CN207732662U - 一种超声驱动宏微复合运动平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种结合了直线驱动器与超声致动驱动器的宏微复合运动平台。通过直线驱动器实现运动平台从运动开始到定位开始的中间过程的大行程上的宏运动，而在最终的小行程的微进给定位运动中，通过超声致动驱动器实现最终的高精度定位。通过二者的结合，不仅解决了超声致动驱动器在大行程上速度较慢的缺点，也克服了直线电机在高定位精度要求的情况下定位精度不足的缺陷。

Description

一种超声驱动宏微复合运动平台

技术领域

本实用新型涉及运动平台的技术领域，更具体地，涉及一种超声驱动宏微复合运动平台。

背景技术

在微电子加工，超精密加工，半导体制造，航天航空科技等尖端领域中，传统的驱动装置已难以满足日益增长的加工精度的要求，科技人员都在努力寻求能够满足超精密加工精度的新型驱动器。压电陶瓷材料响应速度快，输出力大并且输出位移稳定，结构方面紧凑，体积小。而柔性铰链无机械摩擦，免润滑，运动灵敏度高，采用压电陶瓷材料的超声致动驱动器可产生超声频域的机械振动。

发明内容

运动平台将超声致动驱动器与柔性铰链等结构相结合，可以将压电陶瓷材料的小行程往复振动转化并积累为直线方向上的大行程运动，同时具有纳米级的分辨率，输出精度和定位精度高，响应快等特点，但是也存在运行速度较低的问题。

本实用新型为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种超声驱动宏微复合运动平台，本实用新型采用的技术方案如下。

一种超声驱动宏微复合运动平台，其特征在于，所述运动平台包括：机座、直线导轨、导轨滑块、直线驱动器、工作台、超声致动驱动器、位移检测装置和柔性铰链；所述直线导轨固定在所述机座上；所述导轨滑块设置于所述直线导轨上，并能够在所述直线导轨上滑动；所述直线驱动器驱动所述工作台进行直线运动；所述超声致动驱动器安装在所述导轨滑块上，并通过所述柔性铰链与所述工作台连接；所述超声致动驱动器包括：超声致动装置和运动切换单元；所述超声致动装置利用压电材料的逆压电效应，通过改变装置输入的电压，实现装置的超声振动；所述运动切换单元用于实现将所述超声致动装置的超声高频振动转化为沿直线导轨方向上的进给运动；所述位移检测装置用于实时反馈所述工作台的位置；所述柔性铰链通过弹性变形在精密定位的微运动中驱动所述工作台运动。

进一步，所述超声致动装置包括：两个板块和压电叠堆；所述两个板块分别安装在所述导轨滑块上，从而与固定在所述机座上的所述直线导轨进行连接；所述压电叠堆位于所述两个板块之间，并与所述两个板块连接，以实现预紧。

进一步，所述运动切换单元包括紧固机构，所述紧固机构与所述超声致动装置连接；所述紧固机构包括：压电促动器和摩擦块；所述摩擦块与所述压电促动器的顶部连接；所述压电促动器在通电时，根据逆压电效应进行伸长，从而将摩擦块抵在所述直线导轨上，以增大摩擦力，实现固紧所述超声致动装置的作用。

进一步，所述运动切换单元包括多个紧固机构，所述紧固机构与所述超声致动装置的所述板块连接；所述紧固机构包括：压电促动器和摩擦块；所述摩擦块与所述压电促动器的顶部连接；所述压电促动器在通电时，根据逆压电效应进行伸长，从而将摩擦块抵在所述直线导轨上，以增大摩擦力，实现固紧所述板块的作用。

进一步，所述位移检测装置包括光栅位移传感器。

进一步，所述直线驱动器包括：直线电机动子和直线电机定子组成；所述直线电机动子与所述工作台连接，所述直线电机动子可以通过电磁力作用驱动所述工作台进行大行程的直线运动。

进一步，所述柔性铰链为可拆卸式的切口型铰链。这样，可以方便铰链的替换。

进一步，所述柔性铰链为多个，且均为可拆卸式的切口型铰链；每个所述板块均至少与一个所述柔性铰链连接。

进一步，所述两个板块做成一个整体。这样可以实现更好的同步效果。

与现有技术相比，有益效果是：宏运动采用直线驱动器驱动，速度快，缩短从运动开始到定位开始之间过渡的时间，同时运动的行程大，增大了运动平台的有效行程。微运动采用超声致动驱动器驱动，精度高，可达到纳米级分辨率，同时响应速度快，配合柔性铰链无摩擦、运动灵敏的特性，平台所需的定位时间短，从而实现快速定位。采用宏微复合的方式将大行程速度快的直线驱动器与小行程精度高的超声致动驱动器结合起来，从而实现大行程高精密且快速定位的宏微复合运动平台。

附图说明

图1是本实用新型实施例一示意图。

图2为本实用新型实施例一超声致动驱动器工作原理.

图3为本实用新型的实施例二拆分结构示意图。

图4为本实用新型的实施例二局部剖切放大示意图。

附图标记说明：1.前板块、2.后板块、3.超声致动器、4.柔性铰链、5.工作台；6.机座、7.直线导轨、8.导轨滑块、9.压电促动器、10.摩擦块、11.板块Ⅰ、 12.板块Ⅱ、13.板块Ⅲ、14.板块Ⅳ、15.光栅位移传感器、16.直线电机动子、17. 直线电机定子、18.柔性铰链、19.压电叠堆Ⅰ、20.压电叠堆Ⅱ、21.工作台。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

本实用新型的基本原理如下。

如图1所示，本实用新型所述的复合运动平台主要包含直线导轨7、导轨滑块8、机座6、工作台5、位移检测装置、直线驱动器、超声致动驱动器和柔性铰链4等部件。

超声致动驱动器包含超声致动装置和运动切换单元。超声致动装置由压电陶瓷材料制成，利用压电材料的逆压电效应，通过改变装置输入的电压，实现装置的超声振动。运动切换单元用于实现将超声致动装置的超声高频振动转化为沿直线导轨方向上的进给运动。

超声致动装置包括：前板块1、后板块2和超声致动器3；前板块1和后板块2分别安装在导轨滑块8上，从而与固定在机座6上的直线导轨7进行连接；超声致动器3位于两个板块之间，并与两个板块连接，以实现预紧。

超声致动驱动器通过螺钉等刚性连接方式安装在导轨滑块8上，从而与固定在机座上的直线导轨进行连接。直线驱动器的定子与机座6刚性连接，直线驱动器的动子与工作台5刚性连接。超声致动驱动器3与工作台5之间通过柔性铰链4进行连接。

柔性铰链通过弹性变形在精密定位的微运动中驱动运动平台。

本实用新型所述的复合运动平台的工作原理如下：

实现大行程的宏运动时，超声致动驱动器不工作，直线驱动器直接驱动整个宏微复合运动平台进行直线运动。通过位移检测装置，检测到运动平台到达目标位置的距离小于预设值时，切换为精密定位运动，此时，直线驱动器不工作，转而通过超声致动驱动器实现运动平台的精密定位运动。

超声致动驱动器驱动运动平台实现微进给运动的原理图如图2所示。

超声致动驱动器驱动平台运动的工作原理：

S_01.微进给运动开始时，运动切换单元使后板块2固定在导轨上，如状态一所示。

S_02.安装在前板块1、后板块2之间的超声致动器3处于伸长阶段，不断伸长，直至伸长到最大伸长量e，由于后板块2固定，超声致动器3将驱动前板块1运动一段位移，位移量等于超声致动器3的最大伸长量e。由于前板块1 和后板块2之间的距离在超声致动器3的伸长阶段中不断增大，柔性铰链4将产生弹性形变，如状态二所示。

S_03.运动切换单元使前板块1固定在导轨上，如状态三所示。

S_04.运动切换单元去除对后板块2的控制，使后板块2与导轨之间不再固定。超声致动器3处于缩回状态，不断缩回，直至恢复原长，同时柔性铰链4 恢复原状，驱动后板块2运动一段位移，位移量等于超声致动器3的最大伸长量e，如状态四所示。

S_05.柔性铰链4从S_02.的弹性变形到S_04.的从形变中恢复，驱动工作台5运动。工作台5最终的运动位移为超声致动器3的最大伸长量e，完成一个过程的运动，如状态五所示。

把S_01到S_05为一次微进给过程，重复该过程，将每个过程的微位移不断积累，最终到达目标位置。

改变运动切换单元对前板块1和后板块2的控制时序，可以实现反方向的微运动。

本实用新型提出的运动平台的一个具体实施例如下。

如图3、4所示，运动平台主要包含机座6、直线导轨7、导轨滑块8、压电促动器9、摩擦块10、板块Ⅰ11、板块Ⅱ12、板块Ⅲ13、板块Ⅳ14、光栅位移传感器15、直线电机动子16、直线电机定子17、柔性铰链18、压电叠堆Ⅰ 19、压电叠堆Ⅱ20、工作台21等部件。

所述超声致动驱动器由超声致动装置和运动切换单元组成。

其中，所述超声致动装置包含板块Ⅰ11、板块Ⅱ12、板块Ⅲ13、板块Ⅳ14、压电叠堆Ⅰ19、压电叠堆Ⅱ20等部件。板块Ⅰ11、板块Ⅱ12、板块Ⅲ13、板块Ⅳ14分别安装导轨滑块8上，从而与固定在机座6上的直线导轨7进行连接。压电叠堆Ⅰ19位于同根直线导轨上的板块Ⅰ11和板块Ⅲ13之间，通过双头螺柱-螺栓的连接方式与两个板块进行刚性连接，并实现预紧。对称地，压电叠堆Ⅱ20位于板块Ⅱ12和板块Ⅳ14之间，通过双头螺柱-螺栓的连接方式与两个板块进行刚性连接，并实现预紧。为了实现更好的同步效果，板块Ⅰ11和板块Ⅲ 13，板块Ⅱ12和板块Ⅳ14可以分别做成整体。

所述运动切换单元包含4个固紧机构，固紧机构包含压电促动器9和摩擦块10等部件。摩擦块10通过螺纹的连接方式与压电促动器9的顶部进行刚性连接。固紧机构分别通过螺钉的连接方式与板块Ⅰ11、板块Ⅱ12、板块Ⅲ13、板块Ⅳ14进行刚性连接，且正对着直线导轨7的上方。固紧机构中的压电促动器9在通电时，根据逆压电效应进行伸长，从而将摩擦块10抵在直线导轨7上，增大摩擦力，实现固紧相应板块的作用。

所述直线驱动器由直线电机动子16和直线电机定子17组成。直线电机动子16与工作台21连接，直线电机动子16可以通过电磁力作用驱动工作台进行大行程的直线运动。

所述柔性铰链18为可拆卸式的切口型铰链，分别阵列布置并通过螺钉的刚性连接方式与板块Ⅰ11、板块Ⅱ12、板块Ⅲ13、板块Ⅳ14连接。如图3所示，工作台10通过铰链A8分别与板块Ⅰ11、板块Ⅱ12、板块Ⅲ13、板块Ⅳ14连接。

所述光栅位移传感器15与工作台21连接，实时反馈工作台21在运动时的位置。光栅位移传感器15检测的位置信号作为反馈，结合外部的控制器搭建闭环系统，实现工作台21的高精密直线运动。

所述实施例的具体运动方式：

进行大行程的宏运动时，直线电机动子16通过电磁力作用驱动工作台21 进行直线运动。光栅位移传感器15实时检测工作台21的位置，当检测到工作台21的当前位置接近目标位置并小于预设量时，直线电机断电，直线电机动子 16不再驱动工作台21，转而通过超声致动驱动器驱动工作台21进行精密微运动。

进行小行程的微进给运动时，通过控制输入压电叠堆Ⅰ19和压电叠堆Ⅱ20 的电压，使二者同步并重复进行“伸长-缩回”的规律运动。在微进给运动开始时，首先，安装在板块Ⅱ12、板块Ⅳ14上的固紧装置中的压电促动器9得电伸长，将摩擦块10抵在直线导轨7上，增大摩擦力，使板块Ⅱ12和板块Ⅳ14固定在直线导轨7上。其次，加载在压电叠堆Ⅰ19和压电叠堆Ⅱ20的电压逐渐升高，压电叠堆Ⅰ19和压电叠堆Ⅱ20根据逆压电效应逐渐伸长。在伸长的过程中，由于板块Ⅱ12和板块Ⅳ14已通过固紧机构固定在直线导轨7上，压电叠堆Ⅰ19 和压电叠堆Ⅱ20将驱动板块Ⅰ11和板块Ⅲ13进行小位移运动，同时使柔性铰链18产生弹性形变。再次，在压电叠堆Ⅰ19和压电叠堆Ⅱ20达到最大伸长量时，板块Ⅰ11、板块Ⅲ13向前前进了等于最大伸长量的位移，此时安装在板块Ⅰ11、板块Ⅲ13上的固紧装置通电，使板块Ⅰ11、板块Ⅲ13固定在直线导轨7 上，同时，板块Ⅱ12、板块Ⅳ14上的固紧装置断电缩回，松开板块Ⅱ12、板块Ⅳ14。然后，加载在压电叠堆Ⅰ19和压电叠堆Ⅱ20的电压逐渐降低，压电叠堆Ⅰ19和压电叠堆Ⅱ20根据逆压电效应逐渐缩短，同时柔性铰链18从变形中恢复。在缩短的过程中，由于板块Ⅰ11和板块Ⅲ13已通过固紧机构固定在直线导轨7上，柔性铰链18通过弹性回复作用，驱动板块Ⅱ12、板块Ⅳ14进行向前的小位移运动。最后，在加载在压电叠堆Ⅰ19、压电叠堆Ⅱ20上的电压降低至零时，压电叠堆Ⅰ19、压电叠堆Ⅱ20恢复原长，同时柔性铰链18恢复原状，板块Ⅱ12、板块Ⅳ14页向前前进了长度等于最大伸长量的位移。

在这一过程中，柔性铰链18先是在外力作用下产生弹性形变，然后恢复原状，驱动工作台21向前移动，最终，工作台21在柔性铰链18的驱动下前进等于压电叠堆Ⅰ19和压电叠堆Ⅱ20的最大伸长量，因此最大伸长量即为此过程中工作台21的步进位移。

重复这一过程，便可将工作台21微小的步进位移进行逐步累积，运动过程中，光栅位移传感器15检测实时位置，通过闭环控制，工作台21最终到达目标位置。

通过改变固紧机构的控制时序便可实现反方向的微进给运动。

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。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种超声驱动宏微复合运动平台，其特征在于，所述运动平台包括：机座、直线导轨、导轨滑块、直线驱动器、工作台、超声致动驱动器、位移检测装置和柔性铰链；

所述直线导轨固定在所述机座上；

所述导轨滑块设置于所述直线导轨上，并能够在所述直线导轨上滑动；

所述直线驱动器驱动所述工作台进行直线运动；

所述超声致动驱动器安装在所述导轨滑块上，并通过所述柔性铰链与所述工作台连接；

所述超声致动驱动器包括：超声致动装置和运动切换单元；

所述超声致动装置利用压电材料的逆压电效应，通过改变装置输入的电压，实现装置的超声振动；

所述运动切换单元用于实现将所述超声致动装置的超声高频振动转化为沿直线导轨方向上的进给运动；

所述位移检测装置用于实时反馈所述工作台的位置；

所述柔性铰链通过弹性变形在精密定位的微运动中驱动所述工作台运动。

2.根据权利要求1所述的超声驱动宏微复合运动平台，其特征在于，

所述超声致动装置包括：两个板块和压电叠堆；

所述两个板块分别安装在所述导轨滑块上，从而与固定在所述机座上的所述直线导轨进行连接；

所述压电叠堆位于所述两个板块之间，并与所述两个板块连接，以实现预紧。

3.根据权利要求1所述的超声驱动宏微复合运动平台，其特征在于，

所述运动切换单元包括紧固机构，所述紧固机构与所述超声致动装置连接；

所述紧固机构包括：压电促动器和摩擦块；

所述摩擦块与所述压电促动器的顶部连接；

所述压电促动器在通电时，根据逆压电效应进行伸长，从而将摩擦块抵在所述直线导轨上，以增大摩擦力，实现固紧所述超声致动装置的作用。

4.根据权利要求2所述的超声驱动宏微复合运动平台，其特征在于，

所述运动切换单元包括多个紧固机构，所述紧固机构与所述超声致动装置的所述板块连接；

所述紧固机构包括：压电促动器和摩擦块；

所述摩擦块与所述压电促动器的顶部连接；

所述压电促动器在通电时，根据逆压电效应进行伸长，从而将摩擦块抵在所述直线导轨上，以增大摩擦力，实现固紧所述板块的作用。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的超声驱动宏微复合运动平台，其特征在于，所述位移检测装置包括光栅位移传感器。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的超声驱动宏微复合运动平台，其特征在于，所述直线驱动器包括：直线电机动子和直线电机定子组成；所述直线电机动子与所述工作台连接，所述直线电机动子可以通过电磁力作用驱动所述工作台进行大行程的直线运动。

7.根据权利要求1-4中任一项所述的超声驱动宏微复合运动平台，其特征在于，所述柔性铰链为可拆卸式的切口型铰链。

8.根据权利要求2所述的超声驱动宏微复合运动平台，其特征在于，所述柔性铰链为多个，且均为可拆卸式的切口型铰链；每个所述板块均至少与一个所述柔性铰链连接。

9.根据权利要求2、4、8中任一项所述的超声驱动宏微复合运动平台，其特征在于，所述两个板块做成一个整体。