CN109931858B - 双自由度电液控制式微位移系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双自由度电液控制式微位移系统，包括呈“山”字型结构的基座以及执行机构，基座包括位于两侧的支撑臂和位于中间的凸台，两个支撑臂与凸台之间均设有凹部，执行机构的两端分别通过第二柔性铰链连接于两个支撑臂以及执行机构上对应两个凹部的位置分别设有第一柔性铰链。基座的凹部设有电液放大模块，电液放大模块包括外缸套、变截面缸、塞套以及主驱动装置、辅驱动装置。该微位移系统可以实现精确进给位移量并可实现精确定位，且在微位移条件下，有利于延长柔性铰链结构的使用寿命。

Description

双自由度电液控制式微位移系统

技术领域

本发明属于流体压力执行机构技术领域，具体涉及一种双自由度电液控制式微位移系统。

背景技术

微定位平台是精密测试和制造装备的核心组成部分，广泛应用于生物医疗、微制造以及扫描电子显微镜等领域。在驱动形式上，现有微定位平台大多采用压电陶瓷驱动，因为压电陶瓷具有高分辨率、大带宽、高刚度和结构紧凑等优点。然而，压电陶瓷驱动的主要缺点是行程较小，难以满足现代测试和加工对运动的大行程要求。为了满足这一要求，常用方法可以分为两类。第一类是使用机械位移放大器，其中杠杆位移放大器因其最简单的机构结构而被广泛采用；然而，传统的杠杆机构不能完全满足实际要求，这是由对位移放大率和机构尺寸的影响而产生的。第二类是选择大行程执行器。

在结构形式上，柔性铰链具有无摩擦、结构紧凑、运动灵敏度高、高分辨率等优点，在实现高精度运动方面比传统的机械铰链具有更大优势，因此很多微定位平台都采用柔性铰链作为导向机构来实现高精度运动。一些微定位平台采用柔性并联机构，具有结构紧凑、高承载能力、高精度等优点，但是该类纯柔性机构会在一定程度上限制平台的运动性能，并导致其内部运动特性复杂化，从而增加控制难度。

总结现有技术中主要技术缺陷，包括：

1、利用较多柔性铰链实现放大，结构较复杂，对系统要求较高。

2、通用的位移放大机制放大倍数不够，无法满足实际应用的需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种双自由度电液控制式微位移系统，该微位移系统可以实现精确进给位移量并可实现精确定位，且在微位移条件下，有利于延长柔性铰链结构的使用寿命。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种双自由度电液控制式微位移系统，包括呈“山”字型结构的基座以及执行机构，所述基座包括位于两侧的支撑臂和位于中间的凸台，两个所述支撑臂与所述凸台之间均设有凹部，所述执行机构的两端分别通过第二柔性铰链连接于两个所述支撑臂以及所述执行机构上对应两个所述凹部的位置分别设有第一柔性铰链；以及，所述基座的所述凹部设有电液放大模块，所述电液放大模块包括外缸套、变截面缸、塞套以及主驱动装置、辅驱动装置；其中，

所述外缸套的一端密封连接于所述凹部的底壁，所述塞套的一端密封并通过相应的所述第一柔性铰链连接于所述执行机构，所述塞套的另一端外侧与所述外缸套的另一端滑动密封连接，所述塞套的另一端内侧与所述变截面缸的一端滑动密封连接，所述变截面缸的另一端固定连接于所述凹部的底壁；所述变截面缸延伸入所述塞套的一端为开放端，所述辅驱动装置设于所述变截面缸的另一端内侧，所述主驱动装置设于所述变截面缸的另一端外侧；以及

所述主驱动装置包括一体式结构的主压电陶瓷驱动器和主圆环形挡板，所述主圆环形挡板通过主柔性铰链连接于所述外缸套和所述变截面缸；所述辅驱动装置包括一体式结构的辅压电陶瓷驱动器和辅圆形挡板，所述辅圆形挡板通过辅柔性铰链连接于所述变截面缸；所述主压电陶瓷驱动器和所述辅压电陶瓷驱动器均固定连接于所述凹部的底壁；

所述变截面缸包括大驱动段、放大段和微驱动段，所述微驱动段连接于所述凹部的底壁，所述大驱动段的直径大于所述微驱动段的直径，所述放大段的直径由所述大驱动段至所述微驱动段逐渐递减；

所述塞套和所述外缸套分别通过第一开关阀和第二开关阀连接于油箱。

一优选实施例中，所述双自由度电液控制式微位移系统整体呈板式对称结构。

一优选实施例中，所述执行机构整体呈杆式对称结构。

一优选实施例中，工作状态下，所述执行机构的输出端实施直线进给或偏置进给。

一优选实施例中，所述双自由度电液控制式微位移系统还包括控制器，所述控制器分别电连接于所述电液放大模块的所述主压电陶瓷驱动器和所述辅压电陶瓷驱动器。

一优选实施例中，所述控制器输出的控制信息为频率可调的脉冲信号。

一优选实施例中，所述主驱动装置环绕所述变截面缸。

一优选实施例中，所述变截面缸的放大段的侧面呈弧形或者锥形。

一优选实施例中，初始工作状态下，所述基座的所述支撑臂与所述执行机构垂直。

一优选实施例中，所述塞套的运动轨迹包括直线往复运动轨迹和直线运动至目标点的运动轨迹。

采用本发明具有如下的有益效果：

1、相比于传统机构使用柔性铰链放大，本发明所述的双自由度电液控制式微位移系统采用压电陶瓷驱动，整体结构简单，适用于需要放大倍数高、响应快且输出较为精确的位移进给放大。

2、本发明所述的双自由度电液控制式微位移系统通过控制压电陶瓷的通电状态，可实现两个电液放大模块同步运行，从而实现同步放大进给。此外还可以控制两个电液放大模块分别实施不同进给量的进给动作，以实现执行机构输出端的偏置进给。

3、压电陶瓷驱动器具有较大推力，结合柔性铰链能实现二级放大，放大倍数高，响应快，能够输出较为精确的位移。

附图说明

图1为本发明实施例一种双自由度电液控制式微位移系统的主视图(结构示意图)；

图2为双自由度电液控制式微位移系统的立体示意图；

图3为电液放大模块的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1至图3，本发明公开了一种双自由度电液控制式微位移系统，其整体呈板式对称结构，包括呈“山”字型结构的基座10以及执行机构20。执行机构20整体同样呈杆式对称结构，基座10包括位于两侧的支撑臂11和位于中间的凸台12，两个支撑臂11与凸台12之间均设有凹部。执行机构20的两端分别通过第二柔性铰链22连接于两个支撑臂11，以及执行机构20上对应两个凹部的位置分别设有第一柔性铰链21(初始工作状态下，基座10的支撑臂11与执行机构20垂直)。

基座10的凹部内设有电液放大模块30，电液放大模块30整体呈圆筒式结构，采用双驱动、电液控制模式，包括外缸套1、变截面缸2、塞套3以及主驱动装置、辅驱动装置。

外缸套1的一端密封连接于凹部的底壁，塞套3的一端密封并通过相应的第一柔性铰链21连接于执行机构20，从而使电液放大模块30内部形成密闭的充满油液的腔室。塞套3的另一端外侧与外缸套1的另一端滑动密封连接，塞套3的另一端内侧与变截面缸2的一端滑动密封连接，该两处的滑动密封配合用以更好地实现塞套3的进给动作。

变截面缸2延伸入塞套3的一端为开放端，该开放端为塞套3提供实现微位移进给的油液，该油液是由设于变截面缸2的另一端内侧辅驱动装置驱动的。主驱动装置设于变截面缸2的另一端外侧，用于驱动变截面缸2外侧的油液以实现塞套3的大位移进给。

主驱动装置包括一体式结构的主压电陶瓷驱动器51和主圆环形挡板52，主圆环形挡板52通过主柔性铰链53连接于外缸套1和变截面缸2；辅驱动装置包括一体式结构的辅压电陶瓷驱动器61和辅圆形挡板62，辅圆形挡板62通过辅柔性铰链63连接于变截面缸2；主压电陶瓷驱动器51和辅压电陶瓷驱动器61均固定连接于凹部的底壁。主柔性铰链53和辅柔性铰链63分别用于在主压电陶瓷驱动器51和辅压电陶瓷驱动器61停止工作时，分别将主圆环形挡板52和辅圆形挡板62回复至原始状态。

一具体实施例中，主驱动装置环绕变截面缸2。

变截面缸2包括大驱动段、放大段和微驱动段，微驱动段连接于凹部的底壁，大驱动段的直径大于微驱动段的直径，放大段的直径由大驱动段至微驱动段逐渐递减。变截面缸2的不同直径的设计目的在于：

1)油液由小直径的微驱动段内侧腔室流入大直径的大驱动段内侧腔室时，因油液流经的横截面由小变大，使得塞套3的位移相比辅圆形挡板62的位移为缩小；

2)油液由微驱动段外侧腔室流入大驱动段外侧腔室时，因油液流经的横截面由大变小，使得塞套3的位移相比主圆环形挡板52的位移为放大。

一具体实施例中，变截面缸2的放大段的侧面呈弧形或者锥形，以实现不同的放大/缩小倍数。

虽然电液放大模块30的内部腔室为封闭式结构，但为了实现塞套3的直线往复运动(即正负位移进给)，需保持油液的流动连续性，故，塞套3和外缸套1分别通过第一开关阀71和第二开关阀72连接于油箱7。

为了电液放大模块30的精确进给和定位，以控制主压电陶瓷驱动器51和辅压电陶瓷驱动器61的工作状态，微位移系统还包括控制器(例如PID控制器)，控制器分别电连接于主压电陶瓷驱动器51和辅压电陶瓷驱动器61。两个电液放大模块30可以同步朝相同方向发生进给，即可以实现单自由度的精确进给或定位。

而对于一些复杂的进给模式，则需要2个电液放大模块30分别实施不同进给量的动作，以实现执行机构20的输出端23(附图中示出的输出端23呈三角开口式对称结构，其上可设置被进给器件)的偏置进给(即以将输出端23偏置一定角度的形式实施进给动作)。例如，其中之一电液放大模块30不动作，另一个电液放大模块30动作；或者，其中之一电液放大模块30驱动的进给量小于另一个电液放大模块30驱动的进给量，则执行机构20的输出端23将以一定角度偏置的形式实施进给动作。

具体的，控制器输出的控制信息为频率可调的脉冲信号，以匹配不同的进给需求(包括电液放大模块30驱动的进给量、进给速度和输出端23进给角度的需求)。

一具体实施例中，塞套3的运动轨迹包括直线往复运动轨迹(直线进给模式)和直线运动至目标点的运动轨迹(精确定位控制)。

应当理解，本文所述的示例性实施例是说明性的而非限制性的。尽管结合附图描述了本发明的一个或多个实施例，本领域普通技术人员应当理解，在不脱离通过所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以做出各种形式和细节的改变。

Claims (10)

1.一种双自由度电液控制式微位移系统，其特征在于，所述双自由度电液控制式微位移系统包括呈“山”字型结构的基座以及执行机构，所述基座包括位于两侧的支撑臂和位于中间的凸台，两个所述支撑臂与所述凸台之间均设有凹部，所述执行机构的两端分别通过第二柔性铰链连接于两个所述支撑臂以及所述执行机构上对应两个所述凹部的位置分别设有第一柔性铰链；以及，所述基座的所述凹部设有电液放大模块，所述电液放大模块包括外缸套、变截面缸、塞套以及主驱动装置、辅驱动装置；其中，

所述外缸套的一端密封连接于所述凹部的底壁，所述塞套的一端密封并通过相应的所述第一柔性铰链连接于所述执行机构，所述塞套的另一端外侧与所述外缸套的另一端滑动密封连接，所述塞套的另一端内侧与所述变截面缸的一端滑动密封连接，所述变截面缸的另一端固定连接于所述凹部的底壁；所述变截面缸延伸入所述塞套的一端为开放端，所述辅驱动装置设于所述变截面缸的另一端内侧，所述主驱动装置设于所述变截面缸的另一端外侧；以及

所述主驱动装置包括一体式结构的主压电陶瓷驱动器和主圆环形挡板，所述主圆环形挡板通过主柔性铰链连接于所述外缸套和所述变截面缸；所述辅驱动装置包括一体式结构的辅压电陶瓷驱动器和辅圆形挡板，所述辅圆形挡板通过辅柔性铰链连接于所述变截面缸；所述主压电陶瓷驱动器和所述辅压电陶瓷驱动器均固定连接于所述凹部的底壁；

所述变截面缸包括大驱动段、放大段和微驱动段，所述微驱动段连接于所述凹部的底壁，所述大驱动段的直径大于所述微驱动段的直径，所述放大段的直径由所述大驱动段至所述微驱动段逐渐递减；

所述塞套和所述外缸套分别通过第一开关阀和第二开关阀连接于油箱。

2.如权利要求1所述的双自由度电液控制式微位移系统，其特征在于，所述双自由度电液控制式微位移系统整体呈板式对称结构。

3.如权利要求2所述的双自由度电液控制式微位移系统，其特征在于，所述执行机构整体呈杆式对称结构。

4.如权利要求3所述的双自由度电液控制式微位移系统，其特征在于，工作状态下，所述执行机构的输出端实施直线进给或偏置进给。

5.如权利要求1所述的双自由度电液控制式微位移系统，其特征在于，还包括控制器，所述控制器分别电连接于所述电液放大模块的所述主压电陶瓷驱动器和所述辅压电陶瓷驱动器。

6.如权利要求5所述的双自由度电液控制式微位移系统，其特征在于，所述控制器输出的控制信息为频率可调的脉冲信号。

7.如权利要求1所述的双自由度电液控制式微位移系统，其特征在于，所述主驱动装置环绕所述变截面缸。

8.如权利要求1所述的双自由度电液控制式微位移系统，其特征在于，所述变截面缸的放大段的侧面呈弧形或者锥形。

9.如权利要求1所述的双自由度电液控制式微位移系统，其特征在于，初始工作状态下，所述基座的所述支撑臂与所述执行机构垂直。

10.如权利要求1所述的双自由度电液控制式微位移系统，其特征在于，所述塞套的运动轨迹包括直线往复运动轨迹和直线运动至目标点的运动轨迹。

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