基於變剛度柔性結構的磁輔助激勵精密驅動工作檯的製作方法

2023-11-02 21:03:03 1

本發明屬於機械設計與製造技術領域，具體涉及一種基於變剛度柔性結構的磁輔助激勵精密驅動工作檯。

背景技術：

高精密工作檯是微機電系統監測、微納加工及微量增材製造等檢測或加工過程中最重要的機械驅動部件。近年來，國內外學者關於高速超精密驅動問題進行了大量研究，採用了包括柔性結構體、靜壓導軌、磁懸浮導軌或滾珠、滾柱滑塊等導向零部件，以期實現高速、精確的移動位置控制。但到目前為止，如何開發高效、低成本、高精度直驅工作檯，仍未得到很好的解決。一般說來，柔性體工作檯具有結構緊湊、成本低廉且不存在摩擦擾動的優勢，但受柔性結構自身工作行程和承載能力的限制，使其難以應用於大行程或中、高載荷工況，例如納米光刻機。與之相比，磁懸浮式工作檯具有較高的承載能力，但由於其製造成本過高且控制複雜，因而僅限用於高端裝備領域，例如半導體製造。此外，靜壓導軌也具有較大行程時的精準定位能力，可是受工作原理的限制，使其難以滿足超潔淨室或真空環境的需求。目前，滾柱、滾珠滑塊式工作檯是使用最為廣泛且最具成本效益的驅動形式，它可以在各種工況環境下實現較為精確的移動定位，包括潔淨室與真空環境(例如掃描電子顯微鏡和聚焦離子束系統)，且具有較低的製造成本。然而，在預滑動階段，滾珠/滾柱滑塊式導向驅動工作檯由於彈塑性變形、滾動元件與密封件的微滑移，致使其定位精度僅能滿足微米級加工的要求。同時，相對於無摩擦的磁懸浮工作檯，滾柱/滾珠滑塊式工作檯定位過程需花費5～10倍的時間到達指定位置，因而極大地約束了驅動臺的工作效率及產品生產能力。此外，當高速運行換向時，精密工作檯由於自身的慣性作用會造成直線電機的高能耗和大發熱量，並易引發熱變形誤差及殘餘振動。

由此可見，在高效、低成本的前提下，解決滾柱/滾珠滑塊式超精密驅動臺預滑階段摩擦力的補償及高速運行換向階段高能耗、殘餘振動問題，對推動超精密驅動領域的創新開發和發展具有重要意義。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種基於變剛度柔性結構的磁輔助激勵精密驅動工作檯，解決了現有滾柱/滾珠滑塊式精密驅動臺預滑非線性摩擦力帶來的定位誤差的問題，同時在保證精度的前提下有效降低驅動系統能耗並抑制工作檯的殘餘振動。

本發明所採用的技術方案是，本發明基於變剛度柔性結構的磁輔助激勵精密驅動工作檯，包括底座和工作檯，底座上依次平行設置有直線導軌、直線電機、用於定位支撐直線電機的支撐板、側擋板，直線導軌上裝配有兩個滑塊，每個滑塊和工作檯之間均裝有柔性體，柔性體包括通過V型鉸接板連接的U型框架和矩形塊，U型框架上開有螺栓孔a，U型框架與滑塊通過穿過螺栓孔a的螺栓連接，矩形塊上開有螺栓孔b，矩形塊與工作檯通過穿過螺栓孔b的螺栓連接，矩形塊上裝有永磁磁鐵，U型框架上裝有電磁激勵裝置，永磁磁鐵和電磁激勵裝置相對設置。

本發明的特點還在於：

電磁激勵裝置包括繞有電磁線圈的鐵芯，鐵芯外套接有蓋板，蓋板通過螺栓固定於U型框架上。

側擋板上設置有光柵編碼器定尺，工作檯上設置有與光柵編碼器定尺相配合的光柵編碼器滑尺。

滑塊為滾珠式滑塊或者滾柱式滑塊。

底座兩端對稱設置有端面擋板，端面擋板上設置有緩衝器。

工作檯通過連接板與拖鏈連接，拖鏈內穿有用於連接光柵編碼器滑尺的電纜。

本發明的有益效果是：本發明基於變剛度柔性結構的磁輔助激勵精密驅動工作檯，具有低成本、高精度和高敏捷度的特點，通過結構設計優化與磁輔助激勵裝置，可實現工作檯在不同移動模式下驅動剛度的調控，有效解決了目前滾柱/滾珠式精密驅動工作檯的預滾滑摩擦擾動問題，並在保證精度的前提下有效降低系統能耗和抑制工作檯的殘餘振動，提升了工作檯系統的動態穩定性。

附圖說明

圖1是本發明磁輔助激勵精密驅動工作檯的結構示意圖一；

圖2是本發明磁輔助激勵精密驅動工作檯的結構示意圖二；

圖3是本發明磁輔助激勵精密驅動工作檯中柔性體的結構示意圖一；

圖4是本發明磁輔助激勵精密驅動工作檯中柔性體的結構示意圖二。

圖中，1.工作檯，2.連接板，3.光柵編碼器滑尺，4.柔性體，5.端面擋板，6.緩衝器，7.滑塊，8.直線導軌，9.直線電機，10.底座，11.支撐板，12.側擋板，13.電纜，14.光柵編碼器定尺，15.電磁激勵裝置，16.拖鏈，17.蓋板，18.電磁線圈，19.鐵芯，20.螺栓，21.永磁磁鐵，22.螺栓孔a，23.螺栓孔b，24.V型鉸接板。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明進行詳細說明。

本發明基於變剛度柔性結構的磁輔助激勵精密驅動工作檯結構如圖1、2所示，包括底座10和工作檯1，底座10上依次平行設置有直線導軌8、直線電機9、用於定位支撐直線電機9的支撐板11、側擋板12，直線電機9為精密工作檯的運動提供動力。

直線導軌8上裝配有兩個滑塊7，滑塊7為工作檯1運動提供導向和定位功能，滑塊7可採用滾珠式滑塊或者滾柱式滑塊，每個滑塊7和工作檯1之間均裝有柔性體4，柔性體4在軸向近似為柔性，在豎向和橫向近似為剛性，如圖3、4所示，柔性體4包括通過V型鉸接板24連接的U型框架和矩形塊，U型框架上開有螺栓孔a22，U型框架與滑塊7通過穿過螺栓孔a22的螺栓連接，矩形塊上開有螺栓孔b23，矩形塊與工作檯1通過穿過螺栓孔b23的螺栓連接，矩形塊上裝有永磁磁鐵21，U型框架上裝有電磁激勵裝置15，永磁磁鐵21和電磁激勵裝置15相對設置。電磁激勵裝置15包括繞有電磁線圈18的鐵芯19，鐵芯19外套接有蓋板17，蓋板17通過螺栓20固定於U型框架上，從而將繞有電磁線圈18的鐵芯19固定於U型框架內，與矩形塊上安裝的永磁磁鐵21產生磁力作用。

V型鉸接板24在正常情況下，在電機驅動力方向具有近似零剛度和柔性而在其它方向剛度較大。

矩形塊上裝有永磁磁鐵21，U型框架上裝有電磁激勵裝置15，通過調節電磁鐵的輸出力就可以修正V型鉸接板24在驅動力方向上的剛度，由此可依據預滑或高速運行、換向模式調整V型鉸接板24在驅動力方向上的剛度，避免非線性摩擦力對工作檯1定位精度的影響，即在工作檯1預滑階段，將電磁輔助裝置15的輸出力調整為零，使得V型鉸接板24在驅動方向的剛度近似為零，進而避免預滑階段非線性摩擦力對工作檯1定位的直接影響，實現「機械式濾波」；在工作檯1高速直線運行階段，電磁激勵裝置15提供合理的電磁力，使柔性體4實現類似於彈簧式的壓縮變形，提升工作檯1運行方向上的剛度，從而彌補直線電機動態剛度差及柔性體4該方向上的低剛度的問題；在工作檯1高速運行換向階段，可依據移動狀態的特徵將電磁激勵裝置15的輸出磁場力進行調整，使得V型鉸接板24在驅動方向上獲得適當的剛性，避免外界擾動力所引發的振動對工作檯1定位精度的直接影響，同時利用輔助磁力來抵抗工作檯慣性力，進而抑制由於工作檯慣性力造成的驅動電機能量損耗與工作檯本體的殘餘振動，實現工作檯1的超精密快速定位。電磁激勵裝置15和永磁磁鐵21為V型鉸接板24提供可變的剛度，有效地減少了預滑階段摩擦力及外界振動(包括地基振動和殘餘振動)對工作檯1定位精度的影響，同時減少了直線電機能耗及發熱量。

側擋板12上設置有光柵編碼器定尺14，工作檯1上設置有與光柵編碼器定尺14相配合的光柵編碼器滑尺3，光柵編碼器滑尺3裝配在工作檯1上並隨其運動，與光柵編碼器定尺14配合可以實現工作檯1運動位置測量，便於實現超精密工作檯的高速、精準定位。

底座10兩端對稱設置有端面擋板5，端面擋板5上設置有緩衝器6，兩端的端面擋板5及緩衝器6為超精密工作檯的運動提供保護作用，防止其在高速工作過程中超出工作範圍，提供緩衝保護作用。

工作檯1通過連接板2與拖鏈16連接，拖鏈16內穿有用於連接光柵編碼器滑尺3的電纜13，拖鏈16保護電纜13在工作檯1運動過程中不會受到拉力，避免出現電纜13的損壞。

實際加工或操作過程中存在裝配誤差、部件加工誤差、外力擾動、熱或磨損效應，可通過直線電機9提供一個補償力使其對工作檯定位精度和運行效率的影響最小化。

本發明基於變剛度柔性結構的磁輔助激勵精密驅動工作檯，使用時，直線電機9通電，工作檯1在滑塊7的支撐下在直線導軌8上開始直線運動，光柵編碼器滑尺3隨工作檯1同步運動，通過與固定在側擋板12上的光柵編碼器定尺14共同作用實時測量並反饋工作檯1的位置信息；在工作檯1啟動或即將到達指定位置時，其兩端的柔性體4中電磁激勵裝置15停止工作，在摩擦力方向直接減少輸出支撐力，進而降低V型鉸接板24的剛度，以此來抵消直線導軌8與滑塊7之間的預滑非線性摩擦力對工作檯1起停時的擾動，可實現「機械式濾波」的思想；在工作檯1高速直線運行階段，電磁激勵裝置15提供合理的電磁力，使柔性體4實現類似於彈簧式的壓縮變形，提升工作檯1運行方向上的剛度，從而彌補直線電機動態剛度差及柔性體4該方向上的低剛度的問題；工作檯1在高速運行換向階段通過增大電磁激勵裝置15的勵磁電流，利用輔助磁力來抵抗工作檯慣性力，進而抑制由於工作檯慣性力造成的驅動電機能量損耗與工作檯本體的殘餘振動。依據工作檯1的運行狀態，利用電磁鐵合理地調控柔性體4的輸出剛度，將極大地提升超精密工作檯的定位精度，同時相對於傳統的工作檯，它的定位時間也在很大程度上得到了縮減，大大提高了超精密加工的效率，同時在保證定位精度的前提下同時減少了系統能耗和工作檯殘餘振動。

本發明基於變剛度柔性結構的磁輔助激勵精密驅動工作檯，利用可變剛度柔性結構V型鉸接板24減小直線導軌8與滑塊7之間預滑摩擦力的有害影響，從而實現高精密工作檯的快速、精準地定位。採用可變剛度柔性體4來聯接工作檯1與滑塊7，並通過柔性體4上的電磁激勵裝置15和永磁磁鐵21來改變柔性體剛度，使其直接作用於摩擦力方向，極大地減小了預滑摩擦力對超精密工作檯定位的不良影響，同時利用直線電機9又避免了外界擾動力對工作檯定位的幹擾作用。在變剛度V型鉸接板24的作用下，超精密工作檯的定位精度可得到極大地提升。相比傳統的工作檯而言，本發明磁輔助激勵精密驅動工作檯在定位時間方面也得到了縮減，大大提升了超精密加工的效率。

本發明基於變剛度柔性結構的磁輔助激勵精密驅動工作檯，具有低成本、高精度和高敏捷度的特點，通過結構設計優化與輔助磁激勵實現了依據工作檯移動模式的驅動剛度調控，可有效提升目前滾柱/滾珠式導向精密工作檯的定位精度和工作效率問題。