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一种单驱动刚柔耦合精密运动平台及其实现方法及应用

申请号:
CN201610508540.X
专利权人:
广东工业大学
发明人:
杨志军;白有盾;陈新;陈超然;
专利类别:
发明专利
所属类目:
化工/材料/冶金/生物
权利状态:
有效
商品价格:
¥7,777,777.00
七弦琴官方服务:
七弦琴专利交割服务 ¥350.00
2020湾高赛 七弦琴自营
店 主:
13712165455
所在地:
广东省 珠海市
星 级:
弦 级:
1弦
客 服:
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    5.0

  • 服务态度

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  • 物流服务

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  基础信息

  牵头参赛单位:广东工业大学(广州市越秀区)

  证照号码:12440000455860226X

  单位类型:高校

  项目规模:初创型

  参赛团队负责人:杨志军

  参赛项目技术介绍

  核心技术介绍:

  技术背景

  电子信息产业是我国支柱产业,广东省电子制造业占全国1/5强。遵从摩尔定律(每18-24个月,性能翻翻,价格不变),芯片尺寸持续减小,集成规模不断增加,芯片技术10年内由90nm,到10nm制程跃迁,即将推出7nm制程光刻装备,5nm制程装备也在开发中。在不到十年的时间,电子封装设备的精度也从几十个微米提高到微米级。下一代封装设备要求实现亚微米甚至纳米级定位精度,检测设备需要的精度要求更高,通常比制造装备高一个数量级。

  然而,由于轴系摩擦和运动平台弹性变形以及振动的制约,电子封装设备中广泛使用的机械导轨式直线电机运动模组精度难于突破微米级。更高精度要求目前是依赖气/液/磁悬浮减小甚至消除摩擦来实现,其价格昂贵,使用要求苛刻。另外,由于高加速过程中,平台不可避免地发生弹性变形和振动,使其加速度的提高受限制,不适用于量大面广且对速度和精度都有更高要求的电子制造装备。因此,必须在机构原理和运动控制方法上创新,低成本实现更高速度和更高精度。

  在军事国防领域,光电雷达、激光武器、激光卫星通讯的瞄准装置是军事国防中的重要部件。随着编码器技术的提高,测量分辨率达到了0.01μrad。理论上10万km才会出现1m误差。然而,由于轴系间隙与摩擦因素,现有旋转平台最高精度平台只能实现2μrad,100km误差就达到1m,不能满足激光武器的探测距离和射程要求。现有做法是旋转平台作为粗运动,再加上压电驱动的摆镜作为精密补偿环节,通过宏微复合方式来解决行程与精度的矛盾。但存在宏微切换控制效率低,两套驱动成本高的局限。

  现有市场情况

  2019年电子设备制造行业增速继续放缓,手机出货量延续下滑趋势。主要原因从宏观方面来看:受中美贸易战持续影响,企业自动化投资谨慎;5G时代逐步到来,提升了不少消费者对产品的预期,在一定程度上导致了换机的延期。MIR预测2020年后,随着5G通讯技术的规模化商用,未来几年5G手机会成为消费者更换手机的主要推动力,5G手机销量会逐渐攀升,将会带动电子设备制造行业回温。以高速高精为特征的高端制造装备,市场规模达到1万6千亿人民币。

  宏微复合平台是近年来提出的实现大行程高精度运动的有效途径之一,但现有方案是在宏平台上安装压电陶瓷驱动的柔性铰链机构,由于微动平台的驱动力为宏微复合平台系统的内力,容易出现驱动饱和,通常是宏平台运动到给定误差后才启动微平台,并且宏微系统互相干扰,定位效率低。

  目前,超精密平台为美国Aerotech,Newport和德国PI三家公司垄断。国内高精度平台主要是华卓精科代表的气浮和交叉滚柱导轨平台,与国外的超精密平台同质化竞争。

  为了提高宏微复合平台的高速精密运动效率,项目组将大范围高速运动的直线平台与无摩擦弹性变形的柔性铰链平台有机结合,发明了基于非线性连接刚度的宏微复合跨尺度平台(发明专利ZL201610508540.X,授权日期2018.1.23),其工作原理1):在驱动力不足于克服静摩擦时,靠柔性铰链变形产生位移。随着驱动力进一步加大,柔性铰链刚度非线性达到饱和,驱动力克服摩擦力,带动整体平台高速运动。在平台减速时,宏平台动能被摩擦力耗损后处于静止,此时微平台继续在柔性铰链弹性变形的作用下进一步补偿误差,可以实现精度量级提升,并为摩擦补偿提供有效途径。

  技术内容:

  团队创始人从2006年进入广东工业大学机械工程博士后流动站(合作导师:陈新教授)起,一直从事电子制造装备高速精密运动理论与方法创新研究,揭示了高速机构的振动影响因素,发明了高速机构界定方法(201310442457.3),并提出了惯性能时空最有分布的结构优化和运动规划方法,有效抑制了高速机构的残余振动,获得了2013年国家科技进步二等奖。

  2012年起,同步开展了高速精密运动模组的设计、测量与控制方法研究。针对机械导轨式直驱平台受摩擦力影响而精度受限的难题,创造性地将柔性铰链与机械导轨直线平台相结合,发明了刚柔耦合平台(核心专利201610508540.X)系列,采用柔性铰链弹性变形补偿摩擦死区,将机械导轨直线运动模组精度提高一个量级以上,开创了机械导轨运动平台实现纳米级定位的先河,解决了机械导轨摩擦力与运动间隙的矛盾,为摩擦力的补偿提供一条新的途径。

  该项发明包含六大关键技术,包括刚度可调大承载长寿命柔性铰链设计,多轴平台刚柔耦合结构,刚柔耦合平台设计方法,驱动与抑振融合运动规划,复杂扰动低延时估计跨带宽控制,增量光栅高速精密测量。一共申请发明专利52件,构建了较为完备的专利池,同时也将核心专利申请PCT8件(附件1.1),并申请了美英德日韩等发达国家发明专利14件(附件1.2),构建了刚柔耦合超精密平台技术保护体系。

  将上述成果推广到多个企业中,专利许可收益25万元,技术开发收益113万元(附件2.1~2.2),产生经济效益数亿元(附件3.1~3.3)。开发的系列高端装备,性能指标优于国际同类(附件4.1~4.5)。

  技术成果的主要创新点获得了同行专家的广泛认可:降低扰动带宽的设计思想获得了中国控制会议张贴论文奖(600多篇仅有2篇获奖,附件5.1);高速运动过程中残余振动影响规律获得IEEEICIA大会论文奖(整个会议唯一篇,附件5.2);刚度可调的柔性铰链设计获得亚太光学会议最佳论文奖(附件5.3)。

  技术先进性:

       相对同类产品的差异化产品特性

  高端制造装备离不开精密运动平台的支撑,机械导轨直线运动平台由于高刚性和高加速性能,在电子制造中广泛使用。由于结构弹性振动、运动副间隙和摩擦的影响,现有的平台精度受限。目前,国内的机械导轨平台标称重复定位精度±1μm,国外Aerotech,Newport,PI等平台的重复定位精度可以达到±0.5μm。更高精度的平台,主要采用交叉滚柱导轨或气浮导轨等减小或消除摩擦的方式来实现。然而,交叉滚柱导轨行程短,抗倾翻能力差;气浮平台刚度低,不能实现高加速度。还有一类宏微复合平台,结合了机械导轨平台的长行程和柔性铰链平台的高精度,但是需要切换控制效率低,两套驱动成本高。

  因此,有必要研究高速运动平台的设计、运动测量和控制中的基础问题,解决运动副小间隙与低摩擦、长行程与高精度、以及运动测量的高速与高精度的矛盾。

  本发明专利池的核心专利申请日为2016年6月29日,根据专利检索与分析,与此前的最接近专利技术比较,本发明的创新点和新颖性鲜明,主要体现在以下几方面:

  现有机械导轨式直线平台存在摩擦死区,当驱动力不能克服摩擦时,驱动引起平台的不均匀弹性变形。由于导轨制造和安装误差,摩擦力不均匀,现有方法无法有效测量和补偿摩擦力。对比专利是简单将压电陶瓷驱动的柔性铰链平台搭在直线平台上组成的“宏微复合”平台,需要宏微切换控制效率低下,且两套驱动成本高。

  本专利与宏微复合平台相比,仅需要一套驱动系统,成本更低。另外,本发明颠覆传统宏平台带动微平台运动的模式,创新性地改用由微平台带动宏平台运动,这样做的好处是可以实现宏微自适应切换,也就是驱动力先作用到微平台上,再通过柔性铰链传递到宏平台。当驱动力小于摩擦时,位移完全由柔性铰链变形产生,此时刚柔耦合平台等效为柔性铰链平台,可以实现纳米级定位。机械导轨扩大了柔性铰链平台的行程。柔性铰链还驱动悬挂隔振的作用,将摩擦力对平台的影响进行隔振,系统运行更加平稳。

  对比现有技术和产品,本发明的优势还体现在:

  1)结构上,变形集中在柔性铰链,平台位移输出更加均匀

  传统平台在克服静摩擦前,驱动力导致平台产生了弹性变形,最大变形处达到了几百纳米。对于高精度平台,现有做法是根据变形分布来设置位移输出连接螺栓。采用本发明的刚柔耦合结构,变形主要集中在柔性铰链,平台位移输出更加均匀。

  2)在控制上,将非线性摩擦扰动转化为弹性扰动,并估计补偿

  传统机械导轨平台,需要驱动力克服摩擦力才能够产生运动。然而,由于制造和安装误差,导轨摩擦处处不均匀,无法进行准确建模和测量,导致了普通导轨平台的精度局限。本发明的刚柔耦合结构,将平台设计为工作平台和框架两部分。其中,工作平台通过柔性铰链与框架连接,框架则通过滑块安装到导轨上。驱动力克服柔性铰链弹性力即可让工作平台产生位移,降低的扰动带宽。另外,刚柔耦合平台设计,将摩擦力扰动转换为弹性力扰动,通过弹性变形量和变形速度的测量,可计算出弹性力的大小而实现摩擦力的间接测量,为摩擦力的补偿提供了新的途径。

  本发明专利技术,仅通过机械结构创新,可将精度提高一个量级。再通过增加一路反馈和控制方法创新,可将精度再提高一个量级。将控制算法嵌入进驱动器,并解决补偿时延问题,可以再提高精度实现纳米精定位。

  本发明专利采用了源自道家的刚柔并济和源自指南车的自抗扰控制,增加少许成本可以实现精度量级提高,具有非常高的性价比优势,打破国外垄断,迫使高精度平台降价,将为国家节约大量外汇。另外,将刚柔耦合设计与自抗扰控制思想应用于旋转平台上,角定位精度的提升将带动光电雷达探测距离和激光武器打击距离的量级提升,保障国防安全。

  成本优势和客户满意度

  目前,国内超精密平台需求处于起步阶段,通过购买Aerotech、Newport、PI等进口平台完成样机开发。然而,由于中美贸易战,高端运动平台受到限制,货期超长,影响了产品开发进程。另外,由于需求量小,只能购买标准模组,但是宽度往往不能满足要求,企业只能采取增加导轨的办法来增加宽度,但是增大了摩擦力,精度也因此降低。

  深圳市泰道精密机电有限公司从2016年,应用刚柔耦合平台设计与控制技术(核心专利ZL201610508540.X、ZL201510312646.8)进行高精度运动平台设计,开发的单驱刚柔耦合直线平台重复定位精度达到50nm,比相同导轨的直线平台重复定位精度(0.5μm)提高1个量级。微位移补偿通过柔性铰链弹性变形,不需要在克服导轨摩擦,提高了导轨的使用寿命。同时,通过运动规划和控制算法,降低了现有平台在高速定位过程中的振动。该技术仅需改变机械结构,性价比高,将会成为公司下一个利润增长点(附件3.1)。

  长期合作的客户,大族集团,在超精密平台方面的年需求量大约为2亿元。目前主要采用PI和Aerotech平台。很多样机在研发阶段,只能购买标准平台,但是幅面宽度不够,目前只能外加导轨来解决,导致摩擦增大,平台精度下降。刚柔耦合平台的国产化,可以跟企业实现同步研发,并且有更大的成本优势(附件3.2,3.3)。

  深圳市大族视觉技术有限公司产品使用情况说明:

  由于超精密平台被AEROTECH等国外公司垄断,价格昂贵,货期长,特别是中美贸易摩擦后限制对我国的供应,对该公司的共聚焦显微镜等超精密仪器开发带来极大的困扰。采用本专利成果开发的直线电机刚柔耦合运动平台,对共聚焦显微镜进行测试,经雷尼绍XL-80激光干涉仪标定后,定位精度优于±0.1μm,为超精密平台打破国外垄断带来希望(附件3.4)。

  核心技术与本领域现有技术相比的先进程度,说明技术先进性的原因和效果

  受摩擦力的影响,现有机械导轨平台的精度局限约为0.5μm,更好精度要求的,主要采用交叉滚柱导轨或者气浮导轨等减小或消除摩擦的方式来实现。其中,交叉滚柱导轨的摩擦系数比不同导轨低一个数量级,重复定位精度可达75~100nm。然而,行程较短,且不能偏心载荷承受能力差。气浮平台通过气膜消除摩擦,刚度通常只有几百N/μm,最高加速度2g,难于满足高加速要求。另外气浮平台运行成本较高,

  同类产品主要有:

  1、气浮平台,最大加速度2g,重复定位精度10~100nm。

  2、交叉滚柱平台:摩擦系数比滚珠导轨低一个量级,重复定位精度75~100nm,行程较短,负载能力差,不能承受倾翻负载。

  3、宏微复合平台:直线平台上安装柔性铰链平台,两套驱动,成本高。需要切换控制,效率低。

  本发明优势:有机融合柔性铰链和直线平台,仅需一套驱控系统,与宏微复合平台相比,成本更低。另外,自适切换控制,效率更高。

  用柔性铰链变形补偿摩擦死区,变形集中在柔性铰链,工作平台的位移输出更加均匀。将非线性高频摩擦扰动转化为柔性铰链弹性扰动,再用自抗扰控制算法在未出现偏差时就将扰动进行估计补偿,理论上可以实现无偏差的控制。

  技术壁垒:

       高精度平台,国外由于材料、工艺和控制技术的先进性,机械导轨平台可以实现极限精度±0.5微米,国内机械导轨直线平台仅能实现±1μm。更高精度的平台,国内外都采用交叉滚柱导轨、气浮导轨等减小和消除摩擦的方法。

  宏微复合平台是目前实现长行程纳米精度的手段,但只是简单的将纳米平台叠加到直线平台上,存在宏微切换控制效率低,两套驱动成本高的缺点。

  本专利池首创刚柔耦合平台设计和控制方法,开机械导轨平台实现纳米级运动的先河。与气浮平台相比,本发明可以保持机械导轨的高加速性能,承载刚度更大,并且有更好的抗干扰能力。与交叉滚柱导轨平台相比,本平台行程不受限制,抗倾翻力矩能力更强。与宏微复合平台相比,本发明可以实现宏微自适应切换控制,可以在未出现偏差前就将扰动测量补偿,可以实现无偏差控制,请少一套驱动系统,性价比更高。

  本发明还可以应用到旋转平台和机器人的刚柔耦合关节中,为摩擦力和摩擦力矩的补偿提供新的途径。

  本发明专利池核心专利布局了美英德日韩等电子和超精密发达国家,超过80%的市场。六大相关核心技术也在国内进行全方位的布局,从设计方法、结构到控制,实现了全方位的保护,技术壁垒高。

  电子制造是我国支柱产业,新一代电子制造装备精度要求达到了亚微米甚至纳米级。然而,受摩擦的影响,国内现有直线模组重复定位精度只能达到±1μm,更高精度的只能采用交叉滚柱导轨或气浮平台减小甚至消除摩擦来实现,降低了行程或速度。现有宏微复合平台方案也存在切换控制效率低,两套驱动成本高的问题。

  一种单驱动刚柔耦合精密运动平台及其实现方法及应用(ZL201610508540.X),本发明创新性地将长行程直线平台与高精度柔性铰链纳米平台有机融合在一起,采用柔性铰链弹性变形补偿摩擦死区,并将难于测量补偿的非线性摩擦扰动转变为柔性铰链弹性扰动,采用自抗扰控制算法进行弹性扰动的估计和补偿,形成系统的发明专利池,解决了机械导轨摩擦死区的问题,开创机械导轨运动平台实现高速运动纳米级定位的先河,或将引领超精度运动平台的技术革命。

  本发明专利池核心专利布局了美英德日韩等电子和超精密发达国家,覆盖范围超过80%的市场。六大相关核心技术也在国内进行全方位的布局,从设计方法、结构到控制,实现了全方位的保护,技术壁垒高。可以制定行业标准,支撑高端电子、激光制造和高精度检测仪器开发,打破Aerotech、Newport和PI等国际巨头对超精密运动平台的垄断。

  随着电子技术朝高密度、细线宽、窄间距的发展,对定位平台的速度要求越来越高,已经达到机械导轨的极限。若不能低成本实现高精度,下一代封装设备势必价格昂贵,且效率低下。目前Aerotech产品价格昂贵,以200mm行程平台为例,1μm精度的大约3万元,100nm精度的需要20万元,货期半年。采用本发明技术,低成本实现高精度,大幅降低下一代电子封装装备的制造成本,大规模量产后,必然迫使国外产品降价,将为国家节约大量外汇。

  由于创新性突出,潜在应用价值巨大,多家公司正在试用产品,特别是贸易摩擦,美国对中国的高端技术封杀,本发明技术具有完全自主知识产权,完全可以取代国外超精密平台,为我国高端装备的自主开发提供保障。

  产品或技术成熟度:

       已经开发了4代产品,从3代开始,已经有应用案例。目前已经规划了三大系列,十八个产品种类。机械设计成熟,有两款控制器可以选择,满足批量生产的要求。

  由于电子制造业发展,精度逼进机械导轨极限。目前对高精密平台的需求才刚刚开始。很多企业采用购买Aerotech、PI等国外高精度平台开发的样机。但是由于平台价格昂贵,且货期长,给量产带来困难。

  驱动与抑振融合的运动规划技术,与传统运动规划方法相比,5μm定位精度约束下,定位时间由0.451s降到0.269s,缩短40%(附件4.1)。开发的刚柔耦合平台,重复定位精度达到100nm(附件4.3)。开发的三轴精密微结构阵列加工机床、LED晶圆划片机,重复定位精度<0.5μm(附件4.2,4.4)。

  现有产品中,刚柔耦合滚珠丝杠平台技术完全成熟,可以取代PI平台。刚柔耦合直线电平台,可以满足重复定位精度100nm的点位运动需求。即将推出精度10nm的双测单驱刚柔耦合平台,满足光刻机要求。刚柔耦合超精密旋转平台已经完成了设计,由于疫情导致暂时停滞,预计开学后一个月内完成测试交付。

  目前用户:深圳泰道,三英精控、盛世智能、大族精密焊接、大族视觉、大族显示与半导体,成都光电等。

  超精密平台的需求在起步阶段,不少企业采用购买国外超精平台基础上开发样机,但是由于平台价格昂贵难于量产,疫情导致了国外产品货期进一步延迟,给本项目的推广提供了良好的机会。随着装备龙头企业大族集团的应用打开局面,将会有更多用户跟进,市场前景广阔。


联系人:孙明达,  邮箱:sunmingda@7ipr.com,  电话:18618174056,  微信:18618174056


为贯彻落实习近平总书记关于建设粤港澳大湾区的重要战略部署,党中央、国务院和广东省委、省政府关于推动高质量发展的重大决策要求,积极推进知识产权融入粤港澳大湾区建设,广东省市场监督管理局联合港、澳发起举办“粤港澳大湾区高价值专利培育布局大赛”。

“2020年粤港澳大湾区高价值专利培育布局大赛”由广东省市场监督管理局、香港特别行政区政府知识产权署、澳门特别行政区政府经济局、珠海市人民政府、东莞市人民政府主办,珠海市市场监督管理局、东莞市市场监督管理局、横琴国际知识产权交易中心承办。

粤港澳大湾区是继美国纽约湾区和旧金山湾区、日本东京湾区之后的世界第四大湾区。建设粤港澳大湾区,是习近平总书记亲自谋划、亲自部署、亲自推动的国家战略,是新时代推动形成全面开放新格局的新举措,也是推动“一国两制”事业发展的新实践。举办“粤港澳大湾区高价值专利培育布局大赛”是推进内地和港澳科技创新创业创造交流合作的重要举措与尝试。

通过举办粤港澳大湾区高价值专利培育布局大赛(简称“湾高赛”),倡导高价值专利培育布局理念,展现高价值专利培育布局成果,树立高价值专利培育布局标杆,引导带动一批创新主体积极开展高价值专利培育布局工作;同时,通过大赛吸引高水平的创业团队和高成长性专利项目在粤港澳大湾区落地,为粤港澳大湾区的高质量发展提供支撑;通过广泛动员各类创新主体、知识产权服务机构、金融机构、风险投资机构参与大赛,营造粤港澳大湾区专利创新创业创造氛围,培育知识产权文化,引导全社会对高价值专利培育布局工作的关注和投入。

首届湾高赛(2019)初审通过项目438个,涵盖新一代信息技术、高端装备制造、绿色低碳、生物医药、数字经济领域、新材料、海洋经济、现代农业八大领域。初赛综合专家评审及网络投票结果,选出百强项目,其中内地项目83个,香港地区项目12个,澳门地区项目5个。复赛选出五十强(因两个参赛项目并列第50名,最终名单为51个项目)项目中,内地入围45个,香港地区入围4个,澳门地区入围2个。最终首届湾高赛决赛角逐出金奖、银奖、优秀奖、最佳分析评议奖、最具投资潜力奖等共计28个奖项。

11月12日,2020年第二届湾高赛以“高价值专利支撑大湾区高质量发展”为主题,在2019年粤港澳大湾区知识产权博览会上隆重启动。


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