摩擦式刚度切换装置及使用其的刚柔耦合运动平台和方法与流程

本发明涉及电机驱动技术，更具体的涉及一种带刚度切换装置的刚柔耦合平台及运动平台。

背景技术：

高速精密运动控制领域，基于机械导轨的运动平台存在摩擦死区，精度只能达到微米级。在更高精度要求的场合，工业上需要采用气浮、磁悬浮和静压导轨等方式来降低甚至消除摩擦的影响，成本高，使用环境要求高，不适应用与量大面广的电子制造场合。然而，电子制造业得摩尔定律(当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍)对封装装备精度和速度都提出了苛刻的要求。

刚柔耦合平台巧妙地结合了直线平台大范围刚度运动和柔性铰链无摩擦精密运动的特点，在速度过零点，用柔性铰链的弹性变形来避免摩擦死区，实现了摩擦死区的补偿，因此可以实现连续高精度的运动。由于柔性铰链运动副的工作原理限制了其主要适用于微小行程的运动，故在大行程运动过程中，柔性铰链往往会与有摩擦运动副配合使用，组成宏微复合运动平台来实现大行程高精度的运动，对大范围运动进行补偿。然而，刚性框架、柔性铰链与工作平台在一个平面，有效工作面积非常小。并且，在大行程的运动过程中，由于柔性铰链本身的刚度非常小，因此柔性铰链会随着平台的运动而不断往复振动，会影响大范围运动过程中精密平台的刚度和运动精度。

技术实现要素：

本发明旨在解决扩大单驱动刚柔耦合平台的有效工作面积问题，提出一种基于该扩大有效工作面积的单驱动刚柔耦合平台的刚度切换装置，采用刚度切换机构，在运动平台处于非摩擦死区时，用电磁力控制框架和平台处于接触状态，提高刚度。具体技术方案如下。

一种带刚度切换装置的刚柔耦合平台，所述刚柔耦合平台包括：中空刚性框架、工作台和柔性铰链；所述中空刚性框架通过所述柔性铰链与所述工作台连接；所述刚柔耦合运动平台还包括刚度切换装置；所述刚度切换装置固定于所述中空刚性框架；所述刚度切换装置包括切换机构和接触摩擦部件；所述切换机构带动所述摩擦块移动，以改变所述摩擦块与所述工作台之间的接触程度。

进一步，所述切换机构为通过直线运动调节所述接触程度的装置。

进一步，所述切换机构为推拉电磁铁、气缸或滚珠丝杠。

进一步，所述中空刚性框架为“凹”形中空刚性框架；

所述“凹”形中空刚性框架两侧内壁设有凹槽，所述工作台设置在所述“凹”形中空刚性框架的凹槽中，并通过所述柔性铰链连接；所述刚度切换装置还包括固定于所述“凹”形中空刚性框架外底部的固定块，所述切换机构设置在所述固定块内；所述“凹”形中空刚性框架底部设有通孔；所述切换机构穿过所述通孔带动所述摩擦块上下移动。

进一步，所述柔性铰链为弹簧片，所述工作台两端与所述弹簧片通过一个压块连接在一起，所述弹簧片两头又通过另外两个压块与凹槽两侧壁紧固在一起。

一种精密运动平台，所述精密运动平台包括机座、固定在所述机座上的直线导轨、导轨滑块、前述的刚柔耦合平台、直线电机动子；所述刚柔耦合平台中的中空刚性框架通过导轨滑块安装在直线导轨上；所述直线电机动子安装在所述工作台上。

进一步，所述精密运动平台还包括安装在所述工作台上的光栅尺读数头、安装在所述底座上的光栅尺，所述光栅尺读数头与所述光栅尺组成非接触组成检测元件。

进一步，所述精密运动平台还包括安装于所述底座上的防撞装置。

一种控制权利要求上述的精密运动平台的方法，所述方法包括以下步骤：

s1.所述直线电机动子直接驱动所述工作台，在驱动力未能克服所述中空刚性框架静摩擦时，所述刚度切换装置不工作，所述工作台通过所述柔性铰链的弹性变形产生微小位移，实现精密微进给；

s2.当驱动力加大时，克服了摩擦力，带动所述中空刚性框架运动，而此时弹性变形增大到一定程度，进入限位状态，所有的驱动力传递到所述中空刚性框架进行高速运动，此时刚度切换装置进入工作状态，增大所述摩擦块与所述工作台之间的接触程度，所述刚度切换装置将所述柔性铰链“锁死”，不能发生弹性变形；

s3.当停止时，所述工作台先制动，通过所述柔性铰链带动所述中空刚性框架制动，当所述中空刚性框架完全制动后，刚度切换装置结束工作，此时所述刚度切换装置对所述柔性铰链“解锁”，发生弹性变形衰减振动能量。

与现有技术相比，有益效果是：本发明能够解决刚柔耦合平台在高速运动过程中的振动问题，实现高低刚度切换，避免了低刚度柔性铰链高速时振动和高刚度柔性铰链补偿效果不佳的矛盾。

附图说明

图1是本发明的示意图。

图2是本发明的前剖视图。

图3是图2中a处的局部放大图。

图4是图2中b处的局部放大图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

如图1所示，一种运动平台包括底座1，底座1上安装直线导轨2和刚柔耦合平台。该刚柔耦合平台包括：“凹”形中空刚性框架5、工作台7和柔性铰链。“凹”形中空刚性框架5通过导轨滑块3安装在直线导轨2上。“凹”形中空刚性框架5两侧内壁设有凹槽。工作台7设置在“凹”形中空刚性框架5的凹槽中，并通过柔性铰链连接。光栅尺读数头4和直线电机动子8安装在工作平台7上，并透过凹形中空框架，与底座1上的光栅尺10和直线电机定子9通过非接触组成检测和驱动元件。为了安全，底座1上的还安装了防撞装置6。

如图3所示，柔性铰链为弹簧片a01，工作台7两端与弹簧片a01通过压块a03连接在一起，弹簧片两头又通过压块a02与凹槽两侧壁紧固在一起。

如图4所示，该刚柔耦合平台还包括刚度切换装置，该刚度切换装置包括：固定块b01、推拉电磁铁b02、弹簧b03和摩擦块b04。刚度切换装置通过固定块b01固定在刚性框架5，两者之间用螺钉连接。固定块b01中部设有凹槽，用于放置推拉电磁铁b02。推拉电磁铁b02与一根轴相连，轴的顶部为摩擦块b04，弹簧b03在推拉电磁铁b02与接触摩擦部件b04之间。

在一个实施例中，推拉电磁铁可以使用气缸或滚珠丝杠替代。

当然，除了使用“凹”形中空刚性框架外，也可以使用其他形式的中空刚性框架，如双“l”对称型的中空框架等。此时，刚度切换装置可以设置在两个“l”形的底边上。

另外，根据铰链的设置位置不同，刚度切换装置也可以相应地调整设置到其他地方。例如假如铰链设置在“凹”形中空刚性框架的凹槽底部时，刚度切换装置也要相应地调整到的侧壁上。

在刚度切换装置工作时，推拉电磁铁b02将摩擦块b04通过刚性框架5预留的孔推至工作平台7底部，弹簧b03回弹，接触摩擦部件b04与工作平台7底部充分接触，产生足够的摩擦力，抑制与工作平台7相连的弹簧片a01发生弹性变形引起平台振动，此时的刚柔耦合平台切换为刚性平台；在刚度切换装置不工作时，推拉电磁铁b02将接触摩擦部件b04拉下，脱离工作平台7底部，弹簧片a01发生弹性变形，补偿大范围运动，提高平台的运动精度。

本发明所述的扩大型刚柔耦合平台的刚度切换装置工作原理如下：

刚度切换装置的工作可分为两种情况：a.当弹簧片的弹性变形力小于运动副的静摩擦力等阻力时，光栅尺位移传感器检测到刚性框架不运动，推拉电磁铁下拉，摩擦块与工作平台分离，工作平台的弹簧片发生弹性变形补偿摩擦死区；b.当弹簧片的弹性变形作用力大于直线导轨运动副之间的静摩擦力等阻力时，刚性框架将由静止状态转为运动状态，推拉电磁铁上推，摩擦块与工作平台紧密接触，产生摩擦力，阻碍工作平台的弹簧片运动，此时，刚柔耦合平台切换成刚性平台进行大范围运动。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。