CN104467525B - 可调预紧力式惯性粘滑驱动跨尺度精密定位平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调预紧力式惯性粘滑驱动跨尺度精密定位平台，平台包括外壳、与外壳固定安装的椭圆放大机构、位于椭圆放大机构上方的钳位机构、位于钳位机构上方的驱动机构、以及导向机构，导向机构为交叉滚柱导轨，驱动机构为驱动压电陶瓷，钳位机构包括与驱动机构粘接的钳位块和位于钳位块下方的钳位导轨，椭圆放大机构包括与钳位导轨相连的椭圆框架及位于椭圆框架内的钳位压电陶瓷，驱动压电陶瓷两端输入有用于控制钳位块左右运动的第一电压信号，钳位压电陶瓷两端输入有用于控制钳位导轨上下运动的第二电压信号。本发明集导向、钳位、驱动于一体，系统集成度高、体积小，适用于对尺寸有要求的高精密定位场合。

Description

可调预紧力式惯性粘滑驱动跨尺度精密定位平台

技术领域

本发明涉及微驱动精密定位技术领域，特别是涉及一种可调预紧力式惯性粘滑驱动跨尺度精密定位平台。

背景技术

在传统的精密定位技术中，绝大多数的定位和操作都是通过压电陶瓷直接驱动实现。而压电陶瓷在一定电场作用下的变形量与自身的尺寸成大致正比关系，但是变形量相对于自身的尺寸要小很多，对于叠堆型的压电陶瓷，其最大位移量只能达到其自身尺寸的千分之一，长度为几十毫米的压电陶瓷通常只能实现几十微米的运动范围。

近年来，随着纳米技术和超大规模集成电路的迅猛发展，人们对运动范围又提出了更高的要求。其中，具有纳米定位精度，又具有毫米运动行程，甚至更大运动行程的纳米跨尺度运动技术逐渐成为纳米技术领域亟待解决的关键技术问题。其在大规模集成电路制造、纳米器件制造、纳米操作和生物技术等众多领域有着广泛的应用前景。

惯性粘滑驱动精密定位技术是目前出现的诸多类型跨尺度精密定位技术中的一种，它相对于其他类型的精密定位技术来说，具有驱动范围大、分辨率高、结构简单、体积小、集成度高等突出优点，可以实现体积更小而运动范围更大的跨尺度精密运动。因而在纳米技术领域具有广泛的应用前景。根据驱动原理的不同，其他跨尺度精密定位技术还可分为：尺蠖型驱动精密定位技术、压电超声波精密定位技术、宏微混合精密定位技术、粘滑精密定位技术等。

尺蠖型驱动精密定位技术是仿照自然界的尺蠖运动设计开发的，利用压

电元件的逆压电效应推动钳位机构和驱动机构交替作用，使直线动子在钳位摩擦力作用下，输出连续的精密位移。如吉林大学研制了一种基于斜块钳位的大载荷高精度尺蠖型压电直线驱动器(专利号：CN 103780142A)，该尺蠖驱动器使用一个压电叠堆，利用四对钳位斜块之间的自锁效应实现钳位，但平台尺寸较大，结构复杂，对加工精度要求高，行程小。

压电超声驱动精密定位技术利用压电陶瓷的逆压电效应产生超声振动，将材料的微变形通过共振放大，靠振动部分和移动部分之间的摩擦力来驱动的新型驱动器。如哈尔滨工业大学研制的基于压电超声振子驱动的两自由度运动平台(专利号：CN 103812381 A)，该发明通过压电超声振子实现两个自由度平台的直接驱动，但由于压电超声驱动是利用摩擦实现力矩或力的传递，传动过程中伴随有发热以及无法估计的滑动现象，因此效率较低，同时对压电陶瓷及摩擦材料的性能要求较高，由于摩擦磨损严重影响了平台的使用寿命，此外随着载荷的增加，在施加相同电压的情况下，压电体的振幅会变小，这使驱动变得困难，制约了其使用范围。

宏微混合精密定位技术通常由宏动驱动(行程为毫米级)和微动驱动(行程为微米级)两部分构成，相互配合驱动，可以实现几十毫米的运动范围。宏动驱动主要采用电机驱动、手动驱动等较大行程的驱动方式实现。微动驱动主要采用以压电陶瓷为主的驱动方式实现。如澳门大学研制的宏微驱动二维一体式微定位平台(专利号：CN102543217A)该发明采用并联解耦全柔顺性机构，宏微一体式设计，但该结构尺寸较大，整体构型复杂，成本较高，驱动控制系统复杂，不便于对尺寸有限制的场合使用。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种可调预紧力式惯性粘滑驱动跨尺度精密定位平台。

发明内容

有鉴于此，为了解决所述现有技术中的问题，本发明提供了一种可调预紧力式惯性粘滑驱动跨尺度精密定位平台。

为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：

一种可调预紧力式惯性粘滑驱动跨尺度精密定位平台，所述平台包括壳体、与壳体固定安装的椭圆放大机构、位于椭圆放大机构上方的钳位机构、位于钳位机构上方的驱动机构、以及导向机构，所述导向机构为交叉滚柱导轨，所述驱动机构为驱动压电陶瓷，所述钳位机构包括与驱动机构粘接的钳位块和位于钳位块下方的钳位导轨，所述椭圆放大机构包括与钳位导轨相连的椭圆框架及位于椭圆框架内的钳位压电陶瓷，所述驱动压电陶瓷两端输入有用于控制所述钳位块左右运动的第一电压信号，钳位压电陶瓷两端输入有用于控制所述钳位导轨上下运动的第二电压信号。

作为本发明的进一步改进，所述交叉滚柱导轨包括定子部分和动子部分。

作为本发明的进一步改进，所述交叉滚柱导轨的定子部分与所述壳体的侧壁之间留有间隙。

作为本发明的进一步改进，所述驱动压电陶瓷通过转接块与所述交叉滚柱导轨的动子部分相连，转接块与交叉滚柱导轨通过圆柱销定位。

作为本发明的进一步改进，所述驱动机构和壳体之间设置有至少一个斜块，用于调整驱动机构和壳体之间的间隙。

作为本发明的进一步改进，所述斜块的斜面角度为30°～60°。

作为本发明的进一步改进，所述钳位压电陶瓷的一端与椭圆框架之间设有垫片。

作为本发明的进一步改进，所述垫片与椭圆框架通过预紧螺丝固定安装。

作为本发明的进一步改进，所述椭圆框架包括上圆弧薄板和下圆弧薄板，上圆弧薄板和/或下圆弧薄板上设置有若干加强筋。

作为本发明的进一步改进，所述第一电压信号的波形为锯齿波，第二电压信号的波形为矩形波，锯齿波和矩形波的频率相同，且锯齿波处于上升沿时矩形波处于波峰阶段，锯齿波处于下降沿时矩形波处于波谷阶段。

本发明具有以下有益效果：

本发明可调预紧力式惯性粘滑驱动跨尺度精密定位平台集导向、钳位、驱动于一体，能改善现有惯性粘滑驱动平台在运动中容易出现的步长一致性差、丢步、保持力小、运动性能受负载影响大等问题，且能实现步进式与扫描式两种动作模式的双向直线大行程运动。

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1a为本发明一具体实施方式中可调预紧力式惯性粘滑驱动跨尺度精密定位平台的主视结构示意图；图1b为图1a中A-A方向的剖面结构示意图；图1c为本发明一具体实施方式中可调预紧力式惯性粘滑驱动跨尺度精密定位平台的俯视结构示意图；

图2a、2b分别为本发明一具体实施方式中椭圆放大机构中椭圆框架的主视结构示意图和侧视结构示意图；

图3为本发明一具体实施方式中第一电压信号和第二电压信号的波形图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

本发明公开了一种可调预紧力式惯性粘滑驱动跨尺度精密定位平台，基于惯性粘滑原理，结合钳位技术、压电陶瓷驱动技术设计的一款跨尺度、高精密、大推力的定位平台。该平台包括壳体、与壳体固定安装的椭圆放大机构、位于椭圆放大机构上方的钳位机构、位于钳位机构上方的驱动机构、以及导向机构，导向机构为交叉滚柱导轨，驱动机构为驱动压电陶瓷，钳位机构包括与驱动机构粘接的钳位块和位于钳位块下方的钳位导轨，椭圆放大机构包括与钳位导轨相连的椭圆框架及位于椭圆框架内的钳位压电陶瓷，驱动压电陶瓷两端输入有用于控制钳位块左右运动的第一电压信号，钳位压电陶瓷两端输入有用于控制钳位导轨上下运动的第二电压信号。

参图1a、1b、1c所示，在本发明的一具体实施方式中，可调预紧力式惯性粘滑驱动跨尺度精密定位平台包括斜块1，M3开槽平端紧定螺钉2，预紧螺钉3，椭圆放大机构4，M2开槽圆柱头螺钉5，交叉滚柱导轨6，钳位块7，驱动压电陶瓷8，转接块9，M2开槽圆柱头螺钉10，钳位导轨11，垫片12，M2开槽圆柱头螺钉13，钳位压电陶瓷14，壳体15，M2开槽圆柱头螺钉16，圆柱销17。其中：

交叉滚柱导轨6选用NB公司的SVW 1030-7Z型号的导轨，其包括定子部分和动子部分，定子部分与壳体15通过4个M2开槽圆柱头螺钉16连接，定子部分与壳体15侧壁之间留有间隙，通过4个M2开槽圆柱头螺钉调整交叉滚柱导轨6的安装间隙；

转接块9通过M2开槽圆柱头螺钉10固定于交叉滚柱导轨6的动子部分，且用圆柱销17定位；

驱动压电陶瓷8选用攀特公司PT1500505051型号压电陶瓷，用环氧树脂胶分别与转接块9和钳位块7粘接。钳位状态时钳位块7与钳位导轨11上的V型槽面贴合，否则两者相互分离；

钳位导轨11选用弹性模量较大的不锈钢，并通过M2开槽圆柱头螺钉与椭圆放大机构4固连；

椭圆放大机构4安装有钳位压电陶瓷14，钳位压电陶瓷14选用攀特公司PT1500505201型号压电陶瓷，钳位压电陶瓷14一端贴有垫片12，并通过预紧螺钉3预紧。在椭圆放大机构4安装过程中考虑到装配过程中有间隙及加工过程中有制造误差，采用两个斜块10调整两个方向的间隙，确保惯性粘滑平台系统正常工作，其中斜块10位置的调整是通过两个开槽平端紧定螺钉实现的，位置调整正确后将椭圆放大机构用M2开槽圆柱头螺钉13固定于壳体上。

进一步地，本发明中斜块的斜面角度为30°～60°，在本实施方式中斜块的斜面角度为45°。

图2a、2b所示为本实施方式中椭圆放大机构中椭圆框架的结构示意图，根据有限元分析的结果可知，当钳位块7在钳位导轨11两端施加力时，椭圆放大机构4柔性铰链扭转变形较大，严重影响钳位力，从而降低系统的输出推力。为解决这一问题，本实施方式中椭圆框架41包括上圆弧薄板411和下圆弧薄板412，上圆弧薄板411和下圆弧薄板412上分别对应设置有2个加强筋413、414。根据有限分分析可知，其大大改善了椭圆放大机构的受力变形问题。

参图3所示，本实施方式中第一电压信号的波形为锯齿波，第二电压信号的波形为矩形波，锯齿波和矩形波的频率相同，且锯齿波处于上升沿时矩形波处于波峰阶段，锯齿波处于下降沿时矩形波处于波谷阶段。

本实施方式的具体运动过程如下：

向驱动压电陶瓷8输入锯齿波，钳位压电陶瓷14输入矩形波。

当驱动压电陶瓷8输入的波形处于上升沿时，驱动压电陶瓷8突然伸长，此时钳位压电陶瓷14中输入的矩形波的峰值，压电陶瓷14输出位移通过椭圆放大机构4放大位移，钳位块7与钳位导轨11完全分离，因此在驱动压电陶瓷8的作用下，钳位块7与交叉滚柱导轨6动子部分能顺利地往相反方向运动，由于平台运动时采用交叉滚柱导轨作为导向件和支撑件，提高了运动时的稳定性、一致性且在载荷变化时，其运动状态也不会受到很大的影响。

当驱动压电陶瓷8输入的波形处于下降沿时，钳位压电陶瓷14中输入的波形处于矩形波的波谷阶段，钳位压电陶瓷14恢复原长，钳位块7与钳位导轨11的V型槽面贴合，此时钳位块7在摩擦力作用下保持不动，交叉滚柱导轨6动子部分随驱动压电陶瓷8一同向钳位块7方向运动，由于钳位力的作用，提高了精密运动平台的保持力，整体提高了其工作推力。

重复以上过程即可实现惯性粘滑精密定位平台的步进式运动。当交叉滚柱导轨6的动子部分运动到钳位压电陶瓷14的伸长范围以内时，钳位压电陶瓷14不通电，钳位块7被锁住，驱动压电陶瓷8通电发生微位移变化带动交叉滚柱导轨6动子部分到达目标位置，实现纳米级精密定位。

本发明中的可调预紧力式惯性粘滑驱动跨尺度精密定位平台具有以下特点：

选用交叉滚柱导轨作为导向支撑件，工作时摩擦力受外界负载影响小，可保证运动过程稳定性及步长的一致性。导轨上可外接其他操作执行件，实现精密位移输出或者微操作；

选用压电陶瓷作为驱动部件及钳位部件，响应迅速，尺寸小，集成度高，适用于尺寸受限制地场合；

椭圆放大机构上设置有加强筋，既可实现位移放大，又改善了柔性铰链发生扭转变形；

采用斜块实现两个平动自由度的微调，保证装配后的平台能够正常工作；

采用钳位机构，实现了在平台工作中摩擦力变化的要求，且由于钳位力的作用，提高了精密运动平台的保持力，整体提高了其工作推力。平台系统在断电时处于自锁状态。

本发明中的惯性粘滑出尺度精密定位平台有两种工作模式：步进式和扫描式。步进过程运用惯性粘滑原理实现跨尺度运动，运动范围达到几十毫米；扫描过程依靠压电陶瓷自身的伸长实现纳米级的定位精度，该系统集成度高，体积小，适用于对尺寸有要求的高精密定位场合。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

本发明能改善现有惯性粘滑驱动平台在运动中容易出现的步长一致性差、丢步、保持力小、运动性能受负载影响大等问题，且能实现步进式与扫描式两种动作模式的双向直线大行程运动；

该惯性粘滑驱动精密定位技术具有更好的运动灵活性和更高的集成度，可以实现体积更小而运动范围更大的跨尺度精密运动；

该跨尺度精密定位平台集导向、钳位、驱动于一体，由基座部分、钳位部分、驱动部分组成。基座部分要能实现导向和支撑作用，这里选用交叉滚柱导轨导向和支撑机构，主要考虑其精度高，一致性好，工作中滑动摩擦力随负载变化小；钳位部分由钳位压电陶瓷、钳位块、钳位导轨、椭圆放大机构等组成，选用椭圆放大机构是由于压电陶瓷伸长量较小，通过放大机构放大压电陶瓷位移量，从而能实现顺利钳位，且在端部采用预紧螺钉对压电陶瓷进行预紧，钳位部分还采用斜块调整位置机构够，能实现钳位部分在两个方向上的平动微调；驱动部分采用压电陶瓷作为驱动器，压电陶瓷致动器在超精密定位和微位移控制中具有其他致动器无法比拟的优点，如体积小、位移分辨率高、响应速度快、输出力大、换能效率高、静态不发热等，是微位移技术中比较理想的致动元件。

本发明在许多对操作空间有高度集成要求的纳米技术领域，如微纳器件三维操作、磁盘刻录、MEMS器件的装配和封装等，具有广阔的应用前景。

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)

1.一种可调预紧力式惯性粘滑驱动跨尺度精密定位平台，其特征在于，所述平台包括壳体、与壳体固定安装的椭圆放大机构、位于椭圆放大机构上方的钳位机构、位于钳位机构上方的驱动机构、以及导向机构，所述导向机构为交叉滚柱导轨，所述驱动机构为驱动压电陶瓷，所述钳位机构包括与驱动机构粘接的钳位块和位于钳位块下方的钳位导轨，所述椭圆放大机构包括与钳位导轨相连的椭圆框架及位于椭圆框架内的钳位压电陶瓷，所述驱动压电陶瓷两端输入有用于控制所述钳位块左右运动的第一电压信号，钳位压电陶瓷两端输入有用于控制所述钳位导轨上下运动的第二电压信号。

2.根据权利要求1所述的可调预紧力式惯性粘滑驱动跨尺度精密定位平台，其特征在于，所述交叉滚柱导轨包括定子部分和动子部分。

3.根据权利要求2所述的可调预紧力式惯性粘滑驱动跨尺度精密定位平台，其特征在于，所述交叉滚柱导轨的定子部分与所述壳体的侧壁之间留有间隙。

4.根据权利要求2所述的可调预紧力式惯性粘滑驱动跨尺度精密定位平台，其特征在于，所述驱动压电陶瓷通过转接块与所述交叉滚柱导轨的动子部分相连，转接块与交叉滚柱导轨通过圆柱销定位。

5.根据权利要求1所述的可调预紧力式惯性粘滑驱动跨尺度精密定位平台，其特征在于，所述驱动机构和壳体之间设置有至少一个斜块，用于调整驱动机构和壳体之间的间隙。

6.根据权利要求5所述的可调预紧力式惯性粘滑驱动跨尺度精密定位平台，其特征在于，所述斜块的斜面角度为30°～60°。

7.根据权利要求1所述的可调预紧力式惯性粘滑驱动跨尺度精密定位平台，其特征在于，所述钳位压电陶瓷的一端与椭圆框架之间设有垫片。

8.根据权利要求7所述的可调预紧力式惯性粘滑驱动跨尺度精密定位平台，其特征在于，所述垫片与椭圆框架通过预紧螺丝固定安装。

9.根据权利要求1所述的可调预紧力式惯性粘滑驱动跨尺度精密定位平台，其特征在于，所述椭圆框架包括上圆弧薄板和下圆弧薄板，上圆弧薄板和/或下圆弧薄板上设置有若干加强筋。

10.根据权利要求1所述的可调预紧力式惯性粘滑驱动跨尺度精密定位平台，其特征在于，所述第一电压信号的波形为锯齿波，第二电压信号的波形为矩形波，锯齿波和矩形波的频率相同，且锯齿波处于上升沿时矩形波处于波峰阶段，锯齿波处于下降沿时矩形波处于波谷阶段。