本發(fā)明屬于機(jī)械設(shè)計(jì)與制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于變剛度柔性結(jié)構(gòu)的磁輔助激勵精密驅(qū)動工作臺。

背景技術(shù)：

高精密工作臺是微機(jī)電系統(tǒng)監(jiān)測、微納加工及微量增材制造等檢測或加工過程中最重要的機(jī)械驅(qū)動部件。近年來，國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于高速超精密驅(qū)動問題進(jìn)行了大量研究，采用了包括柔性結(jié)構(gòu)體、靜壓導(dǎo)軌、磁懸浮導(dǎo)軌或滾珠、滾柱滑塊等導(dǎo)向零部件，以期實(shí)現(xiàn)高速、精確的移動位置控制。但到目前為止，如何開發(fā)高效、低成本、高精度直驅(qū)工作臺，仍未得到很好的解決。一般說來，柔性體工作臺具有結(jié)構(gòu)緊湊、成本低廉且不存在摩擦擾動的優(yōu)勢，但受柔性結(jié)構(gòu)自身工作行程和承載能力的限制，使其難以應(yīng)用于大行程或中、高載荷工況，例如納米光刻機(jī)。與之相比，磁懸浮式工作臺具有較高的承載能力，但由于其制造成本過高且控制復(fù)雜，因而僅限用于高端裝備領(lǐng)域，例如半導(dǎo)體制造。此外，靜壓導(dǎo)軌也具有較大行程時(shí)的精準(zhǔn)定位能力，可是受工作原理的限制，使其難以滿足超潔凈室或真空環(huán)境的需求。目前，滾柱、滾珠滑塊式工作臺是使用最為廣泛且最具成本效益的驅(qū)動形式，它可以在各種工況環(huán)境下實(shí)現(xiàn)較為精確的移動定位，包括潔凈室與真空環(huán)境(例如掃描電子顯微鏡和聚焦離子束系統(tǒng))，且具有較低的制造成本。然而，在預(yù)滑動階段，滾珠/滾柱滑塊式導(dǎo)向驅(qū)動工作臺由于彈塑性變形、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(shí)，相對于無摩擦的磁懸浮工作臺，滾柱/滾珠滑塊式工作臺定位過程需花費(fèi)5～10倍的時(shí)間到達(dá)指定位置，因而極大地約束了驅(qū)動臺的工作效率及產(chǎn)品生產(chǎn)能力。此外，當(dāng)高速運(yùn)行換向時(shí)，精密工作臺由于自身的慣性作用會造成直線電機(jī)的高能耗和大發(fā)熱量，并易引發(fā)熱變形誤差及殘余振動。

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(qū)動臺預(yù)滑階段摩擦力的補(bǔ)償及高速運(yùn)行換向階段高能耗、殘余振動問題，對推動超精密驅(qū)動領(lǐng)域的創(chuàng)新開發(fā)和發(fā)展具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于變剛度柔性結(jié)構(gòu)的磁輔助激勵精密驅(qū)動工作臺，解決了現(xiàn)有滾柱/滾珠滑塊式精密驅(qū)動臺預(yù)滑非線性摩擦力帶來的定位誤差的問題，同時(shí)在保證精度的前提下有效降低驅(qū)動系統(tǒng)能耗并抑制工作臺的殘余振動。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，本發(fā)明基于變剛度柔性結(jié)構(gòu)的磁輔助激勵精密驅(qū)動工作臺，包括底座和工作臺，底座上依次平行設(shè)置有直線導(dǎo)軌、直線電機(jī)、用于定位支撐直線電機(jī)的支撐板、側(cè)擋板，直線導(dǎo)軌上裝配有兩個(gè)滑塊，每個(gè)滑塊和工作臺之間均裝有柔性體，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，矩形塊與工作臺通過穿過螺栓孔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(shè)置。

本發(fā)明的特點(diǎn)還在于：

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，蓋板通過螺栓固定于U型框架上。

側(cè)擋板上設(shè)置有光柵編碼器定尺，工作臺上設(shè)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(shè)置有端面擋板，端面擋板上設(shè)置有緩沖器。

工作臺通過連接板與拖鏈連接，拖鏈內(nèi)穿有用于連接光柵編碼器滑尺的電纜。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明基于變剛度柔性結(jié)構(gòu)的磁輔助激勵精密驅(qū)動工作臺，具有低成本、高精度和高敏捷度的特點(diǎn)，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化與磁輔助激勵裝置，可實(shí)現(xiàn)工作臺在不同移動模式下驅(qū)動剛度的調(diào)控，有效解決了目前滾柱/滾珠式精密驅(qū)動工作臺的預(yù)滾滑摩擦擾動問題，并在保證精度的前提下有效降低系統(tǒng)能耗和抑制工作臺的殘余振動，提升了工作臺系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明磁輔助激勵精密驅(qū)動工作臺的結(jié)構(gòu)示意圖一；

圖2是本發(fā)明磁輔助激勵精密驅(qū)動工作臺的結(jié)構(gòu)示意圖二；

圖3是本發(fā)明磁輔助激勵精密驅(qū)動工作臺中柔性體的結(jié)構(gòu)示意圖一；

圖4是本發(fā)明磁輔助激勵精密驅(qū)動工作臺中柔性體的結(jié)構(gòu)示意圖二。

圖中，1.工作臺，2.連接板，3.光柵編碼器滑尺，4.柔性體，5.端面擋板，6.緩沖器，7.滑塊，8.直線導(dǎo)軌，9.直線電機(jī)，10.底座，11.支撐板，12.側(cè)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(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

本發(fā)明基于變剛度柔性結(jié)構(gòu)的磁輔助激勵精密驅(qū)動工作臺結(jié)構(gòu)如圖1、2所示，包括底座10和工作臺1，底座10上依次平行設(shè)置有直線導(dǎo)軌8、直線電機(jī)9、用于定位支撐直線電機(jī)9的支撐板11、側(cè)擋板12，直線電機(jī)9為精密工作臺的運(yùn)動提供動力。

直線導(dǎo)軌8上裝配有兩個(gè)滑塊7，滑塊7為工作臺1運(yùn)動提供導(dǎo)向和定位功能，滑塊7可采用滾珠式滑塊或者滾柱式滑塊，每個(gè)滑塊7和工作臺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，矩形塊與工作臺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(shè)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固定于U型框架上，從而將繞有電磁線圈18的鐵芯19固定于U型框架內(nèi)，與矩形塊上安裝的永磁磁鐵21產(chǎn)生磁力作用。

V型鉸接板24在正常情況下，在電機(jī)驅(qū)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(diào)節(jié)電磁鐵的輸出力就可以修正V型鉸接板24在驅(qū)動力方向上的剛度，由此可依據(jù)預(yù)滑或高速運(yùn)行、換向模式調(diào)整V型鉸接板24在驅(qū)動力方向上的剛度，避免非線性摩擦力對工作臺1定位精度的影響，即在工作臺1預(yù)滑階段，將電磁輔助裝置15的輸出力調(diào)整為零，使得V型鉸接板24在驅(qū)動方向的剛度近似為零，進(jìn)而避免預(yù)滑階段非線性摩擦力對工作臺1定位的直接影響，實(shí)現(xiàn)“機(jī)械式濾波”；在工作臺1高速直線運(yùn)行階段，電磁激勵裝置15提供合理的電磁力，使柔性體4實(shí)現(xiàn)類似于彈簧式的壓縮變形，提升工作臺1運(yùn)行方向上的剛度，從而彌補(bǔ)直線電機(jī)動態(tài)剛度差及柔性體4該方向上的低剛度的問題；在工作臺1高速運(yùn)行換向階段，可依據(jù)移動狀態(tài)的特征將電磁激勵裝置15的輸出磁場力進(jìn)行調(diào)整，使得V型鉸接板24在驅(qū)動方向上獲得適當(dāng)?shù)膭傂裕苊馔饨鐢_動力所引發(fā)的振動對工作臺1定位精度的直接影響，同時(shí)利用輔助磁力來抵抗工作臺慣性力，進(jìn)而抑制由于工作臺慣性力造成的驅(qū)動電機(jī)能量損耗與工作臺本體的殘余振動，實(shí)現(xiàn)工作臺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(yù)滑階段摩擦力及外界振動(包括地基振動和殘余振動)對工作臺1定位精度的影響，同時(shí)減少了直線電機(jī)能耗及發(fā)熱量。

側(cè)擋板12上設(shè)置有光柵編碼器定尺14，工作臺1上設(shè)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裝配在工作臺1上并隨其運(yùn)動，與光柵編碼器定尺14配合可以實(shí)現(xiàn)工作臺1運(yùn)動位置測量，便于實(shí)現(xiàn)超精密工作臺的高速、精準(zhǔn)定位。

底座10兩端對稱設(shè)置有端面擋板5，端面擋板5上設(shè)置有緩沖器6，兩端的端面擋板5及緩沖器6為超精密工作臺的運(yùn)動提供保護(hù)作用，防止其在高速工作過程中超出工作范圍，提供緩沖保護(hù)作用。

工作臺1通過連接板2與拖鏈16連接，拖鏈16內(nèi)穿有用于連接光柵編碼器滑尺3的電纜13，拖鏈16保護(hù)電纜13在工作臺1運(yùn)動過程中不會受到拉力，避免出現(xiàn)電纜13的損壞。

實(shí)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(yīng)，可通過直線電機(jī)9提供一個(gè)補(bǔ)償力使其對工作臺定位精度和運(yùn)行效率的影響最小化。

本發(fā)明基于變剛度柔性結(jié)構(gòu)的磁輔助激勵精密驅(qū)動工作臺，使用時(shí)，直線電機(jī)9通電，工作臺1在滑塊7的支撐下在直線導(dǎo)軌8上開始直線運(yùn)動，光柵編碼器滑尺3隨工作臺1同步運(yùn)動，通過與固定在側(cè)擋板12上的光柵編碼器定尺14共同作用實(shí)時(shí)測量并反饋工作臺1的位置信息；在工作臺1啟動或即將到達(dá)指定位置時(shí)，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(jìn)而降低V型鉸接板24的剛度，以此來抵消直線導(dǎo)軌8與滑塊7之間的預(yù)滑非線性摩擦力對工作臺1起停時(shí)的擾動，可實(shí)現(xiàn)“機(jī)械式濾波”的思想；在工作臺1高速直線運(yùn)行階段，電磁激勵裝置15提供合理的電磁力，使柔性體4實(shí)現(xiàn)類似于彈簧式的壓縮變形，提升工作臺1運(yùn)行方向上的剛度，從而彌補(bǔ)直線電機(jī)動態(tài)剛度差及柔性體4該方向上的低剛度的問題；工作臺1在高速運(yùn)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臺慣性力，進(jìn)而抑制由于工作臺慣性力造成的驅(qū)動電機(jī)能量損耗與工作臺本體的殘余振動。依據(jù)工作臺1的運(yùn)行狀態(tài)，利用電磁鐵合理地調(diào)控柔性體4的輸出剛度，將極大地提升超精密工作臺的定位精度，同時(shí)相對于傳統(tǒng)的工作臺，它的定位時(shí)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(shí)在保證定位精度的前提下同時(shí)減少了系統(tǒng)能耗和工作臺殘余振動。

本發(fā)明基于變剛度柔性結(jié)構(gòu)的磁輔助激勵精密驅(qū)動工作臺，利用可變剛度柔性結(jié)構(gòu)V型鉸接板24減小直線導(dǎo)軌8與滑塊7之間預(yù)滑摩擦力的有害影響，從而實(shí)現(xiàn)高精密工作臺的快速、精準(zhǔn)地定位。采用可變剛度柔性體4來聯(lián)接工作臺1與滑塊7，并通過柔性體4上的電磁激勵裝置15和永磁磁鐵21來改變?nèi)嵝泽w剛度，使其直接作用于摩擦力方向，極大地減小了預(yù)滑摩擦力對超精密工作臺定位的不良影響，同時(shí)利用直線電機(jī)9又避免了外界擾動力對工作臺定位的干擾作用。在變剛度V型鉸接板24的作用下，超精密工作臺的定位精度可得到極大地提升。相比傳統(tǒng)的工作臺而言，本發(fā)明磁輔助激勵精密驅(qū)動工作臺在定位時(shí)間方面也得到了縮減，大大提升了超精密加工的效率。

本發(fā)明基于變剛度柔性結(jié)構(gòu)的磁輔助激勵精密驅(qū)動工作臺，具有低成本、高精度和高敏捷度的特點(diǎn)，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化與輔助磁激勵實(shí)現(xiàn)了依據(jù)工作臺移動模式的驅(qū)動剛度調(diào)控，可有效提升目前滾柱/滾珠式導(dǎo)向精密工作臺的定位精度和工作效率問題。