CN105720858B - 一种摩擦力精确可调的冲击式压电驱动装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种摩擦力精确可调的冲击式压电微位移驱动装置，一种摩擦力精确可调的冲击式压电驱动装置，包括摩擦力精确调节机构、微纳米级压电驱动机构和精密手动平移台，摩擦力精确调节机构和精密手动平移台分别位于微纳米级压电驱动机构两端，且精密手动平移台设置在微纳米级压电驱动机构顶部，目标体设置在微纳米级压电驱动机构上。摩擦力精确调节机构和精密手动平移台为微纳米级压电驱动机构提供准确的目标体最大静摩擦力和行程弹簧预压缩量。本发明提供了精确的摩擦力，提高了定位效率，实现了目标体定位距离的大行程。
Description
技术领域
本发明属于微定位和微控制领域，具体涉及一种摩擦力精确可调的冲击式压电驱动装置。
背景技术
随着超精密科技的迅猛发展，微纳米级位移的测量、定位及控制技术已成为精密仪器工业进一步升级的迫切要求。基于压电材料的智能结构由于具有控制精度高、响应速度快、单位质量输出功率高、不受电磁干扰的优点，在超精密加工、微小机械零件装配、微操作机器人、MEMS 制造、光学调整、显微医疗和生物工程等领域得到了广泛应用，并成为目前最有前途的智能驱动器件之一。
最早的压电驱动装置仅利用压电体的逆压电效应，通过改变电压激励的大小改变压电体的伸缩量，从而使压电叠堆产生了精确定位的能力。经典的尺蠖式压电驱动器利用压电叠堆端部固结的质量块与工作台之间的摩擦力实现对质量块的精确定位。但压电叠堆的输出总位移量较小，因此其行程较小。
沈煜年对一种新型的行程弹簧-压电冲击式驱动器（杂志名：Science in ChinaSeries E: Technological Sciences）的动力学响应进行了理论计算，得到了该驱动器在不同电压激励下的定位过程。Liu Yung-Tien提出了一种新型的行程弹簧-压电冲击式的压电驱动器（杂志名：Precision Engineering），利用行程弹簧实现驱动器大行程，采用撞击方式对目标体实施精确定位。由于该驱动器中目标体正压力的施加装置简单粗糙（通过一个螺母给进，使得法向弹簧产生一定压紧力，该压紧力只是通过螺母的给进圈数进行简单估算，估算值会降低预期的定位精度），因此该驱动器仍存在目标体上的摩擦力无法准确施加以及行程弹簧预压缩量无法精确给定的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种摩擦力精确可调的冲击式压电驱动装置，解决了目标体摩擦力的精确施加和行程弹簧预压缩量的精确给定等问题。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种摩擦力精确可调的冲击式压电驱动装置，包括摩擦力精确调节机构、微纳米级压电驱动机构和精密手动平移台，摩擦力精确调节机构和精密手动平移台分别位于微纳米级压电驱动机构两端，且精密手动平移台设置在微纳米级压电驱动机构顶部，目标体设置在微纳米级压电驱动机构上。
所述摩擦力精确调节机构包括进给螺杆、锁紧块、支架框、弹簧上底座、压缩弹簧、弹簧下底座、力压电传感传感器和下垫片；支架框顶面设有长条形通孔，进给螺杆穿过所述长条形通孔，通过锁紧块与支架框顶面固连；弹簧上底座和弹簧下底座分别设置在压缩弹簧的两端，进给螺杆底面与弹簧上底座接触，弹簧下底座底面设有力压电传感传感器，力压电传感传感器设置在目标体顶部，且力压电传感传感器和目标体之间设有下垫片，支架框设置在微纳米级压电驱动机构的一端。
所述下垫片底面涂覆润滑油。
所述微纳米级压电驱动机构包括行程弹簧、弹簧前底座、弹簧后底座、弹性杆、前部惯性质量块、后部惯性质量块、压电叠堆、杆状冲击锤、支撑滑块、目标体基座和V型槽底座；行程弹簧、弹簧前底座、弹簧后底座、弹性杆、前部惯性质量块、后部惯性质量块、压电叠堆、杆状冲击锤、支撑滑块、目标体基座均设置在V型槽底座上，前部惯性质量块和后部惯性质量块之间设有压电叠堆，前部惯性质量块和后部惯性质量块两侧设有支撑滑块，杆状冲击锤一端穿过支撑滑块与前部惯性质量块固连，另一端与目标体接触，目标体设置在目标体基座上；弹性杆一端穿过支撑滑块与后部惯性质量块固连；弹性杆另一端与弹簧前底座固连，行程弹簧两端分别与弹簧前底座和弹簧后底座固连。
所述压电叠堆的两端分别设有连接帽，用于连接前部惯性质量块、后部惯性质量块。
所述杆状冲击锤和弹性杆均与支撑滑块之间无摩擦。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：（1）本发明由于能够通过摩擦力精确调节机构精确显示并调节最大静摩擦力值，提高了最大静摩擦力的施加精度和定位效率。
（2）通过精密手动平移台可精确施加行程弹簧的预压缩量。
（3）目标体产生运动的驱动力为接触力，其是单边约束力，与传统的双边约束力不同，采用单边约束力的好处在于压电叠堆的驱动电压交流电压，而不必总是直流电压。
（4）通过在压电叠堆后端轴向固结一个行程弹簧，使目标体能获得远大于压电叠堆自身最大伸缩量的定位位移。
附图说明
图1为本发明的摩擦力精确可调的冲击式压电驱动装置的整体结构示意图；其中，I-摩擦力精确调节机构，II-微纳米级压电驱动机构，III-精密手动平移台。
图2为本发明的微纳米级压电驱动机构的结构示意图；其中，1-行程弹簧，2-弹簧前底座，3-弹簧后底座，4-弹性杆，5-前部惯性质量块，6-后部惯性质量块，7-压电叠堆，8-杆状冲击锤，9-V型滑块，10-V型槽底座，11-目标体。
图3为本发明的摩擦力精确调节机构的结构示意图。其中，12-进给螺杆，13-锁紧块、14-支架框、15-弹簧上底座、16-压缩弹簧、17-弹簧下底座、18-力压电传感传感器、19-下垫片、24-目标体基座。
图4为本发明的精密手动平移台的结构示意图。其中，20-细牙螺杆或微分头，21-移动台面，22-台面固结板，23-具有V形导轨平移台底座。
图5为本发明的摩擦力精确可调的冲击式压电驱动装置的侧视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
结合图1至图5，一种摩擦力精确可调的冲击式压电驱动装置，通过电压控制器操纵冲击锤撞击目标体，实现目标体的步进式运动，完成目标体微纳米级的精确定位。包括摩擦力精确调节机构I、微纳米级压电驱动机构II和精密手动平移台III，摩擦力精确调节机构I和精密手动平移台III分别位于微纳米级压电驱动机构II两端，且精密手动平移台III设置在微纳米级压电驱动机构II顶部，目标体11设置在微纳米级压电驱动机构II上。
所述摩擦力精确调节机构I包括进给螺杆12、锁紧块13、支架框14、弹簧上底座15、压缩弹簧16、弹簧下底座17、力压电传感传感器18和下垫片19。支架框14顶面设有长条形通孔，进给螺杆12穿过所述长条形通孔，通过锁紧块13与支架框14顶面固连。弹簧上底座15和弹簧下底座17分别设置在压缩弹簧16的两端，进给螺杆12底面与弹簧上底座15接触，弹簧下底座17底面设有力压电传感传感器18，力压电传感传感器18设置在目标体11顶部，且力压电传感传感器18和目标体11之间设有下垫片19，支架框14设置在微纳米级压电驱动机构II的一端。
下垫片19底面（即与目标体11的接触面）涂覆润滑油。
微纳米级压电驱动机构II是目标体驱动力的来源，包括行程弹簧1、弹簧前底座2、弹簧后底座3、弹性杆4、前部惯性质量块5、后部惯性质量块6、压电叠堆7、杆状冲击锤8、支撑滑块9、目标体基座24和V型槽底座10。行程弹簧1、弹簧前底座2、弹簧后底座3、弹性杆4、前部惯性质量块5、后部惯性质量块6、压电叠堆7、杆状冲击锤8、支撑滑块9、目标体基座24均设置在V型槽底座10上。前部惯性质量块5和后部惯性质量块6之间设有压电叠堆7，为了便于装配，压电叠堆7的两端分别设有连接帽，压电叠堆7与连接帽采用环氧树脂粘接，连接帽通过螺纹分别与前部惯性质量块5、后部惯性质量块6连接。前部惯性质量块5和后部惯性质量块6的外壁分别设有支撑滑块9，杆状冲击锤8一端穿过支撑滑块9与前部惯性质量块5通过螺纹固连，另一端与目标体11接触，目标体11设置在目标体基座24上；弹性杆4一端穿过支撑滑块9与后部惯性质量块6通过螺纹固连（或在弹性杆4外圈粘接上后部惯性质量块6）。弹性杆4另一端与弹簧前底座2通过螺纹固连，行程弹簧1两端分别与弹簧前底座2和弹簧后底座3固连。
压电叠堆7的各种形式的输入电压由压电叠堆专用电源提供。杆状冲击锤8和弹性杆4均与支撑滑块9之间无摩擦，在表面加工时，需要使二者的接触表面尽量光滑，并施加润滑油涂层。目标体基座24与V型槽底座10采用螺纹固连。利用螺栓将V型槽底座10固定在精密仪器隔震台上。
精密手动平移台III（市购，厂家：北京华光科达、型号HG21TM25M），采用中心驱动方式，用微分头20推动移动台面21在具有V形导轨和线性滚珠的平移台底座23上移动。移动台面21设标准孔位，便于安装台面固结板22。为保证定位前整个装置的静止，要求行程弹簧1的预紧力不能超过目标体11与V型槽底座10间的最大静摩擦力，即摩擦力精确调节器摩擦力的设定值。
工作过程：首先，利用摩擦力精确调节机构对目标体11加载一个精确的摩擦阻力，然后，利用精密手动平移台对行程弹簧1施加预压缩量，压电叠堆7在电压激励的作用下发生伸长，杆状冲击锤8在压电叠堆7的推动下，撞击目标体11，导致目标体11产生微纳米级的位移，最终完成对目标体11的精确定位。
摩擦力精确调节机构既可以精确显示压缩弹簧16的预紧力，又可以精确调节压缩弹簧16的预紧力，从而增加了目标体11最大静摩擦力的施加精度，提高了定位效率。
Claims (6)
1.一种摩擦力精确可调的冲击式压电驱动装置，其特征在于：包括摩擦力精确调节机构（I）、微纳米级压电驱动机构（II）和精密手动平移台（III），摩擦力精确调节机构（I）和精密手动平移台（III）分别位于微纳米级压电驱动机构（II）两端，且精密手动平移台（III）设置在微纳米级压电驱动机构（II）顶部，目标体（11）设置在微纳米级压电驱动机构（II）上。
2.根据权利要求1所述的摩擦力精确可调的冲击式压电驱动装置，其特征在于：所述摩擦力精确调节机构（I）包括进给螺杆（12）、锁紧块（13）、支架框（14）、弹簧上底座（15）、压缩弹簧（16）、弹簧下底座（17）、力压电传感传感器（18）和下垫片（19）；支架框（14）顶面设有长条形通孔，进给螺杆（12）穿过所述长条形通孔，通过锁紧块（13）与支架框（14）顶面固连；弹簧上底座（15）和弹簧下底座（17）分别设置在压缩弹簧（16）的两端，进给螺杆（12）底面与弹簧上底座（15）接触，弹簧下底座（17）底面设有力压电传感传感器（18），力压电传感传感器（18）设置在目标体（11）顶部，且力压电传感传感器（18）和目标体（11）之间设有下垫片（19），支架框（14）设置在微纳米级压电驱动机构（II）的一端。
3.根据权利要求2所述的摩擦力精确可调的冲击式压电驱动装置，其特征在于：所述下垫片（19）底面涂覆润滑油。
4.根据权利要求2所述的摩擦力精确可调的冲击式压电驱动装置，其特征在于：所述微纳米级压电驱动机构（II）包括行程弹簧（1）、弹簧前底座（2）、弹簧后底座（3）、弹性杆（4）、前部惯性质量块（5）、后部惯性质量块（6）、压电叠堆（7）、杆状冲击锤（8）、支撑滑块（9）、目标体基座（24）和V型槽底座（10）；行程弹簧（1）、弹簧前底座（2）、弹簧后底座（3）、弹性杆（4）、前部惯性质量块（5）、后部惯性质量块（6）、压电叠堆（7）、杆状冲击锤（8）、支撑滑块（9）、目标体基座（24）均设置在V型槽底座（10）上，前部惯性质量块（5）和后部惯性质量块（6）之间设有压电叠堆（7），前部惯性质量块（5）和后部惯性质量块（6）两侧设有支撑滑块（9），杆状冲击锤（8）一端穿过支撑滑块（9）与前部惯性质量块（5）固连，另一端与目标体（11）接触，目标体（11）设置在目标体基座（24）上；弹性杆（4）一端穿过支撑滑块（9）与后部惯性质量块（6）固连；弹性杆（4）另一端与弹簧前底座（2）固连，行程弹簧（1）两端分别与弹簧前底座（2）和弹簧后底座（3）固连。
5.根据权利要求4所述的摩擦力精确可调的冲击式压电驱动装置，其特征在于：所述压电叠堆（7）的两端分别设有连接帽，用于连接前部惯性质量块（5）、后部惯性质量块（6）。
6.根据权利要求4所述的摩擦力精确可调的冲击式压电驱动装置，其特征在于：所述杆状冲击锤（8）和弹性杆（4）均与支撑滑块（9）之间无摩擦。
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