CN104038099A - 一种精密定位装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

一种精密定位装置包括底座及安装于底座上的若干驱动足，该若干个驱动足在底座上安装后形成有用来夹持固定待定位物体的空间，每个驱动足包括与待定位物体相点接触的抱爪，安装于抱爪下方的第一柔性足和第二柔性足，安装于第一柔性足和第二柔性足之间的第一支撑块、压电陶瓷片、上楔形垫块、下楔形垫块、半球垫块及第二支撑块，第一支撑块和第二支撑块上分别形成有横向方向延伸的第一通孔和第二通孔，第一通孔和第二通孔中分别穿设有第一支撑轴和第二支撑轴，精密定位装置还包括卡簧和弹性线圈，卡簧的两端分别套设于第一支撑轴和第二支撑轴的外端面上以控制压电陶瓷片的伸缩，弹性线圈套设于若干个抱爪的外围以提高抱爪和待定位物体之间的摩擦力。

Description

一种精密定位装置及其工作方法

技术领域：

本发明涉及一种精密定位装置及其工作方法，其属于压电驱动技术领域。

背景技术：

近年来，随着科学技术的发展，光学、电子、航空航天等领域都迫切需要高精度、高分辨率、控制灵活的微定位装置，用以直接进行工作或配合其它仪器设备完成高精度的微定位，微定位装置的研究和设计在越来越广的范围内得到人们的重视。目前，功能材料的主要种类有压电陶瓷材料、形状记忆材料、电致伸缩材料、光导纤维、电(磁)流变液、磁致伸缩材料、智能高分子材料等。而基于压电陶瓷的微定位系统是其中一个很重要的方面，主要是因为压电陶瓷具有控制精度高，响应速度快，功耗低，不受电磁干扰，适用于真空和超净环境等优点。由于压电陶瓷自身的上述优点，近年来越来越多地采用压电陶瓷作为微定位系统的功能材料，对压电陶瓷构造微定位装置的性能研究也成为热点。

当对压电陶瓷施加一定幅值的电压时，在压电材料的逆压电效应作用下，压电陶瓷就可以产生一定的变形。同时由于它的高速响应特性，如果对它施加突变电压，压电陶瓷就可以产生突变的力或位移。将压电陶瓷作为激励元件，通过施加电信号，经电—机转换的方式形成惯性冲击，也就成为惯性冲击作用产生驱动的一种方式。因此采用压电陶瓷作为功能材料，基于惯性冲击原理研制的精密定位装置在精密定位领域的研究中具有重大的意义。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的缺陷，提供一种定位分辨率达到微米级的精密定位装置及其工作方法。

本发明采用如下技术方案：一种精密定位装置，包括底座及安装于底座上的若干个驱动足，所述若干个驱动足在底座上安装后形成有用来夹持固定待定位物体的空间，所述每一个驱动足包括与待定位物体相点接触的抱爪，安装于抱爪下方的依次排列的第一柔性足和第二柔性足，安装于第一柔性足和第二柔性足之间的且依次排列的第一支撑块、压电陶瓷片、上楔形垫块、下楔形垫块、半球垫块及第二支撑块，所述第一支撑块和第二支撑块上分别形成有一横向方向延伸的第一通孔和第二通孔，所述第一通孔和第二通孔中分别穿设有第一支撑轴和第二支撑轴，所述精密定位装置还包括有卡簧和弹性线圈，所述卡簧的两端分别套设于所述第一支撑轴和第二支撑轴的外端面上用以控制压电陶瓷片的伸缩，所述弹性线圈套设于所述若干个抱爪的外围进而提高抱爪和待定位物体之间的摩擦力。

进一步地，所述抱爪包括上下端面和四个侧面，所述四个侧面分别为相对的两个半圆柱面和相对的两个矩形平面，在其中一个矩形平面上加工有两个半球形凹坑，所述凹坑中收容有与所述待定位物体相点接触的陶瓷球，所述凹坑面的直径与所述陶瓷球的直径相同。

进一步地，所述第一通孔的直径与所述第一支撑轴的直径相同，所述第二通孔与所述第二支撑轴的直径相同，所述精密定位装置还包括有安装于所述第一支撑轴的外端面上且位于拉簧的上末端的外侧的第一防松垫圈及安装在第二支撑轴的外端面上且位于拉簧的下末端的外侧的第二防松垫圈。

进一步地，所述第一柔性足采用黄铜制成，所述第一柔性足的两端加工有外螺纹，所述抱爪内部加工有与所述第一柔性足上端的外螺纹相配合的内螺纹，所述第一支撑块的内部加工有与所述第一柔性足下端的外螺纹相配合的内螺纹。

进一步地，所述第二柔性足采用黄铜制成，所述第二柔性足的两端加工有外螺纹，所述第二支撑块的内部加工有与所述第二柔性足上端的外螺纹相配合的内螺纹，所述底座上加工有与所述第二柔性足下端的外螺纹相配合的内螺纹。

进一步地，所述拉簧采用弹簧钢制成，所述拉簧由六个首尾相接的且直径相同的圆环组成。

进一步地，所述第一防松垫圈和第二防松垫圈均为一个有缺口的圆环，所述带有缺口的圆环的尺寸等于所述拉簧圆环的尺寸。

进一步地，所述上楔形垫块和下楔形垫块端面的斜面倾角为4°。

进一步地，所述半球垫块的上端面为半圆柱面，下端面为平面。

本发明还采用如下技术方案：一种精密定位装置的工作方法如下：

1).外部控制电路板通过导线给压电陶瓷片施加锯齿波电信号，精密定位装置开始工作；

2).当电信号的电压缓慢增大时，压电陶瓷片缓慢伸长，推动抱爪向上移动一个位移s，则被抱爪所夹持的物体也向上运动位移s；

3).当电信号的电压快速恢复到初始值时，压电陶瓷片快速收缩，带动抱爪快速下降到初始位置，因为惯性的作用，此时待定位物体保持不动，则在这个工作周期内，物体向上运动了位移s；

4).重复步骤1)至步骤3)的过程，则待定位物体继续向上做单向间歇直线运动。

本发明具有如下有益效果：本发明精密定位装置是在压电陶瓷片通电后伸长输出一微小位移，推动抱爪输出一微小位移，则待定位物体在抱爪的夹持下也跟着输出一微小位移，这样待定位物体的分辨率可以达到跟压电陶瓷片相同的数量级，在整个过程中待定位物体的启动、停止和分辨率完全由压电陶瓷片控制，因此可以实现很好的控制精度和高分辨率，通过该精密定位装置可以实现物体微米级别(<5um)的精密定位，对于精密定位领域的研究具有重大意义。

附图说明：

图1是压电陶瓷预紧结构示意图。

图2是驱动足结构示意图。

图3是精密定位装置总体结构示意图。

图4是压电陶瓷片上施加的锯齿波电信号图。

图中：

1-抱爪、2-陶瓷球、3-第一柔性足、4-第一支撑块、5-第一防松垫圈、6-第一支撑轴、7-压电陶瓷片、8-拉簧、9-上楔形垫块、10-下楔形垫块、11-半球垫块、12-底座、13-待定位物体(可以是光学镜头，传感器探头，激光探头，车床刀头、载物台等等)、14-弹性线圈、15-第二柔性足、16-第二支撑块、17-第二防松垫圈、18-第二支撑轴。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

如图1至3所示，本发明精密定位装置包括底座12、安装于底座12上的三个驱动足及缠绕于三个驱动足外侧的弹性线圈14，其中每个驱动足包括抱爪1、陶瓷球2、第一柔性足3、第一支撑块4、第一防松垫圈5、第一支撑轴6、压电陶瓷片7、拉簧8、上楔形垫块9、下楔形垫块10、半球垫块11、第二柔性足15、第二支撑块16、第二防松垫圈17、第二支撑轴18。抱爪1包含上下端面和四个侧面，四个侧面分别为相对的两个半圆柱面和相对的两个矩形平面，其中的一个矩形平面上加工有两个半球形凹坑，凹坑面的直径等于陶瓷球2的直径，将陶瓷球2压入凹坑中，并用AB胶粘牢；待定位物体13被夹持定位于三个抱爪1所围成的空间中，且抱爪1与待定位物体13之间通过陶瓷球2形成点接触，通过将弹性线圈14缠绕在三个抱爪1的外侧，以对抱爪1和待定位物体13施加预紧力，进而增加抱爪1与待定位物体13之间的摩擦力。

第一柔性足3和第二柔性足15依次安装于抱爪1的下方，且第一柔性足3和第二柔性足15采用黄铜制成，其上的柔性铰链采用线切割加工，且第一柔性足3和第二柔性足15的两端均加工有外螺纹。且第一柔性足3和第二柔性足15之间按照顺序依次放置第一支撑块4、六片压电陶瓷片7、上楔形垫块9、下楔形垫块10、半球垫块11和第二支撑块16，通过第一柔性足3上端设置的外螺纹与抱爪1的内螺纹相啮合进而将第一柔性足3与抱爪1相连接，同时通过第一柔性足3下端设置的外螺纹与第一支撑块4的内螺纹相啮合进而将第一柔性足3与第一支撑块4相连接，其中抱爪1的轴线与第一柔性足3的中轴线相重合。同样地，通过第二柔性足15上端的外螺纹与第二支撑块16的内螺纹相啮合进而将第二柔性足15和第二支撑块16相连接，在底座12上设置有三个用来安装驱动足的螺纹孔(未标示)，通过第二柔性足15下端的外螺纹与底座12上螺纹孔相啮合进而将第二柔性足15安装于底座12上。

依次排列的六片压电陶瓷片7的最上面的一片紧贴于第一支撑块4的下表面，最下面的一片紧贴于上楔形垫块9，六片压电陶瓷片7通过导线与外部控制电路板相连，外部控制电路板给压电陶瓷片7加电，本发明精密定位装置才能工作。本发明中上楔形垫块9和下楔形垫块10端面的斜面倾角为4°，上、下楔形垫块的作用是利用斜面自锁的原理，防止压电陶瓷片7工作时产生相对滑动，半球垫块11的上端面为半圆柱面，下端面为平面，且半球垫块11的作用是使压电陶瓷片7受到的预压力均匀分布。

第一支撑块4上加工有横向方向延伸的第一通孔(未标示)，其中第一通孔的直径等于第一支撑轴6的直径，第一支撑轴6穿过第一通孔后与所述第一支撑块4相配合，第二支撑块16上加工有横向方向延伸的第二通孔(未标示)，其中第二通孔的直径等于第二支撑轴18的直径，第二支撑轴18穿过第二通孔后与所述第二支撑块16相配合。拉簧8采用弹簧钢制成，结构形式为六个首尾相接的且直径相同的圆环，拉簧8的两端分别套在第一支撑轴6和第二支撑轴18的外端面上用于对第一支撑块4和第二支撑块16之间所夹的压电陶瓷片7施加预紧力；第一防松垫圈5安装在第一支撑轴6的外端面上且位于拉簧8的上末端的外侧，第二防松垫圈17安装在第二支撑轴18的外端面上且位于拉簧8的下末端的外侧，第一防松垫圈5和第二防松垫圈17均为一个有缺口的圆环，圆环尺寸等于拉簧8上六个圆环的尺寸。通过第一防松垫圈5和第二防松垫圈17压紧拉簧8的两末端进而防止第一支撑轴6及第二支撑轴18与拉簧8连接处松动。

本发明精密定位装置的原理是在压电陶瓷片通电后伸长输出一微小位移，推动抱爪输出一微小位移，则待定位物体在抱爪的夹持下也跟着输出一微小位移，这样待定位物体的分辨率可以达到跟压电陶瓷片相同的数量级，在整个过程中待定位物体的启动、停止和分辨率完全由压电陶瓷片控制，因此可以实现很好的控制精度和高分辨率。

如图1至3并结合图4所示，本发明精密定位装置的工作方法如下：

1).外部控制电路板通过导线给压电陶瓷片施加如图4所示的锯齿波电信号，精密定位装置开始工作；

2).当电信号电压缓慢增大时(即由a到b变化时)，压电陶瓷片缓慢伸长，推动抱爪向上移动一个位移s，则被抱爪所夹持的物体也向上运动位移s；

3).当电信号的电压快速恢复时到初始值时(即由b到c变化时)，压电陶瓷片快速收缩，带动抱爪快速下降到初始位置，因为惯性的作用，此时待定位物体保持不动，则在这个工作周期内，物体向上运动了位移s；

4).重复步骤1)至步骤3)的过程，则待定位物体继续向上做单向间歇直线运动。

通过上述步骤，则本发明精密定位装置的定位分辨率即为s，定位距离为n×s，n是锯齿波电信号的周期数，因为压电陶瓷片的伸长量仅为几个um，因此，本发明所设计的精密定位装置其定位精度可以达到5um以下。

同样地，对于本发明精密定位装置如果改变驱动电信号的方向，则物体将向下作单向间歇直线运动，即通过控制锯齿波电信号的周期数就能控制待定位物体移动的总位移。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种精密定位装置，包括底座(12)及安装于底座(12)上的若干个驱动足，其特征在于：所述若干个驱动足在底座(12)上安装后形成有用来夹持固定待定位物体(13)的空间，所述每一个驱动足包括与待定位物体(13)相点接触的抱爪(1)，安装于抱爪(1)下方的依次排列的第一柔性足(3)和第二柔性足(15)，安装于第一柔性足(3)和第二柔性足(15)之间的且依次排列的第一支撑块(4)、压电陶瓷片(7)、上楔形垫块(9)、下楔形垫块(10)、半球垫块(11)及第二支撑块(16)，所述第一支撑块(4)和第二支撑块(16)上分别形成有一横向方向延伸的第一通孔和第二通孔，所述第一通孔和第二通孔中分别穿设有第一支撑轴(6)和第二支撑轴(18)，所述精密定位装置还包括有卡簧(8)和弹性线圈(14)，所述卡簧(8)的两端分别套设于所述第一支撑轴(6)和第二支撑轴(18)的外端面上用以控制压电陶瓷片(7)的伸缩，所述弹性线圈(14)套设于所述若干个抱爪(1)的外围进而提高抱爪(1)和待定位物体(13)之间的摩擦力。

2.如权利要求1所述的精密定位装置，其特征在于：所述抱爪(1)包括上下端面和四个侧面，所述四个侧面分别为相对的两个半圆柱面和相对的两个矩形平面，在其中一个矩形平面上加工有两个半球形凹坑，所述凹坑中收容有与所述待定位物体(13)相点接触的陶瓷球(2)，所述凹坑面的直径与所述陶瓷球(2)的直径相同。

3.如权利要求2所述的精密定位装置，其特征在于：所述第一通孔的直径与所述第一支撑轴(6)的直径相同，所述第二通孔与所述第二支撑轴(18)的直径相同，所述精密定位装置还包括有安装于所述第一支撑轴(6)的外端面上且位于拉簧(8)的上末端的外侧的第一防松垫圈(5)及安装在第二支撑轴(18)的外端面上且位于拉簧(8)的下末端的外侧的第二防松垫圈(17)。

4.如权利要求3所述的精密定位装置，其特征在于：所述第一柔性足(3)采用黄铜制成，所述第一柔性足(3)的两端加工有外螺纹，所述抱爪(1)内部加工有与所述第一柔性足(3)上端的外螺纹相配合的内螺纹，所述第一支撑块(4)的内部加工有与所述第一柔性足(3)下端的外螺纹相配合的内螺纹。

5.如权利要求4所述的精密定位装置，其特征在于：所述第二柔性足(15)采用黄铜制成，所述第二柔性足(15)的两端加工有外螺纹，所述第二支撑块(16)的内部加工有与所述第二柔性足(15)上端的外螺纹相配合的内螺纹，所述底座(12)上加工有与所述第二柔性足(15)下端的外螺纹相配合的内螺纹。

6.如权利要求5所述的精密定位装置，其特征在于：所述拉簧(8)采用弹簧钢制成，所述拉簧(8)由六个首尾相接的且直径相同的圆环组成。

7.如权利要求6所述的精密定位装置，其特征在于：所述第一防松垫圈(5)和第二防松垫圈(17)均为一个有缺口的圆环，所述带有缺口的圆环的尺寸等于所述拉簧(8)上圆环的尺寸。

8.如权利要求7所述的精密定位装置，其特征在于：所述上楔形垫块(9)和下楔形垫块(10)端面的斜面倾角为4°。

9.如权利要求8所述的精密定位装置，其特征在于：所述半球垫块(11)的上端面为半圆柱面，下端面为平面。

10.一种如权利要求1-9中任意一项所述的精密定位装置，其特征在于工作方法如下：

1).外部控制电路板通过导线给压电陶瓷片施加锯齿波电信号，精密定位装置开始工作；

2).当电信号的电压缓慢增大时，压电陶瓷片缓慢伸长，推动抱爪向上移动一个位移s，则被抱爪所夹持的物体也向上运动位移s；

3).当电信号的电压快速恢复到初始值时，压电陶瓷片快速收缩，带动抱爪快速下降到初始位置，因为惯性的作用，此时待定位物体保持不动，则在这个工作周期内，物体向上运动了位移s；

4).重复步骤1)至步骤3)的过程，则待定位物体继续向上做单向间歇直线运动。