一種面向柔性薄膜轉移的曲面變形機械手的制作方法

本發明屬于物料輸送轉移相關設備領域，更具體地，涉及一種面向柔性薄膜轉移的曲面變形機械手。

背景技術：

柔性曲面電子具有大面積、可變形、輕質和非平面等特點，具有平面硅基微電子/傳感器無可比擬的優勢，因而在航空航天、信息通信和健康醫療等領域已顯示出巨大發展空間和應用前景。然而，在將譬如飛行器智能蒙皮之類的柔性曲面電子進行轉移時，往往需要將在平面基底上已預先處理的電子薄膜吸附后轉移固定到目標曲面上，該工序直接影響到最終產品的質量可靠性，因而屬于關鍵的制造環節之一。

目前的現有技術中，已經提出了一些用于面向芯片之類對象的拾取或貼放轉移的方案，例如CN201420671749.4、CN200910272685.4等早期專利，然而這些方案并沒有披露當貼放對象為曲面時應對如何進行針對性處置的解決方案；此外，現有技術中也提出了采用軟性圖章將薄膜吸附壓印的方式，但實際測試表明，在轉移過程中往往會導致過大的變形力，加劇柔性薄膜中電子器件的破裂，同時存在轉移精度不足等問題。相應地，本領域亟需針對柔性薄膜從平面基底到目標曲面的轉移過程提出更為妥善的解決方式，以滿足目前日益提高的工藝要求。

技術實現要素：

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種面向柔性薄膜轉移的曲面變形機械手，其中通過對該曲面變形機械手的整體構造組成進行重新設計，并對其關鍵部件如直線驅動組件、密封組件、可調式滑動組件等的具體結構及其安裝設置方式做出進一步的改進，相應能夠高效率實現柔性薄膜從平面基底轉移到目標曲面的整體過程，同時具備結構緊湊、便于操控、高精度和對薄膜損害小等優點，并且在形成自由曲面時具備更多的適應性和自由調節能力。

為實現上述目的，按照本發明，提供了一種面向柔性薄膜轉移的曲面變形機械手，該曲面變形機械手包括直線驅動組件、密封組件、氣壓組件和可調式滑動組件，其特征在于：

所述直線驅動組件包括安裝柱和直線執行器，其中所述直線執行器的數量為多組，它們沿著豎直方向排列安裝在所述安裝柱上，并用于提供上下位移的驅動力；

所述密封組件整體設置在所述直線驅動組件的下部，并包括上連接板、下連接板、密封膜和透氣膜，其中該上連接板與該下連接板呈上下聯接安裝的形式，并通過密封墊片執行兩者之間的密封，所述直線執行器的末端則通過O型密封圈密封嵌合于該上連接板頂面的槽內部；此外，所述密封膜粘接在所述下連接板下端部的內側環面，所述透氣膜通過箍環固定在所述下連接板下端部的外側環面，并使得所述上連接板、密封墊片、O型密封圈、下連接板以及密封膜共同圍成第一腔室，同時使得所述密封膜與透氣膜之間則形成第二腔室；

所述氣壓組件用于執行將所述第一腔室內部形成正壓、將所述第二腔室內部形成負壓的功能；以此方式，所述第二腔室內的負壓使得處于所述密封組件最下端的所述透氣膜執行柔性薄膜的吸附，所述第一腔室內的正壓則配合所述直線執行器上下驅動所述密封膜與透氣膜變形，由此進一步推動此密封膜與此透氣膜發生曲面變形，相應使得機械手依次完成將柔性薄膜吸附及轉印至目標曲面上對應位置點的過程；

所述可調式滑動組件用于對所述直線執行器彼此之間的相對位置進行調節。

通過以上構思，本發明可充分利用機械手所形成轉移曲面上的多個點點的相對上下高低位置來近似模擬目標曲面的機理，相應以更高精度和更高效率執行整個柔性薄膜至目標曲面的轉移過程：更具體而言，所述直線執行器譬如可成組使用，它們各自輸出不同的直線位移，其上下高度不同的推桿末端位置點形成了曲面變形的控制點，這樣通過調節這些位置點的高度得以進一步調節下部曲面的變形；相應地，直線執行器各自伸出向下運動，戳動密封膜和透氣膜變形，致使透氣膜上吸附的柔性薄膜曲面變形；換而言之，當機械手轉移柔性薄膜時，先將成組使用的直線執行器控制變形的相應點定位粘結到目標曲面對應位置點上，完成柔性薄膜初步的貼放；氣壓組件向第一腔室填充正壓氣體，導致密封膜受壓膨脹，接觸透氣膜并進一步迫使透氣膜連同柔性薄膜壓印到目標曲面上，由此完成柔性薄膜最后的貼放；此外在此基礎上，由于可調式滑動組件能夠將多個直線執行器之間的位置按照需求進行靈活調整，相應使得直線驅動組件在形成自由曲面上可具備更多的適應性和調節能力，從而進一步確保順利完成各類目標曲面的薄膜轉移操作。

進一步優選地，所述直線執行器優選成組使用，它們各自輸出不同的直線位移，由此通過上下高度不同的推桿末端位置點形成了曲面變形的控制點，并通過調節這些位置點的高度以調節曲面變形的狀態。更具體地，所述成組使用的直線執行器推桿各自伸出向下運動，戳動所述密封膜和所述透氣膜變形，致使該透氣膜上吸附的柔性薄膜曲面變形；此外，所述的直線執行器與所述密封膜相接觸的推桿末端優選塞入具備一定彈性的半球形軟塞頭，相應使得機械手在戳動兩層膜變形以及轉移柔性薄膜到相應的目標曲面時有一定的緩沖能力。

進一步優選地，所述的密封膜與透氣膜均為高彈性薄膜，固定在下連接板下端部的內外側環面，兩層膜之間形成了負壓腔室。氣壓組件在所述的負壓腔室通負壓，以此，下表面的透氣膜真空吸附柔性薄膜。

進一步優選地，機械手轉移柔性薄膜時，先將成組使用的直線執行器控制變形的相應點定位粘結到目標曲面對應位置點上，完成柔性薄膜初步的貼放；氣壓組件向正壓腔室填充氣體，正壓腔室下的密封膜受壓膨脹，接觸透氣膜并進一步迫使透氣膜連同柔性薄膜壓印到目標曲面上，完成柔性薄膜最后的貼放。

作為進一步優選地，可調式滑動組件是對所述成組使用的直線執行器適用性調整的裝置，并用于將這些直線執行器位置進行調整，使得直線驅動組件在形成自由曲面時具有更多的適應性和調整能力；其中直線執行器優選布置處于所述可調式滑動組件的同一平面框架結構內且其數量為五個，這些直線執行器優選采用中心對稱方案進行布置，并包括位于平面正中央的第一執行器，以及位于平面四角且相互保持對稱的第二執行器、第三執行器、第四執行器和第五執行器。是以，可調式滑動組件可相應調節中央的第一執行器與四周的第二執行器、第三執行器、第四執行器和第五執行器相互之間的位置布局。

作為進一步優選地，所述可調式滑動組件優選呈凸輪多滑塊機構的形式，并包括平面框架結構、設置在該平面框架結構正中央的凸輪，以及分別位于該平面框架結構四角且相互保持對稱的四個滑塊，其中各個滑塊各自安裝在下方的直線導軌上，其朝向所述凸輪的前端安裝有滾子以用于與該凸輪的高副相抵觸連接，其背離所述凸輪的后段則設置有壓縮彈簧以便執行與該凸輪之間的鎖合；此外，上述凸輪、四個滑塊分別用于對應嵌合安裝五個所述直線執行器，由此使得這些直線執行器可根據需求進行各種位置布局的調整。

作為進一步優選地，所述凸輪的輪廓曲線中曲線線段的組成根據直線執行器設計數量而定，當直線執行器中心對稱分布時，輪廓曲線優選圓周均布的規律設計，若此時直線執行器數量為五，優選采用呈4×90°圓周均布的曲線分布規律設計。

作為進一步優選地，所述透氣膜上還優選集成有柔性傳感器陣列，并用于檢測所述透氣膜對應于所測量位置的變形量。是以，當透氣膜吸附柔性薄膜時，可以檢測透氣膜是否真空吸附好柔性薄膜；當直線執行器戳動密封膜連同透氣膜變形時，可以監測透氣膜是否達到相應的變形程度；當透氣膜連同柔性薄膜壓印到目標曲面上時，可以檢測柔性薄膜最后的貼放情況。

作為進一步優選地，所述氣壓組件優選還包括氣壓傳感器，并用于對所述第一腔室、第二腔室內的氣壓大小執行實時監測。

作為進一步優選地，整個曲面變形機械手轉移柔性薄膜流程如下：曲面機械手移動到待轉移柔性薄膜上方適當位置→氣壓組件向負壓腔室制造負壓→機械手向下接觸柔性薄膜，真空吸附→柔性傳感器檢測到真空吸附好柔性薄膜→機械手向目標曲面上方轉移→可調式滑動組件調整成組使用的直線執行器相對位置→機械手定位到目標曲面上方→直線執行器向下運動至適當的位置，戳動密封膜和透氣膜主動變形，致使透氣膜上吸附的柔性薄膜形成相應的變形曲面→柔性傳感器檢測透氣膜變形程度→機械手向下運動，使得透氣膜上的柔性薄膜變形點與目標曲面粘結→氣壓組件向正壓腔室充氣，氣壓傳感器監測正壓→密封膜、透氣膜變形膨脹，連同柔性薄膜壓印到目標曲面上，完成柔性薄膜最后的貼放→監測的正壓達到預定值，保持正壓在預定值，柔性傳感器檢測到柔性薄膜貼附到目標曲面→正壓腔室回復壓力，負壓腔室停止制造負壓→機械手上升，移動到相應位置準備下一次的操作。

總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，主要具備以下的技術優點：

1、本發明中通過對曲面變形機械手的整體構造布局重新進行了設計，相應可充分利用機械手所形成轉移曲面上的多個點點的相對上下高低位置來近似模擬目標曲面的機理，實際測試表明，與現有設備相比能夠以更高精度和更高效率執行整個柔性薄膜至目標曲面的轉移過程，并具備對薄膜損害小、在形成自由曲面時具備更多的適應性和自由調節能力等優點；

2、本發明中還對一些關鍵部件尤其如密封組件、可調式滑動組件等在具體結構和安裝設置方式做出改進，相應能夠在方便地執行柔性薄膜至目標曲面的整體轉移過程的同時，還有助于確保直線執行器形成自由曲面的姿態調整精度和操作便利度，進而可進一步提高最終的定點轉移效果；

3、按照本發明的曲面變形機械手結構緊湊、適應性強且精度高，并具備信號采集準確、便于操控和可靠性強等特點，因而尤其適用于各類柔性膜至目標曲面的轉移及控制應用場合。

附圖說明

圖1是按照本發明優選實施方式所構建的一種面向柔性薄膜轉移的曲面變形機械手的整體三維結構示意圖；

圖2是圖1所示的本發明一個優選實施例機械結構爆炸圖；

圖3是按照本發明一個優選實施例所設計的密封組件的結構示意圖；

圖4是按照本發明一個優選實施例所設計的可調式滑動組件的結構示意圖；

圖5是用于示范性說明按照本發明的曲面變形機械手轉移柔性薄膜的動作流程圖；

在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結構，其中：

10-直線驅動組件，11-安裝柱，12-直線執行器，12a-第一執行器，12b-第二執行器，12c-第三執行器，12d-第四執行器，12e-第五執行器，13-軟塞頭；20-密封組件，21-上連接板，22-密封墊片，23-下連接板，24-密封膜，25-透氣膜，26-O形密封圈，27-柔性傳感器，28-箍環；30-氣壓組件，31-氣壓傳感器；40-可調式滑動組件，41-凸輪，42-滾子，43-滑塊，44-直線導軌，45-壓縮彈簧，46-平面框架結構

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。

圖1是按照本發明優選實施方式所構建的一種面向柔性薄膜轉移的曲面變形機械手的整體三維結構示意圖。如圖1中所示，該曲面變形機械手主要包括直線驅動組件10、密封組件20、氣壓組件30和可調式滑動組件40等組成部件，下面將對其逐一進行詳細解釋說明。

直線驅動組件10可包括安裝柱11和直線執行器12等組成單元，其中直線執行器12的數量為多組，它們沿著豎直方向排列安裝在安裝柱11上，并用于提供上下位移的驅動力。更具體地，如圖2和4中所示，直線執行器12的數量優選被設計為5個，包括布置于可調式滑動組件40的平面框架結構46正中央的第一執行器12a，以及分別位于同一平面四角且相互保持對稱的第二執行器12b、第三執行器12c、第四執行器12d和第五執行器12e。在使用時，這些直線執行器12可成組使用，用于產生直線運動，排列安裝在安裝柱11上，且推桿末端可塞入半球形軟塞頭13，是形成自由曲面的主要驅動機構。

作為本發明的關鍵改進之一，密封組件20整體設置在直線驅動組件10的下部，并可包括上連接板21、下連接板23、密封膜24和透氣膜25等組成單元。更具體地，如圖2和圖3中示范性所示，譬如可采用O形密封圈26卡在上連接板21的矩形槽內部，使得直線執行器12穿過上連接板21處的間隙形成密封。上連接板21與下連接板23處的密封則依靠的是螺栓組件的預緊力致使密封墊片22發生的塑性變形。密封膜24與透氣膜25均為高彈性薄膜，固定在下連接板23的下端部的內外側環面，密封膜24膠粘在下連接板23下端部的內側環面，透氣膜25則依靠箍環28固定在下連接板23下端部的外側環面。所述的上連接板21、密封墊片22、O形密封圈26與下連接板23、密封膜24之間形成第一腔室，所述的密封膜24與透氣膜25之間形成第二腔室。氣壓組件30則在所述兩個腔室內分別通正、負壓。

繼續參見圖1、圖2，機械手曲面變形的機理是控制曲面上有限個點的相對上下高低位置，來近似模擬目標曲面。優選地，物理實現采用成組排列的直線執行器拉動彈性薄膜某些位置點變形的方式。所述的直線執行器12成組使用，各自輸出不同的直線位移，其上下高度不同的推桿末端位置點形成了曲面變形的控制點，通過調節這些位置點的高度以調節曲面的變形。更具體地，所述的成組使用的直線執行器12推桿各自伸出向下運動，戳動密封膜24和透氣膜25變形，致使透氣膜25上吸附的柔性薄膜曲面變形。所述的直線執行器12與密封膜24接觸的推桿末端塞入半球形軟塞頭13，軟塞頭具有一定的彈性，使得機械手在戳動兩層膜變形以及轉移柔性薄膜到相應的目標曲面時有一定的緩沖能力。進一步優選地，成組使用的直線執行器12的排列方式可選擇中心對稱方式。

更具體地，當機械手轉移柔性薄膜時，先將成組使用的直線執行器12控制變形的相應點定位粘結到目標曲面對應位置點上，完成柔性薄膜初步的貼放；氣壓組件30向正壓腔室填充氣體，正壓腔室下的密封膜24受壓膨脹，接觸透氣膜25并進一步迫使透氣膜25連同柔性薄膜壓印到目標曲面上，完成柔性薄膜最后的貼放。

此外，參見圖1和圖2，氣壓組件30還可包括氣壓傳感器31，能實時監測正壓腔室或負壓腔室內氣壓的大小，避免過大的正壓或負壓。

作為本發明的另一關鍵改進，上述機械手還包括可調式滑動組件40，其主要功能是用于對多個直線執行器12彼此之間的相對位置進行調節，由此使得它們的布局形式根據需求發生改變。按照本發明的一個優選實施例，具體如圖4所述，當所述直線執行器12采用中心對稱方案布置時，該可調式滑動組件40相應可以采用凸輪多滑塊機構進行調整。更具體地，當五個直線執行器12呈中心對稱排布，一個位居正方形中心，另外四個位居正方形四個頂點，五個直線執行器12相對位置調整方案可采用凸輪多滑塊機構，并包括作為安裝基礎的平面框架結構46、設置在該平面框架結構正中央的凸輪41，以及分別位于該平面框架結構四角且相互保持對稱的四個滑塊43。其中，各個滑塊43固定在下方的直線導軌44上，前方安裝的滾子42與凸輪41高副連接，通過背后的鎖合彈簧45實現與凸輪41的鎖合。所述的凸輪41輪廓曲線規律優選可采用呈4×90°圓周均布。所述的滑塊43譬如也采用沿著凸輪基圓圓周呈4×90°均布。所述的直線執行器12中的四個安裝到滑塊43上，其余一個安裝在所述凸輪41的中心位置，通過凸輪41控制四個滑塊43的升程與回程來控制四周直線執行器12b、12c、12d、12e與中心第一執行器12a的相對距離，進而完成布局設置及調整。

按照本發明的另一優選實施例，所述的透氣膜25上優選還集成有柔性傳感器27陣列，能實時檢測透氣膜25對應測量位置的變形量。具體而言，當透氣膜25吸附柔性薄膜時，可以檢測透氣膜25是否真空吸附好柔性薄膜；當直線執行器12戳動密封膜24連同透氣膜25變形時，可以監測透氣膜25是否達到相應的變形程度；當透氣膜25連同柔性薄膜壓印到目標曲面上時，可以檢測柔性薄膜最后的貼放情況。

下面將參照圖5展示整個曲面變形機械手轉移柔性薄膜流程。

按照工序進行列舉說明的話，主要包括以下操作步驟：曲面機械手移動到待轉移柔性薄膜上方適當位置→氣壓組件30向負壓腔室制造負壓→機械手向下接觸柔性薄膜，真空吸附→柔性傳感器27檢測到真空吸附好柔性薄膜→機械手向目標曲面上方轉移→可調式滑動組件40調整成組使用的直線執行器12相對位置→機械手定位到目標曲面上方→直線執行器12向下運動至適當的位置，戳動密封膜24和透氣膜25主動變形，致使透氣膜25上吸附的柔性薄膜形成相應的變形曲面→柔性傳感器27檢測透氣膜變形程度→機械手向下運動，使得透氣膜25上的柔性薄膜變形點與目標曲面粘結→氣壓組件30向正壓腔室充氣，氣壓傳感器31監測正壓→密封膜24、透氣膜25變形膨脹，連同柔性薄膜壓印到目標曲面上，完成柔性薄膜最后的貼放→監測的正壓達到預定值，保持正壓在預定值，柔性傳感器27檢測到柔性薄膜貼附到目標曲面→正壓腔室回復壓力，負壓腔室停止制造負壓→機械手上升，移動到相應位置準備下一次的操作。

綜上，按照本發明的曲面變形機械手無論從整體構造設計、還是關鍵組件的結構組成及設置方式均面向曲面轉移的特定應用場合進行了針對性設計。其中直線執行器各自輸出不同的直線位移，是形成自由曲面的主要驅動機構；密封組件可配合直線執行器的運動，使得機械手依次實現對柔性薄膜執行高精度、高效率的吸附和貼放的功能；可調式滑動組件是用于對直線執行器進一步從空間位置上實現適用性調整，使得直線驅動組件在形成自由曲面時具有更多的適應性和調整能力。通過本發明，不僅能夠實現對柔性薄膜的拾取、變形與貼放到曲面等復雜功能，而且具備結構緊湊、便于操控、轉移精度高、適用范圍廣等優點，因而尤其適用于譬如飛行器智能蒙皮之類的柔性曲面電子的大規模工業制作用途。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。