CN1845443A - 一种任意行程高精度直线驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种任意行程高精度直线驱动器，它针对现有的直线驱动器的行程小，输出力小及控制精度低的问题，采用仿生学运动原理，以压电陶瓷堆作为基本的运动执行元件，以高强度高柔韧性单股或多股环形钢索作为输出部件，由横向伸缩单元和纵向伸缩箍位单元完成驱动，可以产生方向相反的双向位移和任意行程。其控制精度可以根据控制方法的选择达到50nm，输出力可达到50－100N，甚至更大。本发明可广泛应用于机器人、生物仪器、光学仪器，以及精密加工等各种高精度定位和任意行程的场合，尤其适合于作为仿人机器人的肌肉使用。

Description

一种任意行程高精度直线驱动器

技术领域

本发明属于微机电设备技术领域，它提供了一种具有任意行程的微米级、高速、大输出力、双向直线驱动器(马达)。本发明可广泛应用于机器人、生物仪器、光学仪器，以及精密加工等各种高精度定位和任意行程的场合，尤其适合作为仿人机器人的肌肉使用。

背景技术

现代工业和科学研究的发展，对机电系统驱动和控制的精密化、结构的微型化的要求越来越高。作为精密或微型机电系统关键技术的微型、大行程、精密微步距驱动器是系统的关键，其特性和功能直接关系到微型机电系统的特性和功能。因此，大行程、微型直接驱动新原理、新结构及其实现方案的研究己成为世界微型机械领域竞相研究的重点课题，国内外著名的大学和实验室都将有关微驱动器的设计、加工、制造技术、测试技术等的研究作为微机械研究的一个重点方向和突破口。

压电驱动器是近年来发展起来的新型驱动器，是一种利用压电陶瓷堆逆压电效应制作的微位移器，具有体积小、推力大、精度高、位移分辨率高和频响快等优点，并且不发热，不产生噪声，是理想的微位移驱动器。目前，已广泛应用于微进给定位机构或系统。压电/电致伸缩微进给定位机构或系统在精密机械工程方面，用于刀具微进给、微雕刻系统、直线位移驱动、控制射流喷嘴、微型泵等；在光学及测量技术方面，用于透镜定位调节、激光调制、光纤定位对准、自动调焦、干涉测量、全息摄影、扫描探针显微测量等；在生物医学领域，用于眼外科手术等的微操作、细胞穿刺、微剂量控制器件、听觉生理刺激等；在微电子学和计算机技术方面，用于芯片和掩膜定位对准、光刻与半导体加工检查装置、磁盘和光盘制造装置及驱动器、点阵打印机，在机器人中可以用于手指、肢的驱动等。

在很多的系统中，都需要驱动器不仅微型化、功重比高、耗能少、发热小，而且行程大。如果直接利用压电陶瓷堆的变形来驱动负载往往具有明显的缺点，那就是行程小，至多在微米量级。目前，对于大行程驱动器的设计，一般有两种方法，一种是利用杠杆，液压等放大原理来放大位移，但是这种方法往往放大倍数有限，而且大大增加了系统的体积，减小了输出力。种方法就是采用位移累加方式，例如超声驱动器、蠕动仿生驱动器等，这种机构巧妙地克服了行程小的缺点。但是就目前的直线型超声驱动器来说，其输出力往往比较小。对于蠕动式仿生驱动器，就目前已经研制出压电驱动器的来说，其输出力矩也比较小，而且速度较低，行程有限，正是这些不足，限制了这种驱动器的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、输出力大、任意行程、高精度微型压电型双向直线驱动器，以适应各方面的实际需要。可广泛应用于机器人线性驱动、工业驱动、机械加工、生物仪器等领域。

任意行程高精度直线驱动器，其特征在于包括有两端敞开的机壳，机壳内固定有导向支座，导向支座的中间有导向筒，导向筒内有绳索穿过，绳索两端分别绕过导引轮，导向支座的一个侧面安装有至少二个横向伸缩单元，每个横向伸缩单元端部均安装有纵向伸缩箝位单元；纵向伸缩箝位单元的顶部是压头，压头指向绳索。

导向支座的二个侧面安装有至少二个横向伸缩单元，每个横向伸缩单元端部均安装有纵向伸缩箝位单元；纵向伸缩箝位单元的顶部是压头，压头指向绳索。

横向伸缩单元及与之连接的纵向伸缩箝位单元围绕绳索对称安装。

所述的绳索为钢索。

所述的绳索外侧有弧形摩擦片，弧形摩擦片和蝶形弹性膜片固结于一体，纵向伸缩箝位单元顶部的压头指向弧形摩擦片。

所述的机壳两端安装有管状的导向部件。

所述的纵向伸缩箝位单元和导向支座之间连接有弹簧。

所述的横向伸缩单元、纵向伸缩箝位单元均采用压电陶瓷堆。

本发明的导向支座一侧安装有纵向箝位伸缩单元和横向伸缩单元时，纵向箝位伸缩单元和横向伸缩单元在控制电压时序下形成一种推压关系，在摩擦作用下使钢索发生位移。

本发明的导向支座二侧安装有纵向箝位伸缩单元和横向伸缩单元时，即当左侧的箝位单元夹紧时，右侧的箝位单元放松，同时左侧的伸缩单元推动驱动轴运动，右侧的伸缩单元做预备动作；当右侧的箝位单元夹紧时，左侧的箝位单元处于放松状态，右侧的伸缩单元继续驱动输出轴运动，同时左侧的伸缩单元做预备动作，如此循环往复。

本发明可根据需要设置二个或多个箝位单元在摩擦力的作用下共同实现绳索箝位的作用，增加输出力，同时改善机构的稳定性。

本发明通过弹簧预紧或电场预紧方式来实现对横向联合向伸缩单元施加预应力，从而保证伸缩元件始终保持在受压状态，即保持箝位状态。

绳索采用高强度高挠性单股或多股钢索。为了保证钢索的平顺运动，在导向支座中设有导向筒，在外壳端部队设置管状的导向机构，并使得钢索能够和弧形摩擦片可靠接触。

与其他发明相比，本发明的优越性和创新点主要表现在：1、利用对称分布的压电陶瓷堆对构成的箝位单元产生更大的径向夹紧力，响应速度快；2、采用蝶形弹性膜片和具有一定包覆范围的弧形摩擦片，增加了夹紧面积，使得箝位动作更加可靠、稳定保持；3、把刚性轴改为具有一定柔韧性的钢索，并通过装置导向机构和导引轮，可以产生任意行程的位移和任意方向的力；这是现有的其它类型的直线驱动器所不具备的独特优势；4、使用弹簧预紧或者在安装时用负电压进行预压缩提供纵向箝位伸缩小单元的压电陶瓷堆的预应力，迫使伸缩机构在无预加电压时纵向预伸长，使得在无源的状态下保持箝位或制动状态，该特点使得在需要动静态姿态保持的场合有真正的应用价值。

本发明易于实现标准化和模块化，结构简单，输出力大，单个驱动器的输出力能够达到100N。可以通过改变输入频率来调整直线运动的步进速度，通过改变输入电压调整步进距离，通过使用多个驱动器来增大输出力。

附图说明

图1为直线驱动器机构原理图；

图2为箝位机构图；

图3为导向机构图；

图4为直线驱动器的驱动电压时序图；

图5为直线驱动器工作过程示意图；

图6为箝位机构应用实例图。

具体实施方法

如图1(a)所示，由弹簧预紧的驱动器主要构成：单股或多股钢索1，钢索可为全封闭的环形，也可为一定长度的线段；导向支座2、管状导向部件3；箝位机构，包括纵向伸缩箝位单元6、纵向伸缩箝位单元7；轴向伸缩机构，包括横向伸缩单元4，横向伸缩单元5组成。箝位机构与伸缩单元的一端固定联接，伸缩单元的另一端与导向支座2的固定部件相互固定联接。通过弹簧8给箝位单元6、7中的压电陶瓷堆15施加预应力，使得压电陶瓷堆15始终工作在受压状态。9为机壳。10为承载钢索的导引轮，在空间中可装置一个或多个导引轮，安装在特定位置，使得钢索在空间中可以任意方向受力。导向支座2的固定部件与机壳9相固定。箝位单元6、7的纵向伸缩方向与机壳相互接触，不应为过盈配合，而在箝位机构的横向方向上，由于会随着伸缩机构的伸缩方向而前后移动，所以保持一个间隙11。

箝位机构，如图2所示，以图1左侧由箝位单元6构成的结构为例说明，箝位单元7的构成与箝位单元6完全相同。包含对称分布的两个箝位单元6，其上装置压电陶瓷堆15，通过螺栓(图中未示出)与连接元件16固定在一起，螺栓顶部与机壳紧密接触，起到调整螺栓的作用。在系统驱动过程中，箝位单元6在伸缩单元4的作用下会相对于机壳滑动。压电陶瓷堆15，其一端被机壳顶住，另一端可相对于钢索轴心纵向自由伸缩；自由伸缩端安装一箝位压头14，顶在弧形摩擦片13上；蝶形弹性膜片12、弧形摩擦片13固结于一体。

箝位单元中的压电陶瓷堆15在其上无电场作用时，弹簧8预紧产生横向的预应力导致箝位单元中的压电陶瓷堆15实现伸长运动，从而产生径向位移和力。在产生伸长运动时，由于压电陶瓷堆15外端空间受限，迫使伸长方向为指向钢索中心，箝位压头14直接作用于弧形摩擦片13，可以在较大的接触面积下夹紧(制动)钢索1，即处于箝位状态。碟形弹簧膜片12在箝位压头14的作用下随着弧形摩擦片13发生弹性变形和回复，从而在撤除对弧形摩擦片13的箝位压力后，使得弧形摩擦片13与钢索1能够快速、可靠分离。当施加负电场时，压电陶瓷堆15克服弹簧8预紧力可回复至初始长度，蝶形弹性膜片12弹性回复，致使弧形摩擦片13与钢索1分离，即处于松开状态。这种在无源条件下的预夹紧，使得在系统中能够保持姿态不变。弹簧8的预紧力可以通过另外增加调节螺栓来实现。

除了采用弹簧预紧方式保持箝位状态外，还可以有另外一种方法即电场预紧，如图1(b)所示。与图1(a)比较，在本方案中不再使用弹簧。仍如图2所示，对钢索1的预夹紧是利用了其中的压电陶瓷堆15在装配中的预缩短。具体做法是：在装配时，对压电陶瓷堆15施加一定的负电场，使得压电陶瓷堆15缩短到要求的长度，通过调整螺栓(图中未示出)调节使得箝位单元的箝位压头14正好接触钢索1。锁紧螺栓，则压电陶瓷堆15在径向空间受限。撤除预先施加的负电场，则压电陶瓷堆15回复至原长；由于压电陶瓷堆15外端通过调整螺栓与外壳相接触，迫使压电陶瓷堆15向钢索中心伸长，从而产生一定的预紧力，可预夹紧钢索1。在驱动负载过程中，为了可靠夹紧钢索1，可以对压电陶瓷堆15施加正电场，增大箝位夹紧力，以致产生足够的静摩擦力来箝位制动钢索1。

本发明由导向机构2、3保证钢索1能更好地与弧形摩擦片13的相互密合。其中导向机构2如图3所示，由盘片状的固定部件和管状的导向部件构成。管状导向部件3为一圆筒，固定于机壳9。

轴向伸缩机构由伸缩单元4、5构成。

通过对轴向伸缩单元与箝位机构中的伸缩元件在一定的时序下的运动组合来实现对单股或多股钢索1的轴向驱动。具体工作过程，如图5所示，为驱动钢索1左移的过程：

(1)伸缩单元4、5，箝位单元6、7中的压电陶瓷堆15均无外加电场时，伸缩单元4、5处于原长度，箝位单元6、7中的压电陶瓷堆15处于弹簧的横向预压紧状态而产生伸长，从而产生箝位压紧力，钢索1制动；

(2)给箝位单元7中的压电陶瓷堆15施加负电场(图中的“-”)而缩短，则钢索1在该端解除箝位；而另一端仍保持箝位状态；

(3)保持压电陶瓷堆15的负电场，给伸缩单元4、5施加正电场(图中的“+”)，伸缩单元4、5在电场作用下伸长；由于箝位单元6夹紧钢索1，因而在伸缩单元4的伸长力作用下，推动钢索1向左移动一定距离；而另一端由于箝位单元解除箝位，可自由伸长，不会对钢索1施加任何力；

(4)保持伸缩单元4、5的正电场不变，撤除箝位单元7中的压电陶瓷堆15的负电场，则7所对应端的钢索恢复箝位状态；

(5)保持伸缩单元4、5的正电场不变，给箝位单元6中的压电陶瓷堆15施加负电场，则6所对应端的钢索解除箝位；由于箝位单元7仍然保持夹紧，则钢索处于箝位状态；

(6)保持箝位单元6中的压电陶瓷堆15的负电场不变，给伸缩单元4、5施加负电场(或者撤除正电场)，则使伸缩单元4、5缩短；由于箝位单元7夹紧钢索1，则在5的收缩力作用下，拉动钢索向左移动一定距离；而另一端由于箝位单元解除箝位，可自由收缩，不会对钢索1施加任何力；

(7)保持伸缩单元4、5的负电场(或无电场)不变，撤除箝位单元6中的压电陶瓷堆15的负电场，则6所对应端的钢索恢复箝位状态；

(8)保持伸缩单元4、5的负电场(或无电场)不变，给箝位单元7中的伸缩元件施加负电场，则7所对应端的钢索解除箝位；由于箝位单元6仍然保持夹紧，则钢索处于箝位状态；

(9)重复步骤(3)-(8)。如此循环，则钢索1不断向左移动。

输入电压的时序图如图4所示，其中，伸缩单元4、5所加的电压相同。当然，也可以工作于不同的时序，达到不断左移的目的，只是控制时序更加复杂。如果要实现右移运动，只需要改变一下输入电压时序次序。为了保证输出力矩的连续性，箝位单元6和7有一个同时箝位的时段。

本发明的机构可用开环控制，通过一定的控制算法，即使在开环条件下，也能够得到精确输出。对于存在较大干扰的系统，可以通过增加角度传感器，构成闭环控制系统。

利用本发明的原理，箝位机构可以有多种机构形式。可以根据输出需要适当分布箝位单元个数来增大输出力。如图6所示，(a)为箝位机构中有4个箝位单元对称分布时的结构图，(b)为箝位机构中有6个箝位单元对称分布时的结构图。

按图1(a)、(b)所示的结构，可以构成实际的应用装置。如图1(b)所示，钢索1为直径1mm的高强度、高韧性GB4358琴钢丝。导向支座2的固定部件为直径为28mm，厚为4mm的圆片，导向筒的外径为3mm，内径为1.5mm，其材料为45#钢。管状导向部件3的内径为1.5mm，外径为4mm，长度为5mm，其材料同样为45#钢。伸缩单元4、5长度为20mm、外径为14mm，内径为4mm的环形压电陶瓷堆，由日本NEC公司提供，最大可加电压为±150V，推荐电压为-100-+100V，最大电压下的伸长为17.4±2.0um，可提供最大输出力200N。箝位单元6、7中的压电陶瓷堆15为立方形压电陶瓷堆，边长为10mm，同样由日本NEC公司提供，其最大可加电压为±150V，推荐电压为-100-+100V，最大电压下的伸长为9.1±1.5um，可提供最大力200N。弹簧8为中径为4mm，线径为0.8mm由GB4357碳素钢丝制成，单圈弹簧刚度为63.2N/mm。机壳9的外径为30mm，厚1mm，其两个端面的厚度均为2mm，并和导向机构3紧密配合，其材料为45#钢。导向轮10的外径为6-15mm。空隙11为0.5-1mm。弧形摩擦片13厚度0.5mm，内径1mm，圆心角为90°，其成分为高锰钢ZGM13。

Claims (8)

1、一种任意行程高精度直线驱动器，其特征在于包括有两端敞开的机壳，机壳内固定有导向支座，导向支座的中间有导向筒，导向筒内有绳索穿过，绳索两端分别绕过导引轮，导向支座的一个侧面安装有至少二个横向伸缩单元，每个横向伸缩单元端部均安装有纵向伸缩箝位单元；纵向伸缩箝位单元的顶部是压头，压头指向绳索。

2、根据权利要求1所述的直线驱动器，其特征在于导向支座的二个侧面安装有至少二个横向伸缩单元，每个横向伸缩单元端部均安装有纵向伸缩箝位单元；纵向伸缩箝位单元的顶部是压头，压头指向绳索。

3、根据权利要求1或2所述的直线驱动器，其特征在于横向伸缩单元及与之连接的纵向伸缩箝位单元围绕绳索对称安装。

4、根据权利要求1或2所述的直线驱动器，其特征在于所述的绳索为钢索。

5、根据权利要求1或2所述的直线驱动器，其特征在于所述的绳索外侧有弧形摩擦片，弧形摩擦片和蝶形弹性膜片固结于一体，纵向伸缩箝位单元顶部的压头指向弧形摩擦片。

6、根据权利要求1或2所述的直线驱动器，其特征在于所述的机壳两端安装有管状的导向部件。

7、根据权利要求1或2所述的直线驱动器，其特征在于所述的纵向伸缩箝位单元和导向支座之间连接有弹簧。

8、根据权利要求1-7之一所述的直线驱动器，其特征在于所述的横向伸缩单元、纵向伸缩箝位单元均采用压电陶瓷堆。

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