CN101227156A - 一种实用的高精密直线驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实用的高精密直线驱动器，由伸缩机构和箝位机构以及输出轴组成，伸缩机构由伸缩单元和环形压电陶瓷堆构成，伸缩单元由中间安装板与其两侧的筒形伸缩铰、筒形伸缩铰端法兰组成，所述的筒形伸缩铰端法兰上分别安装有箝位机构。本发明结构简单，输出力大，能够达到200N。输出轴输出最大速度为10mm/s，单步位移最大为17um。最大输出力可达200N，具有很好的实用性能。同时，可以通过改变输入频率来调整直线运动的步进速度，也可以通过改变输入的电压来调整步进距离。由于系统的集成化程度高，系统的最大工作频率比较高，从而可以具有较宽的速度调节范围。

Description

一种实用的高精密直线驱动器

技术领域

本发明属于微机电设备技术领域。它提供了一种微米量级、高速、大输出力，双向直线驱动器。本发明可以广泛应用于机器人、生物仪器、光学仪器，以及精密加工等各种高精度驱动或者定位的场合。

背景技术

现代工业和科学研究的发展，对机电系统驱动和控制的精密化、结构的微型化的要求越来越高。作为精密或微型机电系统关键技术的微型、大行程、精密微步距驱动器是系统的关键，其特性和功能直接关系到微型机电系统的特性和功能。因此，大行程、微型直接驱动新原理、新结构及其实现方案的研究已成为世界微型机械领域竞相研究的重点课题，国内外著名的大学和实验室都将有关微驱动器的设计、加工、制造技术、测试技术等的研究作为微机械研究的一个重点方向和突破口。

压电马达是近年来发展起来的新型驱动器，是一种利用压电陶瓷逆压电效应制作的微位移器，具有体积小、推力大、精度高、位移分辨率高和频响快等优点，并且不发热，不产生噪声，是理想的微位移驱动器。目前，已广泛应用于微进给定位机构或系统。压电/电致伸缩微进给定位机构或系统在精密机械工程方面，用于刀具微进给、微雕刻系统、直线位移驱动、控制射流喷嘴、微型泵等；在光学及测量技术方面，用于透镜定位调节、激光调制、光纤定位对准、自动调焦、干涉测量、全息摄影、扫描探针显微测量等；在生物医学领域，用于眼外科手术等的微操作、细胞穿刺、微剂量控制器件、听觉生理刺激等；在微电子学和计算机技术方面，用于芯片和掩膜定位对准、光刻与半导体加工检查装置、磁盘和光盘制造装置及驱动器、点阵打印机，在机器人中可以用于关节的驱动等。

在很多的系统中，都需要驱动器不仅微型化，功重比高、耗能少、发热小、而且行程大。如果直接利用压电陶瓷的变形来驱动负载往往具有明显的缺点，那就是行程小，至多在微米量级。目前，对于大行程驱动器的设计，一般有两种方法，一种是利用杠杆，液压等放大原理来放大位移，但是这种方法往往放大倍数有限，而且大大增加了系统的体积。第二种方法就是采用位移累加的方式，例如超声马达、蠕动仿生马达等，这种机构巧妙的克服了行程小的缺点。但是就目前的直线型超声马达来说，其输出力往往比较小。对于蠕动式仿生马达，就目前已经研制出压电马达的来说，其输出力矩也比较小，而且速度较低，行程有限，正是这些不足，往往限制了这种马达的应用。

专利CN200610038947.7公布了一种任意行程高精度驱动器，但是其系统的工作频率较低，究其原因是系统中分立零件较多，装配比较复杂，集成度不高，抗振性不强。

发明内容

本发明的目的在于针对现有直线型压电马达存在的一些不足，提供一种实用的，高集成度、结构简单、高速、输出力大、高精度微型压电型高精密直线驱动器，以适应各方面的实际需要。可广泛应用于机器人、工业驱动、机械加工、生物仪器等领域。

本发明的技术方案如下：

一种实用的高精密直线驱动器，其特征在于：由伸缩机构和箝位机构以及输出轴组成，伸缩机构由伸缩单元和环形压电陶瓷堆构成，伸缩单元由中间安装板与其两侧的筒形伸缩铰、筒形伸缩铰端法兰组成，筒形伸缩铰的侧壁开有窗孔，中间安装板中央有导向管；所述的筒形伸缩铰端法兰上分别安装有箝位机构，箝位机构有一中间开孔的法兰，所述的开孔内的两端分别连接有框形箝位夹，框形箝位夹由箝位铰、两个横向定位铰组成，箝位铰连接于两个横向定位铰前端，箝位铰中间为箝位块，箝位块外侧为夹持输出轴的半圆形孔，二个框形箝位夹的箝位块的半圆孔相对应，半圆孔之间形成为导向孔；所述的法兰侧框上安装有有螺栓，与横向定位铰螺纹连接；所述的框形箝位夹内安装有端部套装帽盖的条形压电陶瓷堆，箝位机构的法兰上安装有螺栓顶在条形压电陶瓷堆的帽盖上；所述的环形压电陶瓷堆放置在伸缩单元的筒形伸缩铰内。

所述的一种实用的高精密直线驱动器，其特征在于：箝位机构的中间开孔法兰背面有安装定位环，安装定位环紧贴于所述的筒形伸缩铰端法兰的内壁上。

本发明利用压电陶瓷材料和柔性铰装置的组合实现高速、大输出力和高精度位移。其特征在于包括两端开口的伸缩机构，伸缩机构两端分别通过螺栓与一箝位机构相连接。伸缩机构和箝位机构中间有输出轴通过。

所述的伸缩机构带有伸缩铰、环形压电陶瓷堆、安装孔以及导向管等。压电陶瓷堆在电压控制下能够实现伸缩运动。在系统安装好之后，当加上电压的时候，压电陶瓷堆发生伸长，推动箝位机构运动。同时，伸缩铰在螺栓的作用下也伸长。当释放电压的时候，压电陶瓷堆恢复原长，由于失去了压电陶瓷堆的支撑，伸缩铰发生回弹，同时带动箝位机构运动。

所述的箝位机构带有箝位铰、箝位块、横向定位铰、条形压电陶瓷堆及其安装管、螺丝调节系统、安装定位环等。当加上电压的时候，箝位机构的压电陶瓷堆发生伸长，推动箝位块发生位移，压紧输出轴，箝位铰弯曲。当释放电压的时候，压电陶瓷恢复原长。由于失去了压电陶瓷堆的支撑，箝位铰发生回弹，并带动箝位块对输出轴解除夹紧。

在系统安装时，伸缩机构中的压电陶瓷堆和箝位机构中的压电陶瓷堆都处于压紧状态，压紧力可以通过连接的螺栓调节。

本发明的伸缩机构和箝位机构在控制电压时序下形成一种推压关系，在摩擦的作用下使输出轴发生位移。当左侧箝位机构中的箝位块在压电陶瓷的作用下对输出轴夹紧时，右侧箝位机构的箝位铰放松，同时左侧的伸缩压电陶瓷堆推动箝位机构运动，从而带动输出轴运动，伸缩机构的右端压电陶瓷带动右端的箝位机构做预备动作；当右侧的箝位机构夹紧输出轴时，左侧的箝位机构处于放松状态，伸缩机构的右侧继续驱动右侧的箝位机构，从而带动输出轴继续运动，同时伸缩机构的左侧带动箝位机构做预备动作，如此循环往复。

本发明结构简单，输出轴输出最大速度为10mm/s，单步位移最大为17um。最大输出力可达200N，具有很好的实用性能。同时，可以通过改变输入频率来调整直线运动的步进速度，也可以通过改变输入的电压来调整步进距离。由于系统的集成化程度高，系统的最大工作频率比较高，从而可以具有较宽的速度调节范围。

附图说明

图1为本发明的直线驱动器结构示意图；

图2为伸缩单元剖视图；

图3为伸缩单元俯视图；

图4为箝位单元正视图；

图5为箝位单元侧视图；

图6为箝位单元俯视图；

图7为环形压电陶瓷；

图8为条形压电陶瓷堆；

图9为方形帽盖

图10为驱动器的驱动电压时序图

图11为驱动器的工作过程示意图

具体实施方法

如图1所示，系统主要由伸缩机构和箝位机构以及输出轴1组成。伸缩机构由伸缩单元2和环形压电陶瓷堆5和6构成。箝位机构由箝位单元3、箝位单元4、帽盖8以及条形压电陶瓷堆7构成。伸缩单元2和两个箝位单元3、4由8个螺钉相连接。环形压电陶瓷堆5、6安放于伸缩单元2中，并在安装时由上述8个螺钉预紧。

伸缩单元，如图2、3所示，由伸缩铰9、安装板10、导向管11以及螺孔12构成。整个单元是一个零件，为对称结构。安装板上有导向管11以及加工孔13、安装孔14等。

箝位单元3和4结构相同，其结构如图4、5、6所示。箝位单元上有箝位块15、箝位铰16、横向定位铰17、孔18、安装定位环19、螺孔20、沉头孔21以及螺孔22等。整个单元为对称结构。螺钉通过孔21并和螺孔20相配合。通过螺钉可以调节横向定位铰17的位置，这样就可以调节箝位块15的横向位置。螺钉和螺孔22相配合，可以通过螺钉调节压电陶瓷的纵向位置，从而也调节了箝位块的纵向位置。这样，通过横向和纵向的调节可以对箝位块进行预定位，调节其和输出轴之间的间隙，同时减小了对箝位单元加工的精度要求。

如图7所示，环形压电陶瓷堆23在外加电压下能够发生轴向的伸缩运动。当加上正电压的时候，压电陶瓷堆伸长一定的位移，当减小电压或者电压为降为零时，压电陶瓷堆发生收缩。

如图8所示，条形压电陶瓷堆堆24在外加电压下能够发生图示方向的伸缩运动。当加上正电压的时候，压电陶瓷堆伸长，当减小电压或者电压降为零的时候，压电陶瓷堆发生收缩。

如图9所示为方形帽盖，安装的时候方形压电陶瓷堆套进安装管中。安转管的另一端的螺纹和箝位机构上的螺纹22通过螺钉相配合。

安装的时候，将环形压电陶瓷堆安放于伸缩单元中。箝位机构上的安装定位环19和伸缩机构的开口相互紧密配合。螺钉通过孔18与螺纹12相配合，从而将箝位单元与伸缩单元相固结。此时由于环形压电陶瓷堆比伸缩铰9稍长，所以环形压电陶瓷堆被预紧，预紧度可以通道螺钉的松紧来调节。

本发明的伸缩机构和箝位机构在控制电压时序下形成一种推压关系，在摩擦的作用下使输出轴发生位移。具体工作过程如图所示，为驱动输出轴向左移动的过程：

(1)伸缩压电陶瓷堆5、6，箝位机构3、4中的压电陶瓷堆均无外加电场时，伸缩压电陶瓷堆5，6处于初始预紧状态；

(2)给左侧箝位机构3中压电陶瓷堆加上电压(图中的“+”)，压电陶瓷堆发生伸长，则左侧箝位机构发生箝位，输出轴1被箝位，而右侧箝位机构仍保持放松状态；

(3)保持左侧箝位机构3中压电陶瓷堆加上的电压不变，即保持左侧箝位机构的箝位状态不变，给伸缩机构的压电陶瓷堆5、6加上正电压，伸缩机构左右两端均伸长，由于左侧箝位机构仍夹紧输出轴1，因而在左侧伸缩机构的伸长力作用下，推动输出轴左移一段距离；

(4)保持伸缩机构中压电陶瓷堆5、6的电压不变，给右侧箝位机构4中的压电陶瓷堆加上电压，因此右侧箝位机构箝位，夹紧输出轴。此时左右两个箝位机构均处于箝位状态；

(5)保持伸缩机构中压电陶瓷堆5、6的电压不变，将左侧箝位机构中的压电陶瓷放电，压电陶瓷恢复原长，左侧箝位机构放松，对输出轴解除箝位。而由于右侧箝位单元4仍处于箝位状态，则输出轴仍被箝位。

(6)保持右侧箝位单元4中压电陶瓷堆电压不变，即保持右侧箝位机构的箝位状态不变，给伸缩机构中的压电陶瓷堆5、6撤去电压，压电陶瓷堆恢复原长，则使伸缩机构向中间缩短；由于箝位机构6夹紧输出轴，则在右侧伸长单元的恢复力作用下拉动输出轴向左移动一段距离；而左侧箝位单元由于处在解除箝位状态，不会对输出轴产生作用力；

(7)给左侧箝位机构中的压电陶瓷充电，则该侧箝位单元由于压电陶瓷的伸长而发生箝位，对输出轴夹紧。此时右侧箝位单元也处于箝位状态；

(8)保持左侧箝位机构压电陶瓷充电状态不变，即保持左侧箝位机构对输出轴的箝位状态不变，撤销右侧箝位机构中的压电陶瓷堆的电压，右侧箝位机构放松，解除对输出轴的夹紧。此时，由于左侧箝位机构仍处于箝位状态，因此输出轴仍处于被箝位状态；

(9)重复步骤(3)-(8)。如此循环，则输出轴不断向左移动。

输入电压的时序图如图所示，其中，伸缩机构中压电陶瓷堆5、6所加的电压相同。当然，也可以工作于不同的时序，达到不断左移的目的，只是控制时序更加复杂。如果要实现右移运动，只需要改变一下输入电压时序次序。在图中为梯形波。为了保证输出力矩的连续性，箝位单元3、4有一个共同箝位的时段。

本发明的机构可用于开环控制，通过一定的控制算法，即使在开环条件下，也能够得到精确输出。对于存在较大干扰的系统，可以通过增加位移传感器等构成闭环控制系统。

Claims (2)

1.一种实用的高精密直线驱动器，其特征在于：由伸缩机构和箝位机构以及输出轴组成，伸缩机构由伸缩单元和环形压电陶瓷堆构成，伸缩单元由中间安装板与其两侧的筒形伸缩铰、筒形伸缩铰端法兰组成，筒形伸缩铰的侧壁开有窗孔，中间安装板中央有导向管；所述的筒形伸缩铰端法兰上分别安装有箝位机构，箝位机构有一中间开孔的法兰，所述的开孔内的两端分别连接有框形箝位夹，框形箝位夹由箝位铰、两个横向定位铰组成，箝位铰连接于两个横向定位铰前端，箝位铰中间为箝位块，箝位块外侧为夹持输出轴的半圆形孔，二个框形箝位夹的箝位块的半圆孔相对应，半圆孔之间形成为导向孔；所述的法兰侧框上安装有有螺栓，与横向定位铰螺纹连接；所述的框形箝位夹内安装有端部套装帽盖的条形压电陶瓷堆，箝位机构的法兰上安装有螺栓顶在条形压电陶瓷堆的帽盖上；所述的环形压电陶瓷堆放置在伸缩单元的筒形伸缩铰内。

2.根据权利要求1所述的一种实用的高精密直线驱动器，其特征在于：箝位机构的中间开孔法兰背面有安装定位环，安装定位环紧贴于所述的筒形伸缩铰端法兰的内壁上。

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