本发明涉及无接触倾角可控式输运平台及控制方法，属于轻薄物件的无接触输运领域。
背景技术：
随着物流输运行业的快速发展和工业生产过程的要求日益提高，精密制造、精密输送等技术逐渐向着高精度、高洁净和高可靠性的要求的方向发展。新一代产品制造对输运系统提出了更高的要求.传统的接触式输运定位方式如图1所示(采用皮带、滚轮、橡胶吸盘等方式)，容易导致精密物件产生裂纹和刮痕，还容易造成污染。无摩擦非接触的输运方式可以有效的避免这些问题，满足一些特殊应用场合的技术要求。
目前利用气压传动技术实现无接触输运的方法主要有两类，一种是被动驱动式，另一种是主动驱动式。被动驱动式的实现方法是利用空气静压轴承的原理，通过位于物体下方的平台供气使平台与物体之间形成气膜，达到无接触状态，气膜仅提供用于平衡物重的支撑力，再利用其他可动平台(滑台、滚轮等)提供外力驱动物体运动，如图2。被动驱动方式的主要缺点在于无法实现完全无接触，即驱动装置与物件存在接触。较为典型的装置有如中国专利申请“气浮设备”(申请公布号为cn208037535u，申请公布日为：2018年11月2日)、“非接触式传送装置和非接触式传送系统”(申请公布号为cn108698775a，申请公布日为：2018年10月23日)、“一种非接触式气浮平台”(申请公布号为cn108861590a，申请公布日为：2018年11月23日)、“气悬浮式非接触自动输送装置”(申请公布号为cn103171898a，申请公布日为：2013年6月26日)。主动驱动式的实现方法是在物件和输运装置之间利用斜向喷流(原理如图3所示)或是生成水平气流牵引拖曳的方式(原理如图4所示)驱动物件运动，较为典型的装置有如“一种气浮输运装置”(申请公布号为cn104495391a，申请公布日为：2014年11月7日)、“玻璃基板非接触式气浮输运装置”(申请公布号为cn108910534a，申请公布日为：2018年07月05日)。然而，尽管主动驱动的方法可以实现完全无接触，它的缺点在于提供的驱动力偏弱，无法适应一些需要快速运动的场合。此外，这种方式实现大范围传输时还存在平台构建复杂、成本高等问题。
技术实现要素：
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种无接触倾角可控式输运平台及控制方法，通过对气浮平台倾角的控制，能够实现快速驱动，同时防止物件滑落；将无接触倾角可控式气浮输运平台搭载于水平导轨滑台或机械臂上，易于实现物件的大范围无接触运输。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的无接触倾角可控式输运平台，包括第一台面、第二台面和气浮平台上层板和气浮平台下层板，第一台面上安装有一对第一支撑，在第一支撑上安装有第一转轴和第二轴，第一转轴的一端与第一电机连接，在第一转轴上套有第一圆齿轮，第一圆齿轮与第一扇形齿轮啮合，第一扇形齿轮套在第二轴上，第二轴同时安装在第二支撑上，第二支撑固定在第二台面上；第二台面上安装有一对第三支撑，在第三支撑上安装有第三转轴和第四轴，第三转轴的一端与第二电机连接，在第三转轴上套有第二圆齿轮，第二圆齿轮与第二扇形齿轮啮合，第二扇形齿轮套在第四轴上，第四轴同时安装在第四支撑上，第四支撑固定在气浮平台下层板上；所述气浮平台上层板上设置多个通孔，通孔在气浮平台上层板上呈对称分布，气浮平台上层板中心的通孔的孔径最小，越靠近气浮平台上层板边缘的孔径越大，在气浮平台上层板的侧面均匀安装有若干个位置传感器，在气浮平台上层板的侧面还设有导气孔，气浮平台下层板设有凹槽和密封槽，用于在两板连接后形成一个空腔；所述第一电机、第二电机和位置传感器均与控制器信号连接。
作为优选，所述通孔的直径大小为0.5mm～2mm。
作为优选，等直径的通孔离中心孔的距离相等。
一种上述的无接触倾角可控式输运平台的控制方法，包括以下步骤：
步骤(1)，设置初始参数，主要设置的参数包括：判断是否需要控制倾角的临界位移γ；圆形物件的特征尺寸(半径或直径)；位置传感器信号读取周期；电机控制信号发送周期；
步骤(2)控制器连续采集三个周期位置传感器的数据；
步骤(3)，控制器读取每个位置传感器数据，控制器通过位于x、y轴上的任意三个位置传感器捕捉物体的实际位置，并将位置信息发送到控制器；
步骤(4)，读取每个位置传感器的数值，确定出物件相对气浮平台的最大位移△xmax；
进入步骤(5)，判断最大位移变化值是否小于临界值，若是，无需控制旋转平台旋转，气浮平台自身能够实现物件对心趋势随平台运动，进入步骤(7)；若否，进入步骤(6)，
步骤(6)确定出物件相对气浮平台的2个次最大位移△xsubmax，根据三点坐标定位出圆形物件的中心位置，从而确定出物件在x和y方向上的移动量(δx和δy)、移动方向(±x方向或±y方向)以及物件相对速度和加速度a，由gsinθx＝ma，得出θx，由θy＝θxδy/δx确定θy大小，由控制器控制第一电机和第二电机旋转方向和旋转角度；
步骤(7)，重复步骤(3)，直到物件运输到指定位置。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)通过在气浮平台表面开设呈辐射状分布的孔径沿径向增大的出气孔，可实现在微小扰动条件下仍使物件悬浮于平台中部。
2)通过控制气浮平台的旋转倾角，可实现对悬浮物件的倾斜控制，利用重力的斜向分量作为驱动力，获得较大的运动加速度，使物件能够跟随下方平台做水平移动。
3)通过在气浮平台侧面处安装位置传感器检测物件位置变化，作为反馈输入控制器控制平台倾角，能够实现对物件移动状态的精准控制。
附图说明
图1是接触式滚轮输运装置工作情形示意图；
图2是一种被动驱动式无接触输运装置工作情形示意图；
图3是斜向喷流主动驱动式输运装置工作原理示意图；
图4是水平气流牵引拖曳主动驱动式输运装置工作原理示意图；
图5是本发明的工作原理示意图；
图6是无接触倾角可控式输运平台机械部分的斜侧视图；
图7是无接触倾角可控式输运平台机械部分的主视图；
图8是无接触倾角可控式输运平台机械部分的俯视图；
图9是气浮平台的俯视图；
图10是图9的a-a剖视图；
图11是装置整体爆炸图；
图12是无接触倾角可控式输运平台控制原理图；
图13是无接触倾角可控式输运平台控制方法的程序流程图；
图14是无接触倾角可控式输运平台的搭载于二维滑台上的应用示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1至图14所示，本发明的无接触倾角可控式输运平台，包括第一台面9、第二台面13和气浮平台上层板1和气浮平台下层板3，第一台面9上安装有一对第一支撑，在第一支撑上安装有第一转轴和第二轴12，第一转轴的一端通过联轴器11与第一电机10连接，在第一转轴上套有第一圆齿轮8，第一圆齿轮8与第一扇形齿轮7啮合，第一扇形齿轮7套在第二轴12上，第二轴12同时安装在第二支撑上，第二支撑固定在第二台面13上；第二台面13上安装有一对第三支撑，在第三支撑上安装有第三转轴和第四轴，第三转轴的一端与第二电机连接，在第三转轴上套有第二圆齿轮，第二圆齿轮与第二扇形齿轮啮合，第二扇形齿轮套在第四轴上，第四轴同时安装在第四支撑上，第四支撑固定在气浮平台下层板3上，各个轴通过轴承6安装在对应的支撑上；所述气浮平台上层板1上设置多个通孔，通孔在气浮平台上层板1上呈对称分布，所述通孔的直径大小为0.5mm～2mm，等直径的通孔离中心孔的距离相等，气浮平台上层板1中心的通孔的孔径最小，越靠近气浮平台上层板1边缘的孔径越大，在气浮平台上层板1的侧面均匀安装有若干个位置传感器2，在气浮平台上层板1的侧面还设有导气孔，气浮平台下层板3设有凹槽和密封槽，用于在两板连接后形成一个空腔，气浮平台上层板1与气浮平台下层板3通过密封圈5密封，两层板之间通过螺钉14连接；所述第一电机10、第二电机和位置传感器2均与控制器信号连接。位置传感器2为非接触式(红外、激光等)传感器，检测到物体边缘的3点位置，然后计算出物体的中心，以此获得物体的位置信息。
一种上述的无接触倾角可控式输运平台的控制方法，包括以下步骤：
步骤(1)，设置初始参数，气浮平台需要建立x轴和y轴，控制电机绕这两轴旋转驱动平台。此外，主要设置的参数还包括：判断是否需要控制倾角的临界位移γ；圆形物件的特征尺寸(半径或直径)；位置传感器信号读取周期；电机控制信号发送周期；物体圆心的理论运动轨迹；
步骤(2)控制器连续采集三个周期位置传感器的数据，控制器从第四个周期的数据开始控制，提高了加速度求解的精度，即提高了控制精度；
步骤(3)，控制器读取每个位置传感器数据，控制器通过位于x、y轴上的任意三个位置传感器捕捉物体的实际位置，并将位置信息发送到控制器；
步骤(4)，读取每个位置传感器2的数值，确定出物件相对气浮平台的最大位移△xmax，△xmax为相邻两次数据的差值的最大值；
进入步骤(5)，判断最大位移变化值是否小于临界值，若是，无需控制旋转平台旋转，气浮平台自身能够实现物件对心趋势随平台运动，进入步骤(7)；若否，进入步骤(6)，
步骤(6)确定出物件相对气浮平台的2个次最大位移△xsubmax，根据三点坐标定位出圆形物件的中心位置，从而确定出物件在x和y方向上的移动量(δx和δy)、移动方向(±x方向或±y方向)(±x或±y为物件相对于气浮平台的偏离方向，通过此方法用以确定电机的旋转方向。例如：当物件相对气浮平台产生±x方向偏离量时，应控制电机使平台绕y轴旋转，当物件相对气浮平台产生±y方向偏离量时，应控制电机使平台绕x轴旋转)以及物件相对速度和加速度a，由gsinθx＝ma，得出θx，由θy＝θxδy/δx确定θy大小，由控制器控制第一电机10和第二电机旋转方向和旋转角度，θx为第一电机的期望角度，θy为第二电机的期望角度，δx和δy为物件在x和y方向上的移动量，得到两个倾角后，控制电机旋转到期望角度；两个期望角度的初始角度均为零度，期望角度指相对初始角度的数值，由于初始角度为零度，期望角度即为计算得到的角度。
步骤(7)，重复步骤(3)，直到物件运输到指定位置。
如图5所示，为本发明装置的工作原理示意图，物件初始状态悬浮于气浮平台表面中心，当下方驱动平台缓慢移动时，由于物件与气浮平台无接触，其中心偏离气浮平台中心。由于气浮平台表面外侧孔径大，外侧孔出气流量大，当物体往外侧移动覆盖了大孔径的气孔时，物件受气压的作用不均匀使物件略微倾斜而出现恢复到中心的运动趋势，外侧孔径逐渐增大的设计方案能够保证物件在受到较小扰动时仍能够自动对心。当下方驱动平台快速移动时，物件偏离气浮平台中心靠近平台边缘，位置传感器2检测到物件位置变化，将此信号反馈给控制器(控制器可以是工控机、plc、单片机等)，控制电机驱动气浮平台产生倾斜，倾斜程度由位置传感器2的反馈信号决定。物件随气浮平台发生倾斜后，其重力分量可提供驱动力，确保物件能够跟随下方驱动平台移动。
如图6至图8所示，所述无接触倾角可控式输运平台装置主要包括气浮平台上层板1、位置传感器2、气浮平台下层板3、进气接头4以及用于驱动平台产生倾斜的旋转平台。旋转平台由结构相同的上下两层组成，分别为上旋转平台和下旋转平台，用于实现2个旋转自由度。下旋转平台由第一电机10带动第一圆齿轮8驱动第一扇形齿轮7带动第一台面9旋转。所述输运平台装置中，位置传感器2安装在气浮平台上层板1侧面。气源通过连接软管与进气接头4相连，位置传感器2的信号输出端口与输入转换模块连接，输入转换模块与数据采集模块连接，数据采集模块与控制器连接。输入转换模块为信号调理电路，可将位置传感器2输出的模拟电流电压信号传输给数据采集模块。数据采集模块为a/d转换电路，用于将位置传感器2输出的模拟量信号转换为数字量信号。控制器可以是工控机，或是单片机、可编程控制器。按照设定的控制算法，最终驱动电机实现气浮平台的倾角变化。
如图9和图10所示，气浮平台上层板1表面为光滑平面，开设呈放射状对称分布的通气孔(1-1)，气孔孔径由平台内部向外部逐渐增大，直径范围为0.5mm～2mm。气浮平台上层板1侧面开设有螺纹孔，用于连接位置传感器2。图10中，气浮平台下层板3与气浮平台上层板1连接，两者之间通过密封圈密封。气浮平台下层板3内部含凹槽空腔，外侧开设有螺纹孔与凹槽空腔导通，螺纹孔用于安装气接头与气管连接进行供气。
在图11中，旋转平台由结构相同的上下两层组成，下旋转平台由第一电机10驱动轴转动，轴上安装第一圆齿轮8与第一扇形齿轮7相啮合从而带动第一台面9旋转。
如图12所示，通过读取位置传感器2的信号，获得最大位移量△xmax，若最大位移少于γ，表明物件能够在气浮平台自动对心趋势的作用下保持稳定；若最大位移大于γ，则表明需要通过控制旋转平台使气浮平台发生倾斜。此时，通过读取位置传感器2的信号获得至少两个次最大位移△xsubmax，根据三点坐标定位出圆形物件的中心位置，从而确定出物件在x和y方向上的移动量(δx和δy)、移动方向(±x方向或±y方向)以及物件相对速度和加速度。由物件移动方向确定旋转平台两轴旋转方向，由物件相对加速度确定x轴旋转倾角。确定x轴旋转倾角的方法是其能产生的重力分量应与造成物件加速度的力大小相等，通过对斜面物体的受力分析关系，即gsinθx＝ma，由此可得x轴旋转倾角θx，进而根据倾角与位移增量之间的比例关系θy＝θxδy/δx确定y轴旋转倾角θy，根据轴的旋转方向和角度大小驱动电机进行控制。
图13所示为无接触倾角可控式输运平台控制程序流程图。程序开始，完成参数和状态初始化设置后，进入步骤2，红外、光栅等位置传感器2捕捉物体的实际位置并通过数据采集模块传入控制系统中。进入步骤3，确定出物件相对气浮平台的最大位移△xmax。进入步骤4，判断最大位移变化值是否小于临界值，若是，则进入步骤5，无需控制旋转平台旋转，进入步骤6，气浮平台自身能够实现物件对心趋势随平台运动；若否，进入步骤7，确定出物件相对气浮平台的2个次最大位△xsubmax，进入步骤8和步骤9，由三点定位计算物件相对气浮平台的轨迹趋势和计算物件相对速度。进入步骤10和步骤11，分别由步骤8获得的轨迹趋势计算气浮平台的旋转方向，由步骤9获得的相对气浮平台速度根据物体的重力分量计算气浮平台的旋转角度。而后进入步骤12，控制电机驱动旋转平台运动。在步骤13中，依据位置传感器2的数据判断物件是否与平台同步，若否，返回步骤2重复以上过程；若是，保持平台当前的位姿状态。
图14是将无接触倾角可控式输运平台搭载于二维水平滑台上方的应用案例示意图。通过对气浮平台的倾角控制，能够保证物件随气浮平台移动，从而实现物体的完全无接触大范围运输。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
1.一种无接触倾角可控式输运平台，其特征在于：包括第一台面、第二台面和气浮平台上层板和气浮平台下层板，第一台面上安装有一对第一支撑，在第一支撑上安装有第一转轴和第二轴，第一转轴的一端与第一电机连接，在第一转轴上套有第一圆齿轮，第一圆齿轮与第一扇形齿轮啮合，第一扇形齿轮套在第二轴上，第二轴同时安装在第二支撑上，第二支撑固定在第二台面上；第二台面上安装有一对第三支撑，在第三支撑上安装有第三转轴和第四轴，第三转轴的一端与第二电机连接，在第三转轴上套有第二圆齿轮，第二圆齿轮与第二扇形齿轮啮合，第二扇形齿轮套在第四轴上，第四轴同时安装在第四支撑上，第四支撑固定在气浮平台下层板上；所述气浮平台上层板上设置多个通孔，通孔在气浮平台上层板上呈对称分布，气浮平台上层板中心的通孔的孔径最小，越靠近气浮平台上层板边缘的孔径越大，在气浮平台上层板的侧面均匀安装有若干个位置传感器，在气浮平台上层板的侧面还设有导气孔，气浮平台下层板设有凹槽和密封槽，用于在两板连接后形成一个空腔；所述第一电机、第二电机和位置传感器均与控制器信号连接。
2.根据权利要求1所述的无接触倾角可控式输运平台，其特征在于：所述通孔的直径大小为0.5mm～2mm。
3.根据权利要求1所述的无接触倾角可控式输运平台，其特征在于：等直径的通孔离中心孔的距离相等。
4.一种如权利要求1至3任一项所述的无接触倾角可控式输运平台的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)，设置初始参数，设置判断是否需要控制倾角的临界位移γ；圆形物件的直径；位置传感器信号读取周期；电机控制信号发送周期；在气浮平台上层板上设置平面坐标系xy，以气浮平台上层板中心为圆心o，与第四轴平行为x轴，垂直第四轴的为y轴；
步骤(2)控制器连续采集三个周期位置传感器的数据；
步骤(3)，控制器读取每个位置传感器数据，控制器通过位于x、y轴上的任意三个位置传感器捕捉物体的实际位置，并将位置信息发送到控制器；
步骤(4)，读取每个位置传感器的数值，确定出物件相对气浮平台的最大位移；
步骤(5)，判断最大位移变化值是否小于临界值，若是，无需控制旋转平台旋转；气浮平台自身能够实现物件对心趋势随平台运动，进入步骤(7)；若否，进入步骤(6)；
步骤(6)，确定出物件相对气浮平台的2个次最大位移△xsubmax，根据三点坐标定位出圆形物件的中心位置，从而确定出物件在x和y方向上的移动量δx和δy、移动方向以及物件相对速度和加速度a，由gsinθx＝ma，得出θx，由θy＝θxδy/δx确定θy大小，由控制器控制第一电机和第二电机旋转方向和旋转角度，g为重力角速度，m为物件质量，θx为第一电机的期望角度，θy为第二电机的期望角度，δx和δy为物件在x和y方向上的移动量；
步骤(7)，重复步骤(3)，直到物件运输到指定位置。
技术总结