CN102729173A - 一种摩擦惯性式微尺度角位移定位装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种摩擦惯性式微尺度角位移定位装置，最上部是角位移平台，最下部是底座，角位移平台下底面固定连接圆形结构的摩擦凸缘，摩擦凸缘下部是驱动器，销轴垂直间隙穿过角位移平台上中心孔和驱动器上中心孔，角位移平台关于销轴的中心轴对称，驱动器还包括柔性铰链、摩擦凸台和旋转板，旋转板套在销轴上且旋转板关于销轴的中心轴对称，2个柔性铰链连接旋转板和驱动器框架且关于销轴的中心轴对称，在旋转板上固定设有关于销轴的中心轴对称的2个摩擦凸台且2个摩擦凸台的上表面与摩擦凸缘的下表面相接触；控制外作用力随时间变化使角位移平台持续转动定位；本发明既可长行程角位移步进驱动，也可持续地按一定步距角位移进行角位移定位。

Description

一种摩擦惯性式微尺度角位移定位装置

技术领域

本发明属于一种可应用于微观尺度领域的角位移定位装置。

背景技术

 微机电系统（MEMS，MicroElectroMechanical System）包含尺寸从lum到1mm之间的器件,如：微型机构、微型传感器、微型执行器、微型信号处理和控制电路，以及接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。在微机电技术的研究过程中，微机电系统的加工工艺与装配技术是研究的重点。而微定位是微机电系统加工和装配中一项基本的需求，微定位有直线位移定位和角位移定位两种，微定位可根据加工和装配工艺的要求，确定待装配的微器件在微装配平台位置。

目前，关于微装配领域的微定位装置，有德国PI公司设计的直线运动台，利用电机和精密丝杠机构传动，实现直线定位精度为40纳米。有韩国精密机械研究中心设计的类仿蚯蚓行走装置，利用压电致动器的伸缩性能，在直线导轨面上进行微尺度的直线行走，行走精度达10纳米。而至今未见有关于微尺度角位移定位装置的文献报道。

宏观领域的角度定位装置一般采用传统机械传动或伺服电机系统，传统机械传动机构如涡轮蜗杆机构，利用其可完成转台的角位移定位；伺服电机系统如数控转台，通过对伺服电机的角位移闭环控制完成角位移定位；也可通过步进电机的开环控制完成转台的角位移定位。原理上，用于宏观领域的角位移定位机构是可用在微观角位移定位的，但实际中，应用于微观定位时，对机构的各传动部件的精度要求高，或目前的加工工艺和装配工艺还无法满足精度要求，或即便能满足精度要求，也致使制作装置的成本高昂。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种摩擦惯性式微尺度角位移定位装置，在加工和安装工艺要求不高的条件下实现微观长行程角位移定位，满足角位移定位工作台微尺度定位需求。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：最上部是角位移平台，最下部是底座，角位移平台的下底面上固定连接圆形结构的摩擦凸缘，摩擦凸缘的下部是驱动器，驱动器下部是底座，驱动器的驱动器框架与底座固定联接，销轴的下端固接底座且销轴垂直间隙穿过角位移平台上的中心孔和驱动器上的中心孔，角位移平台关于销轴的中心轴对称，摩擦凸缘的中心轴是销轴的中心轴；驱动器还包括柔性铰链、摩擦凸台和旋转板，旋转板套在销轴上且旋转板关于销轴的中心轴对称，2个柔性铰链连接旋转板和驱动器框架且2个柔性铰链关于销轴的中心轴对称，在旋转板上固定设有关于销轴的中心轴对称的2个摩擦凸台且2个摩擦凸台的上表面与摩擦凸缘的下表面相接触；旋转板上有两处关于销轴的中心轴对称的受力点，两处受力点所受外作用力大小相等、转矩方向相同；控制外作用力随时间变化使角位移平台持续转动定位。

本发明采用上述技术方案后，具有以下有益效果：

1、本发明采用摩擦驱动与惯性滑移原理进行微尺度下角位移驱动，利用摩擦力与惯性作用结合的驱动方式，既可进行长行程角位移步进驱动，也可持续地对微装配中待装配或待操作对象按一定步距角位移进行角位移定位，根据具体应用需求，可控制旋转平台的角位移定位精度，能达到微尺度下的角位移定位要求。

2、本发明驱动原理独特、结构简单、成本较低。

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1a是本发明结构的主视图；

图1b是图1a的俯视图；

图1c是图1b的A-A剖视图；

图2是图1b中驱动器6的结构放大图；

图3a是图1a中角位移平台1及摩擦凸缘3的仰视图；

图3b是图3a的B-B剖视图；

图4是图2所示驱动器6的工作原理示意图；其中，图4a是驱动器6的驱动行程原理图；图4b是图4a中的驱动器6的行程中角位移平台1发生角位移示意图；图4c是驱动器6的恢复行程原理图；图4d是图4c中的驱动器6的恢复行程中角位移平台1发生角位移示意图；

图5是驱动器6顺时针驱动时，旋转板10的角位移和作用力随时间变化的曲线图；

图6是驱动器6顺时针驱动时，角位移平台1的角位移示意图；

图7是驱动器6逆时针驱动时，旋转板10的角位移和作用力随时间变化的曲线图；

图8是图4d中驱动器6逆时针驱动时角位移平台1的角位移示意图；

图9是本发明应用例中驱动器6的工作原理示意图；

图10是当本发明的角位移平台1顺时针转动时，图9中压电陶瓷11的驱动力-时间曲线图；

图11是当本发明的角位移平台1逆时针转动时，图9中压电陶瓷11的驱动力-时间曲线图；

图中：1.角位移平台；2.销轴；3.摩擦凸缘；4.摩擦凸台；5.底座；6.驱动器；7.螺钉；8.受力点；9.柔性铰链；10.旋转板；11.压电陶瓷。

具体实施方式

如图1a、1b、1c所示，本发明最上部是角位移平台1，最下部是底座5，角位移平台1的下底面上固定连接摩擦凸缘3，摩擦凸缘3为圆形结构，在摩擦凸缘3的下部是驱动器6，驱动器6具有驱动器框架（图中未标出），驱动器6下部是底座5，驱动器框架与底座5通过螺钉7固定联接。销轴2垂直间隙穿过角位移平台1和驱动器6上的中心孔，使角位移平台1和驱动器6可沿销轴2旋转。销轴2的下端固定于底座5上。角位移平台1的形状要求关于销轴2的中心轴对称。角位移平台1可为圆形或方形（本发明图例仅以圆形为例）。

如图2所示，驱动器6还包括柔性铰链9、摩擦凸台4和旋转板10；旋转板10套在销轴2上，且旋转板10的结构关于销轴2的中心轴对称。柔性铰链9的结构形状有椭圆柔性铰链形式、倒角式柔性铰链形式和矩形柔性铰链形式，通过仿真分析的计算，本发明图例仅以采用矩形柔性铰链形式为例。有2个柔性铰链9关于销轴2的中心轴对称，2个柔性铰链9连接旋转板10和驱动器框架。在旋转板10上固定设置关于销轴2的中心轴对称的2个摩擦凸台4，2个摩擦凸台4在高度上相对于旋转板10向上凸出，使2个摩擦凸台4的上表面与摩擦凸缘3的下表面相接触。这样，通过摩擦凸台4限定了角位移平台1在竖直方向的位置，通过销轴2限定了角位移平台1和驱动器6的旋转轴位置。摩擦凸台4、柔性铰链9和旋转板10三者可做在同一实体上。销轴2的中心轴的几何中心为O点，O点也是驱动器6的几何中心。

图2中的受力点8是外力作用在旋转板10上的位置，受力点8有两处，位置关于O点对称，且要求两处受力点8所受外力大小相等，方向相反，作用于O点的转矩方向相同。

如图3a、3b所示，角位移平台1中心处有安装孔，销轴2插入角位移平台1的安装孔，摩擦凸缘3的中心轴与角位移平台1的中心轴同轴，同为销轴2的中心轴，使摩擦凸缘3与角位移平台1同轴同时旋转。

本发明工作时，当旋转板10上的受力点8受外力时，柔性铰链9产生变形，外力消除时，变形恢复；由于柔性铰链9关于O点对称，柔性铰链9的变形和变形恢复使得旋转板10产生绕O点微转动角位移和恢复性角位移，同时，摩擦凸台4也产生绕O点的微转动位移和恢复性角位移。而角位移平台1和销轴2的重力通过摩擦凸缘3作用在驱动器6的旋转板10上的摩擦凸台4上，角位移平台1在摩擦凸台4和销轴2的定位下，仅有绕销轴2转动的自由度。这样，当摩擦凸台4绕驱动器6的中心O点产生转动角位移时，摩擦凸台4通过作用在摩擦凸缘3的摩擦力，驱动角位移平台1绕销轴2转动，也产生微转动角位移。具体如下：

角位移平台1的转动过程可分为驱动行程过程和恢复行程过程。驱动行程过程如图4a所示，由于旋转板10是通过柔性铰链9与驱动器框架联接的，当作用在旋转板10上受力点8处力由0增加到F时，使得柔性铰链9产生变形，旋转板10绕O点按顺时针方向产生角位移ω，转动过程中，摩擦凸台4表面和摩擦凸缘3表面产生摩擦力，从而驱动角位移平台1绕销轴2也按顺时针转动角位移θ1，如图4b所示。恢复行程过程如图4c所示，当力由F变为0时，柔性铰链9此时产生恢复变形，相应地，旋转板10绕O点按逆时针方向恢复角位移ω，同理，在摩擦凸台4和摩擦凸缘3的摩擦力作用下，驱动角位移平台1绕销轴2逆时针转动角位移θ2_，如图4d所示。

本发明只需控制旋转板10上的受力点8处的外作用力随时间变化规律就可使角位移平台1进行持续转动定位。如图5所示，旋转板10顺时针驱动时，作用在旋转板10上的力在时间t1内由0增加到F，旋转板10顺时针转动角位移ω，旋转板10上的摩擦凸台4驱动角位移平台1绕销轴2产生角位移θ1。恢复行程中，作用在旋转板10上的力在时间t2内由F减小到0，旋转板10逆时针转动角位移ω，旋转板10上的摩擦凸台4驱动角位移平台1绕销轴2角位移θ2；由于t1>t2，旋转板10顺时针转动的角速度大于逆时针恢复性转动的角速度，在角位移平台1惯性作用下，角位移平台1驱动行程的角位移θ1大于恢复行程中的角位移θ2，即：θ1>θ2，如图6所示，此时，角位移平台1按顺时针转动角位移θ1-θ2。旋转板10上的作用力在时间t1内由0增加到F，再由F减小到0，这个过程称为一个驱动周期，在一个驱动周期中，角位移平台1的转动角位移为θ1-θ2；若此周期反复进行，可使得角位移平台1以θ1-θ2为角位移步距按顺时针方向持续的转动，实现角位移平台1按顺时针方向持续转动定位。同理，如图7所示，若使得驱动周期中t1<t2，旋转板10顺时针转动的角速度小于其逆时针恢复性转动的角速度，在角位移平台1惯性作用下，角位移平台1驱动行程的角位移θ1小于恢复行程中的角位移θ2，即：θ1<θ2，此时，一个驱动周期中，角位移平台1按逆时针转动，角位移为θ2-θ1，如图8所示。若此周期反复进行，可使得角位移平台1以θ2-θ1为角位移步距按逆时针方向持续的转动，实现角位移平台1按逆时针方向持续转动定位。

以下提供本发明的一个应用例：本发明应用时，需要为其选择作用在旋转板10上的力驱动元件，力驱动元件有多种选择，例如电磁力驱动元件、压电驱动元件等。本发明以选择压电陶瓷为力驱动元件为例，如图9所示，作用在旋转板10上的受力点8处的力驱动元件为压电陶瓷11（P-885.50，PI公司，最大驱动力900N/120V），压电陶瓷11的特点是随着加载电压的增加压电陶瓷的尺寸伸长，压电陶瓷11伸长时产生的驱动力与加载电压成近似的线性关系，即其驱动力随加载电压增加而线性增加，即通过控制压电陶瓷11的加载电压来控制驱动力，从而控制作用在旋转板10上的作用力大小。压电陶瓷11安装如图9所示，用两个压电陶瓷11，每个压电陶瓷11的一端与旋转板10的受力点8处接触，另一端固定在驱动器框架上。整个驱动器6的材料为弹性性能优良的合金钢65Mn，即柔性铰链9材料为合金钢65Mn，经过计算机仿真设计，确定柔性铰链9的厚度为15mm，宽度为1mm；当给压电陶瓷11加载电压时，压电陶瓷11因伸长而对旋转板10产生作用力，进而使得柔性铰链9变形，旋转板10绕O点按顺时针转动一个角位移，旋转板10通过摩擦凸台4驱动角位移平台1按顺时针转动θ1，如图4b示意；当压电陶瓷11的加载电压减小时，压电陶瓷11收缩且驱动力减小，柔性铰链9变形恢复，旋转板10按逆时针恢复性转动一个角位移，摩擦凸台4通过摩擦力驱动角定位平台1按逆时针转动θ2，如图4d示意。如果控制压电陶瓷11的驱动力和时间量如图10所示，t1>t2，即压电陶瓷11的驱动力增加速率小于减小速率，那么，角位移平台1以一定的角位移步距按顺时针方向持续转动；如果控制压电陶瓷11的驱动力和时间关系如图11所示，t1<t2，即压电陶瓷11的驱动力增加速率大于减小速率，角位移平台1以一定的角位移步距按逆时针方向持续转动。

本发明通过控制压电陶瓷11的驱动力数值可使柔性铰链9变形量在微米尺度内，由于旋转板10的转角及角位移定位平台1的转角尺度取决于柔性铰链9的变形尺度，因而，本发明可应用于微尺度的角位移定位中。又由于控制压电陶瓷11驱动力大小可控制柔性铰链9的变形量大小，从而可控制角位移平台1的角位移步距大小，如图5所示的θ1-θ2和图7所示θ2-θ1大小，即，本发明角位移定位精度可控。 

Claims (2)

1.一种摩擦惯性式微尺度角位移定位装置，最上部是角位移平台（1），最下部是底座（5），其特征是：角位移平台（1）的下底面上固定连接圆形结构的摩擦凸缘（3），摩擦凸缘（3）的下部是驱动器（6），驱动器（6）下部是底座（5），驱动器（6）的驱动器框架与底座（5）固定联接，销轴（2）的下端固接底座（5）且销轴（2）垂直间隙穿过角位移平台（1）上的中心孔和驱动器（6）上的中心孔，角位移平台（1）关于销轴（2）的中心轴对称，摩擦凸缘（3）的中心轴是销轴（2）的中心轴；驱动器（6）还包括柔性铰链（9）、摩擦凸台（4）和旋转板（10），旋转板（10）套在销轴（2）上且旋转板（10）关于销轴（2）的中心轴对称，2个柔性铰链（9）连接旋转板（10）和驱动器框架且2个柔性铰链（9）关于销轴（2）的中心轴对称，在旋转板（10）上固定设有关于销轴（2）的中心轴对称的2个摩擦凸台（4）且2个摩擦凸台（4）的上表面与摩擦凸缘（3）的下表面相接触；旋转板（10）上有两处关于销轴（2）的中心轴对称的受力点，两处受力点所受外作用力大小相等、转矩方向相同；控制外作用力随时间变化使角位移平台（1）持续转动定位。

2.根据权利要求1所述的一种摩擦惯性式微尺度角位移定位装置，其特征是：在所述受力点处设有外作用力驱动元件，驱动元件为电磁力驱动元件、压电驱动元件。

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