CN104539188B - 一种高精度压力驱动装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高精度压力驱动装置，所述装置包括压电陶瓷(1)、方向导槽(2)、弹性簧片(3)、微位移探测器(4)和安装底座(5)，其中压电陶瓷放置于方向导槽中，方向导槽上端存在一个开孔，压电陶瓷的上端可从开孔中部分伸出，方向导槽下端也存在一个开孔，用于与安装底座连接。压电陶瓷的作用在于实现超微量超快速的位移动作；弹性簧片的作用在于承受压电陶瓷的作用力，并产生相应的弹性形变。所述装置可在作用力输出端存在不断变化的微小位移的情形下，精确快速地输出恒定的作用力。由于本发明装置的直接输出为作用力，且物体形变与作用力成线性关系，因而本装置能够对被控制面进行线性控制，更准确地控制面形。
Description
技术领域
本发明涉及压电驱动的技术领域，具体涉及一种高精度压力驱动装置。
背景技术
自适应光学在可控激光核聚变系统、天文观测系统和医疗影像系统中都得到了重要应用。自适应光学系统中，变形镜是不可或缺的关键部件。其作用在于通过其自身的表面形貌来实时校正光学系统波相差，以达到更好的成像质量。而压电驱动单元是变形镜的核心单元，其工作方式和性能直接关系到变形镜的面形控制能力，进而影响到整个自适应光学系统的成像质量。
为了使得变形镜能获得复杂的面形，往往需要使用大量的压电驱动单元阵列。通常采用直接位移控制型压电驱动单元。位移控制型压电驱动单元的优点是其驱动结果直观，直接反应为面形局部形状的位移变化，但其缺点是各个驱动器间的间隙部分面形改变量与各个单元的位移量不成线性叠加关系，即存在非线性效应。单个驱动器的位移改变，会引起全局面形的变化，这给全局面形控制造成一定困难，而且必须密集排列压电驱动单元，以提高复杂面形的形成能力。
而在变形镜中，每一个控制单元对变形镜面的作用力对整个面形的变化量贡献却呈线性关系。这一方面降低了控制的难度，另一方面也可以减少控制单元的数量，以节约成本和系统复杂度。
此外，在一些特殊应用场合，譬如透射式变形镜，其控制点与位移目标点位置并不一致，位移式驱动器的直接位移驱动失去了其应有的意义，而其与压力式驱动器相比，又缺少易于控制的线性特性。因而高精度的压力式驱动器更具有优势。
发明内容
为了克服位移式压电驱动单元的非线性问题，一种方法就是将压电陶瓷的位移驱动转化为压力驱动，从而通过精确控制对被驱动单元的压力来达到精确控制被作用对象微位移的目的。
本发明的目的即是提供一种高精度的压力驱动装置，以期满足对变形镜的高精度线性控制需求，最终实现精确面形控制的目的。
本发明采用的技术方案为：一种高精度压力驱动装置，包括：压电陶瓷、方向导槽、弹性簧片、微位移探测器和安装底座；其中压电陶瓷放置于方向导槽中，方向导槽上端存在一个开孔，压电陶瓷的上端可从该开孔中部分伸出，方向导槽下端也存在一个开孔，用于与安装底座连接，压电陶瓷的下接触点与弹性簧片的中间刚性连接，使得弹性簧片接触点能随着压电陶瓷的下触点一起运动，弹性簧片两端可用固定螺丝固定于安装底座上，安装底座上存在一个用于安装微位移探测器的安装孔。
其中，存在一个弹性簧片，其采用弹性好、记忆性强的材料制作，并用弹性形变的大小来测算压力驱动装置的输出力大小。
其中，存在一个方向导槽，方向导槽上通过紧定螺丝使得压电陶瓷与方向导槽形成点接触，以减小摩擦力。
其中，存在一个安装底座，该安装底座采用地膨胀系数材料制作，以减少温度变化对输出作用力精度的影响。
其中，存在一个闭环控制回路，使得作用力输出端位置不断变化时，也可以获得稳定的作用力输出。
其中，输出作用力的精度通过理论计算和事先标定的“压力—微位移量”关系曲线来控制。
本发明的原理在于：
一种高精度的压力驱动装置，其中压电陶瓷放置于方向导槽中，方向导槽上端存在一个开孔，压电陶瓷的上端可从开孔中部分伸出，方向导槽下端也存在一个开孔，用于与安装底座连接。为了使得该装置更紧凑，避免压电陶瓷从方向导槽中脱落，也可以在导槽末端设计阻挡结构，当然该结构并非必需。压电陶瓷的下接触点与弹性簧片刚性连接，使得弹性簧片下接触点能随着压电陶瓷的下触点一起运动。为了使模型更简单，可以采用点接触方式，但不限于点接触方式。弹性簧片两端可用固定螺丝固定于安装底座上，安装底座上存在一个用于安装微位移探测器的安装孔。
压电陶瓷的作用在于实现超微量超快速的位移动作；弹性簧片的作用在于承受压电陶瓷的作用力，并产生相应的弹性形变，由于弹性簧片接触点的形变量必然与其受到的作用力成对应关系，对于同样的弹性簧片，其受到的作用力越大，其形变量也越大；微位移探测器的作用在于探测弹性簧片的形变量，从而解算出压电陶瓷所施加在弹性簧片上的力；忽略摩擦力和压电陶瓷自身重力的情形下，压电陶瓷施加于弹性簧片上的力也即是压电陶瓷施加在被作用对象上的力；方向导槽的目的在于束缚压电陶瓷1只能做其轴向方向的移动和轴向方向的伸长或缩短，而不能进行其它维度的任何运动。
该高精度的压力驱动装置，其工作过程中压电陶瓷上端与被作用对象接触，压电陶瓷下端与弹性簧片接触。被作用对象与弹性簧片的位置相对固定。压电陶瓷伸长前，压电陶瓷上端与被作用对象无压力，被作用对象也不产生形变，压电陶瓷下端与弹性簧片也无压力(忽略压电陶瓷的自身重力，下同)，弹性簧片也不产生弹性形变；当压电陶瓷在电压作用下伸长后，由于被作用对象和弹性簧片的位置相对固定，势必被作用对象和弹性簧片受压电陶瓷的挤压都会发生形变。此时即可通过弹性簧片的形变量来调节压电陶瓷的伸长量来控制其作用在被作用对象上的力。
可以通过理论计算来推算弹性簧片所受到的力与弹性形变的关系，也可以通过事先标定的方法，标定弹性簧片所受重力与微位移探测器采集到的弹性形变量的关系。标定方法为，分别将不同重量的标准重物放置于压电陶瓷上端，重物在竖直安装的导槽内可自由上下移动，同时分别记录相应的微位移探测器的示数，并且选择在微位移探测器量程范围内的数据，进行曲线拟合，拟合后的“压力—微位移量”关系曲线即可用于压电陶瓷压力输出的控制曲线。
为了使得温度变化对该压力驱动装置的压力输出精度的影响降到最低，用于安装弹性簧片的安装底座可采用膨胀系数小的材料制作，如殷钢等，但不限于该材料。安装底座采用紧定螺丝与方向导槽固定在一起。安装底座中部存在一个螺纹孔，通过紧定螺丝将微位移探测器与安装底座固定在一起。安装底座上存在一个或多个较大的通孔用于引出微位移探测器的读出电路引线。
为了使得弹性簧片的性能稳定，可采用弹性好记忆性强的材料制作。同时，可根据实际输出力的大小和作用点的位移大小等参数，结合压电陶瓷的性能对弹性簧片的材料、形状、尺寸等进行优化设计。弹性簧片部分固定于安装底座上，其它位置在力的作用下可以发生可探测的弹性形变。
为了减小压电陶瓷与方向导槽之间的摩擦力，以使得压力驱动装置输出更精确稳定的压力，方向导槽与压电陶瓷间可采用点接触的方式以降低摩擦力。方向导槽上存在6个紧定螺丝，通过方向导槽上的紧定螺丝孔旋入方向导槽内与压电陶瓷的外壁轻轻接触。
弹性簧片可根据被作用对象的强度和压电陶瓷的最大伸长缩短量、要求的压力分辨率等进行设计。对于容易变形的被作用对象，且压力精度要求更高时，弹性簧片也要相对容易变形，可选择更软更薄的弹性簧片。弹性簧片的形状可以采用长条形，也可采用圆形或其它形状。压电陶瓷作用于被作用对象上的压力，可以通过弹性簧片的变形量来确定。此外，弹性簧片由于自身的形变，也可以进一步分担压电陶瓷在输出端的位移量，使得控制更精确。
将微位移探测器的数据与压电陶瓷的伸长缩短量数据，结合事先计算或标定的“压力—微位移量”关系曲线，再辅助一定的闭环控制策略，即可实现只要被作用对象的位置变化在压电陶瓷的量程范围内，即可实现稳定可靠的恒定作用力。其中，闭环控制策略为一般常规控制策略，在此不再赘述。
由于该驱动器采用了压电陶瓷作为基本驱动单元，因而其位移量很小，输出力量控制精度极高；且压电陶瓷具有较好的频率响应特性，因而也具有较快的响应速度。
本发明的优点在于：
1.由于本发明采用高精度的压电陶瓷和微位移弹性簧片作为位移驱动和控制结构，因而本发明装置能够实现更高精度的压力控制。
2.由于本发明装置的直接输出为作用力，且物体形变与作用力成线性关系，因而本装置能够对被控制面进行线性控制，更准确地控制面形。
3.由于本发明装置结构紧凑，简单，易于制造，因而易于实现阵列控制。
4.由于本装置能够解算到作用压力，因而易于实现闭环控制。
5.由于本装置中，能够通过简单地改变簧片的设计，包括簧片的材料、尺寸、结构等，因而易于制作不同行程范围、不同压力范围、不同精度的压力驱动装置。
6.由于本装置中采用的压电陶瓷具有优良的响应速度，因而本装置适合做高速闭环响应系统。
附图说明
图1为本发明的一种高精度压力驱动装置的结构示意图；
图2为本发明的一种高精度压力驱动装置的正二测视图；
图3为本发明的一种高精度压力驱动装置的正二测不完全爆炸图；
图4为本发明的一种高精度压力驱动装置的二测完全爆炸图；
图5为本发明的一种高精度压力驱动装置的工作原理示意图；
图6为本发明的一种高精度压力驱动装置的标定方法示意图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。
图1为一种高精度压力驱动装置结构图，包括：压电陶瓷1、方向导槽2、弹性簧片3、微位移探测器4、安装底座5。
图2为一种高精度压力驱动装置的正二测视图，附图3为一种高精度压力驱动装置的正二测不完全爆炸图，附图4为一种高精度压力驱动装置的正二测完全爆炸图。
其中压电陶瓷1放置于方向导槽2中，方向导槽2上端存在一个开孔201，压电陶瓷1的上端101可从开孔201中部分伸出，方向导槽2下端也存在一个开孔，用于与安装底座5连接。为了使得该装置更紧凑，避免压电陶瓷1从方向导槽2中脱落，也可以在导槽末端设计如附图1所示的阻挡结构205，当然该结构并非必需。压电陶瓷1的下接触点102与弹性簧片3的中间刚性连接，使得弹性簧片3接触点能随着压电陶瓷1的下触点102一起运动。为了使模型更简单，可以采用点接触方式，但不限于点接触方式。弹性簧片3两端可用固定螺丝301固定于安装底座5上，安装底座5上存在一个用于安装微位移探测器4的安装孔504。
压电陶瓷1的作用在于实现超微量超快速的位移动作；弹性簧片3的作用在于承受压电陶瓷1的作用力，并产生相应的弹性形变，由于弹性簧片接触点102的形变量必然与其受到的作用力成对应关系，对于同样的弹性簧片3，其受到的作用力越大，其形变量也越大；微位移探测器4的作用在于探测弹性簧片3的形变量，从而解算出压电陶瓷1所施加在弹性簧片3上的力；忽略摩擦力和压电陶瓷1自身重力的情形下，压电陶瓷1施加于弹性簧片3上的力也即是压电陶瓷1施加在被作用对象上的力；方向导槽2的目的在于束缚压电陶瓷1只能做其轴向方向的移动和轴向方向的伸长或缩短，而不能进行其它维度的任何运动。
一种高精度的压力驱动装置，其工作过程如附图5所示。压电陶瓷上端101与被作用对象6接触，压电陶瓷下端102与弹性簧片3接触。被作用对象6与弹性簧片3的位置相对固定。压电陶瓷1伸长前，压电陶瓷上端101与被作用对象6无压力，被作用对象也不产生形变，压电陶瓷下端102与弹性簧片3也无压力(忽略压电陶瓷1的自身重力，下同)，弹性簧片3也不产生弹性变形；当压电陶瓷1在电压作用下伸长后，由于被作用对象6和弹性簧片3的位置相对固定，势必被作用对象6和弹性簧片3都会发生形变，如附图5所示。如果被作用对象6上的作用点位置变化，也可以通过伸长或缩短压电陶瓷1来稳定作用力，即可通过弹性簧片3的形变量来调节压电陶瓷1的伸长量来控制其作用在被作用对象6上的力。
可以通过理论计算来推算弹性簧片3所受到的力与弹性形变的关系，也可以通过事先标定的方法，标定弹性簧片3所受重力与微位移探测器4采集到的弹性形变量的关系。标定方法示意图如附图6所示，分别将不同重量的标准重物8放置于压电陶瓷上端101，重物在竖直安装的导槽7内可自由上下移动，同时分别记录相应的微位移探测器4的示数，并且选择在微位移探测器6量程范围内的数据，进行曲线拟合，拟合后的“压力—微位移量”关系曲线即可用于压电陶瓷1压力输出的控制曲线。
为了使得温度变化对该压力驱动装置的压力输出精度的影响降到最低，用于安装弹性簧片3的安装底座5可采用膨胀系数小的材料制作，如殷钢等，但不限于该材料。安装底座5采用紧定螺丝205，通过孔204及孔501与方向导槽2固定在一起。安装底座5中部存在一个螺纹孔502，通过紧定螺丝504将微位移探测器4与安装底座5固定在一起。安装底座5上存在一个或多个较大的通孔503用于引出微位移探测器4的读出电路引线。
为了使得弹性簧片3的性能稳定，可采用弹性好记忆性强的材料制作，如钛合金等，但不限于该材料。同时，可根据实际输出力的大小和作用点的位移大小等参数，结合压电陶瓷1的性能对弹性簧片3的材料、形状、尺寸等进行优化设计。弹性簧片3部分固定于安装底座5上，其它位置在力的作用下可以发生可探测的弹性形变。
为了减小压电陶瓷1与方向导槽2之间的摩擦力，以使得压力驱动装置输出更精确稳定的压力，方向导槽2与压电陶瓷1间可采用点接触的方式以降低摩擦力。方向导槽2上存在6个紧定螺丝206，通过方向导槽2上的紧定螺丝孔203旋入方向导槽2内与压电陶瓷1的外壁轻轻接触，其中6个紧定螺丝孔206分上下两排分布于方向导槽2上，每排三个紧定螺丝孔206，并呈120度角围绕方向导槽2的中心线对称分布。方向导槽2的一侧存在一个较大的通孔202，用于压电陶瓷1的控制线的引出。
弹性簧片3可根据被作用对象6的强度和压电陶瓷1的最大伸长缩短量、要求的压力分辨率等进行设计。对于容易变形的被作用对象6，且压力精度要求更高时，弹性簧片3也要相对容易变形，可选择更软更薄的弹性簧片3。弹性簧片3的形状可以采用长条形，也可采用圆形或其它形状。压电陶瓷1作用于被作用对象6上的压力，可以通过弹性簧片3的变形量来确定。此外，弹性簧片3由于自身的形变，也可以进一步分担压电陶瓷1在输出端101的位移量，使得控制更精确。
将微位移探测器4的数据与压电陶瓷1的伸长缩短量数据，结合事先计算或标定的“压力—微位移量”关系曲线，再辅助一定的闭环控制策略，即可实现只要被作用对象6的位置变化在压电陶瓷1的量程范围内，即可实现稳定可靠的恒压力作用。其中，闭环控制策略为一般常规控制策略，在此不再赘述。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所接露的技术范围内，可理解的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种高精度压力驱动装置，其特征在于包括：压电陶瓷(1)、方向导槽(2)、弹性簧片(3)、微位移探测器(4)和安装底座(5)；其中压电陶瓷(1)放置于方向导槽(2)中，方向导槽(2)上端存在一个开孔(201)，压电陶瓷(1)的上端(101)可从该开孔(201)中部分伸出，方向导槽(2)下端也存在一个开孔，用于与安装底座(5)连接，压电陶瓷(1)的下接触点(102)与弹性簧片(3)的中间刚性连接，使得弹性簧片(3)接触点能随着压电陶瓷(1)的下触点(102)一起运动，弹性簧片(3)两端可用固定螺丝(301)固定于安装底座(5)上，安装底座(5)上存在一个用于安装微位移探测器(4)的安装孔(504)。
2.根据权利要求1所述的一种高精度压力驱动装置，其特征在于：存在一个弹性簧片(3)，其采用弹性好、记忆性强的材料制作，并用弹性形变的大小来测算压力驱动装置的输出力大小。
3.根据权利要求1所述的一种高精度压力驱动装置，其特征在于：存在一个方向导槽(2)，方向导槽(2)上通过紧定螺丝(206)使得压电陶瓷(1)与方向导槽(2)形成点接触，以减小摩擦力。
4.根据权利要求1所述的一种高精度压力驱动装置，其特征在于：存在一个安装底座(5)，该安装底座(5)采用低膨胀系数材料制作，以减少温度变化对输出作用力精度的影响。
5.根据权利要求1所述的一种高精度压力驱动装置，其特征在于：存在一个闭环控制回路，使得作用力输出端位置不断变化时，也可以获得稳定的作用力输出。
6.根据权利要求1所述的一种高精度压力驱动装置，其特征在于：输出作用力的精度通过理论计算和事先标定的“压力—微位移量”关系曲线来控制。
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| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20170118 Termination date: 20220104 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |