CN114413134B - 一种重力补偿装置及运动台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及重力补偿技术领域，公开了一种重力补偿装置及运动台。重力补偿装置包括升降件、弹性件、检测组件和驱动组件，弹性件沿竖直方向设置，弹性件的下端与所述升降件连接，弹性件的上端凸出升降件的上方，弹性件的上端用于支撑负载单元；检测组件包括发射件和接收件，发射件被配置为安装于负载单元的下表面，接收件用于检测发射件的位置变化；驱动组件用于根据位置变化驱动升降件升降，以调节弹性件与负载单元之间支撑点的高度。本发明实现对负载单元的重力补偿的作用，且实现了负载单元位置变化时，自动调节支撑点的高度，节省人力成本，提高工作效率。

Description

一种重力补偿装置及运动台

技术领域

本发明涉及重力补偿技术领域，尤其涉及一种重力补偿装置及运动台。

背景技术

随着技术的发展，精密运动台逐渐向大行程和大负载方向发展，而负载的增加必然导致垂向电机所需推力的增大，由此导致垂向电机发热增大，垂向电机性能下降，从而影响运动台的运行可靠性。

现有的运动台通常通过重力补偿装置减小垂向电机所承载的负载力，且重力补偿装置一般采用机械弹簧重力补偿、磁浮重力补偿或气浮重力补偿的方式进行重力补偿。其中，零刚度磁浮重力补偿无法适应负载力的变化，正刚度或者负刚度磁浮重力补偿及气浮重力补偿相对机械弹簧重力补偿而言结构非常复杂，应用成本较高，且应用场景受限；现有的机械弹簧重力补偿可以适应负载的变化，但负载变化时需要手动调节运动台和负载的质心位置，操作麻烦，费时费力。

因此，亟需一种重力补偿装置及运动台，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种重力补偿装置及运动台，实现对运动台和负载的重力补偿的作用，且实现负载单元位置变化时，自动调节支撑点的高度，节省人力成本，提高工作效率。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一方面，提供一种重力补偿装置，包括：

升降件和弹性件，所述弹性件沿竖直方向设置，所述弹性件的下端与所述升降件连接，所述弹性件的上端凸出所述升降件的上方，所述弹性件的上端用于支撑负载单元；

检测组件，包括发射件和接收件，所述发射件被配置为安装于所述负载单元的下表面，所述接收件用于检测所述发射件的位置变化；

驱动组件，用于根据所述位置变化驱动所述升降件升降，以调节所述弹性件与所述负载单元之间支撑点的高度。

作为一种重力补偿装置的优选技术方案，所述驱动组件包括旋转电机和竖直设置的旋转件，所述旋转电机驱动连接于所述旋转件，所述旋转件设置有外螺纹，所述升降件设置有内螺纹，所述外螺纹和所述内螺纹螺纹传动连接，所述旋转电机能够驱动所述旋转件旋转以驱动所述升降件升降。

作为一种重力补偿装置的优选技术方案，所述旋转电机包括定子和动子，所述定子环设于所述动子，所述动子连接于所述旋转件，所述动子、所述旋转件、所述升降件和所述弹性件开设有贯穿的通光孔；

所述发射件位于所述通光孔的顶端，所述接收件固定于所述通光孔内。

作为一种重力补偿装置的优选技术方案，所述发射件为发光件，所述接收件为PSD信号处理板，所述发光件通过所述通光孔能够向所述PSD信号处理板发出检测光线，所述PSD信号处理板能够根据所述检测光线照射位置的不同输出不同的检测信号，所述驱动组件能够根据所述检测信号驱动所述升降件的升降。

作为一种重力补偿装置的优选技术方案，所述驱动组件还包括固定座，所述定子固定于所述固定座上；所述接收件设置于固定座上。

作为一种重力补偿装置的优选技术方案，所述固定座设置有凸台，所述凸台伸入所述通光孔内，所述接收件设置于所述凸台上。

作为一种重力补偿装置的优选技术方案，所述升降件开设有上端开口的容纳腔，所述弹性件的一端伸入所述容纳腔中并与所述容纳腔的腔底连接，所述弹性件的上端伸到所述容纳腔的外部。

作为一种重力补偿装置的优选技术方案，所述弹性件为机械压缩弹簧。

作为一种重力补偿装置的优选技术方案，所述旋转件的旋转角度为W，所述外螺纹的螺距为P，所述支撑点的上下移动距离为S，S=W/360*P。

另一方面，提供一种运动台，包括承载台和用于驱动所述承载台运动的驱动电机，还包括多个上述任一项所述的重力补偿装置，所述承载台和所述承载台上的负载为所述负载单元，多个所述重力补偿装置的所述弹性件分别支撑于所述承载台的下表面，用于补偿所述负载单元的总重力；且多个所述重力补偿装置的所述驱动组件分别驱动所述升降件升降以调节所述支撑点的高度，以调整所述承载台的质心位置。

作为一种运动台的优选技术方案，所述弹性件为机械压缩弹簧，所述机械压缩弹簧的刚度为K，所述负载单元的总重力为Mg，所述驱动电机的总驱动力为F，所述重力补偿装置的数量为N个，所述承载台的单边行程为Z，所述驱动电机的安全系数为A，所述机械压缩弹簧的长度为L，FA/（ZN）＞K＞Mg/（0.4LN）。

本发明的有益效果在于：

本发明提供一种重力补偿装置，当负载单元支承于弹性件的上端时，弹性件在负载重力作用下压缩，并向负载单元施加竖直向上的反作用力，从而实现对负载单元的重力补偿的作用；当负载单元由于重力的变化导致位置变化，改变弹性件的压缩长度，检测组件能够检测发射件的位置变化，然后，驱动组件根据位置变化驱动升降件升降，以调节弹性件与负载单元之间支撑点的高度，实现了负载单元位置变化时，自动调节支撑点的高度，节省人力成本，提高工作效率。

本发明还提供一种运动台，通过多个上述的重力补偿装置对负载单元进行重力补偿，减少驱动电机承载的负载力，减少驱动电机的推力，提高性能，提高运动台的运行可靠性，且实现了负载单元变化时，自动调节支撑点的高度，调节负载单元的质心位置，节省人力成本，提高工作效率。

附图说明

图1是本发明具体实施方式提供的运动台的示意图；

图2是本发明具体实施方式提供的重力补偿装置的结构爆炸图；

图3是本发明具体实施方式提供的重力补偿装置的主视图；

图4是本发明具体实施方式提供的重力补偿装置的剖视图。

图中标记如下：

10、重力补偿装置；20、承载台；

1、升降件；11、容纳腔；

2、弹性件；

3、检测组件；31、发射件；32、接收件；

4、驱动组件；41、旋转电机；411、定子；412、动子；42、旋转件；43、固定座；431、凸台；44、通光孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

现有技术的运动台通常通过重力补偿装置减小垂向电机所承载的负载力，且重力补偿装置一般采用机械弹簧重力补偿、磁浮重力补偿或气浮重力补偿的方式进行重力补偿。其中，零刚度磁浮重力补偿无法适应负载力的变化，正刚度或者负刚度磁浮重力补偿及气浮重力补偿相对机械弹簧重力补偿而言结构非常复杂，应用成本较高，且应用场景受限；现有的机械弹簧重力补偿可以适应负载的变化，但当负载变化时运动台和负载的整体质心位置也会发生变化，因此，需要手动调节该质心位置，手动操作一般比较麻烦，而且调节精度也不高。

本实施例提供了一种重力补偿装置及运动台，其中重力补偿装置在对运动台进行重力补偿的同时，能够实现对运动台和负载的整体质心位置的调整，当运动台上的负载变化引起质心位置变化时，可以通过重力补偿装置将偏移的质心位置调整到预设位置。

具体地，如图1所示，本实施例提供了一种运动台，包括承载台20、用于驱动承载台20运动的驱动电机（图中未示出）和多个重力补偿装置10，承载台20和放置于承载台20上的负载组成负载单元，多个重力补偿装置10（结合图2所示）的弹性件2分别支撑于承载台20的下表面，用于补偿该负载单元的总重力；且多个重力补偿装置10的驱动组件4分别驱动对应的升降件1升降以调节弹性件2与负载单元之间支撑点的高度，进而调整负载单元的质心位置。本实施例中，通过多个重力补偿装置10对负载单元进行重力补偿，减少驱动电机承载的负载力，减少驱动电机的推力，提高性能，提高运动台的运行可靠性，且实现了负载单元变化时，自动调节支撑点的高度，实现负载单元质心位置的调整，节省人力成本，提高工作效率。

重力补偿装置10可以应用于运动台等需要进行精密垂向运动的装置用以对负载的重力进行补偿，从而减小垂向运动装置的垂向驱动电机所受负载力。在实际应用过程中，负载单元水平设置并支承于多个重力补偿装置10的上方，多个重力补偿装置10保证对负载单元的支撑稳定性。本实施例中，重力补偿装置10设置为4组，在工程应用中可不局限于4组。

进一步地，结合图1至图4所示，该图1中的重力补偿装置10包括升降件1、弹性件2、检测组件3和驱动组件4，弹性件2沿竖直方向设置，弹性件2的下端与升降件1连接，弹性件2的上端凸出升降件1的上方，弹性件2的上端用于支撑负载单元；检测组件3包括发射件31和接收件32，发射件31被配置为安装于负载单元的下表面，接收件32用于检测发射件31的位置变化；驱动组件4用于根据位置变化驱动升降件1升降，以调节弹性件2与负载单元之间支撑点的高度。

当负载单元支承于弹性件2的上端时，弹性件2在负载重力作用下压缩，并向负载单元施加竖直向上的反作用力，从而实现对负载单元的重力补偿的作用；当负载单元由于重力的变化导致位置变化时，设置在负载单元的下表面的发射件31的位置相应发生变化，检测组件3能够检测发射件31的位置变化，然后，驱动组件4根据发射件31的位置变化驱动升降件1升降，以调节弹性件2与负载单元之间支撑点的高度，实现了负载单元变化时，自动调节负载单元的质心位置，节省人力成本，提高工作效率，保持承载台20处于预设位置和水平状态。

为方便弹性件2的安装，升降件1开设有上端开口的容纳腔11，弹性件2的一端伸入容纳腔11中并与容纳腔11的腔底连接，弹性件2的上端伸到容纳腔11的外部。容纳腔11的设置，能够避免弹性件2在变形过程中产生扭曲和弯折，为弹性件2的变形提供导向，从而保证弹性件2的伸缩可靠性，即更好地保证弹性件2向负载单元施加的力始终处于竖直方向。

本实施例中，弹性件2为机械压缩弹簧，结构简单，易于设置，有利于减小运动台的垂向高度，提高运动台整体结构的紧凑性。机械压缩弹簧的外径优选与容纳腔11的内径相等，以使机械压缩弹簧能够与容纳腔11的腔壁滑动接触，从而更好地为机械压缩弹簧的伸缩变形定向，保证机械压缩弹簧始终处于竖直状态。在其他实施例中，弹性件2还可以为其他能够伸缩且伸缩程度与所受压力相关的结构，如蝶形弹簧等。

本实施例还提供了机械压缩弹簧的刚度选择方式，负载单元的总重力为Mg，驱动电机的总驱动力为F，重力补偿装置10的数量为N个，承载台20的单边行程为Z，驱动电机的安全系数为A，其中A为范围值，优选范围为1.2-1.5，机械压缩弹簧的长度为L，机械压缩弹簧的刚度为K，那么，机械压缩弹簧的刚度K优选为小于FA/（ZN）且大于Mg/（0.4LN），可以防止机械压缩弹簧由于刚度过小导致损坏，以及防止机械压缩弹簧由于刚度过大导致无法起到重力补偿的作用，进而导致驱动电机的推力不足以驱动负载单元升降。

需要说明的是，重力补偿装置10还包括控制器，接收件32将检测到信号发送给控制器，控制器根据这个信号（即位置变化）去控制驱动组件4控制升降件1升降。整个控制过程为常用的控制手段，这里不再展开赘述。本实施例中，控制器控制多个重力补偿装置10的驱动组件4，实现调节负载单元的质心位置。

优选地，驱动组件4包括旋转电机41和竖直设置的旋转件42，旋转电机41驱动连接于旋转件42，旋转件42设置有外螺纹，升降件1设置有内螺纹，外螺纹和内螺纹螺纹传动连接，旋转电机41能够驱动旋转件42旋转，通过螺纹传动以驱动升降件1升降。需要说明的是，升降件1在负载单元的重力作用下预紧，当旋转电机41驱动旋转件42旋转时，外螺纹和内螺纹配合传动，将旋转件42的旋转运动转化为升降件1沿竖直方向的直线运动。

需要说明的是，旋转件42的旋转角度为W，外螺纹的螺距为P，支撑点的上下移动距离为S，则S=W/360*P。

进一步地，旋转电机41包括定子411和动子412，定子411环设于动子412，动子412连接于旋转件42，本实施例动子412与旋转件42之间通过螺钉连接，动子412、旋转件42、升降件1和弹性件2开设有贯穿的通光孔44；发射件31位于通光孔44的顶端，接收件32固定于通光孔44内。具体地，如图2所示，旋转电机41的动子412设有竖直贯穿的第一通孔，旋转件42包括连接座和竖直设置在该连接座上的螺杆，连接座固定连接至动子412上，螺杆设有外螺纹，升降件1的容纳腔11腔底具有一定厚度，且腔底的中间设有一个通孔，该通孔的内壁设置有内螺纹，螺杆穿设于该通孔内，螺杆上的外螺纹和该内螺纹配合传动，其中，机械压缩弹簧套设在螺杆上，如此，螺杆也可以为机械压缩弹簧的伸缩变形定向，进一步保证机械压缩弹簧始终处于竖直状态；旋转件42设有竖直贯穿螺杆和连接座的第二通孔，第一通孔和第二通孔连通形成该通光孔44，发射件31位于第二通孔的顶端，接收件32固定于第一通孔内。

一方面，通光孔44为发射件31和接收件32提供安装空间；另一方面，通光孔44便于发射件31和接收件32进行信号传输，且发射件31安装于负载单元的底部，且位于通光孔44的顶端，发射件31的位置即是支撑点的位置，检测的位置变化精度更高，提高了支撑点的高度的调节精度。本实施例中，第一通孔的直径大于第二通孔，以预留足够空间设置接收件32，应当理解的是，本实施例对第一通孔和第二通孔的直径并无特殊限定，只要其能够达到设置检测组件3，保证发射件31的光源能够被接收件32接收的目的即可。

优选地，本实施例中的旋转电机41为力矩电机。

优选地，发射件31为发光件，接收件32为PSD信号处理板，发光件通过通光孔44能够向PSD信号处理板发出检测光线，PSD信号处理板能够根据检测光线照射位置的不同输出不同的检测信号，驱动组件4能够根据检测信号驱动升降件1的升降。本实施例中，发光件可以是激光器，也可以是LED灯模组等，发光件光线垂直于承载台20，LED灯模组和PSD信号处理板不局限于特定的光谱，只需要保证光谱范围一致即可，同时需要LED灯模组的发射光照射在PSD信号处理板中的PSD的坐标原点位置处，如果LED灯模组的发射光的发散角很大则需要通过准直透镜组将其发散角降至一定范围内。接收件32不局限于PSD信号处理板，亦可为CCD信号处理板或其他具有判断光点位置信息的光电信号处理板。

本实施例中，驱动组件4还包括固定座43，定子411安装于固定座43上；接收件32设置于固定座43上，且位于固定座43的顶端，实现了接收件32和旋转电机41的固定。优选地，固定座43设置有凸台431，凸台431伸入通光孔44内，接收件32设置于凸台431上，凸台431提高了接收件32的高度，减少了接收件32和发射件31的间距，因此可以增大接收件32接收到的倾斜光线的角度，从而增加承载台20质心的调节范围。

进一步需要说明的是，本实施例还提供了该运动台的工作原理：当承载台20处于水平状态下，承载台20底部的发射件31的发射光通过通光孔44照射在接收件32的坐标原点位置，当待承载件放置于承载台20时，承载台20倾斜，导致底部的发射件31的发射光脱离坐标原点，通过控制器根据检测组件3的位置变化的反馈信号并通过一定的算法实现旋转电机41旋转一定的角度，从而改变机械压缩弹簧的压缩量以及支撑点的高度，以调节承载台20的水平度，当所有重力补偿装置10的发射件31的发射光重新照射坐标原点时，证明承载台20重新恢复水平状态。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (9)

1.一种重力补偿装置，其特征在于，包括：

升降件（1）和弹性件（2），所述弹性件（2）沿竖直方向设置，所述弹性件（2）的下端与所述升降件（1）连接，所述弹性件（2）的上端凸出所述升降件（1）的上方，所述弹性件（2）的上端用于支撑负载单元；

检测组件（3），包括发射件（31）和接收件（32），所述发射件（31）被配置为安装于所述负载单元的下表面，所述接收件（32）用于检测所述发射件（31）的位置变化；

驱动组件（4），用于根据所述位置变化驱动所述升降件（1）升降，以调节所述弹性件（2）与所述负载单元之间支撑点的高度；

所述驱动组件（4）包括旋转电机（41）和竖直设置的旋转件（42），所述旋转电机（41）驱动连接于所述旋转件（42），所述旋转电机（41）包括定子（411）和动子（412），所述定子（411）环设于所述动子（412），所述动子（412）连接于所述旋转件（42），所述动子（412）、所述旋转件（42）、所述升降件（1）和所述弹性件（2）开设有贯穿的通光孔（44）；

所述发射件（31）位于所述通光孔（44）的顶端，所述接收件（32）固定于所述通光孔（44）内；

所述发射件（31）为发光件，所述接收件（32）为PSD信号处理板，所述发光件通过所述通光孔（44）能够向所述PSD信号处理板发出检测光线，所述PSD信号处理板能够根据所述检测光线照射位置的不同输出不同的检测信号，所述驱动组件（4）能够根据所述检测信号驱动所述升降件（1）的升降。

2.根据权利要求1所述的重力补偿装置，其特征在于，所述旋转件（42）设置有外螺纹，所述升降件（1）设置有内螺纹，所述外螺纹和所述内螺纹螺纹传动连接，所述旋转电机（41）能够驱动所述旋转件（42）旋转以驱动所述升降件（1）升降。

3.根据权利要求1所述的重力补偿装置，其特征在于，所述驱动组件（4）还包括固定座（43），所述定子（411）固定于所述固定座（43）上，所述接收件（32）设置于所述固定座（43）上。

4.根据权利要求3所述的重力补偿装置，其特征在于，所述固定座（43）设置有凸台（431），所述凸台（431）伸入所述通光孔（44）内，所述接收件（32）设置于所述凸台（431）上。

5.根据权利要求1所述的重力补偿装置，其特征在于，所述升降件（1）开设有上端开口的容纳腔（11），所述弹性件（2）的一端伸入所述容纳腔（11）中并与所述容纳腔（11）的腔底连接，所述弹性件（2）的上端伸到所述容纳腔（11）的外部。

6.根据权利要求1-5任一项所述的重力补偿装置，其特征在于，所述弹性件（2）为机械压缩弹簧。

7.根据权利要求2所述的重力补偿装置，其特征在于，所述旋转件（42）的旋转角度为W，所述外螺纹的螺距为P，所述支撑点的上下移动距离为S，S=W/360*P。

8.一种运动台，包括承载台（20）和用于驱动所述承载台（20）运动的驱动电机，其特征在于，还包括多个权利要求1-7任一项所述的重力补偿装置，所述承载台（20）和所述承载台（20）上的负载为所述负载单元，多个所述重力补偿装置的所述弹性件（2）分别支撑于所述承载台（20）的下表面，用于补偿所述负载单元的总重力；且多个所述重力补偿装置的所述驱动组件（4）分别驱动所述升降件（1）升降以调节所述支撑点的高度，以调整所述承载台（20）的质心位置。

9.根据权利要求8所述的运动台，其特征在于，所述弹性件（2）为机械压缩弹簧，所述机械压缩弹簧的刚度为K，所述负载单元的总重力为Mg，所述驱动电机的总驱动力为F，所述重力补偿装置的数量为N个，所述承载台（20）的垂向单边行程为Z，所述驱动电机的安全系数为A，所述机械压缩弹簧的长度为L，FA/（ZN）＞K＞Mg/（0.4LN）。

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