CN103143732A - 基于柔性机构的位移传感器式压电陶瓷驱动器 - Google Patents

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田延岭
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Abstract

本发明公开了一种基于柔性机构的位移传感器式压电陶瓷驱动器，包括柔性机构、连接体、基体、位移传感器、管型压电陶瓷和压电陶瓷套筒，柔性机构由两个相互垂直的双平行四杆机构组成，两个双平行四杆机构共用一根中心杆，每个双平行四杆机构的相邻杆件之间均通过柔性铰链连接；中心杆的一端设有刀架的安装位置，中心杆的另一端通过压电陶瓷套筒与基体连接，压电陶瓷套筒内安装有管型压电陶瓷，管型压电陶瓷内设有安装在基体上的位移传感器，用于感知中心杆的位移信号，管型压电陶瓷驱动中心杆；柔性机构中与中心杆平行的四个边杆各通过一连接体与基体连接。本发明具有较高的刚度、较高的输出位移以及较高的固有频率。

Description

基于柔性机构的位移传感器式压电陶瓷驱动器
技术领域
本发明涉及一种压电陶瓷驱动器，特别是涉及一种基于柔性机构的位移传感器式压电陶瓷驱动器。
背景技术
微进给刀架系统由于其具有的高分辨率、高带宽以及快速的响应性在超精密加工领域得到了非常广泛的应用，随着科学技术的发展以及工业领域需求的加大，近年来，微进给刀架系统也在精密机床的运动误差补偿方面以及非轴对称的光学仪器加工领域得到了重要的应用。对于一个微进给刀架系统而言，对于驱动器部件的研发一直是近年来研究的重点，驱动器的定位精度与运动精度直接决定了微进给刀架系统性能的优劣。压电陶瓷驱动器由于其体积小、响应速度快、摩擦小、无需润滑等特点得到了广泛的应用，但是它也有以下缺点：输出位移小、不能承受很大的拉力和扭力、存在迟滞非线性等特点。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种具有较高刚度、较高输出位移以及较高固有频率的基于柔性机构的位移传感器式压电陶瓷驱动器。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种基于柔性机构的位移传感器式压电陶瓷驱动器，包括柔性机构、连接体、基体、位移传感器、管型压电陶瓷和压电陶瓷套筒，所述柔性机构由两个相互垂直的双平行四杆机构组成，两个所述双平行四杆机构共用一根中心杆，每个所述双平行四杆机构的相邻杆件之间均通过柔性铰链连接；所述中心杆的一端设有刀架的安装位置，所述中心杆的另一端通过所述压电陶瓷套筒与所述基体连接，所述压电陶瓷套筒内安装有所述管型压电陶瓷，所述管型压电陶瓷内设有安装在所述基体上的所述位移传感器，用于感知所述中心杆的位移信号，所述管型压电陶瓷驱动所述中心杆；所述柔性机构中与所述中心杆平行的四个边杆各通过一所述连接体与所述基体连接。
所述柔性机构为一体形成部件。
所述柔性铰链采用圆弧式柔性铰链。
所述圆弧式柔性铰链的圆弧直径为6mm，所述圆弧式柔性铰链的最小厚度为2mm，每个所述边杆与所述中心杆之间的两个所述柔性铰链的间距为15mm，形成每个所述双平行四杆机构的板材厚度为10mm。
形成所述柔性机构的材质为：00Cr17Ni4Cu4Nb。
本发明具有的优点和积极效果是：1）将柔性机构与压电陶瓷相结合，通过对压电陶瓷施加电压，压电陶瓷产生位移，经过柔性机构后可以极大地提高压电陶瓷的输出位移，使其最为接近压电陶瓷的标称位移，极大地改善了现有技术由于被驱动的后续机构刚度较大造成的输出位移远远小于标称位移的状况。2）采用互相垂直的两个平面的双平行四杆机构，保证刀架沿一个方向运动，不会产生耦合位移，同时提高了驱动器的整体刚度与带宽，扩大了微进给刀架系统的应用范围。3）安装微位移驱动器，通过将刀架的位移信号反馈给控制系统，对实际运动过程中的误差进行实时补偿，极大地消除了由于压电陶瓷引起的迟滞非线性等现象。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的柔性机构三维立体图；
图3为图2的正视图；
图4为图2的右视图。
图中：1、刀架，2、柔性机构，3、连接体，4、基体，5、位移传感器，6、管型压电陶瓷，7、压电陶瓷套筒，21、23、双平行四杆机构，22、中心杆，24、柔性铰链，25、26、27、28、边杆。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
请参阅图1～图4，一种基于柔性机构的位移传感器式压电陶瓷驱动器，包括柔性机构2、连接体3、基体4、位移传感器5、管型压电陶瓷6和压电陶瓷套筒7，所述柔性机构由两个相互垂直的双平行四杆机构21、23组成，两个所述双平行四杆机构21、23共用一根中心杆22，每个所述双平行四杆机构的相邻杆件之间均通过柔性铰链24连接；所述中心杆22的一端设有刀架1的安装位置，所述中心杆22的另一端通过所述压电陶瓷套筒7与所述基体4连接，所述压电陶瓷套筒7内安装有所述管型压电陶瓷6，所述管型压电陶瓷6内设有安装在所述基体4上的所述位移传感器5，用于感知所述中心杆22的位移信号，通过对管型压电陶瓷6施加电压使其产生输出位移，以驱动所述中心杆22；所述柔性机构2中与所述中心杆22平行的四个边杆25、26、27、28各通过一所述连接体3与所述基体4连接。
在本实施例中所述柔性机构2为一体形成部件，采用材质为：00Cr17Ni4Cu4Nb。所述柔性铰链24采用圆弧式柔性铰链。所述圆弧式柔性铰链的圆弧直径为6mm，所述圆弧式柔性铰链的最小厚度为2mm，每个所述边杆与所述中心杆之间的两个所述柔性铰链的间距为15mm，形成每个所述双平行四杆机构的板材厚度为10mm。
上述柔性机构以柔性铰链为基础，柔性铰链的工作原理是：在一整块十字结构的钢材上，分别对两个平面进行线切割加工，加工出较为薄弱的部分，依靠薄弱部分的弯曲与拉伸来产生所需的位移，柔性铰链采用圆弧式柔性铰链，柔性机构采用两个相互垂直的双平行四杆机构，双平行四杆机构的最大优点是理论上无耦合位移，所以上述驱动器能够保证刀架沿一个方向进行进给运动，而不会产生其它方向的运动，从而保证运动和定位精度，另外一个优点是集中应力小。采用两个相互垂直的双平行四杆机构可以提高驱动器的整体刚度和固有频率。上述位移传感器用于将感应到的位移信号传输到控制系统，控制系统根据该位移信号对运动过程中产生的误差进行实时补偿。
本实施例的最终性能如下：标称位移15um，固有频率100Hz，刚度100N/um，经过专利设计后该驱动器达到的指标如下：实际位移11.25um，固有频率5.25KHz。
本发明的工作原理：
1）在现有技术中，对于微进给刀架来说，被驱动的后续机构一般有较大的刚度，所以在实际的工作中，压电陶瓷驱动的输出位移会远远小于标称位移，达不到指定的要求，所以，本发明将压电陶瓷与柔性机构相结合，可以极大地提高压电陶瓷驱动器的输出位移，使其最为接近标称位移。2）微进给刀架系统属于快速定位的场合，会发生残余震荡现象，所以微进给刀架系统应该具有比较高的带宽范围，将压电陶瓷与柔性机构相结合可以提高整个驱动器的刚度值以及固有频率值，固有频率值的提高可以使微进给刀架系统应用于具有高带宽范围要求的场合。3）压电陶瓷驱动器上装有位移传感器，针对压电陶瓷所存在的迟滞非线性等特点，通过位移传感器采集实际位移信号反馈给控制系统，可以对微进给刀架系统进行实时的位移误差补偿。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于柔性机构的位移传感器式压电陶瓷驱动器，其特征在于，包括柔性机构、连接体、基体、位移传感器、管型压电陶瓷和压电陶瓷套筒，
所述柔性机构由两个相互垂直的双平行四杆机构组成，两个所述双平行四杆机构共用一根中心杆，每个所述双平行四杆机构的相邻杆件之间均通过柔性铰链连接；
所述中心杆的一端设有刀架的安装位置，所述中心杆的另一端通过所述压电陶瓷套筒与所述基体连接，所述压电陶瓷套筒内安装有所述管型压电陶瓷，所述管型压电陶瓷内设有安装在所述基体上的所述位移传感器，用于感知所述中心杆的位移信号，所述管型压电陶瓷驱动所述中心杆；
所述柔性机构中与所述中心杆平行的四个边杆各通过一所述连接体与所述基体连接。
2.根据权利要求1所述的基于柔性机构的位移传感器式压电陶瓷驱动器，其特征在于，所述柔性机构为一体形成部件。
3.根据权利要求1所述的基于柔性机构的位移传感器式压电陶瓷驱动器，其特征在于，所述柔性铰链采用圆弧式柔性铰链。
4.根据权利要求3所述的基于柔性机构的位移传感器式压电陶瓷驱动器，其特征在于，所述圆弧式柔性铰链的圆弧直径为6mm，所述圆弧式柔性铰链的最小厚度为2mm，每个所述边杆与所述中心杆之间的两个所述柔性铰链的间距为15mm，形成每个所述双平行四杆机构的板材厚度为10mm。
5.根据权利要求2所述的基于柔性机构的位移传感器式压电陶瓷驱动器，其特征在于，形成所述柔性机构的材质为：00Cr17Ni4Cu4Nb。
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