CN114296322A - 一种基于复合结构的准零刚度柔性导向结构 - Google Patents

Abstract

一种基于复合结构的准零刚度柔性导向结构，它涉及精密仪器及机械技术领域。本发明解决了现有的柔性导向机构存在无法通过纯柔性机构实现大行程，高精度的导向功能，且无法克服长行程柔性机构产生大变形回弹力带来的控制问题。本发明的直线电机驱动模块的动子与运动部件连接，两组负刚度复合结构组件对称设置在运动部件两侧，负刚度复合结构组件一端与运动部件侧面中部垂直连接，负刚度复合结构组件另一端与一组负刚度簧片固定组件连接，每个中部固定基座与两个中间连接体之间分别连接有一组外层导向结构，每个系统固定结构与两个中间连接体之间均分别通过一组折叠簧片结构连接。本发明在大行程直线运动中满足高精度要求，为光刻机提供高精度直线导向。

Description

一种基于复合结构的准零刚度柔性导向结构

技术领域

本发明涉及精密仪器及机械技术领域，具体涉及一种基于复合结构的准零刚度柔性导向结构。

背景技术

极紫外光刻机是现阶段拥有最小光刻分辨率的光刻机。该设备采用波长为13.5nm的极紫外光作为工作光源，对所有物质均不透明且折射率接近于1。因此极紫外光刻机的照明系统、物镜系统及运动系统等均需置于真空中。极紫外光刻机的运动系统导向机构需要在真空环境中实现长行程、高速、高加速及高精度运动。柔性机构以其精度高、无需冷却、无摩擦、无需润滑、以及无线缆等优点，成为极紫外光刻机运动系统导向机构的首选方案。而常见的柔性机构存在行程小、有回弹力等缺点。因此设计一种长行程恒力柔性导向机构，是极紫外光刻机中运动系统结构设计的关键。

公开号为CN 109990028 A、申请号为CN 201910217941.3的中国发明专利公开了一种恒力柔顺机构，具体公开了一种可以在一段行程内保持恒定的输出力的柔性机构，该机构包括基座和恒力单元；基座为边长相等的多边形，恒力单元包括固定端、输出端、簧片和导向杆。该项发明可以受力情况良好，可以输出波动小的恒力。但是需要有额外的导向装置作为导向机构。

公开号为CN 209887580 U、申请号为CN 201920363660.4的中国发明专利公开了一种轨道式机器人及其轨道式行走装置、系统与柔性导向机构，该机构包括安装座和铰接于安装座上的摇臂，摇臂的两端和安装座之间均连接有第一柔性元件，摇臂上远离安装座的一端设有挂载轮、且位于挂载轮的两侧设有伸缩臂，伸缩臂的端部安装有侧导向轮；轨道式机器人及其轨道式行走装置、系统的本体上装设有至少一对前述柔性导向机构以及轨道行走驱动组件。该项发明可以使轨道式机器人平稳地转向。但是该机构需要导向轮作为辅助机构。

公开号为CN 104204966 B、申请号为CN 201380017783.8的中国发明专利公开了一种具有可移动框架的柔性擒纵机构，该结构是一种应用于钟表机芯的柔性机构，具体涉及一种用于机芯或钟表的擒纵机构，包括至少一个摆轮和至少一个擒纵轮。通过一体式柔性机构实现所述至少一个摆轮和所述至少一个擒纵轮之间的冲击传递，所述一体式柔性机构包括与所述至少一个擒纵轮或所述至少一个摆轮协作的至少一个触杆，其中，所述一体式柔性机构通过至少一个柔性片连接到所述钟表的固定结构，或者连接到所述至少一个擒纵轮。该项发明的柔性导向机构为单层结构，非工作方向刚度较差；同时该项发明为被动传动，无法实现主动控制。

公开号为CN 110296144 A、申请号为CN 201910344506.7的中国发明专利公开了一种零刚度柔性铰链，该结构包括负刚度模块、内外环柔性铰链和内环输出接口；通过设置菱形四杆机构和矩形片簧串等，抵消掉柔性铰链内外环转动产生的恢复力矩，能使铰链可以停留在行程范围内的任意位置；该发明实现了柔性旋转机构的零刚度，但是无法应用于大行程直线导向机构中。

上述已有柔性导向机构的不足之处是无法通过纯柔性机构实现导向功能。但是对于EUV光刻机的运动系统，其所在的整体环境为真空，只有柔性机构可以适应此环境。同时为了保证运动的高速、高精度与稳定性，运动系统需要克服长行程柔性机构产生大变形回弹力带来的控制问题，这就要求在EUV光刻机的运动系统中有一种可以在大行程中输出恒力的准零刚度柔性导向机构。

综上所述，现有的柔性导向机构存在无法通过纯柔性机构实现大行程，高精度的导向功能，且无法克服长行程柔性机构产生大变形回弹力带来的控制问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的柔性导向机构存在无法通过纯柔性机构实现大行程，高精度的导向功能，且无法克服长行程柔性机构产生大变形回弹力带来的控制问题，进而提供一种基于复合结构的准零刚度柔性导向结构。

本发明的技术方案是：

一种基于复合结构的准零刚度柔性导向结构，所准零刚度柔性导向结构述包括第一中间连接体1、第二中间连接体6、运动部件8、直线电机驱动模块13、两个中部固定基座9、两组负刚度复合结构组件10、两组负刚度簧片固定组件11、四组折叠簧片结构2、四个系统固定结构3、四组外层导向结构4和四组内层导向结构5，运动部件8为长方体结构，直线电机驱动模块13位于水平设置的运动部件8底部，直线电机驱动模块13的动子与运动部件8连接，直线电机驱动模块13的直线电机定子安装在系统平面上，第一中间连接体1和第二中间连接体6沿运动部件宽度方向水平对称设置在运动部件8的左右两侧，运动部件8一侧通过两组内层导向结构5与第一中间连接体1内侧端面连接形成第一闭环区域，运动部件8另一侧通过另外两组内层导向结构5与第二中间连接体6内侧端面连接形成第二闭环区域，两组负刚度复合结构组件10以运动部件8为中心水平对称设置在运动部件8两侧的第一闭环区域和第二闭环区域内，负刚度复合结构组件10一端与对应的运动部件8侧面中部垂直连接，负刚度复合结构组件10另一端与一组负刚度簧片固定组件11连接，所述负刚度簧片固定组件11安装在系统平面上，两个中部固定基座9沿运动部件8长度方向对称设置在运动部件8前后两侧，所述中部固定基座9安装在系统平面上，每个中部固定基座9与第一中间连接体1和第二中间连接体6之间分别垂直水平连接有一组外层导向结构4，第一中间连接体1和第二中间连接体6的前后两端均分别设有一个系统固定结构3，所述系统固定结构3安装在系统平面上，每个系统固定结构3与第一中间连接体1和第二中间连接体6之间均分别通过一组折叠簧片结构2连接。

进一步地，负刚度复合结构组件10、内层导向结构5、外层导向结构4、第一中间连接体1和第二中间连接体6相对于运动部件8构成双平行四杆构型直线导向模块。

进一步地，每组外层导向结构4包括两个外层导向簧片连接件42和若干片外层导向簧片41，平行设置的若干片外层导向簧片41沿运动部件8的长度方向由前至后依次均匀布置在第一中间连接体1与中部固定基座9之间或第二中间连接体6与中部固定基座9之间，外层导向簧片连接件42端面上加工有第一簧片安装槽a，外层导向簧片41插装在外层导向簧片连接件42的第一簧片安装槽a内，外层导向簧片连接件42固定安装在第一中间连接体1、第二中间连接体6或中部固定基座9的端面上。

进一步地，每组内层导向结构5包括两个内层导向簧片连接件52和若干片内层导向簧片51，平行设置的若干片内层导向簧片51沿运动部件8的长度方向由前至后依次均匀布置在第一中间连接体1与运动部件8之间或第二中间连接体6与运动部件8之间，内层导向簧片连接件52端面上加工有第二簧片安装槽b，内层导向簧片51插装在内层导向簧片连接件52的第二簧片安装槽b内，内层导向簧片连接件52固定安装在第一中间连接体1、第二中间连接体6或运动部件8上。

进一步地，每组负刚度复合结构组件10包括两个扭转式柔性铰链101、两个连接件104和若干层蝶形簧片单元，运动部件8与负刚度簧片固定组件11之间沿竖直方向由上至下依次均匀设置若干层蝶形簧片单元，每层蝶形簧片单元包括N-1个中间垫块103和N对蝶形簧片组，N对蝶形簧片组沿水平方向由前至后依次均匀设置在运动部件8与负刚度簧片固定组件11之间，相邻两对蝶形簧片组之间通过一个中间垫块103固定连接，每对蝶形簧片组包括两组开口相对设置的蝶形簧片102和两个簧片连接105，开口相对设置的蝶形簧片102的两端部分别通过两个簧片连接105固定连接，每组蝶形簧片102包括由前至后叠放的若干片蝶形簧片本体，相邻两片蝶形簧片本体之间采用胶接方式固定连接，每片蝶形簧片本体包括中间子簧片1021、两个边部子簧片1022和两个簧片连接部1023，中间子簧片1021竖直设置，两个边部子簧片1022以中间子簧片1021为中心对称设置在中间子簧片1021两侧，所述边部子簧片1022一端与中间子簧片1021端部倾斜对接，两片蝶形簧片本体中相对的边部子簧片1022另一端通过簧片连接部1023固定连接。

进一步地，每组折叠簧片结构2包括若干个板状簧片21和若干个簧片连接块22，平行设置的若干个板状簧片21沿运动部件8的长度方向由前至后依次均匀布置在第一中间连接体1与系统固定结构3之间或第二中间连接体6与系统固定结构3之间，相邻两个板状簧片21之间通过一个簧片连接块22固定连接，且相邻两个簧片连接块22之间交错排布，位于端侧的板状簧片21与第一中间连接体1、第二中间连接体6或系统固定结构3固定连接。

进一步地，每个中部固定基座9包括中部固定基座侧板91和簧片连接装置92，中部固定基座侧板91为L型板状结构，簧片连接装置92为矩形块状结构，中部固定基座侧板91的平板安装在系统平面上，中部固定基座侧板91的立板中部垂直固接簧片连接装置92，簧片连接装置92两侧端面加工有与外层导向结构4的外层导向簧片连接件42匹配的安装槽。

进一步地，直线电机驱动模块13包括直线电机和电机固定块，直线电机的定子通过电机固定块安装在系统平面上。

进一步地，所述准零刚度柔性导向结构还包括直线光栅尺反馈模块12，直线光栅尺反馈模块12包括光栅尺121、光栅读数头122和光栅读数头固定件123，光栅尺121安装在运动部件8的底部，光栅读数头固定件123固定在系统平面上，光栅读数头122安装在光栅读数头固定件123上，光栅读数头122与光栅尺121相对设置。

进一步地，所述准零刚度柔性导向结构还包括两组中间连接体重力补偿模块7，两组中间连接体重力补偿模块7分别设置在第一中间连接体1和第二中间连接体6的底部中间位置，每组中间连接体重力补偿模块7包括磁铁粘贴件71和两个磁铁72，磁铁粘贴件71水平设置在系统平面上，其中一块磁铁72粘接在磁铁粘贴件71顶面中部，另一块磁铁72粘接在第一中间连接体1或第二中间连接体6底面中部，第一中间连接体1与磁铁粘贴件71或第二中间连接体6与磁铁粘贴件71之间均通过磁铁72连接。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

1、本发明提供一种基于复合结构的准零刚度柔性导向机构，通过扭转式柔性铰链101及蝶形簧片单元构成负刚度复合结构组件10，在进行直线运动时提供与其余组件中簧片回弹力方向相反的补偿力，从而实现柔性直线导向机构的准零刚度特性，进而实现高精度、准零刚度的直线导向功能。

2、本发明基于内层导向结构5、外层导向结构4、负刚度复合结构组件10及第一中间连接体1和第二中间连接体6构成的双平行四杆构型直线导向模块，补偿了系统非工作方向上引入的位移和偏转误差，同时相较单层导向结构的连接方式，增大了系统直线方向的运动行程。

3、本发明采用直线光栅尺反馈模块12，通过光栅读数头122读取光栅尺121刻度变化来反映直接驱动部件的位移，实时采集运动数据，实现精密测量，并反馈给控制系统，进而形成闭环控制，大大地提高了运动精度，并提高了运动的稳定性。

附图说明

图1是本发明的基于复合结构的准零刚度柔性导向结构的俯视轴测图；

图2是本发明的基于复合结构的准零刚度柔性导向结构的仰视轴测图；

图3是本发明的运动部件8与两组负刚度复合结构组件10的装配示意图；

图4是本发明的基于复合结构的准零刚度柔性导向结构去掉两组负刚度复合结构组件10后的俯视轴测图；

图5是本发明的负刚度复合结构组件10的俯视轴测图；

图6是本发明的外层导向结构4的结构示意图；

图7是本发明的内层导向结构5的结构示意图。

图中：

1-第一中间连接体；2-折叠簧片结构；21-板状簧片；22-簧片连接块；3-系统固定结构；4-外层导向结构；41-外层导向簧片；42-外层导向簧片连接件；5-内层导向结构；51-内层导向簧片；52-导向簧片连接件；6-第二中间连接体；7-中间连接体重力补偿模块；71-磁铁粘贴件；72-磁铁；8-运动部件；9-中部固定基座；91-中部固定基座侧板；92-簧片连接装置；10-负刚度复合结构组件；101-扭转式柔性铰链；102-蝶形簧片；1021-间子簧片；1022-边部子簧片；1023-簧片连接部；103-中间垫块；104-连接件；11-负刚度簧片固定组件；12-直线光栅尺反馈模块；121-光栅尺；122-光栅读数头；123-光栅读数头固定件；13-直线电机驱动模块13。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式的一种基于复合结构的准零刚度柔性导向结构，所准零刚度柔性导向结构述包括第一中间连接体1、第二中间连接体6、运动部件8、直线电机驱动模块13、两个中部固定基座9、两组负刚度复合结构组件10、两组负刚度簧片固定组件11、四组折叠簧片结构2、四个系统固定结构3、四组外层导向结构4和四组内层导向结构5，运动部件8为长方体结构，直线电机驱动模块13位于水平设置的运动部件8底部，直线电机驱动模块13的动子与运动部件8连接，直线电机驱动模块13的直线电机定子安装在系统平面上，第一中间连接体1和第二中间连接体6沿运动部件宽度方向水平对称设置在运动部件8的左右两侧，运动部件8一侧通过两组内层导向结构5与第一中间连接体1内侧端面连接形成第一闭环区域，运动部件8另一侧通过另外两组内层导向结构5与第二中间连接体6内侧端面连接形成第二闭环区域，两组负刚度复合结构组件10以运动部件8为中心水平对称设置在运动部件8两侧的第一闭环区域和第二闭环区域内，负刚度复合结构组件10一端与对应的运动部件8侧面中部垂直连接，负刚度复合结构组件10另一端与一组负刚度簧片固定组件11连接，所述负刚度簧片固定组件11安装在系统平面上，两个中部固定基座9沿运动部件8长度方向对称设置在运动部件8前后两侧，所述中部固定基座9安装在系统平面上，每个中部固定基座9与第一中间连接体1和第二中间连接体6之间分别垂直水平连接有一组外层导向结构4，第一中间连接体1和第二中间连接体6的前后两端均分别设有一个系统固定结构3，所述系统固定结构3安装在系统平面上，每个系统固定结构3与第一中间连接体1和第二中间连接体6之间均分别通过一组折叠簧片结构2连接。

具体实施方式二：结合图1、图2和图4说明本实施方式，本实施方式的负刚度复合结构组件10、内层导向结构5、外层导向结构4、第一中间连接体1和第二中间连接体6相对于运动部件8构成双平行四杆构型直线导向模块。如此设置，通过正负刚度并联实现柔性直线导向机构的准零刚度特性。通过内层导向结构5、外层导向结构4、第一中间连接体1和第二中间连接体6的组合，相较于单层导向结构的连接方式，增大了系统直线方向的运动行程，同时补偿了系统非工作方向上引入的位移和偏转误差。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1、图2、图4和图6说明本实施方式，本实施方式的每组外层导向结构4包括两个外层导向簧片连接件42和若干片外层导向簧片41，平行设置的若干片外层导向簧片41沿运动部件8的长度方向由前至后依次均匀布置在第一中间连接体1与中部固定基座9之间或第二中间连接体6与中部固定基座9之间，外层导向簧片连接件42端面上加工有第一簧片安装槽a，外层导向簧片41插装在外层导向簧片连接件42的第一簧片安装槽a内，外层导向簧片连接件42固定安装在第一中间连接体1、第二中间连接体6或中部固定基座9的端面上。如此设置，第一中间连接体1和第二中间连接体6通过四组外层导向结构4与两组中部固定基座9连接，从而实现整个装置的固定，此处第一中间连接体1、第二中间连接体6、内层导向结构5、外层导向结构4与内部的负刚度特性的运动部件8共同形成正负刚度并联，实现了系统的准零刚度特性。外层导向结构4由一片外层导向簧片41和外层导向簧片连接件42构成，连接方式与内层导向结构5相同，外层导向簧片41的数量排布根据系统的刚度分配而定，性能参数根据刚度设计值而定。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图1、图2、图4和图7说明本实施方式，本实施方式的每组内层导向结构5包括两个内层导向簧片连接件52和若干片内层导向簧片51，平行设置的若干片内层导向簧片51沿运动部件8的长度方向由前至后依次均匀布置在第一中间连接体1与运动部件8之间或第二中间连接体6与运动部件8之间，内层导向簧片连接件52端面上加工有第二簧片安装槽b，内层导向簧片51插装在内层导向簧片连接件52的第二簧片安装槽b内，内层导向簧片连接件52固定安装在第一中间连接体1、第二中间连接体6或运动部件8上。如此设置，内层导向结构5由三片内层导向簧片51及内层导向簧片连接件52构成，连接方式与外层导向结构4相同，三片内层导向簧片51结构相同，采取并联方式排列。三片内层导向簧片51的数量排布根据系统的刚度分配而定，性能参数根据刚度设计值而定。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式五：结合图1、图2、图3和图5说明本实施方式，本实施方式的每组负刚度复合结构组件10包括两个扭转式柔性铰链101、两个连接件104和若干层蝶形簧片单元，运动部件8与负刚度簧片固定组件11之间沿竖直方向由上至下依次均匀设置若干层蝶形簧片单元，每层蝶形簧片单元包括N-1个中间垫块103和N对蝶形簧片组，N对蝶形簧片组沿水平方向由前至后依次均匀设置在运动部件8与负刚度簧片固定组件11之间，相邻两对蝶形簧片组之间通过一个中间垫块103固定连接，每对蝶形簧片组包括两组开口相对设置的蝶形簧片102和两个簧片连接105，开口相对设置的蝶形簧片102的两端部分别通过两个簧片连接105固定连接，每组蝶形簧片102包括由前至后叠放的若干片蝶形簧片本体，相邻两片蝶形簧片本体之间采用胶接方式固定连接，每片蝶形簧片本体包括中间子簧片1021、两个边部子簧片1022和两个簧片连接部1023，中间子簧片1021竖直设置，两个边部子簧片1022以中间子簧片1021为中心对称设置在中间子簧片1021两侧，所述边部子簧片1022一端与中间子簧片1021端部倾斜对接，两片蝶形簧片本体中相对的边部子簧片1022另一端通过簧片连接部1023固定连接。如此设置，当运动部件8在进行直线运动时，运动部件8通过两组负刚度复合结构组件10分别连接在两组负刚度簧片固定组件11上。在此处基于复合结构的准零刚度柔性导向结构实现了负刚度特性。负刚度复合结构组件10在运动部件8运动时提供与内层导向结构5、外层导向结构4、折叠簧片结构2中的簧片回弹力方向相反的补偿力，实现柔性直线导向机构的准零刚度特性。扭转式柔性铰链101增大了直线运动行程，通过蝶形簧片102的构型设计和空间排布实现负刚度结构，以达到运动指标，蝶形簧片102性能参数根据刚度设计值而定。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。

当每组负刚度复合结构组件10的蝶形簧片单元层数为两层、每层蝶形簧片单元的中间垫块103数量为一个、每层蝶形簧片单元的蝶形簧片组数量为两对时，蝶形簧片102为双层结构，每层结构包括三片并联的子簧片，中间垫块103两侧的蝶形簧片102开口向外，与扭转式柔性铰链101直接相连的蝶形簧片102开口相反，整个负刚度复合结构组件10以中间垫块103为基准形成对称结构。

具体实施方式六：结合图1、图2和图4说明本实施方式，本实施方式的每组折叠簧片结构2包括若干个板状簧片21和若干个簧片连接块22，平行设置的若干个板状簧片21沿运动部件8的长度方向由前至后依次均匀布置在第一中间连接体1与系统固定结构3之间或第二中间连接体6与系统固定结构3之间，相邻两个板状簧片21之间通过一个簧片连接块22固定连接，且相邻两个簧片连接块22之间交错排布，位于端侧的板状簧片21与第一中间连接体1、第二中间连接体6或系统固定结构3固定连接。如此设置，第一中间连接体1和第二中间连接体6通过四组折叠簧片结构2连接在四个系统固定结构3上，从而限定了系统的直线导向的运动范围。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。

具体实施方式七：结合图4说明本实施方式，本实施方式的每个中部固定基座9包括中部固定基座侧板91和簧片连接装置92，中部固定基座侧板91为L型板状结构，簧片连接装置92为矩形块状结构，中部固定基座侧板91的平板安装在系统平面上，中部固定基座侧板91的立板中部垂直固接簧片连接装置92，簧片连接装置92两侧端面加工有与外层导向结构4的外层导向簧片连接件42匹配的安装槽。如此设置，系统固定结构3和负刚度簧片固定组件11与中部固定基座9结构相似，同样采用侧板连接方式，固定在系统平面及运动方向的其他模块之间。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同。

具体实施方式八：结合图2说明本实施方式，本实施方式的直线电机驱动模块13包括直线电机和电机固定块，直线电机的定子通过电机固定块安装在系统平面上。如此设置，直线电机驱动模块13用于驱动运动部件8进行直线运动。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六或七相同。

直线电机驱动模块13的直线电机为磁驱直线电机，直线电机驱动模块13的直线电机为TECNotion无铁芯电机，定子型号：UL168+UL210；动子型号UL6。

具体实施方式九：结合图2说明本实施方式，本实施方式的所述准零刚度柔性导向结构还包括直线光栅尺反馈模块12，直线光栅尺反馈模块12包括光栅尺121、光栅读数头122和光栅读数头固定件123，光栅尺121安装在运动部件8的底部，光栅读数头固定件123固定在系统平面上，光栅读数头122安装在光栅读数头固定件123上，光栅读数头122与光栅尺121相对设置。如此设置，直线电机驱动模块13在驱动运动部件8进行直线运动时，直线光栅尺反馈模块12作为运动测量反馈环节实时采集运动数据。运动部件8在进行直线运动过程中，通过直线光栅尺反馈模块12实时采集运动数据，实现精密测量，并反馈给控制系统，进而形成闭环控制，大大地提高了运动精度。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六、七或八相同。

具体实施方式十：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的所述准零刚度柔性导向结构还包括两组中间连接体重力补偿模块7，两组中间连接体重力补偿模块7分别设置在第一中间连接体1和第二中间连接体6的底部中间位置，每组中间连接体重力补偿模块7包括磁铁粘贴件71和两个磁铁72，磁铁粘贴件71水平设置在系统平面上，其中一块磁铁72粘接在磁铁粘贴件71顶面中部，另一块磁铁72粘接在第一中间连接体1或第二中间连接体6底面中部，第一中间连接体1与磁铁粘贴件71或第二中间连接体6与磁铁粘贴件71之间均通过磁铁72连接。如此设置，两组中间连接体重力补偿模块7分别对第一中间连接体1和第二中间连接体6的重力进行补偿，避免直线导向上的运动部件8及第一中间连接体1和第二中间连接体6产生其他方向的运动。从而避免了非工作方向上位移和偏转误差的引入。其它组成和连接关系与具体实施方式的一、二、三、四、五、六、七、八或九相同。

工作原理

结合图1说明本发明一种基于复合结构的准零刚度柔性导向结构的工作原理：当直线电机驱动模块13驱动运动部件8进行运动时，内层导向结构5、外层导向结构4和折叠簧片结构2中的簧片同时产生变形，共同完成直线导向功能。负刚度复合结构组件10在运动部件8进行运动时，提供与内层导向结构5、外层导向结构4和折叠簧片结构2中的簧片回弹力方向相反的补偿力，从而实现柔性直线导向机构的准零刚度特性。同时，内层导向结构5、外层导向结构4、负刚度复合结构组件10及第一中间连接体1或第二中间连接体6构成的双平行四杆构型直线导向模块，补偿了系统非工作方向上引入的位移和偏转误差，同时相较单层导向结构的连接方式，增大了系统直线方向的运动行程。此外，在进行直线运动时，通过直线光栅尺反馈模块12实时采集运动数据，实现精密测量，并反馈给控制系统，进而形成闭环控制，大大地提高了运动精度。并且系统通过中间连接体重力补偿模块7补偿第一中间连接体1或第二中间连接体6的重力，从而避免了非工作方向上位移和偏转误差的引入。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于复合结构的准零刚度柔性导向结构，其特征在于：所准零刚度柔性导向结构述包括第一中间连接体(1)、第二中间连接体(6)、运动部件(8)、直线电机驱动模块(13)、两个中部固定基座(9)、两组负刚度复合结构组件(10)、两组负刚度簧片固定组件(11)、四组折叠簧片结构(2)、四个系统固定结构(3)、四组外层导向结构(4)和四组内层导向结构(5)，运动部件(8)为长方体结构，直线电机驱动模块(13)位于水平设置的运动部件(8)底部，直线电机驱动模块(13)的动子与运动部件(8)连接，直线电机驱动模块(13)的直线电机定子安装在系统平面上，第一中间连接体(1)和第二中间连接体(6)沿运动部件宽度方向水平对称设置在运动部件(8)的左右两侧，运动部件(8)一侧通过两组内层导向结构(5)与第一中间连接体(1)内侧端面连接形成第一闭环区域，运动部件(8)另一侧通过另外两组内层导向结构(5)与第二中间连接体(6)内侧端面连接形成第二闭环区域，两组负刚度复合结构组件(10)以运动部件(8)为中心水平对称设置在运动部件(8)两侧的第一闭环区域和第二闭环区域内，负刚度复合结构组件(10)一端与对应的运动部件(8)侧面中部垂直连接，负刚度复合结构组件(10)另一端与一组负刚度簧片固定组件(11)连接，所述负刚度簧片固定组件(11)安装在系统平面上，两个中部固定基座(9)沿运动部件(8)长度方向对称设置在运动部件(8)前后两侧，所述中部固定基座(9)安装在系统平面上，每个中部固定基座(9)与第一中间连接体(1)和第二中间连接体(6)之间分别垂直水平连接有一组外层导向结构(4)，第一中间连接体(1)和第二中间连接体(6)的前后两端均分别设有一个系统固定结构(3)，所述系统固定结构(3)安装在系统平面上，每个系统固定结构(3)与第一中间连接体(1)和第二中间连接体(6)之间均分别通过一组折叠簧片结构(2)连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于复合结构的准零刚度柔性导向结构，其特征在于：负刚度复合结构组件(10)、内层导向结构(5)、外层导向结构(4)、第一中间连接体(1)和第二中间连接体(6)相对于运动部件(8)构成双平行四杆构型直线导向模块。

3.根据权利要求2所述的一种基于复合结构的准零刚度柔性导向结构，其特征在于：每组外层导向结构(4)包括两个外层导向簧片连接件(42)和若干片外层导向簧片(41)，平行设置的若干片外层导向簧片(41)沿运动部件(8)的长度方向由前至后依次均匀布置在第一中间连接体(1)与中部固定基座(9)之间或第二中间连接体(6)与中部固定基座(9)之间，外层导向簧片连接件(42)端面上加工有第一簧片安装槽a，外层导向簧片(41)插装在外层导向簧片连接件(42)的第一簧片安装槽a内，外层导向簧片连接件(42)固定安装在第一中间连接体(1)、第二中间连接体(6)或中部固定基座(9)的端面上。

4.根据权利要求3所述的一种基于复合结构的准零刚度柔性导向结构，其特征在于：每组内层导向结构(5)包括两个内层导向簧片连接件(52)和若干片内层导向簧片(51)，平行设置的若干片内层导向簧片(51)沿运动部件(8)的长度方向由前至后依次均匀布置在第一中间连接体(1)与运动部件(8)之间或第二中间连接体(6)与运动部件(8)之间，内层导向簧片连接件(52)端面上加工有第二簧片安装槽b，内层导向簧片(51)插装在内层导向簧片连接件(52)的第二簧片安装槽b内，内层导向簧片连接件(52)固定安装在第一中间连接体(1)、第二中间连接体(6)或运动部件(8)上。

5.根据权利要求4所述的一种基于复合结构的准零刚度柔性导向结构，其特征在于：每组负刚度复合结构组件(10)包括两个扭转式柔性铰链(101)、两个连接件(104)和若干层蝶形簧片单元，运动部件(8)与负刚度簧片固定组件(11)之间沿竖直方向由上至下依次均匀设置若干层蝶形簧片单元，每层蝶形簧片单元包括N-1个中间垫块(103)和N对蝶形簧片组，N对蝶形簧片组沿水平方向由前至后依次均匀设置在运动部件(8)与负刚度簧片固定组件(11)之间，相邻两对蝶形簧片组之间通过一个中间垫块(103)固定连接，每对蝶形簧片组包括两组开口相对设置的蝶形簧片(102)和两个簧片连接(105)，开口相对设置的蝶形簧片(102)的两端部分别通过两个簧片连接(105)固定连接，每组蝶形簧片(102)包括由前至后叠放的若干片蝶形簧片本体，相邻两片蝶形簧片本体之间采用胶接方式固定连接，每片蝶形簧片本体包括中间子簧片(1021)、两个边部子簧片(1022)和两个簧片连接部(1023)，中间子簧片(1021)竖直设置，两个边部子簧片(1022)以中间子簧片(1021)为中心对称设置在中间子簧片(1021)两侧，所述边部子簧片(1022)一端与中间子簧片(1021)端部倾斜对接，两片蝶形簧片本体中相对的边部子簧片(1022)另一端通过簧片连接部(1023)固定连接。

6.根据权利要求5所述的一种基于复合结构的准零刚度柔性导向结构，其特征在于：每组折叠簧片结构(2)包括若干个板状簧片(21)和若干个簧片连接块(22)，平行设置的若干个板状簧片(21)沿运动部件(8)的长度方向由前至后依次均匀布置在第一中间连接体(1)与系统固定结构(3)之间或第二中间连接体(6)与系统固定结构(3)之间，相邻两个板状簧片(21)之间通过一个簧片连接块(22)固定连接，且相邻两个簧片连接块(22)之间交错排布，位于端侧的板状簧片(21)与第一中间连接体(1)、第二中间连接体(6)或系统固定结构(3)固定连接。

7.根据权利要求6所述的一种基于复合结构的准零刚度柔性导向结构，其特征在于：每个中部固定基座(9)包括中部固定基座侧板(91)和簧片连接装置(92)，中部固定基座侧板(91)为L型板状结构，簧片连接装置(92)为矩形块状结构，中部固定基座侧板(91)的平板安装在系统平面上，中部固定基座侧板(91)的立板中部垂直固接簧片连接装置(92)，簧片连接装置(92)两侧端面加工有与外层导向结构(4)的外层导向簧片连接件(42)匹配的安装槽。

8.根据权利要求7所述的一种基于复合结构的准零刚度柔性导向结构，其特征在于：直线电机驱动模块(13)包括直线电机和电机固定块，直线电机的定子通过电机固定块安装在系统平面上。

9.根据权利要求8所述的一种基于复合结构的准零刚度柔性导向结构，其特征在于：所述准零刚度柔性导向结构还包括直线光栅尺反馈模块(12)，直线光栅尺反馈模块(12)包括光栅尺(121)、光栅读数头(122)和光栅读数头固定件(123)，光栅尺(121)安装在运动部件(8)的底部，光栅读数头固定件(123)固定在系统平面上，光栅读数头(122)安装在光栅读数头固定件(123)上，光栅读数头(122)与光栅尺(121)相对设置。

10.根据权利要求9所述的一种基于复合结构的准零刚度柔性导向结构，其特征在于：所述准零刚度柔性导向结构还包括两组中间连接体重力补偿模块(7)，两组中间连接体重力补偿模块(7)分别设置在第一中间连接体(1)和第二中间连接体(6)的底部中间位置，每组中间连接体重力补偿模块(7)包括磁铁粘贴件(71)和两个磁铁(72)，磁铁粘贴件(71)水平设置在系统平面上，其中一块磁铁(72)粘接在磁铁粘贴件(71)顶面中部，另一块磁铁(72)粘接在第一中间连接体(1)或第二中间连接体(6)底面中部，第一中间连接体(1)与磁铁粘贴件(71)或第二中间连接体(6)与磁铁粘贴件(71)之间均通过磁铁(72)连接。

Images