CN103780142B - 一种基于斜块箝位的大载荷高精度尺蠖型压电直线驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于斜块箝位的大载荷高精度尺蠖型压电直线驱动器，其目的是解决现有设备存在的载荷输出小、运动稳定性差等问题。该装置由底座（1）、固定螺栓（2）、箝位斜块A1（3）、定子（4）、预紧片（5）、箝位斜块A2（6）、复位螺栓（7）、箝位弹簧A2（8）、动子（9）、压电叠堆（10）、箝位弹簧B2（11）、箝位斜块B2（12）、复位弹簧Ⅰ（13）、复位弹簧Ⅱ（14）、箝位斜块B1（15）、箝位弹簧B1（16）、箝位弹簧A1（17）、柔性铰链（18）、动力输出孔（19）、滑动面（20）和箝位斜面（21）组成。本发明只采用一个压电叠堆,利用四对箝位斜块之间的自锁效应实现箝位，可将压电叠堆作用力转化为有效驱动力，承载能力大。该装置可被广泛用于精密超精密微细加工与测量等领域，具有良好的商业化前景。

Description

一种基于斜块箝位的大载荷高精度尺蠖型压电直线驱动器

技术领域

本发明涉及一种基于斜块箝位的大载荷高精度尺蠖型压电直线驱动器，属于精密仪器设备技术领域。主要应用于超精密加工机床、精密超精密微细加工与测量技术、材料试件纳米力学性能检测、微机电系统、精密光学、半导体制造、现代医学与生物遗传工程、航空航天、机器人、军事技术等高尖端的科学技术领域。

背景技术

随着科学技术的迅猛发展，对产品加工精度的要求越来越高，尤其是在精密超精密微细加工与测量技术、微机电系统、纳米科技、半导体制造、现代医学与生物遗传工程、航空航天科技、军事技术等高尖端的科学技术领域中显得格外重要。要想实现产品零件的精密超精密加工，就必须提供一种合适的高精度的驱动装置。传统的驱动装置，如普通电机、丝杠螺母、蜗轮蜗杆等宏观大尺寸驱动装置已很难满足其精度要求。因此，各国的科研人员倾力于研究性能更优越的新型高精度驱动装置。

通过各国科研人员的不断探索，相当多的新型驱动装置已经被研制出来了，其中的一些已经得到了实际应用。按照驱动元件的不同，新型驱动装置大体可分为以下几类：相变材料驱动装置、热变形驱动装置、形状记忆合金驱动装置、电磁驱动装置、静电驱动装置、磁致伸缩驱动装置、电流变驱动装置、电致伸缩驱动装置、压电驱动装置等。其中能够达到纳米级精度的目前只有电致伸缩驱动装置和压电驱动装置。相比电致伸缩驱动装置，压电驱动装置因为体积小、重量轻、响应快（微秒级）、控制特性好、能量密度大、能耗低、不受磁场影响等特点而得到了更广泛的应用。

根据驱动机理的不同，压电驱动器可分为压电超声波驱动器、压电惯性驱动器和尺蠖型压电驱动器等。尺蠖型压电驱动器是仿照自然界中的爬行动物尺蠖，利用“箝位-驱动-箝位”的方式运动，也被称为蠕动式压电驱动器。它利用尺蠖原理，将压电元件的单步微量位移不断积累，形成连续的步进的精密位移输出，可以实现大行程高分辨率的运动，从而有效的解决了现有技术中几种驱动器大行程和高分辨率不能共存的问题，同时具有驱动原理简单，易于控制，输出力大等特点。

吉林大学等已研制出几种尺蠖型压电驱动器，并获得了很好的效果。现有的尺蠖型压电驱动器大多采用压电叠堆的作用力，使箝位面向导轨面涨紧，有的要在箝位面与导轨面之间加一层摩擦材料，但无论如何，都是利用箝位面与导轨面之间接触产生的静摩擦力提供箝位力，而箝位力的大小和箝位力的稳定性直接影响驱动器的承载能力、运动分辨率和运动稳定性。由于驱动器箝位面与导轨面之间的接触属于小间隙接触（只有几微米），使得驱动器的性能容易受到外界因素如时效、温度、磨损、加工装配误差等因素的影响。鉴于该箝位原理的局限性，这种驱动器本身不可能有较大的输出力，并且由于磨损的存在，运行一段时间之后，由于间隙变大普遍出现输出负载下降，直线度不稳定的现象，最终影响使用寿命。

可见，开发新的箝位原理，设计一种大行程、高精度、使用寿命长、运行稳定、具有高承载能力的压电直线驱动器十分必要。

检索相关文献，可以将目前集成电路芯片微区表面温度分布的检测方法的局限性总结如下：

1.载荷输出小，运动稳定性差，易出现箝位不稳定和直线度不稳定的现象；

2.箝位斜块之间磨损大，易造成输出载荷的下降甚至驱动器失效，使用寿命短；

3.结构和操作复杂、成本高、能耗大；

4.同时实现大行程和高分辨率的驱动。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型尺蠖型压电直线驱动器，提出一种新型的箝位原理，解决现有技术存在的载荷输出小、运动稳定性差、使用寿命短、设备结构和操作复杂、成本高、能耗大、无法同时实现大行程和高分辨率的驱动等问题。该种压电直线驱动器具有箝位稳定，载荷输出大，能耗低，控制简便，使用寿命长的特点，并能实现较大行程精密直线运动。

为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的,结合附图说明如下：

1.一种基于斜块箝位的大载荷高精度尺蠖型压电直线驱动器，主要由底座1、固定螺栓2、箝位斜块A13、定子4、预紧片5、箝位斜块A26、复位螺栓7、箝位弹簧A28、动子9、压电叠堆10、箝位弹簧B211、箝位斜块B212、复位弹簧Ⅰ13、复位弹簧Ⅱ14、箝位斜块B115、箝位弹簧B116、箝位弹簧A117、柔性铰链18、动力输出孔19、滑动面20和箝位斜面21组成；其中，定子4通过六个固定螺栓2安装于底座1上，定子4上面有四个箝位斜块A13、A26、B115、B212和动子9的滑动轨道，也有四个箝位弹簧A117、A28、B116、B211和两个复位弹簧Ⅰ13、Ⅱ14的定位卡槽；四个箝位斜块A13、A26、B115、B212通过自己的滑动面安装于定子4的滑动轨道内，箝位斜块上面有箝位弹簧的定位卡槽，四个箝位弹簧A117、A28、B116、B211分别安装于四对定位卡槽内，四个箝位斜块上面分别安装一个复位螺栓7；动子9通过自己的滑动面安装于定子4的滑动轨道内，上面有复位弹簧的定位槽，两个复位弹簧Ⅰ13、Ⅱ14分别安装于两对定位槽内；压电叠堆10和预紧片5安装于动子9的定位槽内；

2.所述的四对高精度的箝位斜块由A13、A26、B115和B212及其对应的动子上的箝位斜面组成，通过每对箝位斜块之间的自锁效应实现驱动器的箝位；

3.所述的动子集柔性铰链18、动力输出孔19、滑动面20和箝位面21等于一体；

4.所述的整个驱动器仅需要一个压电叠堆；

5.所述的箝位斜面要求回程能够达到自锁效果，其斜角θ应小于arctanμ（μ为箝位斜面之间的动摩擦系数）；

6.所述的驱动器在断电后处于自锁状态。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

利用箝位斜块之间的自锁实现稳定箝位，箝位作用力大，可以将驱动压电叠堆由逆压电效应产生的绝大部分作用力转化为驱动器的有效驱动力，因此能够实现较大载荷的输出；箝位斜块之间磨损小，不会因为磨损而造成输出载荷的下降甚至驱动器失效，使用寿命长；整个驱动器仅需要一个压电叠堆，成本低，能耗小，控制简便，响应时间短，可被广泛应用于各类精密超精密加工与运动；能实现大行程、高分辨率的直线运动。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的俯视示意图；

图3是本发明的动子9的结构示意图；

图4是本发明的运动原理图。

图中：1、底座；2、固定螺栓；3、箝位斜块A1；4、定子；5、预紧片；6、箝位斜块A2；7、复位螺栓；8、箝位弹簧A2；9、动子；10、压电叠堆；11、箝位弹簧B2；12、箝位斜块B2；13、复位弹簧Ⅰ；14、复位弹簧Ⅱ；15、箝位斜块B1；16、箝位弹簧B1；17、箝位弹簧A1；18、柔性铰链；19、动力输出孔；20、滑动面；21、箝位斜面。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式:

一.参阅图1—图4，本发明所述的一种基于斜块箝位的大载荷高精度尺蠖型压电直线驱动器，包括底座1、固定螺栓2、箝位斜块A13、定子4、预紧片5、箝位斜块A26、复位螺栓7、箝位弹簧A28、动子9、压电叠堆10、箝位弹簧B211、箝位斜块B212、复位弹簧Ⅰ13、复位弹簧Ⅱ14、箝位斜块B115、箝位弹簧B116、箝位弹簧A117、柔性铰链18、动力输出孔19、滑动面20和箝位斜面21；

1.所述的定子4通过六个固定螺栓2安装于底座1上，定子4上面有四个箝位斜块A13、A26、B115、B212和动子9的滑动轨道，也有四个箝位弹簧A117、A28、B116、B211和两个复位弹簧Ⅰ13、Ⅱ14的定位卡槽；四个箝位斜块A13、A26、B115、B212通过自己的滑动面安装于定子4的滑动轨道内，箝位斜块上面有箝位弹簧的定位卡槽，四个箝位弹簧A117、A28、B116、B211分别安装于四对定位卡槽内，四个箝位斜块上面分别安装一个复位螺栓7；动子9通过自己的滑动面安装于定子4的滑动轨道内，上面有复位弹簧的定位槽，两个复位弹簧Ⅰ13、Ⅱ14分别安装于两对定位槽内；压电叠堆10和预紧片5安装于动子9的定位槽内；

2.参阅图3，所述的动子集柔性铰链18、动力输出孔19、滑动面20和箝位面21等于一体，结构紧凑，运动平稳，干扰作用力小；

3.所述的整个驱动器仅需要一个压电叠堆实现，能耗小，成本低；

4.所述的箝位斜面要求回程能够达到自锁效果，其斜角θ应小于arctanμ（μ为箝位斜面之间的动摩擦系数）；

5.所述的驱动器在断电后，系统仍处于自锁状态。

二.参阅图4，本发明的具体工作过程如下：

1.由于该驱动器为对称结构，现取其一侧进行说明，初始状态时，压电叠堆10不带电，箝位斜块3在箝位弹簧17的作用下紧贴动子9的左侧箝位面，箝位斜块15在箝位弹簧16的作用下紧贴动子9的右侧箝位面，如状态一；

2.当驱动器要实现进给时，给压电叠堆10通电，在逆压电效应作用下，压电叠堆10伸长，由于左侧箝位斜面之间向左处于自锁状态，实现箝位，压电叠堆10只能向右伸长，这时，箝位斜块15与动子9右侧箝位面分离产生间隙，如状态二；

3.箝位斜块15在箝位弹簧16的作用下向上平移，再次紧贴动子9的右侧箝位面，如状态三；

4.给压电叠堆10断电，压电叠堆10恢复原长，由于箝位斜块15与动子9右侧箝位面之间向左处于自锁状态，实现箝位，压电叠堆10只能向右恢复原长，这时，箝位斜块3与动子9左侧箝位面分离产生间隙，如状态四；

5.箝位斜块3在箝位弹簧17的作用下向上平移，再次紧贴动子9的左侧箝位面，如状态五。

这样就完成了尺蠖型压电驱动器直线运动的一步，重复以上操作可以使得动子9沿固定方向做步进式直线运动。

当驱动器运动完成需要恢复原位时，手动向两侧推动四个复位螺栓7，动子9便会在复位弹簧Ⅰ13和Ⅱ14的作用下恢复原位。

Claims (6)

1.一种基于斜块箝位的大载荷高精度尺蠖型压电直线驱动器，主要由底座(1)、固定螺栓(2)、箝位斜块A1(3)、定子(4)、预紧片(5)、箝位斜块A2(6)、复位螺栓(7)、箝位弹簧A2(8)、动子(9)、压电叠堆(10)、箝位弹簧B2(11)、箝位斜块B2(12)、复位弹簧Ⅰ(13)、复位弹簧Ⅱ(14)、箝位斜块B1(15)、箝位弹簧B1(16)和箝位弹簧A1(17)组成；其特征在于，定子4通过六个固定螺栓(2)安装于底座(1)上，定子(4)上面有四个箝位斜块A1(3)、A2(6)、B1(15)、B2(12)和动子(9)的滑动轨道，还有四个箝位弹簧A1(17)、A2(8)、B1(16)、B2(11)和两个复位弹簧Ⅰ(13)、Ⅱ(14)的定位卡槽；四个箝位斜块A1(3)、A2(6)、B1(15)、B2(12)通过自己的滑动面安装于定子(4)的滑动轨道内，箝位斜块上面有箝位弹簧的定位卡槽，四个箝位弹簧A1(17)、A2(8)、B1(16)、B2(11)分别安装于四对定位卡槽内，四个箝位斜块上面分别安装一个复位螺栓(7)；动子(9)通过自己的滑动面安装于定子(4)的滑动轨道内，定子(4)上面有复位弹簧的定位槽，复位弹簧Ⅰ(13)和复位弹簧Ⅱ(14)分别安装于两对定位槽内；压电叠堆(10)和预紧片(5)安装于动子(9)的定位槽内。

2.按照权利要求1所述的一种基于斜块箝位的大载荷高精度尺蠖型压电直线驱动器，其特征在于，所述的四对箝位斜块由A1(3)、A2(6)、B1(15)和B2(12)及其对应的动子上的箝位斜面组成，通过每对箝位斜块之间的自锁效应实现驱动器的箝位。

3.按照权利要求1或2所述的一种基于斜块箝位的大载荷高精度尺蠖型压电直线驱动器，其特征在于，所述的动子集柔性铰链(18)、动力输出孔(19)、滑动面(20)和箝位斜面(21)等于一体。

4.按照权利要求1或2所述的一种基于斜块箝位的大载荷高精度尺蠖型压电直线驱动器，其特征在于，所述的整个驱动器仅需要一个压电叠堆。

5.按照权利要求1或2所述的一种基于斜块箝位的大载荷高精度尺蠖型压电直线驱动器，其特征在于，所述的箝位斜面(21)要求回程能够达到自锁效果，其斜角θ应小于arctanμ，μ为箝位斜面之间的动摩擦系数。

6.按照权利要求1或2所述的一种基于斜块箝位的大载荷高精度尺蠖型压电直线驱动器，其特征在于，所述的驱动器在断电后处于自锁状态。