CN104088871B - 一种精密定位驱动端预紧装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种精密定位驱动端预紧装置，包括定位平台、驱动器、电容传感器、电容传感器支架、预紧块、薄膜力传感器；定位平台的中部开设有一滑槽，所述预紧块、薄膜力传感器和驱动器依次置于该滑槽内；电容传感器支架固定在定位平台上，电容传感器支架的架体一侧轴向设有三根通过柔顺铰链依次连接的连杆，电容传感器的端面与预紧块的上侧面相互平行、并具有间隙；定位平台上还设置有用于对预紧块进行预紧的两级预紧装置。满足精密定位、精密与超精密加工、精密操作、精密测量及微机电系统等相关领域对精密定位驱动端预紧装置的需要。本装置技术手段简便易行，相对于现有技术具有突出的实质特点和显著的进步。

Description

一种精密定位驱动端预紧装置
技术领域
本发明涉及微纳操作、微纳测量以及微纳制造等技术中的预紧装置，尤其涉及一种精密定位驱动端预紧装置。
背景技术
精密定位平台是微纳操作、微纳测量以及微纳制造等技术的关键部分，在精密与超精密加工、精密操作、精密测量及微机电系统等相关领域中发挥着重要的作用。驱动器按驱动原理可分为机械式和机电式，后者又可分为压电致动式、热致动式、静电致动式、电磁致动式、磁致伸缩式和音圈电机等。其中压电陶瓷驱动器具有亚纳米级的分辨率和毫秒级的响应速度，以及较大的驱动力、线性运动范围和刚度等，并可通过内置的SGS(StrainGaugeSensor)传感器构建驱动端的闭环控制系统，进而克服自身磁滞特性，实现高精度且相对稳定的输出，是精密定位的一种理想驱动器。
中国专利CN20031416314A通过紧定螺钉往下拧，将动斜楔往下压，进而推动静斜楔来预紧压电陶瓷驱动器。中国专利CN2012102619821A通过螺钉往下拧，将动斜楔往下压，进而推动静斜楔来预紧压电陶瓷驱动器。中国专利2012202884405U和CN2012102954323A通过拧动千分尺来精准推动竖动楔块，进而推动横动楔块来预紧压电陶瓷。中国专利CN2013103671374A通过旋转螺纹调节杆推动主动楔块运动，进而推动与之接触的从动楔块运动实现对叠堆式压电陶瓷驱动器的预紧。以上楔块或基于楔块改进的各种预紧方式共有问题是预紧量的值及预紧精度和自锁稳定性无法检测。实际使用中尤其是驱动器长时间高频的运动会带来预紧量的变化，进而影响精密定位平台在该驱动方向的实际输入位移值。且一对楔块之间为斜面接触，通过斜面传递预紧力，加工精度难以严格保证平面的精度，不能确定预紧力作用的位置，更无法保证等效预紧力的作用线沿驱动器中轴线，即会产生侧向力和弯矩。
中国专利CN2013203476938U和2013103410817A通过将压紧螺钉向退出方向旋转时，压紧螺钉的头部逐渐向固定块靠近，以此来压紧固定块，二者的反作用力将压电陶瓷紧紧压在机体的凹槽侧壁，达到预紧效果。该专利虽然能避开侧向力，但转动时产生的扭矩无法消除，任何原因产生的预紧量微纳级变动不能被测量或反馈补偿，实际使用中尤其是驱动器长时间高频的运动下的预紧精度和稳定性不能保证。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种精密定位驱动端预紧装置，满足部分精密定位场合驱动端高精度、高准确性、高稳定性、长时间和高频的位移输出要求。
本发明通过下述技术方案实现：
一种精密定位驱动端预紧装置，包括定位平台6、驱动器14、电容传感器4、电容传感器支架3、预紧块12、薄膜力传感器13；
所述定位平台6的中部开设有一滑槽，所述预紧块12、薄膜力传感器13和驱动器14依次置于该滑槽内；
所述电容传感器支架3固定在定位平台6上，电容传感器支架3的中部与预紧块12相对；该电容传感器支架3的轴线与滑槽的轴向相互垂直；
所述电容传感器支架3的架体一侧，轴向设有三根通过柔顺铰链依次连接的连杆3-1，这三根连杆3-1的中间连杆用于固定电容传感器4；电容传感器4通过电容传感器支架3上的螺栓4-1预紧或固定；电容传感器4的端面与预紧块12的上侧面相互平行、并具有间隙；
所述电容传感器支架3的架体另一侧的中部、设有两个与上述三根连杆3-1的中间连杆相抵的千分尺5；通过扭转这两个千分尺5的尺度，改变电容传感器4与预紧块12的初始间隙及平行度；
所述定位平台6上还设置有用于对驱动器14进行预紧的两级预紧装置。
所述两级预紧装置包括与驱动器14、预紧块12在同一条轴线上、并且依次相抵的第一滚珠11、一级顶丝10、第二滚珠9、二级顶丝8；
所述预紧块12与第一滚珠11的接触部位为面接触，一级顶丝10与第一滚珠11的接触部位为点接触；
所述一级顶丝10与第二滚珠9的接触部位为点接触。
所述预紧块12与第一滚珠11的接触部位为面接触，其中所述面接触是在预紧块12上设置与第一滚珠11圆周面相应的半球形凹坑。
所述二级顶丝8与第二滚珠9的接触部位为面接触，其中所述面接触是在二级顶丝8上设置与第二滚珠9圆周面相应的半球形凹坑。
所述预紧块12的顶部装有反光镜支架2，反光镜支架2上设置有反光镜1。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
1、使用两级预紧装置对驱动器14(是指压电陶瓷驱动器)进行预紧，确保预紧量不会随着驱动器14长时间高频运动而出现亚微米级及以上的变化，提高驱动器输出位移的精度、准确性和稳定性；
2、两级预紧装置中分别采用了第一、第二滚珠(钢珠)来实现预紧过程中的滚珠的面接触(球头接触)或点接触，易于确定预紧力作用点和作用方向,保证预紧精度，避免预紧过程中产生侧向力和弯矩，同时能消除顶丝(是指一级顶丝10或二级顶丝8)转动产生的扭矩和侧向力,保护压电陶瓷类等所能承受扭矩十分有限的精密定位用驱动器；
3、采用电容传感器4器实时读取预紧块12的移动位移，即预紧量的值，并反馈回控制系统(图中未示出)，对预紧完成后预紧量的变化进行实时补偿，确保对应机构输入端输入位移的稳定。若预紧量变化值超出驱动器的剩余可提供伸长量，则控制系统停止工作并自动报警；
4、一级顶丝10和二级顶丝8的入力端具有供螺丝刀调节的矩形切口，通过螺丝刀进行预紧量粗调节，使用特殊设计的预紧量精调节杆手柄(结构见图6)进行预紧量的精调节，具有简单、方便、易行的效果；
5、使用薄膜力传感器13来测量预紧力的大小，同时也可以测量驱动器14在整个工作过程中输出力的值并反馈回控制器，进而结合驱动器14输出位移和定位平台6在该方向上的输入位移来计算驱动器14动态刚度和定位平台6在该驱动方向的输入刚度；
6、使用两个千分尺5(或者细牙螺钉)来推动由柔顺铰链构成的传感器支架3架体另一侧的中间连杆3-1，以精确初始化电容传感器4与预紧块12的距离和精确调节二者之间的平行度，可使用塞尺或游标卡尺进行检测，便于对电容传感器4量程及测量精度进行调整；
7、反光镜1安装在预紧块12上面，使用双频激光干涉仪(图中未示出)来测量预紧块12的位移，校正或标定电容传感器4，或单独完成预紧量的监控，获得预紧块12的精确位移值，同时可测量或监控预紧块12转动对电容传感器4的直线位移测量精度的影响；
8、顶丝(指一级顶丝10和二级顶丝8)采用细牙螺纹，也可以自行加工牙距更小的顶丝，紧定精度更高，稳定性更好；
9、无需所有组件同时使用，也可以单独采用预紧块12、一颗滚珠和一级顶丝即可完成预紧，其他部件提供附加的功能，且彼此相互独立，故可根据实际需要选用相应组件，灵活性高。
10、与预紧块12依次相抵的第一滚珠11、一级顶丝10、第二滚珠9、二级顶丝8；在同一条轴线上满足精密定位、精密与超精密加工、精密操作、精密测量及微机电系统等相关领域对精密定位驱动端预紧装置的需要。
综上所述，本装置技术手段简便易行，相对于现有技术具有突出的实质特点和显著的进步。
附图说明
图1为本发明外观结构示意图。
图2为本发明纵剖面结构示意图。
图3为图1中预紧块结构示意图。
图4为提1中电容传感器支架结构示意图。
图5为图1中电容传感器及其电容传感器支架组合示意图。
图6为特殊结构的预紧量精调节手柄结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
实施例
如图1～6所示。本发明精密定位驱动端预紧装置，包括定位平台6、驱动器14、电容传感器4、电容传感器支架3、预紧块12、薄膜力传感器13；
所述定位平台6的中部开设有一滑槽，所述预紧块12、薄膜力传感器13和驱动器14依次置于该滑槽内；定位平台6的底部设有垫片7。
所述电容传感器支架3固定在定位平台6上，电容传感器支架3的中部与预紧块12相对；该电容传感器支架3的轴线与滑槽的轴向相互垂直；
所述电容传感器支架3的架体一侧，轴向设有三根通过柔顺铰链依次连接的连杆3-1，这三根连杆3-1的中间连杆用于固定电容传感器4；电容传感器4通过电容传感器支架3上的螺栓4-1预紧或固定；电容传感器4的端面与预紧块12的上侧面相互平行、并具有间隙；同时，该预紧块12上的侧面需要平滑、洁净。
所述电容传感器支架3的架体另一侧的中部、设有两个与上述三根连杆3-1的中间连杆相抵的千分尺5；通过扭转这两个千分尺5的尺度，改变电容传感器4与预紧块12的初始间隙及平行度；电容传感器支架3的柔顺铰链传递变形，通过两个千分尺5来调节电容传感器4与预紧块12的初始距离和精确调节二者之间的平行度。
如上所述，薄膜力传感器13位于预紧块12和驱动器14之间，用于读取沿驱动方向的作用力的大小。
所述定位平台6上还设置有用于对驱动器14进行预紧的两级预紧装置。
所述两级预紧装置包括与驱动器14、预紧块12在同一条轴线上、并且依次相抵的第一滚珠11、一级顶丝10、第二滚珠9、二级顶丝8；
所述预紧块12与第一滚珠11的接触部位为面接触，一级顶丝10与第一滚珠11的接触部位为点接触；
所述一级顶丝10与第二滚珠9的接触部位为点接触。
所述预紧块12与第一滚珠11的接触部位为面接触，其中所述面接触是在预紧块12上设置与第一滚珠11圆周面相应的半球形半球形凹坑12-2。
所述二级顶丝8与第二滚珠9的接触部位为面接触，其中所述面接触是在二级顶丝8上设置与第二滚珠9圆周面相应的半球形半球形凹坑。
预紧块12的顶部装有反光镜支架2，反光镜支架2上设置有反光镜1。通过反光镜1来测量预紧块12的移动位移。市场上常见如双频激光干涉仪XL-80的精度可以达到1nm，可以用来监控并反馈预紧量纳米级的变化。
用螺丝刀扭转一级顶丝10时,其推动第一滚珠11及预紧块12前移,此为粗调节阶段。
预紧块12的移动位移，即预紧量可通过电容传感器4、激光干涉仪(图中未示出)实时读取，当预紧量达到预定值附近时，采用如图6所示特殊设计的预紧量精调节手柄取代螺丝刀来扭转一级顶丝10，此为精调节阶段。用螺丝刀扭转二级顶丝8，推动第二滚珠9来锁紧一级顶丝10。
如上所述，便可较好地实现本发明。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种精密定位驱动端预紧装置，其特征在于：包括定位平台、驱动器、电容传感器、电容传感器支架、预紧块、薄膜力传感器；
所述定位平台的中部开设有一滑槽，所述预紧块、薄膜力传感器和驱动器依次置于该滑槽内；
所述电容传感器支架固定在定位平台上，电容传感器支架的中部与预紧块相对；该电容传感器支架的轴线与滑槽的轴向相互垂直；
所述电容传感器支架的架体一侧，轴向设有三根通过柔顺铰链依次连接的连杆，这三根连杆的中间连杆用于固定电容传感器；电容传感器通过电容传感器支架上的螺栓预紧或固定；电容传感器的端面与预紧块的上侧面相互平行、并具有间隙；
所述电容传感器支架的架体另一侧的中部、设有两个与三根连杆的中间连杆相抵的千分尺；通过扭转这两个千分尺的尺度，改变电容传感器与预紧块的初始间隙及平行度；
所述定位平台上还设置有用于对驱动器进行预紧的两级预紧装置。
2.根据权利要求1所述的精密定位驱动端预紧装置，其特征在于：所述两级预紧装置包括与预紧块在同一条轴线上、并且依次相抵的第一滚珠、一级顶丝、第二滚珠、二级顶丝；
所述预紧块与第一滚珠的接触部位为面接触，一级顶丝与第一滚珠的接触部位为点接触；
所述一级顶丝与第二滚珠的接触部位为点接触。
3.根据权利要求2所述的精密定位驱动端预紧装置，其特征在于：所述预紧块与第一滚珠的接触部位为面接触，其中所述面接触是在预紧块上设置与第一滚珠圆周面相应的半球形凹坑。
4.根据权利要求2所述的精密定位驱动端预紧装置，其特征在于：所述二级顶丝与第二滚珠的接触部位为面接触，其中所述面接触是在二级顶丝上设置与第二滚珠圆周面相应的半球形凹坑。
5.根据权利要求2所述的精密定位驱动端预紧装置，其特征在于：预紧块的顶部装有反光镜支架，反光镜支架上设置有反光镜。
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