装置的局部放大图；

图15为本发明实施例三提供的气浮导轨式可切换刚柔耦合运动平台的刚柔耦合平台的第一种局部剖视图；

图16A为本发明实施例三提供的气浮导轨式可切换刚柔耦合运动平台的刚柔耦合平台的第二种局部剖视图；

图16B为本发明实施例三提供的如图16A所示局部剖视图中柔性铰链组件的局部放大图；

图17A为本发明实施例三提供的气浮导轨式可切换刚柔耦合运动平台的一种双反馈测量方案的结构示意图；

图17B为本发明实施例三提供的气浮导轨式可切换刚柔耦合运动平台的另一种双反馈测量方案的结构示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。

下面以具体实施例详细介绍本发明的技术方案。

实施例一

请参考图1，本发明提供了一种气浮导轨式可切换刚柔耦合运动平台，包括：气浮导轨1、刚柔耦合平台2、驱动组件3、检测组件4和接触切换装置5。其中，气浮导轨1经研磨，具有较好的直线度和平面度，较直线导轨更能满足光刻等对直线度和精度都有高要求的场合。刚柔耦合平台2包括：框架21、工作平台22、柔性铰链组件23和气道24；工作平台22与框架21通过柔性铰链组件23连接；气道24开设在框架21上。通过给气道24接入压缩空气，使得刚柔耦合平台2浮于气浮导轨1上。

驱动组件3安装在工作平台22的底部，用于驱动整个刚柔耦合平台2在气浮导轨1上运动。具体的，驱动组件3采用直线或音圈电机，驱动组件3的驱动方式为非接触驱动方式。

在具体实施过程中，检测组件4安装在刚柔耦合平台2上(具体安装在工作平台22下)，用于检测所述运动平台的位移和速度。请参考图2和图3，为了能够准确地检测出柔性铰链组件23的变形位移量，检测组件4包括：设置在工作平台22和气浮导轨1之间的第一检测单元41，设置在工作平台22和框架21之间的第二检测单元42，和/或设置在框架21和气浮导轨1之间的第三检测单元43；第一检测单元41包括分别设置在工作平台22和气浮导轨1上的第一检测部件和第一检测基准件；第二检测单元42包括分别设置在工作平台22和框架21上的第二检测部件和第二检测基准件；第三检测单元43包括分别设置在气浮导轨1和框架21上的第三检测部件和第三检测基准件。其中，通过第一检测单元41检测获得的工作平台22的位移和速度，作为第一反馈；通过第二检测单元42检测获得柔性铰链组件23的变形量和变形速率，作为第二反馈；通过第三检测单元43检测获得框架21的位移和速度，作为第三反馈。

在具体实施过程中，检测组件4的测量方式包括：单反馈或双反馈；其中，单反馈测量方式包括所述第一反馈；双反馈测量方式包括所述第一反馈和所述第二反馈，或者包括所述第一反馈和所述第三反馈。通过双反馈测量方式获得的两组反馈值相减可得柔性铰链组件23的变形位移量，从而获得接触切换装置5的接触切换条件。

接着，仍请参考图1，接触切换装置5固定安装在框架21上，且设置在框架21与气浮导轨1之间，用于基于所述运动平台的位移和速度控制框架21与气浮导轨1为接触状态或非接触状态。当检测组件4检测到所述运动平台的运动行程大于柔性铰链组件23的最大变形量，且所述运动平台的速度大于预设值时，接触切换装置5控制框架21与气浮导轨1为非接触状态；当检测组件4检测到所述运动平台的速度小于等于预设值，且框架21停止运动时，接触切换装置5控制框架21与气浮导轨1为接触状态，并以柔性铰链组件23的变形量乘以柔性铰链组件23的刚度作为前馈补偿。其中，所述预设值根据不同平台的综合特性而定。

在具体实施过程中，请参考图1和图4，接触切换装置5包括固定安装在框架21上的定子51和设置在定子51上且可伸缩的动子52，控制动子52伸缩可实现框架21与气浮导轨1的接触切换。在具体实施过程中，接触切换装置5的作动器可采用多种形式，如气缸、压电、磁致伸缩材料、音圈电机、直线电机和电磁开关等状态切换装置。

进一步，请参考图1-图3，所述运动平台还包括：设置在框架21和工作平台22之间的阻尼调节组件6和辅助驱动组件7。进一步，参见图5，阻尼调节组件6包括：活动端61和调节端62，分别安装在工作平台22和框架21上，用于使工作平台22在受驱动或制动时带阻尼运动，阻尼调节组件6可在工作方向上实现可调阻尼，以改善刚柔耦合平台2在运动过程中的振动响应。辅助驱动组件7可采用压电陶瓷或音圈电机，当框架21锁定时，压电陶瓷或音圈电机驱动工作平台22进行微距离运动，使柔性铰链组件23产生变形，实现纳米级定位精度。

以上，同样的设计思想，可以扩展到气浮转台和直线、旋转组成的多轴平台上。

实施例二

本实施例提供了气浮导轨式可切换刚柔耦合运动平台的另一种实施例，请参考图6和图7，该运动平台包括气浮导轨A1、刚柔耦合平台A2、驱动组件A3、检测组件A4、接触切换装置A5、阻尼调节组件A6和辅助驱动组件A7。

在具体实施过程中，如图6和图7所示，气浮导轨A1包括导轨A11和挡板A12，其中导轨A11经研磨，具有较好的直线度和平面度，较直线导轨更能满足光刻等对直线度和精度都有高要求的场合；挡板A12安装在导轨A11的两端，用以保护运动平台。刚柔耦合平台A2包括：框架A21、工作平台A22和柔性铰链组件A23，气道A24设置在框架A21上，框架A21和工作平台A22之间采用柔性铰链组件A23相连；其中刚柔耦合平台A2的框架A21装配在气浮导轨A1上。通过给气道A24接入压缩空气，使得刚柔耦合平台A2浮于气浮导轨A1上。

在具体实施过程中，请参考图8A，刚柔耦合平台A2的柔性铰链组件A23连接设置在框架A21和工作平台A22之间，柔性铰链组件A23的形式包括：一体加工式和/或组装式；其中，一体加工式柔性铰链组件A23_1与框架A21和工作平台A22一体加工，以保证框架A21和工作平台A22无装配误差；组装式柔性铰链组件A23_2设置在工作平台A22的运动方向的两端，在所述两端的任一端设置至少两组与框架A21和工作平台A22组装连接的柔性铰链A23_2，在任一组柔性铰链A23_2的中部或者两端设有调节有效工作长度的调节块。可理解为，组装式柔性铰链组件A23_2具有刚度可调功能。

进一步，请参考图8B和8C，组装式柔性铰链组件A23_2包括：调节块A23_21、固定块A23_22、压条A23_23和弹簧片A23_24，采用在框架A21和工作平台A22之间的组装形式，可通过调节块A23_21的上下移动调节弹簧片A23_24的有效工作长度以达到调节刚度的目的，所述的两种柔性铰链形式构成复合式的柔性铰链形式。

请参考图9A和图10A，检测组件A4包括第一检测单元A41和第二检测单元A42，并通过此两个检测单元实现双反馈。如图9B所示，第一检测单元A41包括第一检测头A411和第一刻度元件A412；其中第一检测头A411固定在工作平台A22底部，第一刻度元件A412贴于导轨A11的内侧面；第一检测单元A41用于检测工作平台A22相对于导轨A11的位移和速度。请参考图10B，第二检测单元A42包括第二检测头A421和第二刻度元件A422，安装在工作平台A22与框架A21之间；其中第二检测头A421固定在工作平台A22侧面，第二刻度元件A422贴于框架A21内侧面，第二检测单元A42用于检测工作平台A22相对于框架A21的位移和速度，即检测柔性铰链组件A23的变形量和速率。检测组件A4采用双反馈测量方式，检测获得的速度和位移量作为接触切换装置5的接触切换条件。

进一步，请参考图11A，为图7所示刚柔耦合平台A2的虚线框A部分的局部放大图，接触切换装置A5固定在刚柔耦合平台A2的框架A21底部，采用的作动器为气缸，包括固定安装在框架A21底部的气缸定子A51和设置在气缸定子A51上且可伸缩的气缸动子A52，控制气缸动子A52伸缩可实现框架21与气浮导轨1的接触切换。当运动平台运动行程大于柔性铰链组件A23的最大变形时，框架A21与气浮导轨A1之间切换为非接触状态，即接触切换装置A5的气缸动子A52与气浮导轨A1不接触，刚柔耦合平台A2可以自由运动；当位移误差小于柔性铰链组件A23的最大变形后，将框架A21与气浮导轨A1之间切换为接触状态，气缸动子A52伸出并抵在气浮导轨A1的侧面，即接触切换装置A5的气缸动子A52与气浮导轨A1接触，相当于框架A21锁定，刚柔耦合平台A2的框架A21相对于气浮导轨A1停止运动，此时工作平台A22的位移完全由柔性铰链组件A23变形产生，可以实现纳米平台的精度。

请参考图11B，为图7所示刚柔耦合平台A2的虚线框B部分的局部放大图，阻尼调节组件A6采用可调节式缓冲器，包括活动端A61和调节端A62。其中调节端A62固定在框架A21的一端面，可调节阻尼大小；活动端A61固定在工作平台A22的一端面。阻尼调节组件A6相当于装配在框架A21与工作平台A22之间，用以改善刚柔耦合平台A2(尤其是柔性铰链组件A23)在运动过程中的振动响应。

再结合图6、图7和图8A，辅助驱动组件A7采用压电陶瓷，安装在框架A21的另一端面，并与工作平台A22的另一端面接触。当框架A21锁定时，压电陶瓷驱动工作平台A22在无摩擦的柔性铰链组件A23上变形，以实现纳米级精度。

实施例三

本实施例提供了气浮导轨式可切换刚柔耦合运动平台的第三种实施例，请参考图12A、图12B和图13，该运动平台包括气浮导轨B1、刚柔耦合平台B2、驱动组件B3、检测组件B4、接触切换装置B5、阻尼调节组件B6和缓冲组件B7。

如图12A、图12B和图13所示，气浮导轨B1包括：导轨B11、溜板B12和挡板B13，气道B14设置在溜板B12上，用于充压缩空气；溜板B12通过压缩空气浮于导轨B11上；导轨B11经研磨，具有较好的直线度和平面度，较直线导轨更能满足光刻等对直线度和精度都有高要求的场合；挡板B13固定在气浮导轨B1的两端，用来保护运动平台。

请参考图13，刚柔耦合平台B2包括：框架B21、工作平台B22、柔性铰链组件B23。其中框架B21和工作平台B22之间通过柔性铰链组件B23相连；刚柔耦合平台B2的框架B21装配在气浮导轨B1上。

进一步，请参考图14A，为图13所示刚柔耦合平台B2的虚线框A部分的局部放大图，刚柔耦合平台B2的柔性铰链组件B23采用组合形式的柔性铰链，包括：调节块B231、弹簧片压条B232、框架压条B233和弹簧片B234。接着请参考图15、图16A和图16B，刚柔耦合平台B2的框架B21与气浮导轨B1的溜板B12连接；框架B21设计为“凹”字形，类似于“笔架”，此时气浮导轨B1的溜板B12也相当于刚柔耦合平台B2的框架B21的一部分，在下述描述中可直接描述为“框架B21”。框架压条B233固定在框架B21上方，调节块B231用于改变刚柔耦合平台B2的刚度，通过改变弹簧片B234的有效工作长度来调节刚度，分为上下两块，其中间设有一条夹缝；弹簧片B234即装配在调节块B231的夹缝内；上、下调节块B231分别与框架压条B233和框架B21连接；因此弹簧片B234与刚柔耦合平台B2的框架B21通过调节块B231间接连为一体；工作平台B22的两端面上设计为“凸”字形，嵌入框架B21的“凹”槽中，工作平台B22通过弹簧片B234并配合弹簧片压条B232与框架B21连接，即工作平台B22与框架B21通过弹簧片B234间接连接；弹簧片压条B232与工作平台B22“凸”起的顶端固定，由此构成刚柔耦合平台B2，此弹簧片B234即为柔性铰链；此柔性铰链位于“框架B21”的两个相对外侧面上，单侧至少设置两组，以使得更换柔性铰链时保持工作平台B22与框架B21的相对位置不变，保证原先的安装精度。

本实施例采用的组合式的柔性铰链形式，通过高弹性弹簧片装配成柔性铰链，设计了刚度可调的柔性铰链结构，因此能实现应用一个平台来适应不同工况。有两种调节刚度的方式：

方式一，通过移动上下刚度调节块B231，改变弹簧片B234的有效工作长度，以此改变刚柔耦合平台B2的刚度，适应不同的工况。

方式二，在需要调节柔性铰链的刚度时，只需要将设于刚柔耦合平台B2的框架B21外部的弹簧片B234更换成不同厚度即可，将柔性铰链组件B23设为单边至少两组且设置在框架B21的外部，无需拆卸下整个平台，更换简单、方便、快速和灵活，巧妙地解决了现有平台刚度不可调节或调节较繁琐的问题。

本实施例柔性铰链组件的设计结构至少具备以下优点：

(1)在调节刚柔耦合平台B2的刚度时，由于单边至少两组，构成四边形结构，弹簧片B234一组一组更换，可以保证原本的装配关系不变；如果只有一组，更换的时候原本的装配关系就被破坏了。

(2)这三组可以分别采用不同厚度的弹簧片，通过不同厚度的弹簧片排列组合可以适应多种多样的工作场合。如果只有一组，则需要配备大量不同厚度的弹簧片，不仅增加成本，而且难以适应各种各样的工况。

(3)当三组柔性铰链分别采用不同厚度的弹簧片时，可以根据需要改变弹簧力的分布，以实现最佳的工作装配情况。如果只有一组，则无法实现。

因此，本实施例具有刚度调节范围大，可实现柔性铰链厚度和有效工作长度(在与水平面垂直方向上)的调整的优点。

请参考图14B，驱动组件B3采用直线电机，包括电机定子B31和电机动子B32。其中电机动子B32安装在刚柔耦合平台B2的工作平台B22底部，电机定子B31安装在气浮导轨B1上，使得刚柔耦合平台B2可以在气浮导轨B1的长度方向上运动。

检测组件B4，包括安装在“框架”上的检测组件和安装在“平台”上的检测组件两组，检测组件B4的每一检测单元包括检测头和刻度元件。

进一步，请参考图17A和图17B，检测组件B4的双反馈测量方式有两种安装方案：

方案一，参见图17A，检测组件B4包括：安装在“平台B22”上的第一检测单元B41和安装在“框架B21”上的第二检测单元B42。第一检测单元B41包括第一检测头B411(固定在工作平台B22底部，相当于固定在刚柔耦合平台B2的“平台B22”上)和第一刻度尺B412(贴于气浮导轨B1的一侧导轨B11的内侧面)，第一检测单元B41用于检测工作平台B22在驱动力作用下相对于导轨B11的位移和速度。第二检测单元B42包括第二检测头B421(固定在气浮导轨B1的溜板B12的侧面，相当于固定在刚柔耦合平台B2的“框架B21”上)和第二刻度尺B422(贴于工作平台B22上)，第二检测单元B42用于检测工作平台B22相对于“框架B21”的位移或速度，即柔性铰链组件B23的变形位移量。

方案二，参见图17B，检测组件B4包括：第一检测单元B41和第三检测单元B43；第一检测单元B41包括第一检测头B411(固定在工作平台B22底部，相当于固定在刚柔耦合平台B2的“平台B22”上)和第一刻度尺B412。第三检测单元B43包括第三检测头B431(固定在气浮平台B2的溜板B12的内部挖槽处，相当于固定在刚柔耦合平台B2的“框架B21”上)和第三刻度尺B432。具体的，第一刻度尺B412和第三刻度尺B432可为同一刻度尺，贴于气浮导轨B1的一侧导轨B11的内侧面。第一检测单元B41用于检测工作平台B22在驱动力作用下相对于导轨B11的位移和速度；第三检测单元B43用于检测“框架B21”相对于导轨B11的位移和速度；两组检测组件的测量值相减可得所述柔性铰链的变形位移量。

本实施例在“框架B21”和“平台B22”安装双反馈，“框架B21”反馈作为速度环，速度更加稳定；“平台B22”反馈作为位置环，并将“平台B22”与“框架B21”的位移偏差获得的弹性变形量进行柔性铰链的弹性力补偿，使得当速度和位置偏差都为零时，驱动力还能够输出稳定的弹性力保持柔性铰链的变形。最后避开谐振频率的运动规划，降低柔性铰链在高速运动中的振动，让定位效率更高。

在具体实施过程中，请参考图14B，为图13所示运动平台的虚线框B部分的局部放大图，接触切换装置B5，包括作动器B51、接触单元B52和耐磨块B53。其中作动器B51采用电磁开关的形式。作动器B51包括定子B511和动子B512，其中作动器B51的定子B511固定在“框架21”(间接固定在气浮导轨B1的溜板B12)上，作动器B51的动子B512输出轴末端安装接触单元B52，耐磨块B53安装在导轨B11上，通过控制作动器B51的动子B512的伸缩，并与导轨B11上的耐磨块B53形成或断开接触副，就可以实现接触切换；由于气浮导轨B1的溜板B12止停时会因惯性而不能准确停于指定位置，且易出现止停“抖动”现象，从而影响平台定位精度，因此设置接触切换装置B5，当刚柔耦合平台B2收到止停指令时，接触切换装置B5的接触单元B52就会在动子B512的推动下落下，顶在导轨B11上的耐磨块B53上，从而使运动的刚柔耦合平台B2准确止停，避免了止停抖动。

在具体实施过程中，请参考图12B和图14A，阻尼调节组件B6采用可调节式缓冲器，共设置两组，分别位于刚柔耦合平台B2的两端面，阻尼调节组件B6包括活动端B61、调节端B62和阻尼调节装置压紧螺钉B63。其中调节端B62固定在框架B21的一端面，可调节阻尼大小；活动端B61通过阻尼调节装置压紧螺钉B63固定在工作平台B22的一端面。阻尼调节组件B6相当于装配在框架B21与工作平台B22之间，因此，当工作平台B22受到驱动力时可实现带阻尼运动，制动时也可带阻尼缓慢停止，这就防止了工作平台B22启停和运动过程出现“抖动”现象而影响平台定位精度，以此改善刚柔耦合平台B2在运动过程中的振动响应。

在具体实施过程中，仍请参考图12B，缓冲组件B7共有两组，分别安装在导轨B11的两边，用于在与刚柔耦合平台B2接触时减缓其运动速度至安全范围，从而防止刚柔耦合平台B2非正常运动时加速度过快撞击到两边的挡板B13，影响精度或损坏。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种气浮导轨式可切换刚柔耦合运动平台，其特征在于，包括：气浮导轨、刚柔耦合平台、驱动组件、检测组件和接触切换装置；

所述刚柔耦合平台包括：框架、工作平台和柔性铰链组件；所述工作平台与所述框架通过所述柔性铰链组件连接；

所述刚柔耦合平台安装在所述气浮导轨上；所述驱动组件安装在所述工作平台的底部，用于驱动所述刚柔耦合平台在所述气浮导轨上运动；

所述检测组件安装在所述刚柔耦合平台上，用于检测所述运动平台的位移和速度；

所述接触切换装置固定安装在所述框架上，且设置在所述框架与所述气浮导轨之间，用于基于所述运动平台的位移和速度控制所述框架与所述气浮导轨为接触状态或非接触状态。

2.如权利要求1所述的气浮导轨式可切换刚柔耦合运动平台，其特征在于，所述柔性铰链组件连接设置在所述框架和所述工作平台之间，所述柔性铰链组件的形式包括：一体加工式和/或组装式；其中，

一体加工式柔性铰链组件与所述框架和所述工作平台一体加工；

组装式柔性铰链组件设置在所述工作平台的运动方向的两端，在所述两端的任一端设置至少两组与所述框架和所述工作平台组装连接的柔性铰链，在任一组柔性铰链的中部或者两端设有调节有效工作长度的调节块。

3.如权利要求1所述的气浮导轨式可切换刚柔耦合运动平台，其特征在于，所述驱动组件采用直线或音圈电机，所述驱动组件的驱动方式为非接触驱动方式。

4.如权利要求1所述的气浮导轨式可切换刚柔耦合运动平台，其特征在于，所述检测组件包括：设置在所述工作平台和所述气浮导轨之间的第一检测单元，或包括设置在所述工作平台和所述气浮导轨之间的第一检测单元和设置在所述工作平台和所述框架之间的第二检测单元，或包括设置在所述工作平台和所述气浮导轨之间的第一检测单元和设置在所述框架和所述气浮导轨之间的第三检测单元；

所述第一检测单元包括分别设置在所述工作平台和所述气浮导轨上的第一检测部件和第一检测基准件；

所述第二检测单元包括分别设置在所述工作平台和所述框架上的第二检测部件和第二检测基准件；

所述第三检测单元包括分别设置在所述气浮导轨和所述框架上的第三检测部件和第三检测基准件；

其中，通过所述第一检测单元检测获得的位移和速度为第一反馈，通过所述第二检测单元检测获得的位移和速度为第二反馈，通过所述第三检测单元检测获得的位移和速度为第三反馈。

5.如权利要求4所述的气浮导轨式可切换刚柔耦合运动平台，其特征在于，所述检测组件的测量方式包括：单反馈或双反馈；其中，

单反馈测量方式包括所述第一反馈；

双反馈测量方式包括所述第一反馈和所述第二反馈，或者包括所述第一反馈和所述第三反馈。

6.如权利要求1所述的气浮导轨式可切换刚柔耦合运动平台，其特征在于，所述接触切换装置采用气缸、压电、磁致伸缩材料或电磁开关状态切换装置。

7.如权利要求1所述的气浮导轨式可切换刚柔耦合运动平台，其特征在于，当所述检测组件检测到所述运动平台的运动行程大于所述柔性铰链组件的最大变形量，且所述运动平台的速度大于预设值时，所述接触切换装置控制所述框架与所述气浮导轨为非接触状态；

当所述检测组件检测到所述运动平台的速度小于等于预设值，且所述框架停止运动时，所述接触切换装置控制所述框架与所述气浮导轨为接触状态。

8.如权利要求1所述的气浮导轨式可切换刚柔耦合运动平台，其特征在于，还包括：设置在所述框架和所述工作平台之间的阻尼调节组件，用于使所述工作平台在受驱动或制动时带阻尼运动。

9.如权利要求1所述的气浮导轨式可切换刚柔耦合运动平台，其特征在于，还包括：设置在所述框架和所述工作平台之间的辅助驱动组件，用于当所述框架锁定时，驱动所述工作平台进行微距离运动，使所述柔性铰链组件产生变形，实现纳米级定位精度。

10.如权利要求1所述的气浮导轨式可切换刚柔耦合运动平台，其特征在于，还包括：安装在所述气浮导轨上的缓冲组件，用于在与所述刚柔耦合平台接触时减缓其运动速度至安全范围。

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