CN109194191A - 具有定量可调自适应预紧功能的大载荷压电驱动装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有定量可调自适应预紧功能的大载荷压电驱动装置，属于精密驱动领域。包括底座、主预紧模块、柔性机构模块、导轨滑块模块、输出模块，主预紧模块用于提供柔性机构模块与输出模块之间的驱动预紧力，柔性机构模块用于驱动输出模块，导轨滑块模块用于实现柔性机构模块沿输出模块法向的运动，输出模块用于搭载或连接驱动目标。优点在于：可定量调节驱动预紧力和压电叠堆预紧力改变工作性能，可克服由制造、装配误差造成的驱动预紧力波动，输出稳定可靠的直线精密位移，且体积小、结构紧凑、控制简单，可应用于显微操作、医学工程、精密仪器等领域。载荷输出大，工作行程取决于导轨长度，可实现大行程。
Description
技术领域
本发明涉及精密驱动领域，特别涉及一种具有定量可调自适应预紧功能的大载荷压电驱动装置。可应用于显微操作、医学工程、精密仪器等领域。
背景技术
压电驱动技术作为一种新型的驱动方式，具有高位移精度、大功率密度、无电磁干扰、超高真空兼容等优点，逐渐应用于精密驱动装置中，尤其受到显微操作、医学工程、精密仪器等领域的关注。目前压电驱动装置大多数基于尺蠖驱动原理、粘滑惯性驱动原理与超声驱动原理，其中粘滑惯性原理可实现理论上无限长的位移，并且可通过对位移进行闭环控制实现亚纳米级定位精度，但其工作性能对柔性机构模块和输出模块之间的驱动预紧力和压电叠堆预紧力有严格的要求，且其输出力较小。另外由于装置在制造和装配过程中会产生无法避免的误差，使压电驱动装置在工作过程中产生预紧力的波动，严重影响压电驱动装置输出的稳定可靠性。因此设计一种具有可定量调节预紧力、能够针对制造、装配误差造成的预紧力波动进行自适应调节、并能承受大载荷的压电驱动装置具有重要的应用与研究意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有定量可调自适应预紧功能的大载荷压电驱动装置，解决了现有技术存在的上述问题。本发明采用了集成力传感器的主预紧模块和柔性机构模块，能够实现对驱动预紧力和压电叠堆预紧力的定量调节以达到最优工作性能，其中主预紧模块采用了自适应垫以解决制造、装配误差造成的预紧力波动；柔性机构模块中驱动柔性机构的渐变柔性足能够同时推动和压紧输出模块中的导轨以增大驱动摩擦力，整个驱动装置基于粘滑惯性驱动原理，能够实现稳定可靠的大载荷直线运动。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
具有定量可调自适应预紧功能的大载荷压电驱动装置，包括底座16、主预紧模块、柔性机构模块、导轨滑块模块、输出模块，所述主预紧模块固定在底座16上，柔性机构模块固定在导轨滑块模块上，导轨滑块模块、输出模块分别固定在底座16上。
所述的主预紧模块包括主预紧柔性机构1、楔形块组A2、预紧螺钉A3、自适应垫4、力传感器A5，所述主预紧机构1通过螺钉固定于底座16上；所述楔形块A2置于主预紧柔性机构1的安装槽内，在预紧过程中受到预紧螺钉A3的推动并对推动位移进行比例缩小、增大分辨率后，推动主预紧柔性机构在直板型柔性铰链A1-1位置产生形变；所述预紧螺钉A3装配于主预紧柔性机构1的螺纹孔中，在预紧过程中将自身旋转转化为直线运动推动楔形块组A2。
所述的自适应垫4置于力传感器A5和主预紧柔性机构1之间，在预紧过程中被夹紧定位，在工作过程中通过弹性变形与回复，吸收由于制造、装配误差而发生的预紧力波动；所述力传感器A5置于自适应垫4和主预紧柔性机构1之间，并嵌于底座16的定位槽16-1内以避免侧向滑动，用于实时获取主预紧模块提供的驱动预紧力数值以便于定量调整。
所述的柔性机构模块包括驱动柔性机构6、楔形块组B7、预紧螺钉B8、力传感器B9、压电叠堆10，所述驱动柔性机构6通过螺钉固定在导轨滑块模块的连接板13上，直板型柔性铰链B6-1可在楔形块组B7的推动下产生形变并对压电叠堆10进行预紧，直板型柔性铰链C6-2用于在压电叠堆10伸长时产生形变推动渐变柔性足6-3运动，渐变柔性足6-3通过绕直圆型柔性铰链6-4旋转推动输出模块的滑块15，与此同时产生垂直于推动方向的形变压迫滑块15增大预紧力，进而增加驱动摩擦力实现大载荷输出。
所述的楔形块B7置于驱动柔性机构6的安装槽内，在预紧过程中受到预紧螺钉B8的推动并对推动位移进行比例缩小、增大分辨率后，推动驱动柔性机构6在直板型柔性铰链B6-1位置产生形变；预紧螺钉B8装配于驱动柔性机构6的螺纹孔中，在预紧过程中将自身旋转转化为直线运动推动楔形块组B7；力传感器B9置于直板型柔性铰链B6-1和压电叠堆10之间，用于实时获取压电叠堆10预紧力的数值以便于定量调整；所述压电叠堆10置于力传感器B9和直板型柔性铰链C6-2，作为驱动装置的动力来源。
所述的导轨滑块模块包括导轨组11、滑块组12、连接板13，所述导轨组11通过螺钉安装在底座16上，对滑块组12起导向作用；所述滑块组12安装在导轨组11上，实现平行的直线运动；所述连接板13通过螺钉安装在滑块组12上，用于承载柔性机构模块沿导轨组11方向运动，以达到对柔性机构模块和输出模块预紧的目的。
所述的输出模块包括直线导轨14和滑块15，所述直线导轨14通过螺钉安装在底座16上，对滑块15起导向作用；所述滑块15安装于直线导轨14上，直接承载或通过螺纹孔连接驱动目标。
本发明的有益效果在于：构思新颖、巧妙。能够定量调节驱动装置的预紧力达到最佳驱动性能，能够解决制造、装配误差造成的预紧力波动以输出稳定可靠的直线精密位移，且体积小、结构紧凑、控制简单，可应用于医学工程、精密仪器、显微操作等领域。本发明驱动装置具有载荷输出大、定位精度高等优点，并能够实现大行程的位移输出。本发明对于我国显微操作等领域的发展具有重要意义，其在显微操作、医学工程、精密仪器等领域必定有广阔的应用前景。
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为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的主预紧模块示意图；
图3为本发明的柔性机构模块示意图；
图4为本发明的导轨滑块模块示意图；
图5为本发明的底座示意图。
1、主预紧柔性机构；1-1、直板型柔性铰链A；2、楔形块组A；3、预紧螺钉A；4、自适应垫；5、力传感器A；6、驱动柔性机构；6-1、直板型柔性铰链B；6-2、直板型柔性铰链C；6-3、渐变柔性足；6-4、直圆型柔性铰链；7、楔形块组B；8、预紧螺钉B；9、力传感器B；10、压电叠堆；11、导轨组；12、滑块组；13、连接板；14、直线导轨；15、滑块；16、底座；16-1、定位槽。
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5所示，本发明的具有定量可调自适应预紧功能的大载荷压电驱动装置，可定量调节驱动预紧力和压电叠堆预紧力改变工作性能，可克服由制造、装配误差造成的驱动预紧力波动，输出稳定可靠的直线精密位移，且体积小、结构紧凑、控制简单，可应用于显微操作、医学工程、精密仪器等领域。载荷输出大，工作行程取决于导轨长度，可实现大行程。包括底座16、主预紧模块、柔性机构模块、导轨滑块模块、输出模块，所述主预紧模块固定在底座16上，柔性机构模块固定在导轨滑块模块上，导轨滑块模块、输出模块分别固定在底座16上。
参见图1及图2所示，本发明所述的主预紧模块用于提供柔性机构模块与输出模块之间的驱动预紧力，包括主预紧柔性机构1、楔形块组A2、预紧螺钉A3、自适应垫4、力传感器A5，所述主预紧机构1通过螺钉固定于底座16上；所述楔形块A2置于主预紧柔性机构1的安装槽内，在预紧过程中受到预紧螺钉A3的推动并对推动位移进行比例缩小、增大分辨率后，推动主预紧柔性机构1在直板型柔性铰链A1-1位置产生形变；所述预紧螺钉A3装配于主预紧柔性机构1的螺纹孔中，在预紧过程中将自身旋转转化为直线运动推动楔形块组A2。
所述的自适应垫4采用橡胶或者其它弹性物质制成，置于力传感器A5和主预紧柔性机构1之间，在预紧过程中自然被夹紧定位，在工作过程中通过弹性变形与回复，吸收由于制造、装配误差而发生的预紧力波动；所述力传感器A5置于自适应垫4和主预紧柔性机构1之间，并嵌于底座16的定位槽16-1内以避免侧向滑动，用于实时获取主预紧模块提供的驱动预紧力数值以便于定量调整，从而使装置达到最佳工作性能。
参见图1及图3所示，本发明所述的柔性机构模块用于驱动输出模块，包括驱动柔性机构6、楔形块组B7、预紧螺钉B8、力传感器B9、压电叠堆10，所述驱动柔性机构6通过螺钉固定在导轨滑块模块的连接板13上，具有与主预紧柔性机构1相似的预紧部分，直板型柔性铰链B6-1可在楔形块组B7的推动下产生形变并对压电叠堆10进行预紧，直板型柔性铰链C6-2用于在压电叠堆10伸长时产生形变推动渐变柔性足6-3运动，渐变柔性足6-3通过绕直圆型柔性铰链6-4旋转推动输出模块的滑块15，与此同时产生垂直于推动方向的形变压迫滑块15增大预紧力，进而增加驱动摩擦力实现大载荷输出。
所述的楔形块B7置于驱动柔性机构6的安装槽内，在预紧过程中受到预紧螺钉B8的推动并对推动位移进行比例缩小、增大分辨率后，推动驱动柔性机构6在直板型柔性铰链B6-1位置产生形变；预紧螺钉B8装配于驱动柔性机构6的螺纹孔中，在预紧过程中将自身旋转转化为直线运动推动楔形块组B7；力传感器B9置于直板型柔性铰链B6-1和压电叠堆10之间，用于实时获取压电叠堆10预紧力的数值以便于定量调整，从而使装置达到最佳工作性能；所述压电叠堆10置于力传感器B9和直板型柔性铰链C6-2，作为驱动装置的动力来源。
参见图1及图4所示，本发明所述的导轨滑块模块用于实现柔性机构模块沿输出模块法向的运动，包括导轨组11、滑块组12、连接板13，所述导轨组11通过螺钉安装在底座16上，对滑块组12起导向作用；所述滑块组12安装在导轨组11上，实现平行的直线运动；所述连接板13通过螺钉安装在滑块组12上，用于承载柔性机构模块沿导轨组11方向运动，以达到对柔性机构模块和输出模块预紧的目的。
所述的输出模块用于搭载或连接驱动目标，包括直线导轨14和滑块15，所述直线导轨14通过螺钉安装在底座16上，对滑块15起导向作用；所述滑块15安装于直线导轨14上，直接承载或通过螺纹孔连接驱动目标。
参见图1至图5所示，本发明的具体工作过程如下：
柔性机构模块与输出模块之间驱动预紧力定量可调自适应功能的实现：通过旋转预紧螺钉A3推动楔形块组A2，进而推动主预紧柔性机构1在直板型柔性铰链A1-1处发生形变，最终推动柔性机构模块压迫输出模块产生驱动预紧力。并且驱动预紧力的数值会通过力传感器A5反馈，从而可以定量调节驱动预紧力以得到最佳工作性能；其中自适应垫4通过弹性形变和回复吸收由于制作、装配误差导致的预紧力波动，实现自适应的预紧力调节，保证装置的稳定可靠输出。
压电叠堆10预紧力的定量可调功能的实现：通过旋转预紧螺钉B8推动楔形块组B7，推动驱动柔性机构6在直板型柔性铰链B6-1处发生形变，实现对压电叠堆10的预紧。并且压电叠堆10预紧力的数值会通过力传感器B9反馈，从而可以定量调节压电叠堆10预紧力以得到最佳工作性能。
驱动装置直线位移的实现：在对柔性机构模块和输出模块之间的驱动预紧力和压电叠堆10预紧力进行恰当调节后，对压电叠堆10施加锯齿波。当时间处于锯齿波上升沿时，压电叠堆10会慢速伸长推动直板型柔性铰链C6-2产生形变，进而推动渐变柔性足6-3绕直圆型柔性铰链6-4产生微小旋转运动，推动输出模块的滑块15；当时间处于锯齿波下降沿是，压电叠堆10会快速收缩，驱动柔性机构6也会在自身弹性的作用下快速回复原状，而滑块15由于惯性作用来不及跟随渐变柔性足6-3回复至原位，从而相对于原位置产生微观小位移。通过不断重复加载锯齿波，驱动装置不断累积微观小位移而产生宏观大位移。另外，通过位移闭环控制，也可以实现对微观小位移的精确控制实现亚纳米级定位精度。
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 (7)
1.一种具有定量可调自适应预紧功能的大载荷压电驱动装置，其特征在于：包括底座（16）、主预紧模块、柔性机构模块、导轨滑块模块、输出模块，所述主预紧模块固定在底座（16）上，柔性机构模块固定在导轨滑块模块上，导轨滑块模块、输出模块分别固定在底座（16）上。
2.根据权利要求1所述的具有定量可调自适应预紧功能的大载荷压电驱动装置，其特征在于：所述的主预紧模块包括主预紧柔性机构（1）、楔形块组A（2）、预紧螺钉A（3）、自适应垫（4）、力传感器A（5），所述主预紧机构（1）通过螺钉固定于底座（16）上；所述楔形块A（2）置于主预紧柔性机构（1）的安装槽内，在预紧过程中受到预紧螺钉A（3）的推动并对推动位移进行比例缩小、增大分辨率后，推动主预紧柔性机构在直板型柔性铰链A（1-1）位置产生形变；所述预紧螺钉A（3）装配于主预紧柔性机构（1）的螺纹孔中，在预紧过程中将自身旋转转化为直线运动推动楔形块组A（2）。
3.根据权利要求2所述的具有定量可调自适应预紧功能的大载荷压电驱动装置，其特征在于：所述的自适应垫（4）置于力传感器A（5）和主预紧柔性机构（1）之间，在预紧过程中被夹紧定位，在工作过程中通过弹性变形与回复，吸收由于制造、装配误差而发生的预紧力波动；所述力传感器A（5）置于自适应垫（4）和主预紧柔性机构（1）之间，并嵌于底座（16）的定位槽（16-1）内以避免侧向滑动，用于实时获取主预紧模块提供的驱动预紧力数值以便于定量调整。
4.根据权利要求1所述的具有定量可调自适应预紧功能的大载荷压电驱动装置，其特征在于：所述的柔性机构模块包括驱动柔性机构（6）、楔形块组B（7）、预紧螺钉B（8）、力传感器B（9）、压电叠堆（10），所述驱动柔性机构（6）通过螺钉固定在导轨滑块模块的连接板（13）上，直板型柔性铰链B（6-1）可在楔形块组B（7）的推动下产生形变并对压电叠堆（10）进行预紧，直板型柔性铰链C（6-2）在压电叠堆（10）伸长时产生形变推动渐变柔性足6-3（运动），渐变柔性足（6-3）通过绕直圆型柔性铰链（6-4）旋转推动输出模块的滑块（15），与此同时产生垂直于推动方向的形变压迫滑块（15）增大预紧力，进而增加驱动摩擦力实现大载荷输出。
5.根据权利要求4所述的具有定量可调自适应预紧功能的大载荷压电驱动装置，其特征在于：所述的楔形块B（7）置于驱动柔性机构（6）的安装槽内，在预紧过程中受到预紧螺钉B（8）的推动并对推动位移进行比例缩小、增大分辨率后，推动驱动柔性机构（6）在直板型柔性铰链B（6-1）位置产生形变；预紧螺钉B（8）装配于驱动柔性机构（6）的螺纹孔中，在预紧过程中将自身旋转转化为直线运动推动楔形块组B（7）；力传感器B（9）置于直板型柔性铰链B（6-1）和压电叠堆（10）之间，用于实时获取压电叠堆（10）预紧力的数值以便于定量调整；所述压电叠堆（10）置于力传感器B（9）和直板型柔性铰链C（6-2），作为驱动装置的动力来源。
6.根据权利要求1所述的具有定量可调自适应预紧功能的大载荷压电驱动装置，其特征在于：所述的导轨滑块模块包括导轨组（11）、滑块组（12）、连接板（13），所述导轨组（11）通过螺钉安装在底座（16）上，对滑块组（12）起导向作用；所述滑块组（12）安装在导轨组（11）上，实现平行的直线运动；所述连接板（13）通过螺钉安装在滑块组（12）上，用于承载柔性机构模块沿导轨组（11）方向运动，以达到对柔性机构模块和输出模块预紧的目的。
7.根据权利要求1所述的具有定量可调自适应预紧功能的大载荷压电驱动装置，其特征在于：所述的输出模块包括直线导轨（14）和滑块（15），所述直线导轨（14）通过螺钉安装在底座（16）上，对滑块（15）起导向作用；所述滑块（15）安装于直线导轨（14）上，直接承载或通过螺纹孔连接驱动目标。
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