CN1776471A - 适用于光波导自动封装机器人系统的运动平台机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于光波导自动封装机器人系统的运动平台机构，该平台机构是由宏动平台机构、微动圆盘、微动臂、六个压电陶瓷和三个电机构成，微动圆盘上安装有三个压电陶瓷，微动臂上安装有另外三个压电陶瓷，宏动平台机构上安装有三个电机，微动圆盘通过沉头孔安装在宏动平台机构的Z轴运动平台上，微动圆盘的锥销安装在微动臂的销孔内。本发明的运动平台机构采用一个宏动平台和两个微动平台相结合的“宏－微”机构形式解决了高精度和大行程的矛盾；三自由度的宏动平台采用模块化结构设计，降低了加工成本，有利于系统的重构；由微动圆盘和微动臂组成的六自由度微动平台应用柔性铰链替代传统的运动副，并采用并联机构形式从而实现了亚微米级定位精度目标。

Description

适用于光波导自动封装机器人系统的运动平台机构

技术领域

本发明涉及一种运动平台机构，更具体地说，是指一种适用于光波导自动封装机器人系统的运动平台机构。

背景技术

通信时代的来临使得光电子器件的需求大大增加，但难度较大的封装技术成为限制其应用的瓶颈。光波导的封装涉及光纤阵列和波导器件的六维精密对准，难度较大。由于波导器件中的通光通道只有数微米大小，因此用于此类器件对接的耦合封装机器人系统必须具有亚微米级别的定位精度才可以实现准确、可靠的对接操作。

目前，大部分的封装系统的平台机构采用丝杠(滑动丝杠或滚珠丝杠)传动结构、电机(步进电机或交流伺服电机)驱动。由于受加工水平和加工成本所限，丝杠传动时其间隙的存在不可避免，运动平台很难达到亚微米级定位精度要求；还有些采用微驱动部件(如压电陶瓷、磁致伸缩等驱动器)构成的微动平台，但这类机构的行程较小、运动范围很受限，在实际使用过程中对夹具及初始位置的要求非常苛刻，有时难以满足。因而，如何解决大行程与高精度的矛盾是设计光波导自动封装机器人系统运动平台的过程中要解决的一个重要难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于光波导自动封装机器人系统的运动平台机构，所述运动平台机构采用三自由度宏动平台和六自由度微动平台相结合的并联结构，这样既保证了运动平台机构末端输出的大范围运动又确保其精确定位；宏动平台设计成模块化结构，有利于机构重构和加工要求；六自由度微动平台由三自由度微动圆盘和三自由度微动臂组成，将微动圆盘设计成柔性平面3-RRR并联机构型式，采用依靠材料弹性变形的柔性铰链代替传统的运动副消除了运动副固有的间隙、摩擦等缺陷，利用线切割加工方法制造成一体化构件，并采用具有纳米级分辨率的压电陶瓷作为驱动器驱动三个柔性运动支链结构，因而末端输出即锥销中心点具有高运动精度；将微动臂设计成基于柔性铰链的3-RPS并联结构形式，每个运动支链由一体化加工的移动副构成，通过精密装配，并采用具有纳米级分辨率的压电陶瓷作为驱动器，机构的末端能够实现高精度输出。这样就有效地保证了待封装波导间的精确对准，从而实现波导器件的最佳耦合效果。

本发明是一种适用于光波导自动封装机器人系统的运动平台机构，由宏动平台机构、微动圆盘、微动臂、六个压电陶瓷和三个电机构成，微动圆盘上安装有三个压电陶瓷，微动臂上安装有另外三个压电陶瓷，宏动平台机构上安装有三个电机，微动圆盘通过沉头孔安装在宏动平台机构的Z轴运动平台上，微动圆盘的锥销安装在微动臂的销孔内。

所述宏动平台机构由底座、X轴运动平台、Y轴运动平台、Z轴运动平台、X轴驱动电机、Y轴驱动电机、Z轴驱动电机和连接弯板构成；X轴运动平台安装在底座上，X轴驱动电机安装在X轴运动平台上；Y轴运动平台安装在X轴运动平台上，Y轴驱动电机安装在Y轴运动平台上；连接弯板的平行面安装在Y轴运动平台上，连接弯板的垂直面上安装有Z轴运动平台，Z轴驱动电机安装在Z轴运动平台上，Z轴运动平台的顶部设有丝杠孔；

所述微动圆盘是8～15mm厚的薄形铜材质圆盘，其盘体上端面的盘心部位设有锥销，并以锥销为中心点且按120°均布设有结构相同的运动支链A、运动支链B和运动支链C；每个运动支链上的长形腔与盘缘之间设有沉头孔；盘体的盘缘上设有切口A、切口B、切口C，每个切口的切口面上设有螺纹孔；

所述运动支链A是采用线切割方式加工成的一体构件，运动支链A上设有供安装压电陶瓷的长形腔、五条沟缝和九个通孔，五条沟缝与九个通孔构成位移放大的支点杠杆结构；

所述微动臂，由底板、顶板、移动副A、移动副B、移动副C、压电陶瓷A、压电陶瓷B、压电陶瓷C和分别用于安装三个压电陶瓷的安装盘构成，顶板上设有三个槽口和安装孔；

所述移动副A是采用线切割方式加工成的一体构件，移动副A的底端是连接板，连接板上通过一柔性铰链连接有支撑矩形框；支撑矩形框的上边的端部上下分别切割成两个半圆形组成的左切槽和右切槽，上边的下部中心设有球窝；支撑矩形框的下边中心位置处设有供安装压电陶瓷A的螺纹孔；支撑矩形框的底边的端部上下分别切割成两个半圆形组成的左切槽和右切槽，底边上设有与连接板的工艺孔相对应的孔；支撑矩形框的左边上端顶部的装配面上设有安装孔，左边上部与上边左端的接合处是等效柔性球铰。

本发明运动平台机构的优点在于：(1)采用一个宏动平台和两个微动平台相结合的“宏-微”机构解决了高精度和大行程的矛盾；(2)三自由度的宏动平台采用模块化结构设计，降低了加工成本，有利于系统的重构；(3)微动圆盘和微动臂采用并联机构模型实现了亚微米级定位精度；(4)“宏-微”机构具有跨尺度操作能力，能够在宏观尺度和微观尺度下进行作业；(5)封装多通道光波导芯片时能实现快速、精确的对准操作；(6)微动平台采用压电陶瓷驱动从而实现了运动的快速性和精确性。

附图说明

图1是本发明运动平台机构的宏动平台机构结构图。

图2A是本发明运动平台机构的微动圆盘结构图。

图2B是运动支链的杠杆结构示意图。

图2C是运动支链A的结构与杠杆示意图。

图3A是本发明运动平台机构的微动臂结构图。

图3B是本发明运动平台机构的移动副A结构图。

图中：1.宏动平台机构      101.底座         102.螺纹孔       103.X轴驱动电机104.X轴运动平台               105.丝杠孔       106.Y轴驱动电机107.Y轴运动平台               108.平行面       109.连接弯板110.Z轴驱动电机               111.安装孔       112.Z轴运动平台  113.垂直面2.微动圆盘       201.上端面   202.锥销         203.沉头孔       204.盘缘205.球窝         206.球窝     210.运动支链A    211.长形腔       212.螺纹孔213.第一刚性杆   214.切口A    215.第三刚性杆   219.第二刚性杆220.运动支链B    224.切口B    230.运动支链C    234.切口C        235.切边面236.螺纹孔       241.沟缝     242.沟缝         243.沟缝         244.沟缝245.沟缝         251.通孔     252.通孔         253.通孔         254.通孔255.通孔         256.通孔     257.通孔         258.通孔         259.通孔260.通孔         3.微动臂     301.底板         302.销孔         303.凸缘304.顶板         305.安装孔   306.槽口A        310.移动副A311.压电陶瓷A    312.安装盘   316.槽口B        320.移动副B321.压电陶瓷B    322.安装盘   326.槽口C        330.移动副C331.压电陶瓷C    332.安装盘   401.连接板       402.安装孔403.销孔         404.工艺孔   405.柔性铰链     408.螺纹孔       410.支撑矩形框411.上边         412.左切槽   413.右切槽       414.下边         415.底边416.左切槽       417.右切槽   418.左边         419.安装孔       420.装配面421.等效柔性球铰              422.右边         423.球窝

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

一般光波导自动封装机器人系统包括运动控制系统(含运动平台机构)、高精度视觉系统、激光光源、光功率计和点胶固化系统。封装机器人在工作状态下，首先操作者利用高精度视觉系统获得输入光纤阵列、被封装波导以及输出光纤阵列的位置，并通过运动控制系统调节被封装波导的空间位姿，使其与输入光纤阵列和输出光纤阵列的位姿偏差逐渐缩小，直至光功率计检测到有一定的光通量输出；接着，通过计算机控制技术编制最佳光功率搜索算法并结合高精度运动平台控制待封装波导芯片运动至最佳光功率耦合位置，并控制运动平台使其到达该位置。然后，利用点胶固化系统把对准后的待封装件点胶、固化，成为最终的产品。

本发明是一种适用于光波导自动封装机器人系统的运动平台机构，是采用三自由度宏动平台机构1和六自由度微动平台(由三自由度微动圆盘2和三自由度微动臂3组成)相结合的并联结构，有效地保证了末端输出的大范围运动，同时也确保其精确定位。运动平台机构由宏动平台机构1、微动圆盘2、微动臂3、六个压电陶瓷和三个电机构成，其中微动圆盘2上安装有三个压电陶瓷，微动臂3上安装有另外三个压电陶瓷，宏动平台机构1上安装有三个电机，微动圆盘2通过沉头孔203安装在宏动平台机构1的Z轴运动平台112上，微动圆盘2的锥销202安装在微动臂3的销孔302内。通过微动圆盘2的锥销202和微动臂3的销孔302的过盈连接配合实现了微动圆盘2和微动臂3的柔性连接。

在本发明中，宏动平台机构1采用模块化结构设计，有利于机构重构和加工要求。将微动圆盘2设计成具有柔性平面3-RRR并联机构的薄形圆盘，其厚度为8～15mm，优选厚度10mm左右，并利用铜材料弹性变形，实现了柔性铰链代替传统的运动副消除了运动副固有的间隙、摩擦等缺陷，采用线切割加工方法切割沟缝、通孔的设计制作一体化的三个结构相同的运动支链(即运动支链A 210、运动支链B220和运动支链C 230)实现了位移放大的支点杠杆结构。由于采用了具有纳米级分辨率的压电陶瓷(选用由德国Piezomechanik公司生产的Pst 150/7/40 VS12)作为驱动器驱动三个柔性运动支链结构，使锥销202中心点具有高运动精度。微动臂2设计成基于柔性铰链的3-RPS并联结构形式和模块化结构设计，并且每一个移动副结构为一体构件，通过精密装配能够实现高精度输出保证了待封装波导间的精确对准，从而实现波导器件的最佳耦合效果。

参见图1所示，所述宏动平台机构1由底座101、X轴运动平台104、Y轴运动平台107、Z轴运动平台112、X轴驱动电机103、Y轴驱动电机106、Z轴驱动电机110和连接弯板109构成；X轴运动平台104安装在底座101上，X轴驱动电机103安装在X轴运动平台104上；Y轴运动平台107安装在X轴运动平台104上，Y轴驱动电机106安装在Y轴运动平台107上；连接弯板109的平行面108安装在Y轴运动平台107上，连接弯板109的垂直面113上安装有Z轴运动平台112，Z轴驱动电机110安装在Z轴运动平台112上，Z轴运动平台112的顶部设有丝杠孔105。X轴运动平台104、Y轴运动平台107和Z轴运动平台112上分别设有用于安装、固定用的安装孔111、螺纹孔102。丝杠孔在X轴运动平台104和Y轴运动平台107上同样设有，图中未示出。

参见图2A所示，所述微动圆盘2是一薄形铜材质圆盘，其盘体上端面201的盘心部位设有锥销202，并以锥销202为中心点且按120°均布设有结构相同的运动支链A 210、运动支链B 220和运动支链C 230，每个运动支链与盘缘204之间设有用于将微动圆盘2与宏动平台机构1的Z轴运动平台112固定的沉头孔203；盘体的盘缘204上设有切口A 214、切口B 224、切口C 234，每个切口的切口面上设有螺纹孔，如，切口C 234的切口面235上设有螺纹孔236，这个螺纹孔236是供螺钉穿过并将压电陶瓷顶紧，起到安装压电陶瓷的目的。微动圆盘2上的这三个运动支链采用模块化设计，其结构、尺寸是相同的。以锥销202的中心点为圆心，以每120°布置一个运动支链，将三个运动支链均匀的以线切割方法切割沟缝和通孔形成的运动支链设计在圆盘上，其构成具有柔性平面3-RRR并联机构，使这三个运动支链无间隙运动，解决了运动支链在运动过程中的摩擦缺陷(参见图2B所示)。

参见图2C所示，所述运动支链A 210采用线切割方式加工成一体构件，运动支链A 210上设有供安装压电陶瓷的长形腔211、五条沟缝和十个通孔，五条沟缝与十个通孔构成位移放大的支点杠杆结构。沟缝241、通孔251、通孔252、沟缝242、通孔259与通孔260构成第三刚性杆215，通孔251与通孔252之间有一0.3～0.5mm厚的薄壁，其薄壁中心点为支点A₁，通孔259与通孔260之间有一0.3～0.5mm厚的薄壁，其薄壁中心点为支点A₂；通孔260、通孔259、沟缝242、通孔253、通孔254、通孔255、通孔256、沟缝243构成第二刚性杆219，沟缝243与长形腔211的共面上设有球窝206，通孔253与通孔254之间有一0.3～0.5mm厚的薄壁，其薄壁中心点为支点A₃，通孔255与通孔256之间有一0.3～0.5mm厚的薄壁，其薄壁中心点为支点A₄；沟缝243、通孔256、通孔255、沟缝245、通孔257、通孔258、沟缝244构成第一刚性杆213，通孔257与通孔258之间有一0.3～0.5mm厚的薄壁，其薄壁中心点为支点A₅；当给压电陶瓷供电后，压电陶瓷在磁场的作用下将产生一定位移，使压电陶瓷的输出杆顶紧球窝206，从而为第一刚性杆213提供了一个力，这个力能够让运动支链A 210上的支点A₁与支点A₂形成的杠杆A₁A₂和支点A₃与支点A₂形成的杠杆A₂A₃按并联机构运动学规律运动，这样就形成了微动盘2的无缝隙运动，克服了摩擦产生的缺陷。

在本发明中，微动圆盘2上的运动支链A 210、运动支链B 220和运动支链C230以锥销202为中心点120°转角对称分布；运动支链A 210上的支点A₅是杠杆结构中的柔性铰链点，用于放大压电陶瓷施加的位移；支点A₄是杠杆结构中的输出点，用于实现支点A₃的输入转角，进而通过杠杆A₂A₃、杠杆A₁A₂使得支点A₂、支点A₁以并联机构运动学的规律运动。当安装于每一个运动支链上的压电陶瓷上电后，通过其压电陶瓷的输出杆与各自的球窝紧密接触来驱动各运动支链，从而使平台的末端输出点锥销202具有平面三自由度运动能力。

在本发明中，与微动圆盘2上的全柔性机构(运动支链A 210、运动支链B 220和运动支链C 230)对应的运动学机构简图如图2B所示，即通常所熟悉的平面并联3-RRR结构型式。图中，运动支链A 210、运动支链B 220和运动支链C 230以锥销202的中心点对称分布，在同一平面上这个全柔性机构能够完成两个移动和一个转动的平面三自由度运动。

参见图3A所示，所述微动臂3，由底板301、顶板304、移动副A 310、移动副B 320、移动副C 330、压电陶瓷A 311、压电陶瓷B 321、压电陶瓷C 331和供安装压电陶瓷的安装盘312、322、332构成，顶板304上设有三个槽口和安装孔305；顶板304上的槽口A 306、槽口B 316和槽口C 326的中心点构成一个等边三角形。当给三个槽口施加不同的位移时，顶板304的中心能够实现三个空间自由度的微动运动。

参见图3B所示，所述移动副A 310采用线切割方式加工成一体构件，移动副A310的底端是连接板401，连接板401上有支撑矩形框410，支撑矩形框410的上边411的端部上下分别切割成两个半圆形组成的左切槽412和右切槽413，上边411的下部中心设有球窝423；支撑矩形框410的下边414中心位置处设有供安装压电陶瓷A 311的螺纹孔408；支撑矩形框410的底边415的端部上下分别切割成两个半圆形组成左切槽416和右切槽417，底边415上设有与连接板401上的工艺孔404相对应的孔(图中未画示出)；支撑矩形框410的左边418上端顶部的装配面420上设有安装孔419，左边418上部与上边411左端的接合处设有等效柔性球铰421。每个移动副上的球窝都是供压电陶瓷的输出杆顶紧用的，进而为移动副提供驱动。

在本发明中，微动臂3的顶板304、底板301和移动副A 310、移动副B 320、移动副C 330构成3-RPS机构的几何关系形式。当压电陶瓷上电后，通过压电陶瓷的输出杆顶紧球窝产生的力(即输出杆的伸缩性能)来控制移动副的上下运动，从而使固定安装在顶板304上的被封装件具有两个转动一个移动的空间三自由度运动能力。

Claims (5)

1、一种适用于光波导自动封装机器人系统的运动平台机构，其特征在于：由宏动平台机构(1)、微动圆盘(2)、微动臂(3)、六个压电陶瓷和三个电机构成，微动圆盘(2)上安装有三个压电陶瓷，微动臂(3)上安装有另外三个压电陶瓷，宏动平台机构(1)上安装有三个电机，微动圆盘(2)通过沉头孔(203)安装在宏动平台机构(1)的Z轴运动平台(112)上，微动圆盘(2)的锥销(202)安装在微动臂(3)的销孔(302)内；

所述宏动平台机构(1)由底座(101)、X轴运动平台(104)、Y轴运动平台(107)、Z轴运动平台(112)、X轴驱动电机(103)、Y轴驱动电机(106)、Z轴驱动电机(110)和连接弯板(109)构成；X轴运动平台(104)安装在底座(101)上，X轴驱动电机(103)安装在X轴运动平台(104)上；Y轴运动平台(107)安装在X轴运动平台(104)上，Y轴驱动电机(106)安装在Y轴运动平台(107)上；连接弯板(109)的平行面(108)安装在Y轴运动平台(107)上，连接弯板(109)的垂直面(113)上安装有Z轴运动平台(112)，Z轴驱动电机(110)安装在Z轴运动平台(112)上，Z轴运动平台(112)的顶部设有丝杠孔(105)；

所述微动圆盘(2)是8～15mm厚的薄形铜材质圆盘，其盘体上端面(201)的盘心部位设有锥销(202)，并以锥销(202)为中心点且按120°均布设有结构相同的运动支链A(210)、运动支链B(220)和运动支链C(230)；每个运动支链上的长形腔与盘缘之间设有沉头孔(203)；盘体的盘缘(204)上设有切口A(214)、切口B(224)、切口C(234)，每个切口的切口面上设有螺纹孔；

所述运动支链A(210)是采用线切割方式加工成的一体构件，运动支链A(210)上设有供安装压电陶瓷的长形腔(211)、五条沟缝和十个通孔，五条沟缝与十个通孔构成位移放大的支点杠杆结构；

所述微动臂(3)，由底板(301)、顶板(304)、移动副A(310)、移动副B(320)、移动副C(330)、压电陶瓷A(311)、压电陶瓷B(321)、压电陶瓷C(331)和分别用于安装三个压电陶瓷的安装盘构成，顶板(304)上设有三个槽口和安装孔(305)；

所述移动副A(310)是采用线切割方式加工成的一体构件，移动副A(310)的底端是连接板(401)，连接板(401)上通过一柔性铰链(405)连接有支撑矩形框(410)；支撑矩形框(410)的上边(411)的端部上下分别切割成两个半圆形组成的左切槽(412)和右切槽(413)，上边(411)的下部中心设有球窝(423)；支撑矩形框(410)的下边(414)中心位置处设有供安装压电陶瓷A(311)的螺纹孔(408)；支撑矩形框(410)的底边(415)的端部上下分别切割成两个半圆形组成的左切槽(416)和右切槽(417)，底边(415)上设有与连接板(401)上的工艺孔(404)相对应的孔；支撑矩形框(410)的左边(418)上端顶部的装配面(420)上设有安装孔(419)，左边(418)上部与上边(411)左端的接合处是等效柔性球铰(421)。

2、根据权利要求1所述的运动平台机构，其特征在于：微动圆盘(2)上的运动支链A(210)、运动支链B(220)和运动支链C(230)以锥销(202)的中心点为圆心且以120°转角对称分布。

3、根据权利要求1所述的运动平台机构，其特征在于：运动支链A(210)上的柔性铰链点A₅是杠杆支点，用于放大压电陶瓷施加的位移；柔性铰链点A₄是杠杆的输出点，用于实现柔性铰链点A₃的输入转角，进而通过杠杆A₃A₂和杠杆A₂A₁使柔性铰链点A₂、柔性铰链点A₁以并联机构运动学的规律运动。

4、根据权利要求1所述的运动平台机构，其特征在于：顶板(304)上的槽口A(306)、槽口B(316)和槽口C(326)的中心点构成一个等边三角形。

5、根据权利要求1所述的运动平台机构，其特征在于：所述电机选用步进电机，电机功率36W～72W。

Images