CN107240422A

CN107240422A - 一种压电微位移补偿的气动精密定位机构

Info

Publication number: CN107240422A
Application number: CN201710468177.8A
Authority: CN
Inventors: 许有熊; 朱松青; 周浩; 刘娣; 郝飞
Original assignee: Nanjing Institute of Technology
Current assignee: NANJING ONE SYSTEM AUTOMATIC EQUIPMENT Co.,Ltd.
Priority date: 2017-06-20
Filing date: 2017-06-20
Publication date: 2017-10-10
Anticipated expiration: 2037-06-20
Also published as: CN107240422B

Abstract

本发明是一种压电微位移补偿的气动精密定位机构由气缸、压电陶瓷位移放大机构、第二滑块、第一滑块、导轨7、光栅传感器的玻璃尺9、光栅传感器的第一读数头、光栅传感器的第二读数头、工作台以及气缸与工作台的第一连接件、第二连接件、气缸与压电陶瓷位移放大机构和第一滑块的第四连接件、第四连接件与第一光栅传感器的读数头的第六连接件、压电陶瓷位移放大机构的位移输出轴与第二滑块的第五连接件、第五连接件与第二光栅传感器的读数头的第七连接件、导轨与工作台的第三连接件组成。本发明定位机构实现了用压电陶瓷输出的微位移补偿气缸的输出位移精度，实现了大行程高精度定位。

Description

一种压电微位移补偿的气动精密定位机构

技术领域

本发明涉及一种气动精密定位机构，特别是涉及一种压电微位移补偿的气动精密定位机构。

背景技术

气动系统因其成本低廉、节能、响应速度快、元件结构简单、工作效率高、使用和维修方便、功率重量比高、抗干扰性强，便于集中供气和无污染等一系列优点，在机械、运输、化工、冶金、采矿、微电子、生物工程、食品、纺织、医药以及军事等工业部门等工业部门得到了广泛的应用。传统气动系统采用机械定位和节流阀调速的方式，经常无法满足许多设备的自动控制要求。而采用电-气比例或伺服控制系统能非常方便地实现多点无级定位（柔性定位）和无级调速，仅需改变控制程序就能实现定位位置的改变，大幅度降低气缸的动作时间，缩短工序节拍，提高生产率。

但由于空气具有较大的压缩性、阀口流量的非线性和气缸活塞存在较大摩擦力等原因，导致了气动伺服的强非线性和低刚度、气压传播速度慢，从而导致大的时间滞后、大的摩擦力而带来的死区以及系统参数易受环境影响等，使得气动系统难于实现精密的位置控制，且稳定性较差，严重限制了气动定位系统在微纳光刻加工、精密电子产品的自动化装配及快速精密加工机床等领域中的应用。因此，围绕着如何实现气动系统的快速高精度定位这一问题，国内外专家进行了很多研究与探索。

目前为止，对气动定位精度进行改进的研究共分为四类：①数学模型的研究；②控制方法的研究；③新型控制元件的研究；④新形式的气动执行器的研究。虽然做了很多研究，但定位精度始终突破不了微米级，仍实现不了大行程的精密定位。

发明内容

针对现有气动定位系统定位精度差不能满足精密机械工程的应用需求，本发明结合压电陶瓷的优点，并应用到气动定位系统中，提出一种基于压电微位移补偿的气动精密定位机构以实现大行程高精度定位的气动精密定位机构。

为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明的一种压电微位移补偿的气动精密定位机构，由气缸、压电陶瓷位移放大机构、第二滑块、第一滑块、导轨7、光栅传感器的玻璃尺9、光栅传感器的第一读数头、光栅传感器的第二读数头、工作台以及气缸与工作台的第一连接件、第二连接件、气缸与压电陶瓷位移放大机构和第一滑块的第四连接件、第四连接件与光栅传感器的第一读数头的第六连接件、压电陶瓷位移放大机构的位移输出轴与第二滑块的第五连接件、第五连接件与光栅传感器的第二读数头的第七连接件、导轨与工作台的第三连接件组成。

在工作台上一端通过第一连接件和第二连接件支撑设置有气缸，在工作台上另一端通过第三连接件支撑设置导轨，在第三连接件上的凹槽内设置有光栅传感器的玻璃尺，在导轨上设置有第二滑块和第一滑块，在第一滑块的上方设置压电陶瓷位移放大机构，气缸的活塞杆与压电陶瓷位移放大机构通过第四连接件串联在一起，压电陶瓷位移放大机构的位移输出轴与第二滑块之间通过第五连接件连接，光栅传感器的第一读数头通过第六连接件和第四连接件与气缸的活塞杆连接，以此来测量气缸相对工作台的位移输出，光栅传感器的第二读数头通过第七连接件、第五连接件与压电陶瓷位移放大机构的位移输出轴连接，以此来测量压电陶瓷位移放大器的位移输出轴相对工作台的位移输出，即气动精密定位机构的整体位移。

本发明的进一步改进在于：压电陶瓷位移放大机构是由底座、压电陶瓷固定件、压电陶瓷制动器、液压放大器腔体、小膜片压盖、弹簧压盖、读数头连接件、光栅传感器的读数头、光栅传感器的玻璃尺、位移输出轴、小膜片、小硬芯、大硬芯上、大膜片、大硬芯下、硬芯与压电连接件组成；其中，压电陶瓷固定件下端固定在底座上，压电陶瓷固定件上端与液压放大器腔体连接，且两者夹紧大膜片，液压放大器腔体的上端与小膜片压盖连接，且两者夹紧小膜片，小膜片压盖通过螺纹与弹簧压盖配合，光栅传感器的第二玻璃尺安装在小膜片压盖的凹槽内；压电陶瓷制动器的底端固定在底座上，顶端和硬芯与压电连接件的一段相连，硬芯包括大硬芯上和大硬芯下，大硬芯上和大硬芯下夹着大膜片，共同紧固在硬芯与压电连接件的另一端，大膜片与小膜片之间的密闭空间中充满液压油，位移输出轴的下端和小硬芯夹着小膜片，位移输出轴的上端与读数头连接件紧固在一起，光栅传感器的第三读数头固定在读数头连接件上。

本发明的有益效果是：压电陶瓷驱动器响应速度快、工作频率宽、便于控制等优点，其输出位移可达几十到上百微米，且能实现纳米级的定位精度，因此，结合气动定位技术与压电技术独特的优点，可以开发出一种压电微位移补偿的气动精密定位机构，这也是本发明专利的出发点，但压电陶瓷驱动器的输出位移范围小于气缸的定位精度，需要对压电陶瓷的输出位移进行有效放大。本发明采用膜式液压放大原理以有效放大压电陶瓷驱动器的输出位移，并以此来补偿气缸输出位移误差，以实现大行程的高精度定位。

本发明结合气动定位技术与压电技术的优点，本发明提供了一种压电微位移补偿的气动精密定位机构，能实现大行程的高精度定位，以满足当前精密工程领域等需要大行程高精度定位的场合。

附图说明

图1是本发明的结构图。

图2是本发明压电陶瓷位移放大机构剖视图。

图3是本发明光栅传感器配合示意图

其中：1-气缸；2-第四连接件；3-压电陶瓷位移放大机构；4-第一滑块；5-第五连接件；6-第二滑块；7-导轨；8-第三连接件；9-玻璃尺；10-第七连接件；11-第二读数头；12-第六连接件；13-第一读数头；14-第一连接件；15-第二连接件；16-工作台；3-1-底座；3-2-压电陶瓷固定件；3-3-压电陶瓷制动器；3-4-液压放大器腔体；3-5-小膜片压盖；3-6-弹簧压盖；3-7-读数头连接件；3-8-光栅传感器的第三读数头；3-9-光栅传感器的第二玻璃尺；3-10-位移输出轴；3-11-小膜片；3-12-小硬芯；3-13-大硬芯上；3-14-大膜片；3-15-大硬芯下；3-16-硬芯与压电连接件。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的具体实施方式不限于此，凡依本发明的创造精神及特征、模式和实现本发明功能的都在本发明的保护范围之内。

本发明的一种压电微位移补偿的气动精密定位机构，由气缸1、压电陶瓷位移放大机构3、第一滑块4、第二滑块6、导轨7、光栅传感器的玻璃尺9、光栅传感器的第二读数头11、光栅传感器的第一读数头13、工作台16以及气缸1与工作台16的第一连接件14、第二连接件15、气缸1与压电陶瓷位移放大机构3和第一滑块4的第四连接件2、第四连接件2与光栅传感器的第一读数头13的第六连接件12、压电陶瓷位移放大机构3的位移输出轴与第二滑块6的第五连接件5、第五连接件5与光栅传感器的第二读数头11的第七连接件10、导轨7与工作台16的第三连接件8组成，其中，气缸1的缸体通过第一连接件14、第二连接件15固定在工作台16上，也就是说在所述工作台16上一端通过第一连接件14和第二连接件15支撑设置有气缸1，在所述工作台16上另一端通过第三连接件8支撑设置导轨7，在所述导轨7上设置有第二滑块6和第一滑块4，在所述第一滑块4的上方设置压电陶瓷位移放大机构3，气缸1的活塞杆与压电陶瓷位移放大机构3通过第四连接件2串联在一起，并通过第一滑块4支撑，导轨7通过第三连接件8固定在工作台16上，光栅传感器的玻璃尺9安装在第三连接件8的凹槽内，光栅传感器的第二读数头13通过第六连接件12,第四连接件2与气缸1的活塞杆连接，以此来测量气缸相对工作台的位移输出；压电陶瓷位移放大机构3的位移输出轴3-10经第五连接件5通过第二滑块6支撑，光栅传感器的第二读数头11通过第七连接件10,第五连接件5与压电陶瓷位移放大机构3的位移输出轴连接，以此来测量压电陶瓷位移放大器输出轴相对工作台的位移输出，即宏微混合驱动的整体位移，也就是气动精密定位机构的整体位移，压电陶瓷位移放大机构3是由底座3-1、压电陶瓷固定件3-2、压电陶瓷制动器3-3、液压放大器腔体3-4、小膜片压盖3-5、弹簧压盖3-6、读数头连接件3-7、光栅传感器的第三读数头3-8、光栅传感器的第二玻璃尺3-9、位移输出轴3-10、小膜片3-11、小硬芯3-12、大硬芯上3-13、大膜片3-14、大硬芯下3-15、硬芯与压电连接件3-16组成；其中，压电陶瓷固定件3-2下端固定在底座3-1上，上端与液压放大器腔体3-4连接，且两者夹紧大膜片3-14，液压放大器腔体3-4的上端与小膜片压盖3-5连接，且两者夹紧小膜片3-11，小膜片压盖3-5通过螺纹与弹簧压盖3-6配合，光栅传感器的第二玻璃尺3-9安装在小膜片压盖3-5的凹槽内；压电陶瓷制动器3-3的底端固定在底座3-1上，顶端和硬芯与压电连接件3-16的一段相连，大硬芯上3-13和大硬芯下3-15夹着大膜片3-14，共同紧固在硬芯与压电连接件3-16的另一端，大膜片3-14与小膜片3-11之间的密闭空间中充满液压油，位移输出轴3-10的下端和小硬芯3-12夹着小膜片3-11，上端与读数头连接件3-7紧固在一起，光栅传感器的第三读数头3-8固定在读数头连接件3-7上，光栅传感器的第二读数头11、光栅传感器的第一读数头13共用玻璃尺9完成测量，光栅传感器的第二读数头11与玻璃尺9配合，测量总定位机构的总输出位移，光栅传感器的第一读数头13与所述玻璃尺9配合，测量气缸的输出位移，光栅传感器的第二玻璃尺3-9和光栅传感器的第三读数头3-8配合，测量放大机构的总位移。

本发明的运动方式为：通过控制气缸1运动并推动第一滑块4和第二滑块6运动，光栅传感器的第二读数头11测定定位机构实际总输出位移，并与理论设定值进行比较，当其位置误差小于切换阈值时，气缸1保持不动，此时，压电陶瓷驱动器3-3开始运动，并经液压放大后推动第二滑块6进行位置，使得定位机构达到理想位置，其精度可达亚微米。

Claims

1.一种压电微位移补偿的气动精密定位机构，包括工作台（16），其特征在于：在所述工作台（16）上一端通过第一连接件（14）和第二连接件（15）支撑设置有气缸（1），在所述工作台（16）上另一端通过第三连接件（8）支撑设置导轨（7），在所述第三连接件（8）上的凹槽内设置有光栅传感器的玻璃尺（9），在所述导轨（7）上设置有第二滑块（6）和第一滑块（4），在所述第一滑块（4）的上方设置压电陶瓷位移放大机构（3），所述气缸（1）的活塞杆与压电陶瓷位移放大机构（3）通过第四连接件（2）串联在一起，所述压电陶瓷位移放大机构（3）的位移输出轴（3-10）与所述第二滑块（6）之间通过第五连接件（5）连接，光栅传感器的第一读数头（13）通过第六连接件（12）和第四连接件（2）与气缸（1）的活塞杆连接，以此来测量气缸（1）相对工作台（16）的位移输出，光栅传感器的第二读数头（11）通过第七连接件（10）、第五连接件（5）与压电陶瓷位移放大机构（3）的位移输出轴（3-10）连接，以此来测量压电陶瓷位移放大器的位移输出轴（3-10）相对工作台（16）的位移输出，即气动精密定位机构的整体位移。

2.根据权利要求1所述一种压电微位移补偿的气动精密定位机构，其特征在于：所述压电陶瓷位移放大机构（3）包括底座（3-1），压电陶瓷固定件（3-2）下端固定在所述底座（3-1）上，所述压电陶瓷固定件（3-2）的上端与液压放大器腔体（3-4）连接，且所述压电陶瓷固定件（3-2）与所述液压放大器腔体（3-4）夹紧大膜片（3-14），所述液压放大器腔体（3-4）的上端与小膜片压盖（3-5）连接，且所述液压放大器腔体（3-4）与所述小膜片压盖（3-5）夹紧小膜片（3-11），所述小膜片压盖（3-5）通过螺纹与弹簧压盖（3-6）配合，光栅传感器的第二玻璃尺（3-9）安装在所述小膜片压盖（3-5）的凹槽内，压电陶瓷制动器（3-3）的底端固定在所述底座（3-1）上，压电陶瓷制动器（3-3）的顶端和硬芯与压电连接件（3-16）的一段相连，所述硬芯包括大硬芯上（3-13）和大硬芯下（3-15），所述大硬芯上（3-13）和大硬芯下（3-15）夹着大膜片（3-14），共同紧固在硬芯与压电连接件（3-16）的另一端，大膜片（3-14）与小膜片（3-11）之间的密闭空间中充满液压油，位移输出轴（3-10）的下端和小硬芯（3-12）夹着所述小膜片（3-11），位移输出轴（3-10）的上端与读数头连接件（3-7）紧固在一起，光栅传感器的第三读数头（3-8）固定在读数头连接件（3-7）上。