CN103391023A - 一种粘滑驱动跨尺度精密运动平台 - Google Patents

一种粘滑驱动跨尺度精密运动平台 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种粘滑驱动跨尺度精密运动平台，包括：基座；摩擦振子，摩擦振子安装在基座上；振子驱动源，振子驱动源安装在摩擦振子与基座之间，向摩擦振子提供驱动力；滑块，套接在摩擦振子上，且与摩擦振子相互接触产生摩擦力；其中，滑块侧面与基座之间设有提供预紧力的预紧力调整结构，用于调整摩擦力大小，滑块与摩擦振子之间产生粘滑效应，滑块做跨尺度精密运动；本发明极大简化了运动平台预紧力的调整方式，便于加工和装配，进而有效提高了粘滑驱动跨尺度精密运动平台的输出性能，可简单有效确保粘滑驱动跨尺度精密运动平台的运动精度和一致性，适合批量生产化。

Description

一种粘滑驱动跨尺度精密运动平台
技术领域
本发明属于精密运动技术领域，具体涉及了一种粘滑驱动跨尺度精密运动平台。
背景技术
具有纳米级运动分辨率，又具有毫米级运动行程的跨尺度精密运动技术是目前微驱动领域中的关键技术。由于粘滑驱动相对于其他类跨尺度运动驱动方式的驱动原理简单、方便、控制简单，且具有运动范围大、分辨率高、结构简单、易微小化和精确定位等优点，因此粘滑驱动是目前出现的跨尺度驱动中应用较多的一种方式。粘滑驱动的工作原理主要是以摩擦力作为驱动源，利用粘滑效应实现被驱动体的微小移动，具体地，被驱动体依靠锯齿形电压激励压电振子的不对称振动所形成的动静摩擦力之间的差异来最终实现跨尺度精密运动。而在粘滑驱动中，摩擦力的预紧调整是其中尤为关键的环节。
目前根据摩擦力的预紧结构和调整方式的不同，粘滑驱动跨尺度精密运动平台主要有永磁预紧式粘滑驱动跨尺度精密运动平台、机械公差配合式粘滑驱动跨尺度精密运动平台以及上下弹簧预紧式粘滑驱动跨尺度精密运动平台等。其中，永磁预紧式粘滑驱动跨尺度精密运动平台，相关的公开技术有公开号为WO2004077584A1、US2005284817A1等专利，其工作原理主要是利用三条压电晶体驱动腿来进行运动平台的支撑，依靠双圆柱体并列方式进行导向，其中摩擦预紧力的调整主要依靠在基座上安装永磁体，而运动输出平台同样采用磁体材料，通过磁体之间的磁吸力将压电晶体驱动腿的运动传递给运动平台，从而实现粘滑驱动跨尺度精密运动。其中，机械公差配合式粘滑驱动跨尺度精密运动平台，相关的公开技术有公开号为WO2008/052785A1、WO2007/022764A1、DE102006052175A1等专利，其工作原理主要是利用摩擦振子与被驱动平台之间的机械公差配合来实现摩擦力的预紧，通常在摩擦振子与被驱动平台之间并没有额外的摩擦力调整机构，其配合面既实现摩擦的传递，也实现导向，其摩擦力的实现主要是依靠摩擦面介质的调整和机械配合公差的调整，来实现将摩擦振子的运动传递给运动平台。而上下弹簧预紧式粘滑驱动跨尺度精密运动平台，相关的公开技术有公开号或专利号为WO2009043421A1、US6940210B2、US7579752B2、US20080148589A1等专利，其工作原理主要是将运动平台分为上下两部分，通过拉力弹簧来实现上下部分与摩擦振子之间摩擦力的调整，拉力弹簧通过螺纹结构进行预紧力的调整，导向是依靠菱形摩擦面来实现，其摩擦预紧力的调整范围较小，较难适应摩擦界面的微小差异。
上述三种粘滑驱动跨尺度精密运动平台虽然在摩擦力的预紧结构和调整方式上有所不同，但三种共同点为摩擦力的预紧结构和调整方式均设置地过为复杂，均会导致粘滑摩擦振子和运动平台之间接触界面的摩擦力调整受限，摩擦力调整范围较小，对摩擦界面的加工精度要求较高，进而导致对粘滑驱动平台的加工和装配精度要求较高，最终影响跨尺度精密运动平台的运动精度和一致性，因此这些现有技术在确保跨尺度精密运动平台批量化生产时的一致性上存在制作工艺复杂和制造成本高等技术难题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种粘滑驱动跨尺度精密运动平台，极大简化了运动平台预紧力的调整方式，便于加工和装配，进而有效提高了粘滑驱动跨尺度精密运动平台的输出性能，可简单有效确保粘滑驱动跨尺度精密运动平台的运动精度和一致性，适合批量生产化。
为了实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：
一种粘滑驱动跨尺度精密运动平台，包括：
基座；
摩擦振子，所述的摩擦振子安装在所述的基座上；
振子驱动源，所述的振子驱动源安装在所述的摩擦振子与所述的基座之间，向摩擦振子提供驱动力；
滑块，套接在所述的摩擦振子上，且与摩擦振子相互接触产生摩擦力；
其中，所述的滑块侧面与所述的基座之间设有提供预紧力的预紧力调整结构，用于调整所述的摩擦力大小，滑块与摩擦振子之间产生粘滑效应，滑块做跨尺度精密运动。
优选地，所述的预紧力调整结构包括提供所述预紧力的压缩弹簧和弹簧安装部，所述的压缩弹簧通过所述的弹簧安装部压缩形变地安装在所述的基座上，用于调整所述的预紧力大小。
优选地，所述的弹簧安装部包括：
内套筒、套装在所述的内套筒外侧的外套筒；
其中，所述的内套筒的筒端部外侧与所述的滑块接触，所述的外套筒通过螺纹固定安装在所述的基座上；
所述的压缩弹簧位于内套筒和外套筒之间，且其两端分别固定在内套筒的筒端部内侧和外套筒的筒端部内侧上；
所述的外套筒通过螺纹沿内套筒轴向位移，用于压缩弹簧压缩形变，调整所述的预紧力大小。
优选地，所述的滑块两侧分别设有滑块侧翼，所述的滑块侧翼套接在所述的摩擦振子上，所述的至少一个滑块侧翼的外侧面与所述的基座之间设有预紧力调整结构。
优选地，所述的摩擦振子为柔性铰链结构。
优选地，所述的柔性铰链结构包括固定安装在所述的基座上的平行板柔性铰链，所述的平行板柔性铰链之间具有横梁部，所述的滑块套接在所述的横梁部上。
优选地，所述的滑块两侧分别设有滑块侧翼，所述的滑块侧翼套接在所述的横梁部上，所述的至少一个滑块侧翼的外侧面与所述的基座之间设有预紧力调整结构。
优选地，所述的振子驱动源包括叠堆型压电陶瓷和驱动电源，所述的叠堆型压电陶瓷通过导线与驱动电源电连接。
优选地，所述的叠堆型压电陶瓷一端通过预紧螺母固定安装在所述的基座上，另一端与所述的摩擦振子接触。
优选地，所述的基座和滑块采用铝合金或钛合金材料制成。
本发明提出在滑块侧面与基座之间设置提供预紧力的预紧力调整结构，同时滑块套接在摩擦振子上产生摩擦力，该预紧力调整结构通过在滑块侧面对滑块施加可调整的预紧力，即可实现对滑块与摩擦振子之间摩擦力的调整，使得滑块与摩擦振子之间产生粘滑效应，即使得摩擦振子将其受到的与时间的关系曲线呈锯齿波形状的驱动力通过经调整后的摩擦力变化传递给滑块，最终实现滑块做跨尺度精密运动，因此本发明极大简化了运动平台预紧力的调整方式，且调整范围大、不会受到限制，进而有效提高了粘滑驱动跨尺度精密运动平台包括如运动精度的输出性能，可有效确保粘滑驱动跨尺度精密运动平台的运动精度和一致性，适合批量生产化；
在上述基础上，本发明进一步优化地，本发明的预紧力调整结构采用压缩弹簧作压缩形变来调整预紧力大小，进而实现对滑块与摩擦振子之间摩擦力大小的调整，使得运动平台不会由于受到滑块负载变化而引起摩擦力的变化，更进一步优化地，采用内套筒、外套筒和弹簧组成的预紧力调整结构，结构简单，便于加工和装配，由于弹簧两端刚性固定位于内套筒与外套筒之间，因此不会对运动平台造成回程误差，进一步有效确保了运动平台的运动精度；进一步优化地，本发明提出由平行板柔性铰链和横梁部构成的摩擦振子，其中平行板柔性铰链可以起到对横梁部的导向和辅助回复的作用，同时本发明的滑块套接在该平行板柔性铰链之间的横梁上，在该平行板柔性铰链的保护作用下，可确保运动平台仅沿产生粘滑效应的驱动方向做位移运动，而避免了在其它方向上的任何运动以及来自任何外力的破坏，因此可进一步有效得提高整个运动平台的动力性能，改善运动平台的动态响应特性；
综合以上所述内容，本发明提供的粘滑驱动跨尺度精密运动平台，极大简化了运动平台预紧力的调整方式，便于加工和装配，进而有效提高了粘滑驱动跨尺度精密运动平台的输出性能，可简单有效确保粘滑驱动跨尺度精密运动平台的运动精度和一致性，适合批量生产化，非常适合在如微纳操作、微小型机器人、生物微操作、数码产品以及精密驱动系统等具有结构微型化、大范围精确定位要求的各个领域中应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明具体实施方式下的粘滑驱动跨尺度精密运动平台的局部剖面结构示意图；
图2是本发明具体实施方式下的预紧力调整结构示意图；
图3是本发明具体实施方式下的粘滑驱动跨尺度精密运动平台的运动结构示意图；
图4是图3中运动结构的剖面示意图；
图5是本发明具体实施方式下的粘滑驱动跨尺度精密运动平台的运动结构位移-时间曲线图。
具体实施方式
本发明实施例公开了一种粘滑驱动跨尺度精密运动平台，包括：
基座；
摩擦振子，摩擦振子安装在基座上；
振子驱动源，振子驱动源安装在摩擦振子与基座之间，向摩擦振子提供驱动力，优选地，驱动力与时间的关系曲线呈锯齿波形状；
滑块，套接在摩擦振子上，且与摩擦振子相互接触产生摩擦力；
其中，滑块侧面与基座之间设有提供预紧力的预紧力调整结构，用于调整摩擦力大小，滑块与摩擦振子之间产生粘滑效应，滑块做跨尺度精密运动。
优选地，预紧力调整结构包括提供所述预紧力的压缩弹簧和弹簧安装部，压缩弹簧通过弹簧安装部压缩形变地安装在基座上，用于调整预紧力大小。进一步优选地，弹簧安装部包括：内套筒、套装在内套筒外侧的外套筒；其中，内套筒的筒端部外侧与滑块接触，外套筒通过螺纹固定安装在基座上；压缩弹簧位于内套筒和外套筒之间，且其两端分别固定在内套筒的筒端部内侧和外套筒的筒端部内侧上；外套筒通过螺纹沿内套筒轴向位移，用于压缩弹簧压缩形变，调整预紧力大小。
优选地，滑块两侧分别设有滑块侧翼，滑块侧翼套接在摩擦振子上，至少一个滑块侧翼的外侧面与基座之间设有预紧力调整结构。
优选地，摩擦振子为柔性铰链结构。进一步优选地，柔性铰链结构包括固定安装在基座上的平行板柔性铰链，平行板柔性铰链之间具有横梁部，滑块套接在横梁部上。
优选地，滑块两侧分别设有滑块侧翼，滑块侧翼套接在横梁部上，至少一个滑块侧翼的外侧面与基座之间设有预紧力调整结构。
优选地，振子驱动源包括叠堆型压电陶瓷和驱动电源，叠堆型压电陶瓷通过导线与驱动电源电连接。进一步优选地，叠堆型压电陶瓷一端通过预紧螺母固定安装在基座上，另一端与摩擦振子接触。
优选地，基座和滑块采用轻密度金属材料制成，具体如铝合金或钛合金材料；内套筒和外套筒采用重密度金属材料制成，具体如不锈钢或铜等金属材料；叠堆型压电陶瓷具体可选用如PZT5等类型的硬压电陶瓷材料。
本发明实施例提出在滑块侧面与基座之间设置提供预紧力的预紧力调整结构，同时滑块套接在摩擦振子上产生摩擦力，该预紧力调整结构通过在滑块侧面对滑块施加可调整的预紧力，即可实现对滑块与摩擦振子之间摩擦力的调整，使得滑块与摩擦振子之间产生粘滑效应，即使得摩擦振子将其受到的与时间的关系曲线呈锯齿波形状的驱动力通过经调整后的摩擦力变化传递给滑块，最终实现滑块做跨尺度精密运动，因此本发明实施例极大简化了运动平台预紧力的调整方式，且调整范围大、不会受到限制，进而有效提高了粘滑驱动跨尺度精密运动平台包括如运动精度的输出性能，可有效确保粘滑驱动跨尺度精密运动平台的运动精度和一致性，适合批量生产化；
在上述基础上，本发明实施例进一步优化地，本发明实施例的预紧力调整结构采用压缩弹簧作压缩形变来调整预紧力大小，进而实现对滑块与摩擦振子之间摩擦力大小的调整，使得运动平台不会由于受到滑块负载变化而引起摩擦力的变化，更进一步优化地，采用内套筒、外套筒和弹簧组成的预紧力调整结构，结构简单，便于加工和装配，由于弹簧两端刚性固定位于内套筒与外套筒之间，因此不会对运动平台造成回程误差，进一步有效确保了运动平台的运动精度；进一步优化地，本发明实施例提出由平行板柔性铰链和横梁部构成的摩擦振子，其中平行板柔性铰链可以起到对横梁部的导向和辅助回复的作用，同时本发明实施例的滑块套接在该平行板柔性铰链之间的横梁上，在该平行板柔性铰链的保护作用下，可确保运动平台仅沿产生粘滑效应的驱动方向做位移运动，而避免了在其它方向上的任何运动以及来自任何外力的破坏，因此可进一步有效得提高整个运动平台的动力性能，改善运动平台的动态响应特性；
综合以上所述内容，本发明实施例提供的粘滑驱动跨尺度精密运动平台，极大简化了运动平台预紧力的调整方式，便于加工和装配，进而有效提高了粘滑驱动跨尺度精密运动平台的输出性能，可简单有效确保粘滑驱动跨尺度精密运动平台的运动精度和一致性，适合批量生产化，非常适合在如微纳操作、微小型机器人、生物微操作、数码产品以及精密驱动系统等具有结构微型化、大范围精确定位要求的各个领域中应用。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
请参见图1所示的粘滑驱动跨尺度精密运动平台的局部剖视结构示意图，同时请结合参见图3和图4所示的运动结构示意图，本发明实施例公开了一种粘滑驱动跨尺度精密运动平台，包括：
基座10，为了便于结构安装和动力传递，优选地，在本实施方式中，基座10设置为框形结构；
摩擦振子，为柔性铰链结构，具体包括固定安装在呈框形结构的基座10的内框面的平行板柔性铰链11a、11b，平行板柔性铰链11a、11b之间具有横梁部12；
振子驱动源，其安装在横梁部12与基座10之间，向横梁部12提供驱动力，该驱动力与时间的关系曲线呈锯齿波形状；具体地，在本实施方式中，振子驱动源包括叠堆型压电陶瓷13和驱动电源（图未示出），叠堆型压电陶瓷13通过导线（图未示出）与驱动电源电连接，导线外部套设有导线保护套14，叠堆型压电陶瓷13一端通过预紧螺母15固定安装在基座10上，另一端与横梁部12接触，优选地，为了便于结构安装和动力传递，横梁部12的一端部设有凹槽12a，叠堆型压电陶瓷13位于该凹槽12a内。
滑块16，其两侧分别设有滑块侧翼16a、16b，滑块侧翼16a、16b套接在横梁部12上，且与横梁部12相互接触产生摩擦力，其中滑块侧翼16a的外侧面与基座10之间设有提供预紧力的预紧力调整结构，用于调整摩擦力大小，滑块16与横梁部12之间产生粘滑效应，滑块16做跨尺度精密运动。
优选地，请参见图2所示的预紧力调整结构示意图，预紧力调整结构20包括提供所述预紧力的压缩弹簧21和弹簧安装部，弹簧安装部包括：内套筒22、套装在内套筒22外侧的外套筒23，外套筒23的内径与内套筒22的外径间隙配合；其中，内套22的筒端部外侧与滑块侧翼16a接触，外套筒23通过螺纹（图未示出）固定安装在基座10上；压缩弹簧21位于内套筒22和外套筒23之间，且其两端分别固定在内套筒22的筒端部内侧和外套筒23的筒端部内侧上；外套筒23通过螺纹沿内套筒22轴向位移，用于压缩弹簧21压缩形变，调整预紧力大小。
优选地，在本实施例方式中，基座10和滑块16采用轻密度金属材料制成，具体如铝合金或钛合金材料；内套筒22和外套筒23采用重密度金属材料制成，具体如不锈钢或铜等金属材料；叠堆型压电陶瓷13可采用公知标准件，具体优选地，可选用如PZT5等类型的硬压电陶瓷材料，预紧螺母15可采用公知标准件。
在本实施方式中，叠堆型压电陶瓷13在驱动电源作用下，产生与时间的关系曲线呈锯齿波形状的驱动力，横梁12受到该驱动力作用后与叠堆型压电陶瓷13同步做与时间的关系曲线呈锯齿波形状的位移运动，在该位移运动过程中，横梁12与滑块16之间产生摩擦力，同时位于滑块16侧面与基座10之间的预紧力调整结构20将该摩擦力调整在适当的范围内，使得滑块16与横梁12之间产生粘滑效应，即横梁12将其受到与时间的关系曲线呈锯齿波形状的驱动力通过经调整后的摩擦力变化传递给滑块16，滑块16做与时间的关系曲线呈锯齿波形状的位移运动，即实现了滑块16的跨尺度精密运动，请参见图5所示的运动结构位移-时间曲线图，其中，As为位移量，t为时间，曲线1为滑块16的位移-时间曲线，曲线2为横梁12和叠堆型压电陶瓷13的位移-时间曲线，从图5亦可看出，滑块16与与横梁12之间产生粘滑效应，滑块16被粘滑驱动，实现跨尺度精密运动。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种粘滑驱动跨尺度精密运动平台，其特征在于，包括：
基座；
摩擦振子，所述的摩擦振子安装在所述的基座上；
振子驱动源，所述的振子驱动源安装在所述的摩擦振子与所述的基座之间，向摩擦振子提供驱动力；
滑块，套接在所述的摩擦振子上，且与摩擦振子相互接触产生摩擦力；
其中，所述的滑块侧面与所述的基座之间设有提供预紧力的预紧力调整结构，用于调整所述的摩擦力大小，滑块与摩擦振子之间产生粘滑效应，滑块做跨尺度精密运动。
2.如权利要求1所述的粘滑驱动跨尺度精密运动平台，其特征在于，所述的预紧力调整结构包括提供所述预紧力的压缩弹簧和弹簧安装部，所述的压缩弹簧通过所述的弹簧安装部压缩形变地安装在所述的基座上，用于调整所述的预紧力大小。
3.如权利要求2所述的粘滑驱动跨尺度精密运动平台，其特征在于，所述的弹簧安装部包括：
内套筒、套装在所述的内套筒外侧的外套筒；
其中，所述的内套筒的筒端部外侧与所述的滑块接触，所述的外套筒通过螺纹固定安装在所述的基座上；
所述的压缩弹簧位于内套筒和外套筒之间，且其两端分别固定在内套筒的筒端部内侧和外套筒的筒端部内侧上；
所述的外套筒通过螺纹沿内套筒轴向位移，用于压缩弹簧压缩形变，调整所述的预紧力大小。
4.如权利要求1或2或3所述的粘滑驱动跨尺度精密运动平台，其特征在于，所述的滑块两侧分别设有滑块侧翼，所述的滑块侧翼套接在所述的摩擦振子上，所述的至少一个滑块侧翼的外侧面与所述的基座之间设有预紧力调整结构。
5.如权利要求1或2或3所述的粘滑驱动跨尺度精密运动平台，其特征在于，所述的摩擦振子为柔性铰链结构。
6.如权利要求5所述的粘滑驱动跨尺度精密运动平台，其特征在于，所述的柔性铰链结构包括固定安装在所述的基座上的平行板柔性铰链，所述的平行板柔性铰链之间具有横梁部，所述的滑块套接在所述的横梁部上。
7.如权利要求6所述的粘滑驱动跨尺度精密运动平台，其特征在于，所述的滑块两侧分别设有滑块侧翼，所述的滑块侧翼套接在所述的横梁部上，所述的至少一个滑块侧翼的外侧面与所述的基座之间设有预紧力调整结构。
8.如权利要求1所述的粘滑驱动跨尺度精密运动平台，其特征在于，所述的振子驱动源包括叠堆型压电陶瓷和驱动电源，所述的叠堆型压电陶瓷通过导线与驱动电源电连接。
9.如权利要求8所述的粘滑驱动跨尺度精密运动平台，其特征在于，所述的叠堆型压电陶瓷一端通过预紧螺母固定安装在所述的基座上，另一端与所述的摩擦振子接触。
10.如权利要求1所述的粘滑驱动跨尺度精密运动平台，其特征在于，所述的基座和滑块采用铝合金或钛合金材料制成。
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