TWM464559U

TWM464559U - 直線傳動系統

Info

Publication number: TWM464559U
Application number: TW102210130U
Authority: TW
Inventors: Chin-Tsai Yang; Chun-Sheng Chen; Lian-Wang Lee; Sie-Can Li; Wen-Hsiung Lin
Original assignee: Univ Lunghwa Sci & Technology
Priority date: 2013-05-30
Filing date: 2013-05-30
Publication date: 2013-11-01

Description

直線傳動系統

本創作係關於一種直線傳動系統。

直線傳動系統為一種高精密性的傳動元件，廣泛應用在精密機械、自動化、各種動力傳輸、半導體、醫療和航太等產業上，其設置的目的在於承載各種物件或機台設備，並同時提供精密的傳動功能。

一般而言，直線傳動模組係由直線運動模組及驅動單元所組成，直線運動模組可以是滾珠螺桿、滾珠花鍵組或線性滑軌，且直線運動模組係由可線性移動的運動單元及固定式的軌道單元所共同組成。以滾珠螺桿為例，運動單元係為螺帽，軌道單元則為螺桿。螺桿係與驅動單元相連接，並且由螺帽與螺桿藉由機械原理，將驅動單元(可以為伺服馬達或步進馬達)所提供螺桿之旋轉運動，轉變成螺帽之直線傳動。上述之機械原理主要是因螺帽的位置可由馬達之旋轉角度間接換算，換言之，驅動單元(馬達)每旋轉一角度時，螺帽之位移量等於該角度乘以螺桿之導程。

然而，螺桿之導程容易有製造上的誤差，且材料也有因溫度變化而膨脹縮收的問題，因此難以控制螺帽的真實位移量。又，螺帽(運動單元)係用以承載機械手臂等物件，因而衍生出後續製程無可避免之誤差的問題。

除了螺桿以外，當然還有以皮帶或鍊條等其他方式帶動運動單元進行直線運動的方法，但其定位精度仍不如滾珠螺桿，對後續製程的不良影響更大。但是，即便使用等級最高之滾珠螺桿，其定位精度亦無法小於1 μm，且此種滾珠螺桿造價高昂，不符生產成本。總體而言，當使用直線傳動系統承載或驅動之物件或機台設備執行高精密度作業時，會產生應用上的限制，或是生產產品的良率不佳的問題。

因此，如何提供一種直線傳動系統，以有效的提升定位精度，已成為重要課題之一。

有鑑於上述課題，本創作之目的為提供一種直線傳動系統，其藉由壓電單元與光學定位模組的設置，達到兩段式作動，以有效的提升定位精度。

為達上述目的，依本創作一種直線傳動系統，包括一傳動模組、二輔助模組、至少一壓電單元、一被動模組、一光學定位模組以及一控制模組。傳動模組具有一運動單元。輔助模組分別具有一輔助單元，該些輔助單元承托運動單元，以輔助運動單元穩定地運動。被動模組係透過壓電單元與運動單元相連接。光學定位模組量測運動單元或被動模組之位置。控制模組耦接光學定位模組及壓電單元，依據光學定位模組的量測結果，驅動壓電單元，改變運動單元與被動模組之間的距離。

在本創作一較佳實施例中，被動模組更具有一承載單元，承載待受直線傳動系統驅動之一工具或一設備。

在本創作一較佳實施例中，傳動模組更具有一驅動單元，提供動力驅動運動單元。

在本創作一較佳實施例中，傳動模組包括滾珠螺桿組、汽缸組、皮帶組或鏈條組。

在本創作一較佳實施例中，壓電單元包括壓電陶瓷或壓電聚合物。

在本創作一較佳實施例中，控制模組驅動壓電單元，使壓電單元沿直線傳動系統之長軸方向產生形變，進而改變運動單元與被動模組之間的距離。

在本創作一較佳實施例中，光學定位模組包括光學尺或線性編碼器。

在本創作一較佳實施例中，光學定位模組平行於運動單元之運動方向設置。

在本創作一較佳實施例中，其中直線傳動系統更包括一基台，傳動模組、該二輔助模組以及光學定位模組設置於基台。

在本創作一較佳實施例中，該二輔助模組包括線性滑軌或滾珠花鍵組。

承上所述，依據本創作之直線傳動系統，藉由壓電單元、被動模組、光學定位模組及控制模組的設置，可將直線傳動系統的位移區分為兩段式作動。第一階段為粗定位，利用傳動模組將運動單元、被動模組及其承載的工具或設備移動至預設位置，然，此時可能存有誤差；第二階段再以控制模組依據光學定位模組的量測結果，驅動壓電單元產生機械振動，以改變運動單元與被動模組之間的距離，以消弭第一階段之誤差，使被動模組及其承載之工具或設備能真正地到達預設位置，以達到精密定位的功效。

利用本創作之設計無須改良傳動模組，故可降低傳動模組本身定位精度的需求，可簡化傳動模組的加工之難度、耗費時間及生產成本，更可廣泛的應用於習知定位精度較差的汽缸組、皮帶組或鏈條組，提升各類型直線傳動系統的定位精度。

〔習知〕

無

〔本創作〕

1‧‧‧傳動模組

11‧‧‧運動單元

111‧‧‧主動部件

12‧‧‧軌道單元

13‧‧‧驅動單元

14‧‧‧固定元件

2‧‧‧輔助模組

21、21a、21b‧‧‧輔助單元

22‧‧‧輔助軌道

3‧‧‧壓電單元

4‧‧‧被動模組

41‧‧‧承載單元

5‧‧‧光學定位模組

6‧‧‧控制模組

7‧‧‧基台

L‧‧‧直線傳動系統

L₁ 、L₂ ‧‧‧長度

D₁ 、D₂ ‧‧‧距離

圖1為依據本創作一實施例所示之直線傳動系統的示意圖。

圖2為圖1所示之直線傳動系統的分解示意圖。

圖3為圖1所示之運動單元與被動模組的放大剖面示意圖。

圖4A為圖3所示之運動單元、壓電單元及被動模組之相對位置的簡單示意圖。

圖4B為圖4A所示之壓電單元的變化示意圖。

圖5為依據本創作另一實施例所示之直線傳動系統的示意圖。

以下將參照相關圖式，說明依據本創作較佳實施例之一種直線傳動系統，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。

圖1為依據本創作一實施例之直線傳動系統的示意圖，圖2為圖1所示之直線傳動系統的分解示意圖，其中，為求圖式清楚明瞭，圖2未顯示控制模組。請同時參照圖1及圖2所示，直線傳動系統L包括一傳動模組1、二輔助模組2、至少一壓電單元3、一被動模組4、一光學定位模組5以及一控制模組6。且較佳的，直線傳動系統L更包括一基台7，傳動模組1、輔助模組2以及光學定位模組5皆設置於基台7。

其中，直線傳動系統L的設計可以導軌引動器或導軌致動器為基礎，其中傳動模組1可例如但不限於滾珠螺桿組，但在其他實施例中，傳動模組1還可以汽缸組、皮帶組或鏈條組取代滾珠螺桿組。

傳動模組1係由運動單元11、軌道單元12及驅動單元13所共同組成。其中，運動單元11係以軌道單元12之延伸方向進行直線運動。由於本實施例之傳動模組1係以滾珠螺桿組為例，而運動單元11對應為螺帽，軌道單元12為螺桿，驅動單元13則為馬達。另外，傳動模組1更具有二固定元件14，分別設置於基台7的兩端，用以將軌道單元12固定於基台7，並且其一固定元件14係與驅動單元13連接。運動單元11滑設於軌道單元12。

驅動單元13與軌道單元12相連接，用以作為傳動模組1之動力來源。於本實施例中，軌道單元12係穿過固定元件14而直接與驅動單元13連接，當驅動單元13驅動軌道單元12(螺桿)旋轉時，使運動單元11可以在軌道單元12上進行直線運動。然而，於其他實施例中，當傳動模組為汽缸組、皮帶組或鏈條組時，則驅動單元則藉由其他元件，例如皮帶、齒輪皮帶或鍊條等方式驅動運動單元運動，本創作於此不限。

本創作之直線傳動系統L具有二輔助模組2，用以維持傳動模組1之運動單元11運作時的穩定性。詳細而言，各輔助模組2分別具有一輔助單元21，且輔助單元21承托運動單元11，以輔助運動單元11穩定地運動。於本實施例中，輔助模組2係以線性滑軌為例，其具有輔助單元21與輔助軌道22。輔助單元21係為滑座，而輔助軌道22係為滑軌，且輔助軌道22穩定地設置於基台7上。於其他實施例中，輔助模組亦可為滾珠花鍵組，而輔助單元為花鍵軸承套，輔助軌道為花鍵軸。其中，如圖2所示，運動單元11可進一步區別出一主動部件111。在本實施例中，主動部件111可以為一個體積較螺帽為大之塊體，且因為套設於螺帽上，故會依據輸入之動力主動地位移，而有主動部件111之稱。需特別註明的是，為求圖式清楚明瞭，本創作之圖式，除圖2之外，皆直接標示主動部件111的塊體部分為運動單元11。另外，運動單元11的主動部件111更具有凹狀的結構，其對應輔助單元21的外側構型，使運動單元11可以容易地設置於輔助單元21的上方，達到被承托的目的。較佳的，更可以螺鎖的方式固定運動單元11與輔助單元21，以強化兩者的連結。具有輔助模組2的直線傳動系統L適合應用於大型機台設備中、負載長形工件時或是運動單元11需要位移的距離較長時。

圖3為圖1所示之運動單元與被動模組的放大剖面示意圖，請同時參考圖1及圖3所示。被動模組4鄰設於運動單元11，而輔助模組2具有四個輔助單元21，其中二個輔助單元21a用以承托運動單元11，其中另二個輔助單元21b承托被動模組4。被動模組4與運動單元11之間有一距離，以供設置壓電單元3，使被動模組4與運動單元11之間透過壓電單元3相連接。本創作不限制壓電單元3的個數，而於本實施例中，直線傳動系統L係以二個壓電單元3為例，分別設置於被動模組4與運動單元11之間之軌道單元12的兩側。壓電單元3係由壓電材料組成，可例如但不限於壓電陶瓷或壓電聚合物，例如聚偏氟乙烯(Polyvinylidene difluoride,PVDF)。壓電材料具有可在機械能與電能之間相互轉換的現象，稱之為壓電效應(Piezoelectricity)。另外，壓電效應又可分為正壓電效應及逆壓電效應，正壓電效應實質上係為機械能轉化為電能的過程；反之，逆壓電效應則實質上為電能轉化為機械能的過程。本創作便是藉由壓電單元3係為壓電材料具有逆壓電效應的特性，以改變運動單元11與被動模組4之間的距離。

詳細而言，藉由控制模組6的設置，控制模組6耦接壓電單元3，並可於壓電單元3表面施加電訊號(電壓)。當在壓電單元3表面施加高頻的電訊號，壓電單元3就會產生高頻的機械振動，進而使壓電單元3產生形變(體積上的改變，且主要是長度改變所造成之體積改變)，而運動單元11與被動模組4之間的距離便受到壓電單元3產生形變量所調控。

除此之外，光學定位模組5係設置於基台7，並耦接控制模組6，且光學定位模組5較佳係平行於運動單元11之運動方向設置，使光學定位模組5可量測運動單元11或被動模組4之位置。由於在控制模組6未施予壓電單元3高頻電訊號的情形下，運動單元11、壓電單元3及被動模組4三者間的相對位置固定，因此，不論光學定位模組5設定為量測運動單元11之主動部件111或其他部分，或測量被動模組4，皆可推算出被動模組4及其承載的工具或設備與預設位置的差距。

光學定位模組5可例如但不限於光學尺或線性編碼器，光學尺及線性編碼器皆為編碼器的一種，編碼器即是將量測時所得到的類比信號轉換成數位的編碼信號，並將該編碼信號傳送至控制模組6。在本實施例中，光學定位模組5係測量被動模組4之位置。

於本實施例中，被動模組4可承載待受直線傳動系統L所驅動之一工具或一設備，因此，可藉由壓電單元3、被動模組4、光學定位模組5及控制模組6的設置，將直線傳動系統L區分為兩段式作動。第一階段為粗定位，係利用傳動模組1之動力，將運動單元11及其主動部件111，以及與運動單元11連結之被動模組4及其承載的工具或設備移動至預設位置，惟此時因為定位精度不足之故，必然與真正的預設位置存有誤差。

圖4A為圖3所示之運動單元、壓電單元及被動模組之相對位置的簡單示意圖，圖4B為圖4A所示之相對位置經變化後的示意圖，請同時參考圖3、圖4A及圖4B所示。接續第一階段，第二階段再以控制模組6依據光學定位模組5的量測結果，判斷與真正預設位置的差距，調整施予壓電單元3上的電訊號之頻率或強度，驅動壓電單元3產生機械振動，進而使壓電單元3沿直線傳動系統L之長軸方向產生形變。

上述的具體結果可由圖4A至圖4B的過程中發現，壓電單元3受到電訊號的驅動後，由長度L₁ 變成較長的長度L₂ 。而這樣的長度變化當然地改變了運動單元11與被動模組4之間的距離，即由距離D₁ (圖4A)變成較長的距離D₂ (圖4B)。其中，驅動壓電單元3所產生之機械振動，可以運動單元11為固定端，細微地調整被動模組4的位置，使被動模組4及其承載之工具或設備能精確地被調整到真正的預設位置。利用壓電單元3的特性，可使定位精度達到1 μm的程度。

反之，當控制模組6停止施予電訊號於壓電單元3，壓電單元3的長度及運動單元11與被動模組4之間的距離縮短為長度L₁ 及距離D₁ 。故可藉由壓電單元3長度的變化(伸長或縮短)，進而調整運動單元11與被動模組4之間的距離，以達到第二階段之精密定位之功效。另外，由於壓電單元3較佳可產生每秒24次的振動，故第二階段的調整相當快速，不會拖延作業時間。

圖5為依據本創作另一實施例所示之直線傳動系統的示意圖，請參考圖5所示。於本創作之直線傳動系統L中，被動模組4更具有一承載單元41，而待受直線傳動系統L驅動之工具或設備係設置於承載單元41。承載單元41可由被動模組4帶動至預設位置。且同樣的，可藉由控制模組6調整施予壓電單元3(可參考圖2所示)上的電訊號之頻率或強度，驅動壓電單元3產生機械振動，以改變運動單元11與承載單元41之間的距離，迅速且細微地調整承載單元41的位置，使承載單元41及其承載之工具或設備能真正地到達預設位置。

綜上所述，依據本創作之直線傳動系統，藉由壓電單元、被動模組、光學定位模組及控制模組的設置，可將直線傳動系統的位移區分為兩段式作動。第一階段為粗定位，利用傳動模組將運動單元、被動模組及其承載的工具或設備移動至預設位置，然，此時可能存有誤差；第二階段再以控制模組依據光學定位模組的量測結果，驅動壓電單元產生機械振動，以改變運動單元與被動模組之間的距離，以消弭第一階段之誤差，使被動模組及其承載之工具或設備能真正地到達預設位置，以達到精密定位的功效。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本創作之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。