CN107104608B - 基于粘滑惯性的压电精密直线驱动平台 - Google Patents

基于粘滑惯性的压电精密直线驱动平台 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于粘滑惯性的压电精密直线驱动平台，属于精密驱动领域。包括驱动单元、运动单元和预紧单元，其中，所述驱动单元由压电叠堆A、压电叠堆B、柔性铰链总体以及可更换驱动触头A、可更换驱动触头B组成，为运动单元提供动力来源；所述运动单元由导轨及滑块组成，提供驱动平台的位移输出；所述预紧单元由预紧螺栓A、预紧螺栓B、预紧螺栓C组成，调节驱动单元与运动单元之间的预紧力。优点在于：结构紧凑，速度可调，运动行程大，定位精度高，可靠性强，适宜于应用在对空间尺寸要求严格、对运动行程及定位精度都有一定要求的运动控制场合。

Description

基于粘滑惯性的压电精密直线驱动平台
技术领域
本发明涉及精密驱动领域，特别涉及一种基于粘滑惯性的压电精密直线驱动平台。应用于精密与超精密加工、微机电系统、大规模及超大规模集成电路制造、精密光学、生物医学工程等领域。
背景技术
随着科学技术的发展，精密与超精密加工、生物医学工程、航空航天、微纳显微操作机器人等科学领域对高精度驱动装置的要求不断提高。传统的电机、液压传动、蜗轮蜗杆等驱动方式已逐渐满足不了现代科技中众多领域对微/纳米级运动精度和装置体积微小型化的要求。为了满足众多领域对高精度驱动装置的需求，科研人员已提出了若干种具有可行性的驱动方式，如形状记忆合金驱动、电/磁致伸缩驱动、静电驱动、相变驱动、压电驱动等。其中，压电驱动方式由于其体积小、重量轻、响应快、性能稳定、输出力大、不受磁场影响等特点得到了广泛应用。直动式压电驱动由于运动行程小的缺点而影响到其在众多领域中的应用，而一般的尺蠖式、粘滑式压电驱动又存在定子与动子间磨损而影响寿命的缺点，为了克服上述问题，设计一种具有大行程、小体积、高精度、寿命长的基于粘滑惯性的压电精密直线驱动平台是十分必要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于粘滑惯性的压电精密直线驱动平台，解决了现有压电精密驱动平台运动行程小、寿命短的问题。本发明具有结构紧凑、速度可控、工作性能稳定等优点。本发明通过向压电叠堆通入锯齿波，并通过调节锯齿波的频率改变进给速度、调节锯齿波的方向改变进给方向。与此同时，带有可替换的可更换驱动触头来解决因定子与动子间的磨损而造成的使用寿命较短问题。本发明包含驱动单元、运动单元与预紧单元，基于粘滑惯性原理，通过向压电叠堆输入频率、方向可调的锯齿波实现滑块可控的步进式连续进给。通过对压电叠堆采用不同的控制方式，可以实现快速进给定位和精密进给定位相结合的定位运动，达到同时保证运动迅速以及高定位精度的要求。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
基于粘滑惯性的压电精密直线驱动平台，包括驱动单元、运动单元和预紧单元，其中，所述驱动单元由压电叠堆A4、压电叠堆B13，柔性铰链总体2以及可更换驱动触头A8、可更换触头B9组成，为运动单元提供动力来源；所述运动单元由导轨6及滑块7组成，提供驱动平台的位移输出；所述预紧单元由预紧螺栓A3、预紧螺栓B12、预紧螺栓C15组成，调节驱动单元与运动单元之间的预紧力。
所述的驱动单元中，压电叠堆A4、压电叠堆B13安装在柔性铰链总体2内，所述柔性铰链总体2呈对称式结构，通过连接螺栓A1、连接螺栓B5、连接螺栓C11、连接螺栓D14与底板10紧固连接，并与可更换驱动触头A8、可更换驱动触头B9通过螺纹连接，可更换驱动触头A8、可更换驱动触头B9带动运动单元产生直线方向位移。
所述的运动单元中，导轨6通过连接螺栓E16、连接螺栓F17与底板10紧固连接，导轨6、滑块7之间为滚珠接触。
所述的预紧单元中，预紧螺栓A3、预紧螺栓B12分别调节可更换驱动触头A8、可更换触头B9与滑块7之间的预紧力；预紧螺栓C15调节柔性铰链总体2与滑块7之间的预紧程度。
所述的柔性铰链总体2为对称式结构，两侧皆加工成特定形状，可将压电叠堆A4、压电叠堆B13输出位移放大，并传递至可更换驱动触头A8、可更换驱动触头B9，同时输出驱动方向位移与预紧方向位移，两侧结构共同驱动滑块7实现进给运动；压电叠堆伸长时，可更换驱动触头A8、可更换驱动触头B9的位移方向可分解为沿导轨6的方向以及垂直于导轨6的方向，达到在压紧滑块产生较大预紧力的同时进行位移输出的目的。
本发明的有益效果在于：结构紧凑、简单，成本低，速度可调，运动行程大，定位精度高，可靠性强，适宜于应用在对空间尺寸要求严格、对运动行程及定位精度都有一定要求的运动控制场合。运动稳定可靠、采用两种控制方法可同时实现较快的运动速度及较高的定位精度。主要应用于精密与超精密加工、生物医学工程、航空航天、微纳显微操作机器人等科学领域。减小结构尺寸，提供速度快、精度高的驱动方式，满足对空间尺寸、运动行程及定位精度有严格要求的运动控制场合。具有运动速度可调、承载能力可调、运动行程大等优点，其在精密与超精密加工、生物医学工程、航空航天、微纳显微操作机器人等众多科学领域有广阔的应用前景。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的轴向结构示意图；
图2为本发明的俯视结构示意图；
图3为本发明的导轨安装示意图；
图4为本发明的可更换驱动触头的结构示意图。
图中：1、连接螺栓A；2、柔性铰链总体；3、预紧螺栓A；4、压电叠堆A；5、连接螺栓B；6、导轨；7、滑块；8、可更换驱动触头A；9、可更换驱动触头B；10、底板；11、连接螺栓C；12、预紧螺栓B；13、压电叠堆B；14、连接螺栓D；15、预紧螺栓C;16、连接螺栓E；17、连接螺栓F。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1至图4所示，本发明的基于粘滑惯性的压电精密直线驱动平台，能够通过快速进给方式或精密进给方式输出位移：运动初期因动子滑块离目标位置较远而采用快速进给方式，即对压电叠堆施加锯齿波，实现快速位移；运动后期因动子滑块离目标位置较近而采用精密进给方式，即对压电叠堆施加连续电压，并可结合位移传感器进行闭环反馈实现精密微进给运动。包括驱动单元、运动单元和预紧单元，其中，所述驱动单元由压电叠堆A4、压电叠堆B13、柔性铰链总体2以及可更换驱动触头A8、可更换驱动触头B9组成，为运动单元提供动力来源；所述运动单元由导轨6及滑块7组成，提供驱动平台的位移输出；所述预紧单元由预紧螺栓A3、预紧螺栓B12、预紧螺栓C15组成，调节驱动单元与运动单元之间的预紧力。
所述的驱动单元中，压电叠堆A4、压电叠堆B13安装在柔性铰链总体2内，所述柔性铰链总体2呈对称式结构，通过连接螺栓A1、连接螺栓B5、连接螺栓C11、连接螺栓D14与底板10紧固连接，并与可更换驱动触头A8、可更换驱动触头B9通过螺纹连接，基于粘滑惯性原理，可更换驱动触头A8、可更换驱动触头B9带动运动单元产生直线方向位移。
所述的运动单元中，导轨6通过连接螺栓E16、连接螺栓F17与底板10紧固连接，导轨6、滑块7之间装有滚珠，以降低摩擦力对驱动平台输出性能的影响。
所述的预紧单元中，预紧螺栓A3、预紧螺栓B12分别调节可更换驱动触头A8、可更换驱动触头B9与滑块7之间的预紧力；预紧螺栓C15调节柔性铰链总体2与滑块7之间的预紧程度。
所述的柔性铰链总体2为对称式结构，两侧结构皆加工成特定形状，可将压电叠堆A4、压电叠堆B13输出位移放大，并传递至可更换驱动触头A8、可更换驱动触头B9，同时输出驱动方向位移与预紧方向位移，两侧结构共同驱动滑块7实现进给运动；压电叠堆伸长时，可更换驱动触头A8、可更换驱动触头B9的位移方向可分解为沿导轨6的方向以及垂直于导轨6的方向，达到在压紧滑块产生较大预紧力的同时进行位移输出的目的，更加有利于粘滑惯性运动的实现。
参见图1至图4所示，本发明的具体工作过程如下：本发明的压电精密直线驱动平台运动的实现：向压电叠堆A4通入正向锯齿波，压电叠堆B13通入反向锯齿波，此时可更换驱动触头A8 、可更换驱动触头B9动作一致，基于粘滑惯性原理驱动滑块7产生直线单一方向位移。通过改变通入的锯齿波方向即可改变滑块7的运动方向，其运动速度可通过改变锯齿波的频率进行调节。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于粘滑惯性的压电精密直线驱动平台，其特征在于：包括驱动单元、运动单元和预紧单元，其中，所述驱动单元由压电叠堆A（4）、压电叠堆B（13）、柔性铰链总体（2）以及可更换驱动触头A（8）、可更换驱动触头B（9）组成，为运动单元提供动力来源；所述运动单元由导轨（6）及滑块（7）组成，提供驱动平台的位移输出；所述预紧单元由预紧螺栓A（3）、预紧螺栓B（12）、预紧螺栓C（15）组成，调节驱动单元与运动单元之间的预紧力；所述的驱动单元中，压电叠堆A（4）、压电叠堆B（13）安装在柔性铰链总体（2）内，所述柔性铰链总体（2）呈对称式结构，通过连接螺栓A（1）、连接螺栓B（5）、连接螺栓C（11）、连接螺栓D（14）与底板（10）紧固连接，并与可更换驱动触头A（8）、可更换驱动触头B（9）通过螺纹连接，可更换驱动触头A（8）、可更换驱动触头B（9）驱动运动单元产生直线方向位移；
所述的柔性铰链总体（2）为对称式结构，两侧结构皆加工成特定形状，即两侧结构皆是由具有对称拱桥形状的桥式柔性铰链位移放大机构和具有可绕根部旋转功能的杠杆式柔性铰链位移放大机构串联组成，可将压电叠堆A（4）、压电叠堆B（13）输出位移放大，并传递至可更换驱动触头A（8）、可更换驱动触头B（9），同时输出驱动方向位移与预紧方向位移，两侧结构共同驱动滑块（7）实现快速进给；压电叠堆伸长时，可更换驱动触头A（8）、可更换驱动触头B（9）的位移方向可分解为沿导轨（6）的方向以及垂直于导轨（6）的方向，达到在压紧滑块产生较大预紧力的同时进行位移输出的目的。
2.根据权利要求1所述的基于粘滑惯性的压电精密直线驱动平台，其特征在于：所述的运动单元中，导轨（6）通过连接螺栓E（16）、连接螺栓F（17）与底板（10）紧固连接，导轨（6）、滑块（7）之间为滚珠接触。
3.根据权利要求1所述的基于粘滑惯性的压电精密直线驱动平台，其特征在于：所述的预紧单元中，预紧螺栓A（3）、预紧螺栓B（12）分别调节可更换驱动触头A（8）、可更换驱动触头B（9）与滑块（7）之间的预紧力；预紧螺栓C（15）调节柔性铰链总体（2）与滑块（7）之间的预紧程度。
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