CN116995884B - 一种直驱高动态性能运动装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直驱高动态性能运动装置及控制方法，属于直线电机驱动装置技术领域，本装置包括配合设置的上板、中间板和下板，上板体与中间板体之间隐藏设有X轴直线电机驱动机构，中间板体与下板之间隐藏设有Y轴直线电机驱动机构，中间板与上板以及下板之间分别设置有导轨组件，导轨组件包括相对设置的V型导轨，V型导轨具有V型槽，相邻的V型槽形成方形通道且设有保持架，保持架转动连接有多个滚轮以及转动轮，滚轮与方形通道的相对面滚动接触。本发明通过导轨组件提高直线运动的稳定性、精密性且能实现散热，整体结构紧凑，运动性能高。

Description

一种直驱高动态性能运动装置及控制方法

技术领域

本发明属于直线电机驱动装置技术领域，具体涉及一种直驱高动态性能运动装置及控制方法。

背景技术

精密和高速加工对运动定位及其控制提出了更高的要求，更高的动态特性和控制精度，更高的速度和加速度，更低的振动噪声和更小的磨损，晶圆的光刻工艺对平整度是非常敏感的，因此需要具有高动态性能的运动平台进行精密加工，早期圆晶的平面度及厚度检测平台主要为机械导轨平台，传统的运动平台多采用旋转电机加滚珠丝杠进行驱动，旋转电机输出的转矩经过减速器、联轴器、滚珠丝杠等多个中间环节驱动平台运动，这种结构的传动链中的摩擦、间隙、回差等多个误差源使控制器的性能受到很大程度的抑制，容易产生机械谐振，使系统的动态响应变慢。

现有技术中，采用双轴直线电机进行平台二维空间的坐标变化，实现高准度加工，但高精密进给运动平台的量程普遍较短，而大量程的普通宏运动进给平台精度又无法满足实际需要。如果采用专用的大量程高精密运动平台，产品的制造成本将大幅增加，部分运动平台为克服这一问题，提高了进给平台的大小以提高运动行程，但该类装置平台结构复杂、体积较大，容易在运动过程中晃动，使其精密性大打折扣。

申请号为US16321772的美国发明专利公开了一种直线输送装置，包括：直线电机定子、滑块以及直线输送部，滑块包括直线电机动子，直线输送部通过将多个模块彼此直线连接而形成，模块包括基架，基架具有上表面和面对平台的下表面，上表面具有用于引导滑块的运动的导轨，装置还包括基座构件，基座构件在模块之间的连接部分处设置在平台的上表面和模块的下表面之间，基座构件被配置为定位和支撑要彼此连接的一对模块，该输送装置能很容易地使线性输送机的模块以高精度彼此连接，提高了直线运动的紧密性，该发明在以下技术问题上存在改进空间：平台滑移过程中中心会发生偏移，可能造成导轨平行度的改变，影响直线运动精度，导致平台上放置零件的抖动，且导轨滑移产生的热量难以挥发，长时间使用后会缩短材料使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能具有高精密性、移动稳定性，且能自动散热的直驱高动态性能运动装置及控制方法。

本发明为实现上述目的所采取的技术方案为：

一种直驱高动态性能运动装置，包括：配合设置的上板、中间板和下板，上板与中间板之间隐藏设有X轴直线电机驱动机构，中间板与下板之间隐藏设有Y轴直线电机驱动机构，中间板与上板之间设有导轨组件，中间板与下板之间设有导轨组件。通过控制X轴直线电机驱动机构，能够实现上板相对中间板在X轴向方向移动，通过控制Y轴直线电机驱动机构，能够实现中间板相对下板在Y轴方向进行移动，通过同时控制X轴直线电机驱动机构和Y轴直线电机驱动机构，使上板能够相对下板在平面内实现坐标位置调整，导轨组件用于实现板体之间的连接以及滑移限制，整体结构紧凑，占地空间小。

优选地，导轨组件包括相对设置的V型导轨，V型导轨具有V型槽，相邻的V型槽形成方形通道且设有保持架，保持架转动连接有多个滚轮以及转动轮，滚轮与方形通道的相对面滚动接触。多个滚动轮提供中间板相对上板、下板滑移时的滚动支撑，通过减小摩擦阻力来削弱相对滑移时的震动，减小了对X轴直线电机驱动机构以及Y轴直线电机驱动机构的干涉，滚轮在方形通道内的滚动支撑同时也降低了相邻两个V型导轨错位的可能，有利于稳定相邻V型导轨的间距来防止板体倾斜导致的滑移卡顿。

优选地，保持架包括折板，折板具有两个互为垂直的端面，任一端面间隔设有主轴，两个端面的主轴错位设置，任一主轴在其背侧的端面上设有副轴，滚轮与主轴转动连接，转动轮与副轴转动连接。错位布设的主轴上的滚轮形成对方形通道内两组相对面的滚动支撑，即形成垂直交叉的滚动支撑，一方面通过增加滚动接触点，进一步实现稳定相邻V型导轨之间的间距，有利于避免V型导轨滑动卡死，另一方面且交叉错位设置的滚轮有助于在多个方向保证相邻导轨的平行度，有利于提高直线运动平稳性。

优选地，转动轮底部固定有套筒，套筒套设在副轴外，套筒外壁沿其轴线方向间隔设置有隔板，相邻隔板之间环绕设置有多个叶片。滚轮与相邻两个V型导轨内的V型槽滚动接触时，同步带动该滚轮背侧的转动轮在副轴上旋转，转动轮带动多个隔板以及叶片旋转形成气流，有助于对V型导轨实现散热降温，同时，多个转动轮的旋转方向朝同一方向，能够形成沿V型导轨延伸方向逐级传递的对外，从而有利于V型导轨内侧的灰尘排出，实现自清洁，防止滚轮转动卡死影响滑移平稳性，叶片旋转所形成的气流还能作用到其背部的滚轮，有利于对与V型槽滚动接触的滚轮进行散热降温，降低滚轮过热导致磨损的可能，一方面降低了维护成本，另一方面防止滚轮磨损产生碎屑导致V型导轨滑动卡死。

优选地，转动轮顶部固定有球头，球头与V型槽内壁接触，折板与其相邻的隔板之间连接有圆柱弹簧，圆柱弹簧套接于副轴。弹簧在折板上对隔板张紧，使得球头能提供滚轮另一侧V型槽上壁面的滑动支撑，提高了竖直方向的支撑力，有利于防止V型导轨上部受压后，V型槽形变导致板体滑移卡死，板体滑移动作停止瞬间因惯性发生抖动，抖动通过板体传递至V型导轨，并通过滚动的球头传递至圆柱弹簧消耗，降低震动干涉，有助于提高滑移精密性的同时，从而有助于保护X轴直线电机驱动机构以及Y轴直线电机驱动机构，弹簧伸缩时能带动转动的叶片滑移，促进旋转气流的流动，提高散热能力。

优选地，滚轮包括同轴设置的圆柱轮和锥齿轮，圆柱轮与方形通道的相对面滚动接触，锥齿轮设于圆柱轮与折板之间，锥齿轮与转动轮配合设置。通过锥齿轮与转动轮的配合，实现垂直布设的滚轮与转动轮的传动，使互相配合设置的滚轮与转动轮形成互相支撑，提减小了滚轮跳动的可能，有利于提高板体滑动时的稳定性。

优选地，下板两侧设置有能对中间板支撑的气浮组件，气浮组件包括固定座，固定座顶部设有滚动槽，滚动槽内活动设有滚球，固定座内设有气腔，固定座底部设有连通气腔的通气口，通气口连接有气泵，滚动槽与气腔连通并配合设置有顶杆。通过控制气泵输入气体经过通气口至气腔，气腔内压力升高顶起顶杆，顶杆推动滚球在滚动槽内滑移后接触中间板的底部，实现气浮滚动支撑，防止中间板带动上板滑移时因重心偏移发生整体抖动，有利于提高直线往复运动的平稳性。

本发明由于采用了具有高平行度和滑动稳定性的导轨组件，因而具有如下有益效果：V型导轨之间通过多个滚轮提供滚动支撑，有利于提高直线滑移的稳定性；多个滚轮交错布设，对V型导轨形成的方形通道多方位滚动支撑，防止了V型导轨形变以及间距变化，避免了板体滑移时接触并卡死的可能；滚轮背侧传动连接有转动轮，能通过滚消耗轮的转动降低干涉；滚轮旋转能带动背侧的转动轮旋转产生气流，有助于在板体滑移时实现V型导轨的散热；转动轮错位布设于折板两垂直面，能对V型槽两侧均衡散热，避免局部温度过高影响X轴直线电机驱动机构和Y轴直线电机驱动机构；转动轮间隔设置形成逐级引导的对外气流，有利于对V型槽内部清洁，提高滑移精密度；球头通过圆柱弹簧接触V型槽以提高支撑力，防止V型导轨形变；球头通过圆柱弹簧形变吸收震动干涉，提高零部件寿命，降低滑移抖动引起精密度下降；气浮组件在通气后对中间板形成滚动支撑，防止板体滑移后重心偏移引起晃动的可能，进一步提升运动稳定性。因此，本发明是一种能具有高精密性、移动稳定性，且能自动散热的直驱高动态性能运动装置及控制方法。

附图说明

图1为上板、中间板、下板连接示意图；

图2为导轨组件位置示意图；

图3为导轨组件正向示意图；

图4为导轨组件内部结构示意图；

图5为滚轮与转动轮剖视示意图；

图6为转动轮结构示意图；

图7为气浮组件剖视示意图。

附图标号：上板1；中间板2；下板3；导轨组件4；V型导轨40；V型槽41；保持架5；折板50；主轴51；副轴52；滚轮6；圆柱轮60；锥齿轮61；转动轮7；套筒70；隔板71；叶片72；球头73；圆柱弹簧74；气浮组件8；固定座80；滚动槽81；滚球82；气腔83；通气口84；顶杆9；滑移杆90；支撑头91；活塞92；气孔93。

具体实施方式

以下结合具体实施方式和附图对本发明的技术方案作进一步详细描述：

显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见附图1-附图2，一种直驱高动态性能运动装置，包括：配合设置的上板1、中间板2和下板3，上板1体与中间板2体之间设有X轴直线电机驱动机构，中间板2体与下板3之间设有Y轴直线电机驱动机构，X轴直线电机驱动机构与Y轴直线电机驱动机构均隐藏布设，中间板2与上板1之间设有导轨组件4，中间板与下板3之间设有导轨组件4。

X轴直线电机驱动机构包括X轴直线电机动子、X轴磁铁，X轴直线电机动子设于中间板2上方，X轴磁铁设于上板1下方，X轴磁铁位于X轴直线电机动子的正上方，X轴直线电机驱动机构还包括X轴连接块、X轴光栅尺、X轴编码器，X轴连接块设于中间板2上，X轴编码器安装于X轴连接块上，X轴光栅尺固定于上板1且位于X轴编码器的正上方，中间板2设有X轴感应开关以及X轴限位座。

Y轴直线电机驱动机构包括Y轴直线电机动子、Y轴磁铁，Y轴直线电机动子设于下板3上方，Y轴磁铁设于中间板2底部，Y轴磁铁位于Y轴直线电机动子的正上方，Y轴直线电机驱动机构还包括Y轴连接块、Y轴光栅尺、Y轴编码器，Y轴连接块设于下板3上，Y轴编码器安装于Y轴连接块上，Y轴光栅尺固定于上板1且位于Y轴编码器的正上方，中间板2设有Y轴感应开关以及Y轴限位座。

通过控制X轴直线电机驱动机构，能够实现上板1相对中间板2在X轴向方向移动，通过控制Y轴直线电机驱动机构，能够实现中间板2相对下板3在Y轴方向进行移动，通过同时控制X轴直线电机驱动机构和Y轴直线电机驱动机构，使上板1能够相对下板3在平面内实现坐标位置调整，导轨组件4用于实现板体之间的连接以及滑移限制，整体结构紧凑，占地空间小。

参见附图3-附图4，导轨组件4包括相对设置的V型导轨40，V型导轨40具有V型槽41，相邻的V型槽41形成方形通道且设有保持架5，保持架5转动连接有多个滚轮6以及转动轮7，滚轮6与方形通道的相对面滚动接触。

多个滚动轮提供中间板2相对上板1、下板3滑移时的滚动支撑，通过减小摩擦阻力来削弱相对滑移时的震动，减小了对X轴直线电机驱动机构以及Y轴直线电机驱动机构的干涉，滚轮6在方形通道内的滚动支撑同时也降低了相邻两个V型导轨40错位的可能，有利于稳定相邻V型导轨40的间距来防止板体倾斜导致的滑移卡顿。

参见附图5，保持架5包括折板50，折板50具有两个互为垂直的端面，任一端面间隔设有主轴51，两个端面的主轴51错位设置，任一主轴51在其背侧的端面上设有副轴52，滚轮6与主轴51转动连接，转动轮7与副轴52转动连接，滚轮6与背侧的转动轮7垂直布设且二者传动连接。

错位布设的主轴51上的滚轮6形成对方形通道内两组相对面的滚动支撑，即形成垂直交叉的滚动支撑，一方面通过增加滚动接触点，进一步实现稳定相邻V型导轨40之间的间距，有利于避免V型导轨40滑动卡死，另一方面且交叉错位设置的滚轮6有助于在多个方向保证相邻导轨的平行度，有利于提高直线运动平稳性，滚轮6在主轴51上转动时能将运动传递至转动轮7，有利于通过转动轮7的转动来消耗滚轮6滚动形成的震动，不仅降低了震动干涉，也减小了滚轮6滚动接触的磨损，降低维护成本。

参见附图5-附图6，转动轮7底部固定有套筒70，套筒70套设在副轴52外，套筒70外壁沿其轴线方向间隔设置有隔板71，相邻隔板71之间环绕设置有多个叶片72。

滚轮6与相邻两个V型导轨40内的V型槽41滚动接触时，同步带动该滚轮6背侧的转动轮7在副轴52上旋转，转动轮7带动多个隔板71以及叶片72旋转形成气流，有助于对V型导轨40实现散热降温，同时，多个转动轮7的旋转方向朝同一方向，能够形成沿V型导轨40延伸方向逐级传递的对外，从而有利于V型导轨40内侧的灰尘排出，实现自清洁，防止滚轮6转动卡死影响滑移平稳性，叶片72旋转所形成的气流还能作用到其背部的滚轮6，有利于对与V型槽41滚动接触的滚轮6进行散热降温，降低滚轮6过热导致磨损的可能，一方面降低了维护成本，另一方面防止滚轮6磨损产生碎屑导致V型导轨40滑动卡死。

转动轮7顶部固定有球头73，球头73与V型槽41内壁接触，折板50与其相邻的隔板71之间连接有圆柱弹簧74，圆柱弹簧74套接于副轴52。

弹簧在折板50上对隔板71张紧，使得球头73能提供滚轮6另一侧V型槽41上壁面的滑动支撑，提高了竖直方向的支撑力，有利于防止V型导轨40上部受压后，V型槽41形变导致板体滑移卡死，板体滑移动作停止瞬间因惯性发生抖动，抖动通过板体传递至V型导轨40，并通过滚动的球头73传递至圆柱弹簧74消耗，降低震动干涉，有助于提高滑移精密性的同时，从而有助于保护X轴直线电机驱动机构以及Y轴直线电机驱动机构，弹簧伸缩时能带动转动的叶片72滑移，促进旋转气流的流动，提高散热能力。

滚轮6包括同轴设置的圆柱轮60和锥齿轮61，圆柱轮60与方形通道的相对面滚动接触，锥齿轮61设于圆柱轮60与折板50之间，锥齿轮61与转动轮7配合设置。

通过锥齿轮61与转动轮7的传动，实现垂直布设的滚轮6与转动轮7的传动，使互相配合设置的滚轮6与转动轮7形成互相支撑，提减小了滚轮6跳动的可能，有利于提高板体滑动时的稳定性。

参见附图7，下板3两侧设置有能对中间板2支撑的气浮组件8，气浮组件8包括固定座80，固定座80顶部设有滚动槽81，滚动槽81内活动设有滚球82，滚球82能在滚动槽81内上移并接触中间板2，固定座80内,设有气腔83，气腔83位于滚动槽81下方，固定座80底部设有连通气腔83的通气口84，通气口84连接有气泵，滚动槽81与气腔83连通并配合设置有顶杆9。

通过控制气泵输入气体经过通气口84至气腔83，气腔83内压力升高顶起顶杆9，顶杆9推动滚球82在滚动槽81内滑移后接触中间板2的底部，实现气浮滚动支撑，防止中间板2带动上板1滑移时因重心偏移发生整体抖动，有利于提高直线往复运动的平稳性。

顶杆9包括滑移杆90，滑移杆90能在通气口84与气腔83连通空间轴向滑动，滑移杆90位于滚动槽81内的一端固定有支撑头91，支撑头91末端具有与滚球82配合的内凹球面，滑移杆90位于气腔83内的一端固定有活塞92，活塞92与气腔83内壁密封设置，滑移杆90中心沿轴线开设有气孔93，气孔93为通孔且贯通连接滚动槽81与气腔83。

滚球82能够在滚动槽81内升降和滚动，滚动槽81顶部向中聚拢用于对滚球82限位。

不通气时，滚球82位于滚动槽81的槽底下压支撑头91，滚球82不接触中间板2底部，同时滚球82堵塞气孔93形成气腔83的密闭，中间板2做直线滑移运动时，通过外部气泵通气，气体通过通气口84进入密闭的气腔83，气腔83内气压升高后推动活塞92，活塞92带动滑移杆90向上滑移，从而带动顶部支撑头91向上顶起滚球82，使得滚球82在滚动槽81内上升并与中间板2接触，中间板2滑移能带动滚球82在滚动槽81内滚动，形成对中间板2的滑移支撑，有助于防止滑移后重心偏移引起的整体晃动，滚球82的滚动使得在支撑头91的内凹球面与滚球82之间存在空隙，气流持续输入至气腔83时，气腔83内部分气体能进入气孔93并从空隙中流出，流出的气流到达滚动槽81内并能作用至滚球82以及中间板2底部，一方面能对滚球82表面以及中间板2散热，另一方面形成滚球82滚动时的稳定气浮支撑，降低滚球82滚动时与支撑头91以及滚动槽81内壁的磨损，下板3受外界影响存在震动干涉时，滚球82受气浮支撑有助于减小震动对中间板2的传递。

在断气后，支撑头91承接滚球82，滑移杆90受重力影响下移，此时气腔83内残余气体能缓冲活塞92下移速度，避免滚球82撞击滚动槽81底部造成滚球82不光滑影响滚动支撑稳定性。

一种直驱高动态性能运动控制方法，采用一种直驱高动态性能运动装置，包括以下步骤：

步骤a，将下板3固定于平台后，通过控制X轴驱动机构，使上板1相对中间板2在X轴向方向直线位移；

步骤b，通过控制Y轴驱动机构，使中间板2相对下板3在Y轴方向直线位移；

步骤c，通过同时控制X轴驱动机构与Y轴驱动机构，使上板1在其运动平面相对下板3改变坐标位置；

步骤d，通过控制气泵对通气口84通气，使顶杆9顶升滚球82对中间板2底部支撑。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (3)

1.一种直驱高动态性能运动装置，包括：配合设置的上板（1）、中间板（2）和下板（3），

其特征是：所述上板（1）与所述中间板（2）之间设有X轴直线电机驱动机构，所述中间板（2）与所述下板（3）之间设有Y轴直线电机驱动机构，所述中间板（2）与所述上板（1）之间设有导轨组件（4），所述中间板（2）与所述下板（3）之间设有所述导轨组件（4），所述导轨组件（4）包括相对设置的V型导轨（40），所述V型导轨（40）具有V型槽（41），相邻的所述V型槽（41）形成方形通道且设有保持架（5），所述保持架（5）转动连接有多个滚轮（6）以及转动轮（7），所述滚轮（6）与所述方形通道的相对面滚动接触，所述保持架（5）包括折板（50），所述折板（50）具有两个互为垂直的端面，任一所述端面间隔设有主轴（51），两个所述端面的所述主轴（51）错位设置，任一所述主轴（51）在其背侧的所述端面上设有副轴（52），所述滚轮（6）与所述主轴（51）转动连接，所述转动轮（7）与所述副轴（52）转动连接，所述转动轮（7）底部固定有套筒（70），所述套筒（70）套设在所述副轴（52）外，所述套筒（70）外壁沿其轴线方向间隔设置有隔板（71），相邻隔板（71）之间环绕设置有多个叶片（72），所述转动轮（7）顶部固定有球头（73），所述球头（73）与所述V型槽（41）内壁接触，所述折板（50）与其相邻的隔板（71）之间连接有圆柱弹簧（74），所述圆柱弹簧（74）套接于所述副轴（52），

所述下板（3）两侧设置有能对所述中间板（2）支撑的气浮组件（8），所述气浮组件（8）包括固定座（80），所述固定座（80）顶部设有滚动槽（81），所述滚动槽（81）内活动设有滚球（82），所述固定座（80）内设有气腔（83），所述固定座（80）底部设有连通所述气腔（83）的通气口（84），所述通气口（84）连接有气泵，所述滚动槽（81）与所述气腔（83）连通并配合设置有顶杆（9）。

2.根据权利要求1所述的一种直驱高动态性能运动装置，其特征是：所述滚轮（6）包括同轴设置的圆柱轮（60）和锥齿轮（61），所述圆柱轮（60）与所述方形通道的相对面滚动接触，所述锥齿轮（61）设于所述圆柱轮（60）与所述折板（50）之间，所述锥齿轮（61）与所述转动轮（7）配合设置。

3.一种直驱高动态性能运动控制方法，采用权利要求1所述的一种直驱高动态性能运动装置，其特征在于以下步骤：

步骤a，通过所述下板（3）固定于平台后，通过控制所述X轴直线电机驱动机构，使所述上板（1）相对所述中间板（2）在X轴向方向直线位移；

步骤b，通过控制所述Y轴直线电机驱动机构，使所述中间板（2）相对所述下板（3）在Y轴方向直线位移。