CN105240656B - 一维大行程精密定位平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种一维大行程精密定位平台，包括壳体、设置在壳体一侧的交叉滚珠导轨及设置在壳体内的压电陶瓷和弹性件，交叉滚珠导轨包括动子导轨和相对设置在动子导轨两侧的定子导轨，定子导轨与动子导轨平行设置，定子导轨固定在壳体上，壳体内设置有收纳压电陶瓷和弹性件的收纳腔，收纳腔内还设置有第一固定件和第二固定件，第一固定件和第二固定件可沿动子导轨的纵长方向在收纳腔内移动，于动子导轨的纵长方向，压电陶瓷的一端抵持第一固定件，另一端抵持第二固定件，动子导轨固定在第二固定件上，弹性件固定在第一固定件上，于动子导轨的宽度方向，弹性件的两侧抵压收纳腔的内侧面，第一固定件和第二固定件之间通过柔性件连接。

Description

一维大行程精密定位平台

技术领域

本发明涉及一种一维大行程精密定位平台，属于微纳技术领域。

背景技术

纳米技术是人类对微观世界探索认识改造和利用的基本手段之一，其中纳米操作是纳米技术的重要内容，是国际机器人学和纳米科技领域受到广泛关注的热点研究领域。高效精密可控的纳米操作系统在光电信息技术及医疗技术等领域具有很大的应用前景。其中针对纳米尺度的物体或材料的自动化精确操纵是纳米操作系统必不可少的手段之一。目前，微系统工程、生物工程、医学工程、精密制造、航空航天等重要科学工程领域要求定位平台在有限的操作空间内，实现高精度定位和操作的同时，也能拥有更大的操作范围。具有微纳米级定位精度、毫米级行程、体积较小的跨尺度纳米定位技术已经成为纳米尺度操作必须解决的关键技术。此时，由常用的伺服电机驱动及精密丝杠传动等方式组成的机电系统很难满足要求。近年来，把压电陶瓷作为驱动源的微驱动技术渐渐兴起，压电陶瓷具备许多优良的特性，如：体积小、频响高、发热少、输出力大、无噪声、性能稳定等，且传动机构由柔性铰链组成，该方式无机械摩擦、无间隙、运动灵敏等，充分满足微纳精密定位的要求。通常基于压电陶瓷的跨尺度精密定位驱动器主要有：尺蠖驱动器、压电超声马达、压电谐波驱动器、宏微混合驱动器。通过对现有各种跨尺度驱动器的运动原理及结构分析研究发现：尺蠖驱动器运动速度较低，需要用到多个压电陶瓷叠堆，加工精度要求较高，结构复杂；压电超声马达效率较低，由于摩擦磨损严重影响了马达的使用寿命；压电谐波驱动器分辨率较低，在需要亚纳米精度、纳米精度的场合不再适用；宏微混合型驱动器驱动类型多样，结构复杂，尺寸较大，成本较高，驱动控制系统复杂。

发明内容

本发明的目的是提供一种一维大行程精密定位平台，其精度高，一致性好，摩擦小，性能稳定，且承载能力强。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：一种一维大行程精密定位平台，包括壳体、设置在所述壳体一侧的交叉滚珠导轨及设置在所述壳体内的压电陶瓷和弹性件，所述交叉滚珠导轨包括动子导轨和相对设置在所述动子导轨两侧的定子导轨，所述定子导轨与动子导轨平行设置，所述定子导轨固定在所述壳体上，所述壳体内设置有收纳压电陶瓷和弹性件的收纳腔，所述收纳腔内还设置有第一固定件和第二固定件，所述第一固定件和第二固定件可沿动子导轨的纵长方向在收纳腔内移动，于所述动子导轨的纵长方向，所述压电陶瓷的一端抵持所述第一固定件，另一端抵持所述第二固定件，所述动子导轨固定在所述第二固定件上，所述弹性件固定在所述第一固定件上，于所述动子导轨的宽度方向，所述弹性件的两侧抵压收纳腔的内侧面，所述第一固定件和第二固定件之间通过柔性件连接。

进一步的，所述压电陶瓷具有抵持第一固定件的第一抵持面和抵持第二固定件的第二抵持面，所述压电陶瓷的一侧设置有预紧螺钉，所述预紧螺钉抵持第一抵持面或第二抵持面。

进一步的，所述预紧螺钉与压电陶瓷之间夹持有垫片。

进一步的，所述预紧螺钉螺纹连接在所述第二固定件上，且所述垫片夹持在所述预紧螺钉与压电陶瓷的第二抵持面之间。

进一步的，于所述定子导轨的高度方向上，所述弹性件的相对两侧分别开设有安装孔和调节孔，所述第一固定件上设置有安装在所述安装孔内的定位螺钉和安装在所述调节孔内的调节螺钉。

进一步的，所述第一固定件包括第一架体和形成在第一架体内的第一中空腔，所述弹性件容置在所述第一中空腔内，所述第一固定件上设置有与所述压电陶瓷抵持的抵持部，所述抵持部包括自所述第一架体朝压电陶瓷突伸形成，所述柔性件设置在所述抵持部上。

进一步的，所述柔性件为自所述抵持部的侧面向外延伸形成的板体。

进一步的，所述第二固定件包括第二架体和形成在所述第二架体内的第二中空腔，所述压电陶瓷容置在所述第二中空腔内，所述第二架体包括相对设置的顶壁和底壁及自所述顶壁向下延伸形成的两侧壁，所述第二架体具有朝向第一架体的开口，所述抵持部自所述开口伸入至所述第二中空腔。

进一步的，所述板体为自抵持部的两侧面向外延伸形成的两个，两个所述板体分别与第二架体的两侧壁连接。

进一步的，所述壳体包括相对设置的上端壁和下端壁，所述定子导轨固定在所述上端壁上，所述上端壁上开设有槽道，所述动子导轨位于在所述槽道上方，所述下端壁上开设有与所述收纳腔连通的通孔。

借由上述方案，本发明至少具有以下优点：本发明的一维大行程精密定位平台通过采用交叉滚珠导轨、弹性件与压电陶瓷的配合，并通过柔性件实现连接，以解决了现有精密定位平台中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，使其具有精度高，一致性好，摩擦小，性能稳定，且承载能力强的优点。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是本发明的一维大行程精密定位平台的结构示意图；

图2是图1的主视图；

图3是图2中A-A向剖视图；

图4是图1的俯视图；

图5是图1中的部分结构图；

图6是图5中柔性架的结构示意图；

图7是图6的俯视图；

图8是图1中弹性件的结构示意图；

图9是图1中调节螺钉的结构示意图；

图10是本发明的一维大行程精密定位平台在运动时输入的锯齿波示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参见图1至图9，本发明一较佳实施例所述的一种一维大行程精密定位平台100包括壳体1、设置在所述壳体1一侧的交叉滚珠导轨2及设置在所述壳体1内的压电陶瓷3和弹性件4。所述壳体1内设置有收纳腔11，所述壳体1包括相对设置的上端壁12和下端壁13和相对设置的两侧端壁14，所述上端壁12、下端壁13和两侧端壁14围设形成收纳腔11。所述上端壁12上凹陷形成有凹槽15，该凹槽15包括垂直设置的水平面151和垂直面152，该上端壁12上开设有槽道16，该槽道16自上端壁12的后端面121朝上端壁12的前端面122贯穿，并且自水平面151向下贯穿以与收纳腔11连通。所述下端壁13上开设有与所述收纳腔11连通的通孔17。所述交叉滚珠导轨2包括动子导轨21和相对设置在所述动子导轨21两侧的定子导轨22，所述定子导轨22与动子导轨21平行设置，所述定子导轨22固定在所述壳体1的上端壁12上，位于上端壁12的凹槽15内，在本实施例中，该定子导轨22通过紧固件51固定在上端壁12上，所述垂直面152上开设有螺钉孔153，该螺钉孔153内设置有紧定螺钉52，该紧定螺钉52抵持交叉滚珠导轨2的定子导轨22，通过该紧定螺钉52以调节交叉滚珠导轨2的安装间隙，以调整由于交叉滚珠导轨2在安装过程所造成的装配误差。所述动子导轨21位于在所述槽道16上方，所述动子导轨21的纵长延伸方向同槽道16的纵长方向延伸。

所述压电陶瓷3和弹性件4设置在所述收纳腔11内，所述收纳腔11具有内底面111和垂直内底面111且相对设置的两内侧面112。所述收纳腔11内还设置有第一固定件61和第二固定件62，所述第一固定件61和第二固定件62沿所述动子导轨21的纵长方向排列，且所述第一固定件61和第二固定件62可沿动子导轨21的纵长方向在收纳腔11内移动。于所述动子导轨21的纵长方向，所述压电陶瓷3的一端抵持所述第一固定件61，另一端抵持所述第二固定件62。所述动子导轨21固定在所述第二固定件62上，所述弹性件4固定在所述第一固定件61上，且于所述动子导轨21的宽度方向，所述弹性件4的两侧抵压收纳腔11的内侧面112。所述第一固定件61和第二固定件62之间通过柔性件63连接。在本实施例中，所述第一固定件61包括第一架体611和形成在第一架体611内的第一中空腔612，所述弹性件4容置在所述第一中空腔612内，所述第一固定件61上设置有与所述压电陶瓷3抵持的抵持部613，所述抵持部613包括自所述第一架体611朝压电陶瓷3突伸形成，所述柔性件63设置在所述抵持部613上。在本实施例中，所述柔性件63为自所述抵持部613的侧面向外延伸形成的板体，所述板体63的厚度根据压电陶瓷3的刚度设置，以防止压电陶瓷3的位移损失过大。所述抵持部613的截面形成呈T型，该T型抵持部613的头部与压电陶瓷3抵持，以增加压电陶瓷3和抵持部613之间的接触面积。所述第二固定件62包括第二架体621和形成在所述第二架体621内的第二中空腔622，所述压电陶瓷3容置在所述第二中空腔622内，所述第二架体621包括相对设置的顶壁623和底壁624、自所述顶壁623向下延伸以连接底壁624的两侧壁625及连接顶壁623、底壁624和两侧壁625的后壁626，所述第二架体621具有朝向第一架体611的开口627，该开口627与后壁626相对设置。所述抵持部613自所述开口627伸入至所述第二中空腔622，以使整体结构更紧凑，集成度高。在本实施例中，所述板体63为自抵持部613的两侧面向外延伸形成的两个，两个所述板体63分别与第二架体621的两侧壁625连接，在其他实施方式中，该板体63可以为其他数量，以与第二固定件62的顶壁623、底壁624和两侧壁625均连接，或者，仅与其中顶壁623、底壁624、两侧壁625中的任意一个连接，或者与顶壁623、底壁624和两侧壁625中的任意三个连接。在本实施例中，由于柔性件63仅与两侧壁625连接，相对板体63与第二固定件62的顶壁623、底壁624和两侧壁625都连接或与顶壁623、底壁624和两侧壁625其中的三个连接来说，第一固定件61和第二固定件62之间活动更灵敏，有助于防止压电陶瓷3的位移损失过大，而相对仅与第二固定件62的顶壁623、底壁624和两侧壁625中的一个连接来说，第一固定件61和第二固定件62移动更平稳。所述第一壳体1的后壁626设置有预紧螺钉孔627，该第一壳体1的顶壁623伸入至槽道16，动子导轨21通过螺钉53固定在该顶壁623上。所述第一固定件61、第二固定件62和柔性件63作为一整体结构设置在收纳腔11内，其命名为柔性架6，该柔性架6选用7075铝合金。通过该柔性架6既能给压电陶瓷3提供预紧力，还能避免压电陶瓷3承受拉力，延长了压电陶瓷3的使用寿命，且消除了传动间隙，将压电陶瓷3通电伸长的位移传递出去。

在本实施例中，该弹性件4为O型弹簧片，该O型弹簧片4包括相对设置的第一平面段41和第二平面段42及连接第一平面段41和第二平面段42的两个弧形段43。于所述定子导轨22的高度方向上，该第一平面段41和第二平面段42为O型弹簧片4的上下两侧。两个弧形段43镜像设置，该两个弧形段43分别抵持收纳腔11的两内侧面112，以提供该一维大行程精密定位平台100运动所必须的摩擦力。所述O型弹簧片4的第一平面段41和第二平面段42上分别开设有安装孔44和调节孔45，所述第二固定件62上设置有安装在所述安装孔44内的定位螺钉54和安装在所述调节孔45内的调节螺钉55，所述O型弹簧片4内设置有抵持O型弹簧片4的固定块7，定位螺钉54与该固定块7螺纹连接。在本实施例中，该调节螺钉55具有固定在第二固定件62上的螺纹段551和伸入至调节孔45内的凸台552，通过凸台552和调节孔45的间隙配合，该调节螺钉55不仅能起到调整O型弹簧片4的变形和预紧作用，以将平台调整到最佳的工作状态，另外还可以起到限位作用。当调节螺钉55向上挤压O型弹簧片4时，O型弹簧片4会在水平方向上撑开，挤压收纳腔11的两内侧面112，从而增大O型弹簧片4与壳体1之间的摩擦力，当调节螺钉55向下松开时，O型弹簧片4与收纳腔11的两内侧面112的正压力减小，两者之间的摩擦力也随之减小，从而方便调整摩擦力的大小，另外，由于下端壁13上开设有与收纳腔11连通的通孔17，以便于在不拆卸该一维大行程精密定位平台100的情况下，将一维大行程精密定位平台100调整到最佳工作状态。在本实施例中，所述O型弹簧片4选用的材料为65Mn，其具有较好的耐磨性和弹性，厚度为0.2mm，经弯制而成。

所述压电陶瓷3具有抵持第一固定件61的抵持部613的第一抵持面31和抵持第二固定件62的后壁626的第二抵持面32。所述压电陶瓷3的一侧设置有预紧螺钉56，该预紧螺钉56安装在预紧螺钉孔627内，该预紧螺钉56抵持第二抵持面32，通过设置该预紧螺钉56以给压电陶瓷3提供预紧力，从而延长压电陶瓷3的使用寿命。在装配过程中，该预紧力不可加太大，以防止柔性架6发生失效破坏。所述预紧螺钉56与压电陶瓷3之间夹持有垫片8，以通过设置该垫片8以防止在调整预紧力的过程中预紧螺钉56对压电陶瓷3造成破坏。所述预紧螺钉56螺纹连接在所述第二固定件62上，且所述垫片8夹持在所述预紧螺钉56与压电陶瓷3的第二抵持面32之间。在本实施例中，该预紧螺钉56抵持第二抵持面32以实现对压电陶瓷3的调节，而在其他实施方式中，也可以将预紧螺钉56抵持第一抵持面31以实现对压电陶瓷3的调节。

上述一维大行程精密定位平台100既能满足纳米级的定位精度，又能实现毫米级的运动行程的跨尺度精密定位平台，为满足要求，该一维大行程精密定位平台100采用步进式和扫描式两种工作模式，步进式工作模式实现大行程运动，扫描式工作模式实现纳米级精密定位。请结合图1至图10，该一维大行程精密定位平台100的工作过程如下：当向压电陶瓷3输入如图10所示的锯齿波时，一维大行程精密定位平台100进入工作状态。当阶跃信号①-②驱动压电陶瓷3以很大加速度运动时，压电陶瓷3通过柔性架6将阶跃位移传递出去，交叉滚珠导轨2的动子导轨21和O型弹簧片4在相反的方向产生不同的微位移，而交叉滚珠导轨2的动子导轨21和O型弹簧片4的位移和即为压电陶瓷3的变形量；当施加在压电陶瓷3上的驱动信号为锯齿波斜坡②-③时，压电陶瓷3缓慢缩短，柔性架6慢慢恢复原状，O型弹簧片4在摩擦力作用下保持原位，交叉滚珠导轨2的动子导轨21在柔性架6的牵引下向着O型弹簧片4的方向运动，从而实现一个周期的运动，重复上述运动过程，就可以实现单步位移的累积，实现跨尺度运动。当交叉滚珠导轨2的动子导轨21接近目标位置，达到小于压电陶瓷3的最大变形量的范围内，可以切换扫描运动模式，通过斜率较小的电信号控制压电陶瓷3缓慢运动，O型弹簧片4在静摩擦力的作用下与压电陶瓷3一同运动，精确定位。另外，由于该一维大行程精密定位平台100在任何工作状态下O型弹簧片4均与壳体1之间保持接触，有较大的摩擦力，所以一维大行程精密定位平台100断电后，处于自锁状态。

综上所述，本发明的一维大行程精密定位平台100通过采用交叉滚珠导轨2、弹性件4与压电陶瓷3的配合，并通过柔性件63实现连接，以解决了现有精密定位平台中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，使其具有精度高，一致性好，摩擦小，性能稳定，且承载能力强的优点，且能实现纳米级的定位精度和毫米级的运动行程。另外，由于采用柔性架6，并将柔性架6设置在收纳腔11内，且将压电陶瓷3和O型弹簧片4分别设置在第一固定件61和第二固定架62中，从而使得整个一维大行程精密定位平台100尺寸较小，集成度高。该一维大行程精密定位平台100适用于空间受限制且定位精度要求高的场合。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种一维大行程精密定位平台，其特征在于：包括壳体、设置在所述壳体一侧的交叉滚珠导轨及设置在所述壳体内的压电陶瓷和弹性件，所述交叉滚珠导轨包括动子导轨和相对设置在所述动子导轨两侧的定子导轨，所述定子导轨与动子导轨平行设置，所述定子导轨固定在所述壳体上，所述壳体内设置有收纳压电陶瓷和弹性件的收纳腔，所述收纳腔内还设置有第一固定件和第二固定件，所述第一固定件和第二固定件可沿动子导轨的纵长方向在收纳腔内移动，于所述动子导轨的纵长方向，所述压电陶瓷的一端抵持所述第一固定件，另一端抵持所述第二固定件，所述动子导轨固定在所述第二固定件上，所述弹性件固定在所述第一固定件上，于所述动子导轨的宽度方向，所述弹性件的两侧抵压收纳腔的内侧面，所述第一固定件和第二固定件之间通过柔性件连接；

所述压电陶瓷具有抵持第一固定件的第一抵持面和抵持第二固定件的第二抵持面，所述压电陶瓷的一侧设置有预紧螺钉，所述预紧螺钉抵持第一抵持面或第二抵持面；

所述预紧螺钉与压电陶瓷之间夹持有垫片；

所述预紧螺钉螺纹连接在所述第二固定件上，且所述垫片夹持在所述预紧螺钉与压电陶瓷的第二抵持面之间。

2.根据权利要求1所述的一维大行程精密定位平台，其特征在于：于所述定子导轨的高度方向上，所述弹性件的相对两侧分别开设有安装孔和调节孔，所述第一固定件上设置有安装在所述安装孔内的定位螺钉和安装在所述调节孔内的调节螺钉。

3.根据权利要求1所述的一维大行程精密定位平台，其特征在于：所述第一固定件包括第一架体和形成在第一架体内的第一中空腔，所述弹性件容置在所述第一中空腔内，所述第一固定件上设置有与所述压电陶瓷抵持的抵持部，所述抵持部包括自所述第一架体朝压电陶瓷突伸形成，所述柔性件设置在所述抵持部上。

4.根据权利要求3所述的一维大行程精密定位平台，其特征在于：所述柔性件为自所述抵持部的侧面向外延伸形成的板体。

5.根据权利要求4所述的一维大行程精密定位平台，其特征在于：所述第二固定件包括第二架体和形成在所述第二架体内的第二中空腔，所述压电陶瓷容置在所述第二中空腔内，所述第二架体包括相对设置的顶壁和底壁及自所述顶壁向下延伸形成的两侧壁，所述第二架体具有朝向第一架体的开口，所述抵持部自所述开口伸入至所述第二中空腔。

6.根据权利要求5所述的一维大行程精密定位平台，其特征在于：所述板体为自抵持部的两侧面向外延伸形成的两个，两个所述板体分别与第二架体的两侧壁连接。

7.根据权利要求1所述的一维大行程精密定位平台，其特征在于：所述壳体包括相对设置的上端壁和下端壁，所述定子导轨固定在所述上端壁上，所述上端壁上开设有槽道，所述动子导轨位于在所述槽道上方，所述下端壁上开设有与所述收纳腔连通的通孔。