CN108964512B - 一种惯性粘滑式跨尺度运动平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种惯性粘滑式跨尺度运动平台，包括保护座和设置于保护座内的运动机构，运动机构包括压电陶瓷、运动组件和惯性组件，运动组件包括运动传动部件和与运动传动部件相连接的运动输出部件，惯性组件包括惯性传动部件和与惯性传动部件相连接的摩擦部件，压电陶瓷具有相对设置的第一端和第二端，第一端与运动传动部件相接触，第二端与惯性传动部件相接触，运动传动部件和惯性传动部件通过弹性形变组件连接，保护座上设置有对运动输出部件进行导向的交叉滚珠导轨，运动输出部件与交叉滚珠导轨的摩擦力小于摩擦部件与保护座相接触产生的摩擦力。该惯性粘滑式跨尺度运动平台结构简单，制作工艺简单，制造成本较低，可实现跨尺度的精密定位。
Description
技术领域
本发明涉及一种惯性粘滑式跨尺度运动平台，属于精密运动技术领域。
背景技术
随着微/纳米技术的快速发展,在光学工程、微电子制造、航空航天技术、超精密机械制造、微机器人操作、生物医学及遗传工程等技术领域的研究都迫切需要亚/微米级、微/纳米级的超精密驱动机构。
具有微米级运动分辨率，又具有毫米级运动行程的跨尺度精密运动技术是目前微驱动领域中的关键技术。惯性粘滑驱动相对于其它类跨尺度运动驱动方式，驱动原理简单、方便、控制简单，且具有运动范围大、分辨率高、结构简单、易微小化和精确定位等优点，因此惯性粘滑驱动是目前出现的跨尺度驱动中应用较多的一种方式。惯性粘滑驱动的工作原理主要是以摩擦力作为驱动源，利用粘滑效应实现被驱动体的微小移动。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，充分满足微纳精密定位的要求。
通常基于压电陶瓷的精密驱动装置主要有直接驱动式、杠杆放大式、椭圆放大式及菱形放大式和尺蠖式精密定位平台，然而以上前三种精密定位平台的位移都限制在几百微米以内，不能够实现跨尺度的精密定位，而尺蠖式精密定位平台结构较为复杂，从而导致制作工艺复杂、制造成本较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种惯性粘滑式跨尺度运动平台，该惯性粘滑式跨尺度运动平台结构简单，制作工艺简单，制造成本较低，且可实现跨尺度的精密定位。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种惯性粘滑式跨尺度运动平台，包括保护座和设置于保护座内的运动机构，所述运动机构包括压电陶瓷、运动组件和惯性组件，所述运动组件包括运动传动部件和与所述运动传动部件相连接的运动输出部件，所述惯性组件包括惯性传动部件和与所述惯性传动部件相连接的摩擦部件，所述压电陶瓷具有相对设置的第一端和第二端，所述第一端与所述运动传动部件相接触，所述第二端与所述惯性传动部件相接触，所述运动传动部件和所述惯性传动部件通过弹性形变组件连接，所述保护座上设置有用于对所述运动输出部件进行导向的交叉滚珠导轨，所述运动输出部件与所述交叉滚珠导轨之间的摩擦力小于所述摩擦部件与所述保护座相接触产生的摩擦力。
进一步地，所述惯性传动部件包括梯形件和连接件，所述摩擦部件包括相对设置在所述梯形件两侧的两个弹臂，每个所述弹臂抵持所述保护座的侧壁，每个所述弹臂与所述保护座的侧壁之间的夹角大于0。弹臂与保护座的侧壁相接触产生的摩擦力为线摩擦力，使摩擦力降低。
进一步地，所述弹臂与所述梯形件之间通过紧固件可拆卸连接，所述弹臂上设置有至少两个连接孔，所述弹臂通过所述紧固件穿入其中一个所述连接孔内进而安装在所述梯形件上。利于根据实际情况对弹臂的位置进行调节。
进一步地，所述弹臂与所述保护座的侧壁之间设置有滚珠。使弹臂与保护座的侧壁相接触产生的摩擦力为点摩擦力，进一步使摩擦力降低。
进一步地，所述弹臂上设置有滚珠凹槽，所述滚珠设置在所述滚珠凹槽内。
进一步地，所述弹性形变组件为框架结构，所述压电陶瓷设置于所述弹性形变组件的框架中。
进一步地，所述惯性传动部件的连接件包括位于所述弹性形变组件框架内的T形部，所述压电陶瓷的第二端与所述T形部相接触。对压电陶瓷进行限位，使惯性传动部件受力均匀。
进一步地，所述惯性传动部件、运动传动部件和弹性形变组件为一体式结构。使结构更为简单。
进一步地，所述运动传动部件与所述运动输出部件可拆卸连接。
进一步地，所述惯性粘滑式跨尺度运动平台还包括有光栅，所述光栅位于所述保护座内运动机构的下方。
本发明的有益效果在于：本发明通过压电陶瓷、分别与压电陶瓷相对设置的两端相接触的运动组件和惯性组件，以及连接运动组件和惯性组件的弹性形变组件，使压电陶瓷随着电压的变化发生伸缩时带动运动组件和惯性组件运动，从而实现毫米级行程、微米级定位精度，本惯性粘滑式跨尺度运动平台结构简单，制作工艺简单，制造成本较低，且可实现跨尺度的精密定位。
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为惯性粘滑驱动原理示意图；
图2为本实施例中惯性粘滑式跨尺度运动平台中的运动机构的结构示意图；
图3为本实施例中惯性粘滑式跨尺度运动平台的结构示意图；
其中：
1.压电陶瓷，2.惯性传动部件，3.摩擦部件，4.运动传动部件，5.运动输出部件，6.弹性形变组件，7.保护座，8.光栅，9.连接件，10.T形部，11.
紧固件，12.连接孔，13.滚珠凹槽，14.梯形件。
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。
实施例一
如图1所示，图1为惯性粘滑驱动原理示意图。惯性粘滑驱动系统由压电陶瓷、运动组件和惯性组件组成，图中左侧为电压驱动信号，右侧为相应的惯性粘滑驱动系统在驱动信号下的运动情况。在运动初期，驱动电压迅速增加，压电陶瓷快速伸长，从而使运动组件和惯性组件在相反的方向产生不同的微位移，惯性组件运动的微位移量为△X；当电压达到一定值后，电压缓慢下降，压电陶瓷逐渐缩短，惯性组件在摩擦力的作用下保持原位，运动组件向着惯性组件的方向运动。就这样，在一个驱动周期内，惯性组件相对原始位置发生了△X的位移。对压电陶瓷持续施加这种电压驱动信号，便可实现惯性粘滑驱动系统的运动，这就是惯性粘滑驱动原理。由于压电陶瓷的伸缩量很小，因此惯性粘滑驱动系统最小可获得几微米的步长，而且步长随着驱动电压连续可调。
如附图2和附图3所示，一种惯性粘滑式跨尺度运动平台，包括保护座7、位于保护座7内的运动机构和位于运动机构下方的光栅8，运动机构包括压电陶瓷1、运动组件和惯性组件，运动组件包括运动传动部件4和与运动传动部件4相连接的运动输出部件5，惯性组件包括惯性传动部件2和与惯性传动部件2相连接的摩擦部件3，压电陶瓷1具有相对设置的第一端和第二端，第一端与运动传动部件4相接触，第二端与惯性传动部件2相接触，运动传动部件4和惯性传动部件2通过弹性形变组件6连接，保护座1上设置有用于对运动输出部件5进行导向的交叉滚珠导轨(图示未示出)，运动输出部件5与交叉滚珠导轨之间的摩擦力小于摩擦部件3与保护座1相接触产生的摩擦力。
具体运动时，当对压电陶瓷1施加一快速增大的电压时，压电陶瓷1快速伸长，从而使运动传动部件4和惯性传动部件2在相反的方向产生微位移，进而使运动组件和惯性组件在相反的方向产生微位移，且使弹性形变组件6发生形变，当电压达到一定值后，电压缓慢下降，压电陶瓷1逐渐缩短，在弹性形变组件6恢复其形变的作用力下，由于摩擦部件3与保护座7相接触产生的摩擦力大于运动输出部件5与保护座1上设置的交叉滚珠导轨之间的摩擦力，运动组件向着惯性组件的方向发生运动，当电压降到最低值后，完成了一个周期的运动，重复上述运动，可使运动机构实现一定的微位移量。
在上述实施例中，惯性传动部件2包括梯形件14和连接件9，摩擦部件3为相对设置在梯形件14两侧的两个弹臂，每个弹臂抵持保护座7的侧壁，每个弹臂与保护座7的侧壁之间的夹角大于0。弹臂与保护座7的侧壁相接触产生的摩擦力为线摩擦力，有助于使摩擦力降低。
在上述实施例中，弹臂与梯形件14之间通过紧固件11可拆卸连接，弹臂上设置有四个连接孔12，弹臂通过紧固件11穿入第一个连接孔12内进而安装在梯形件14上，多个连接孔12的设置，可根据实际情况，对弹臂的位置进行调节。
在上述实施例中，弹性形变组件6为框架结构，压电陶瓷1设置于弹性形变组件6的框架中，使惯性粘滑式跨尺度运动平台的结构更为简单。
在上述实施例中，惯性传动部件2的连接件9包括位于弹性形变组件6框架内的T形部10，压电陶瓷1的第二端与T形部10相接触，以对压电陶瓷1进行限位，使惯性传动部件2受力均匀。
在上述实施例中，惯性传动部件2、运动传动部件4和弹性形变组件6为一体式结构，需要指出的是，惯性传动部件2、运动传动部件4和弹性形变组件6可以是分别加工生产后进行装配。
在上述实施例中，运动传动部件4与运动输出部件5可拆卸连接。
实施例二
可同样参考第一实施例方式中的附图1、附图2和附图3，本第二实施例方式的惯性粘滑式跨尺度运动平台与第一实施例方式的区别仅在于：弹臂与保护座7的侧壁之间设置有滚珠，滚珠设置在弹臂上的滚珠凹槽13内，从而使弹臂与保护座7的侧壁相接触产生的摩擦力为点摩擦力，进一步使摩擦力降低。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种惯性粘滑式跨尺度运动平台，其特征在于，包括保护座和设置于保护座内的运动机构，所述运动机构包括压电陶瓷、运动组件和惯性组件，所述运动组件包括运动传动部件和与所述运动传动部件相连接的运动输出部件，所述惯性组件包括惯性传动部件和与所述惯性传动部件相连接的摩擦部件，所述压电陶瓷具有相对设置的第一端和第二端，所述第一端与所述运动传动部件相接触，所述第二端与所述惯性传动部件相接触，所述运动传动部件和所述惯性传动部件通过弹性形变组件连接，所述保护座上设置有用于对所述运动输出部件进行导向的交叉滚珠导轨，所述运动输出部件与所述交叉滚珠导轨之间的摩擦力小于所述摩擦部件与所述保护座相接触产生的摩擦力,所述惯性传动部件包括梯形件和连接件，所述摩擦部件包括相对设置在所述梯形件两侧的两个弹臂，每个所述弹臂抵持所述保护座的侧壁，每个所述弹臂与所述保护座的侧壁之间的夹角大于0。
2.如权利要求1所述的一种惯性粘滑式跨尺度运动平台，其特征在于，所述弹臂与所述梯形件之间通过紧固件可拆卸连接，所述弹臂上设置有至少两个连接孔，所述弹臂通过所述紧固件穿入其中一个所述连接孔内进而安装在所述梯形件上。
3.如权利要求2所述的一种惯性粘滑式跨尺度运动平台，其特征在于，所述弹臂与所述保护座的侧壁之间设置有滚珠。
4.如权利要求3所述的一种惯性粘滑式跨尺度运动平台，其特征在于，所述弹臂上设置有滚珠凹槽，所述滚珠设置在所述滚珠凹槽内。
5.如权利要求1所述的一种惯性粘滑式跨尺度运动平台，其特征在于，所述弹性形变组件为框架结构，所述压电陶瓷设置于所述弹性形变组件的框架中。
6.如权利要求5所述的一种惯性粘滑式跨尺度运动平台，其特征在于，所述惯性传动部件的连接件包括位于所述弹性形变组件框架内的T形部，所述压电陶瓷的第二端与所述T形部相接触。
7.如权利要求1所述的一种惯性粘滑式跨尺度运动平台，其特征在于，所述惯性传动部件、运动传动部件和弹性形变组件为一体式结构。
8.如权利要求1所述的一种惯性粘滑式跨尺度运动平台，其特征在于，所述运动传动部件与所述运动输出部件可拆卸连接。
9.如权利要求1所述的一种惯性粘滑式跨尺度运动平台，其特征在于，所述惯性粘滑式跨尺度运动平台还包括有光栅，所述光栅位于所述保护座内运动机构的下方。
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