可調預緊力式慣性粘滑驅動跨尺度精密定位平臺的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種可調預緊力式慣性粘滑驅動跨尺度精密定位平臺，平臺包括外殼、與外殼固定安裝的橢圓放大機構、位于橢圓放大機構上方的鉗位機構、位于鉗位機構上方的驅動機構、以及導向機構，導向機構為交叉滾柱導軌，驅動機構為驅動壓電陶瓷，鉗位機構包括與驅動機構粘接的鉗位塊和位于鉗位塊下方的鉗位導軌，橢圓放大機構包括與鉗位導軌相連的橢圓框架及位于橢圓框架內的鉗位壓電陶瓷，驅動壓電陶瓷兩端輸入有用于控制鉗位塊左右運動的第一電壓信號，鉗位壓電陶瓷兩端輸入有用于控制鉗位導軌上下運動的第二電壓信號。本發(fā)明集導向、鉗位、驅動于一體，系統(tǒng)集成度高、體積小，適用于對尺寸有要求的高精密定位場合。
【專利說明】可調預緊力式慣性粘滑驅動跨尺度精密定位平臺

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及微驅動精密定位【技術領域】，特別是涉及一種可調預緊力式慣性粘滑驅動跨尺度精密定位平臺。

【背景技術】
[0002]在傳統(tǒng)的精密定位技術中，絕大多數的定位和操作都是通過壓電陶瓷直接驅動實現(xiàn)。而壓電陶瓷在一定電場作用下的變形量與自身的尺寸成大致正比關系，但是變形量相對于自身的尺寸要小很多，對于疊堆型的壓電陶瓷，其最大位移量只能達到其自身尺寸的千分之一，長度為幾十毫米的壓電陶瓷通常只能實現(xiàn)幾十微米的運動范圍。
[0003]近年來，隨著納米技術和超大規(guī)模集成電路的迅猛發(fā)展，人們對運動范圍又提出了更高的要求。其中，具有納米定位精度，又具有毫米運動行程，甚至更大運動行程的納米跨尺度運動技術逐漸成為納米【技術領域】亟待解決的關鍵技術問題。其在大規(guī)模集成電路制造、納米器件制造、納米操作和生物技術等眾多領域有著廣泛的應用前景。
[0004]慣性粘滑驅動精密定位技術是目前出現(xiàn)的諸多類型跨尺度精密定位技術中的一種，它相對于其他類型的精密定位技術來說，具有驅動范圍大、分辨率高、結構簡單、體積小、集成度高等突出優(yōu)點，可以實現(xiàn)體積更小而運動范圍更大的跨尺度精密運動。因而在納米【技術領域】具有廣泛的應用前景。根據驅動原理的不同，其他跨尺度精密定位技術還可分為:尺蠖型驅動精密定位技術、壓電超聲波精密定位技術、宏微混合精密定位技術、粘滑精密定位技術等。
[0005]尺蠖型驅動精密定位技術是仿照自然界的尺蠖運動設計開發(fā)的，利用壓電元件的逆壓電效應推動鉗位機構和驅動機構交替作用，使直線動子在鉗位摩擦力作用下，輸出連續(xù)的精密位移。如吉林大學研制了一種基于斜塊鉗位的大載荷高精度尺蠖型壓電直線驅動器(專利號:CN 103780142A)，該尺蠖驅動器使用一個壓電疊堆，利用四對鉗位斜塊之間的自鎖效應實現(xiàn)鉗位，但平臺尺寸較大，結構復雜，對加工精度要求高，行程小。
[0006]壓電超聲驅動精密定位技術利用壓電陶瓷的逆壓電效應產生超聲振動，將材料的微變形通過共振放大，靠振動部分和移動部分之間的摩擦力來驅動的新型驅動器。如哈爾濱工業(yè)大學研制的基于壓電超聲振子驅動的兩自由度運動平臺(專利號:CN 103812381A)，該發(fā)明通過壓電超聲振子實現(xiàn)兩個自由度平臺的直接驅動，但由于壓電超聲驅動是利用摩擦實現(xiàn)力矩或力的傳遞，傳動過程中伴隨有發(fā)熱以及無法估計的滑動現(xiàn)象，因此效率較低，同時對壓電陶瓷及摩擦材料的性能要求較高，由于摩擦磨損嚴重影響了平臺的使用壽命，此外隨著載荷的增加，在施加相同電壓的情況下，壓電體的振幅會變小，這使驅動變得困難，制約了其使用范圍。
[0007]宏微混合精密定位技術通常由宏動驅動(行程為毫米級)和微動驅動(行程為微米級)兩部分構成，相互配合驅動，可以實現(xiàn)幾十毫米的運動范圍。宏動驅動主要采用電機驅動、手動驅動等較大行程的驅動方式實現(xiàn)。微動驅動主要采用以壓電陶瓷為主的驅動方式實現(xiàn)。如澳門大學研制的宏微驅動二維一體式微定位平臺(專利號:CN 102543217 A)該發(fā)明采用并聯(lián)解耦全柔順性機構，宏微一體式設計，但該結構尺寸較大，整體構型復雜，成本較高，驅動控制系統(tǒng)復雜，不便于對尺寸有限制的場合使用。
[0008]因此，針對上述技術問題，有必要提供一種可調預緊力式慣性粘滑驅動跨尺度精密定位平臺。


【發(fā)明內容】

[0009]有鑒于此，為了解決所述現(xiàn)有技術中的問題，本發(fā)明提供了一種可調預緊力式慣性粘滑驅動跨尺度精密定位平臺。
[0010]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明實施例提供的技術方案如下:
[0011]一種可調預緊力式慣性粘滑驅動跨尺度精密定位平臺，所述平臺包括外殼、與外殼固定安裝的橢圓放大機構、位于橢圓放大機構上方的鉗位機構、位于鉗位機構上方的驅動機構、以及導向機構，所述導向機構為交叉滾柱導軌，所述驅動機構為驅動壓電陶瓷，所述鉗位機構包括與驅動機構粘接的鉗位塊和位于鉗位塊下方的鉗位導軌，所述橢圓放大機構包括與鉗位導軌相連的橢圓框架及位于橢圓框架內的鉗位壓電陶瓷，所述驅動壓電陶瓷兩端輸入有用于控制所述鉗位塊左右運動的第一電壓信號，鉗位壓電陶瓷兩端輸入有用于控制所述鉗位導軌上下運動的第二電壓信號。
[0012]作為本發(fā)明的進一步改進，所述交叉滾柱導軌包括定子部分和動子部分。
[0013]作為本發(fā)明的進一步改進，所述交叉滾柱導軌的定子部分與所述殼體的側壁之間留有間隙。
[0014]作為本發(fā)明的進一步改進，所述驅動壓電陶瓷通過轉接塊與所述交叉滾柱導軌的動子部分相連，轉接塊與交叉滾柱導軌通過圓柱銷定位。
[0015]作為本發(fā)明的進一步改進，所述驅動機構和殼體之間設置有至少一個斜塊，用于調整驅動機構和殼體之間的間隙。
[0016]作為本發(fā)明的進一步改進，所述斜塊的斜面角度為30°?60°。
[0017]作為本發(fā)明的進一步改進，所述鉗位壓電陶瓷的一端與橢圓框架之間設有墊片。
[0018]作為本發(fā)明的進一步改進，所述墊片與橢圓框架通過預緊螺絲固定安裝。
[0019]作為本發(fā)明的進一步改進，所述橢圓框架包括上圓弧薄板和下圓弧薄板，上圓弧薄板和/或下圓弧薄板上設置有若干加強筋。
[0020]作為本發(fā)明的進一步改進，所述第一電壓信號的波形為鋸齒波，第二電壓信號的波形為矩形波，鋸齒波和矩形波的頻率相同，且鋸齒波處于上升沿時矩形波處于波峰階段，鋸齒波處于下降沿時矩形波處于波谷階段。
[0021]本發(fā)明具有以下有益效果:
[0022]本發(fā)明可調預緊力式慣性粘滑驅動跨尺度精密定位平臺集導向、鉗位、驅動于一體，能改善現(xiàn)有慣性粘滑驅動平臺在運動中容易出現(xiàn)的步長一致性差、丟步、保持力小、運動性能受負載影響大等問題，且能實現(xiàn)步進式與掃描式兩種動作模式的雙向直線大行程運動。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明中記載的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0024]圖1a為本發(fā)明一【具體實施方式】中可調預緊力式慣性粘滑驅動跨尺度精密定位平臺的主視結構示意圖；圖1b為圖1a中A-A方向的剖面結構示意圖；圖1c為本發(fā)明一【具體實施方式】中可調預緊力式慣性粘滑驅動跨尺度精密定位平臺的俯視結構示意圖；
[0025]圖2a、2b分別為本發(fā)明一【具體實施方式】中橢圓放大機構中橢圓框架的主視結構不意圖和側視結構不意圖；
[0026]圖3為本發(fā)明一【具體實施方式】中第一電壓信號和第二電壓信號的波形圖。

【具體實施方式】
[0027]以下將結合附圖所示的【具體實施方式】對本發(fā)明進行詳細描述。但這些實施方式并不限制本發(fā)明，本領域的普通技術人員根據這些實施方式所做出的結構、方法、或功能上的變換均包含在本發(fā)明的保護范圍內。
[0028]本發(fā)明公開了一種可調預緊力式慣性粘滑驅動跨尺度精密定位平臺，基于慣性粘滑原理，結合鉗位技術、壓電陶瓷驅動技術設計的一款跨尺度、高精密、大推力的定位平臺。該平臺包括外殼、與外殼固定安裝的橢圓放大機構、位于橢圓放大機構上方的鉗位機構、位于鉗位機構上方的驅動機構、以及導向機構，導向機構為交叉滾柱導軌，驅動機構為驅動壓電陶瓷，鉗位機構包括與驅動機構粘接的鉗位塊和位于鉗位塊下方的鉗位導軌，橢圓放大機構包括與鉗位導軌相連的橢圓框架及位于橢圓框架內的鉗位壓電陶瓷，驅動壓電陶瓷兩端輸入有用于控制鉗位塊左右運動的第一電壓信號，鉗位壓電陶瓷兩端輸入有用于控制鉗位導軌上下運動的第二電壓信號。
[0029]參圖la、lb、lc所示，在本發(fā)明的一【具體實施方式】中，可調預緊力式慣性粘滑驅動跨尺度精密定位平臺包括斜塊1，M3開槽平端緊定螺釘2，預緊螺釘3，橢圓放大機構4，M2開槽圓柱頭螺釘5，交叉滾柱導軌6，鉗位塊7，驅動壓電陶瓷8，轉接塊9，M2開槽圓柱頭螺釘10，鉗位導軌11，墊片12，M2開槽圓柱頭螺釘13，鉗位壓電陶瓷14，殼體15，M2開槽圓柱頭螺釘16，圓柱銷17。其中:
[0030]交叉滾柱導軌6選用NB公司的SVW 1030-7Z型號的導軌，其包括定子部分和動子部分，定子部分與殼體15通過4個M2開槽圓柱頭螺釘16連接，定子部分與殼體15側壁之間留有間隙，通過4個M2開槽圓柱頭螺釘調整交叉滾柱導軌6的安裝間隙；
[0031]轉接塊9通過M2開槽圓柱頭螺釘10固定于交叉滾柱導軌6的動子部分，且用圓柱銷17定位；
[0032]驅動壓電陶瓷8選用攀特公司PT1500505051型號壓電陶瓷，用環(huán)氧樹脂膠分別與轉接塊9和鉗位塊7粘接。鉗位狀態(tài)時鉗位塊7與鉗位導軌11上的V型槽面貼合，否則兩者相互分離；
[0033]鉗位導軌11選用彈性模量較大的不銹鋼，并通過M2開槽圓柱頭螺釘與橢圓放大機構4固連；
[0034]橢圓放大機構4安裝有鉗位壓電陶瓷14，鉗位壓電陶瓷14選用攀特公司PT1500505201型號壓電陶瓷，鉗位壓電陶瓷14 一端貼有墊片12，并通過預緊螺釘3預緊。在橢圓放大機構4安裝過程中考慮到裝配過程中有間隙及加工過程中有制造誤差，采用兩個斜塊10調整兩個方向的間隙，確保慣性粘滑平臺系統(tǒng)正常工作，其中斜塊10位置的調整是通過兩個開槽平端緊定螺釘實現(xiàn)的，位置調整正確后將橢圓放大機構用M2開槽圓柱頭螺釘13固定于殼體上。
[0035]進一步地，本發(fā)明中斜塊的斜面角度為30°?60°，在本實施方式中斜塊的斜面角度為45°。
[0036]圖2a、2b所示為本實施方式中橢圓放大機構中橢圓框架的結構示意圖，根據有限元分析的結果可知，當鉗位塊7在鉗位導軌11兩端施加力時，橢圓放大機構4柔性鉸鏈扭轉變形較大，嚴重影響鉗位力，從而降低系統(tǒng)的輸出推力。為解決這一問題，本實施方式中橢圓框架41包括上圓弧薄板411和下圓弧薄板412，上圓弧薄板411和下圓弧薄板412上分別對應設置有2個加強筋413、414。根據有限分分析可知，其大大改善了橢圓放大機構的受力變形問題。
[0037]參圖3所示，本實施方式中第一電壓信號的波形為鋸齒波，第二電壓信號的波形為矩形波，鋸齒波和矩形波的頻率相同，且鋸齒波處于上升沿時矩形波處于波峰階段，鋸齒波處于下降沿時矩形波處于波谷階段。
[0038]本實施方式的具體運動過程如下:
[0039]向驅動壓電陶瓷8輸入鋸齒波，鉗位壓電陶瓷14輸入矩形波。
[0040]當驅動壓電陶瓷8輸入的波形處于上升沿時，驅動壓電陶瓷8突然伸長，此時鉗位壓電陶瓷14中輸入的矩形波的峰值，壓電陶瓷14輸出位移通過橢圓放大機構4放大位移，鉗位塊7與鉗位導軌11完全分離，因此在驅動壓電陶瓷8的作用下，鉗位塊7與交叉滾柱導軌6動子部分能順利地往相反方向運動，由于平臺運動時采用交叉滾柱導軌作為導向件和支撐件，提高了運動時的穩(wěn)定性、一致性且在載荷變化時，其運動狀態(tài)也不會受到很大的影響。
[0041]當驅動壓電陶瓷8輸入的波形處于下降沿時，鉗位壓電陶瓷14中輸入的波形處于矩形波的波谷階段，鉗位壓電陶瓷14恢復原長，鉗位塊7與鉗位導軌11的V型槽面貼合，此時鉗位塊7在摩擦力作用下保持不動，交叉滾柱導軌6動子部分隨驅動壓電陶瓷8 一同向鉗位塊7方向運動，由于鉗位力的作用，提高了精密運動平臺的保持力，整體提高了其工作推力。
[0042]重復以上過程即可實現(xiàn)慣性粘滑精密定位平臺的步進式運動。當交叉滾柱導軌6的動子部分運動到鉗位壓電陶瓷14的伸長范圍以內時，鉗位壓電陶瓷14不通電，鉗位塊7被鎖住，驅動壓電陶瓷8通電發(fā)生微位移變化帶動交叉滾柱導軌6動子部分到達目標位置，實現(xiàn)納米級精密定位。
[0043]本發(fā)明中的可調預緊力式慣性粘滑驅動跨尺度精密定位平臺具有以下特點:
[0044]選用交叉滾柱導軌作為導向支撐件，工作時摩擦力受外界負載影響小，可保證運動過程穩(wěn)定性及步長的一致性。導軌上可外接其他操作執(zhí)行件，實現(xiàn)精密位移輸出或者微操作；
[0045]選用壓電陶瓷作為驅動部件及鉗位部件，響應迅速，尺寸小，集成度高，適用于尺寸受限制地場合；
[0046]橢圓放大機構上設置有加強筋，既可實現(xiàn)位移放大，又改善了柔性鉸鏈發(fā)生扭轉變形；
[0047]采用斜塊實現(xiàn)兩個平動自由度的微調，保證裝配后的平臺能夠正常工作；
[0048]采用鉗位機構，實現(xiàn)了在平臺工作中摩擦力變化的要求，且由于鉗位力的作用，提高了精密運動平臺的保持力，整體提高了其工作推力。平臺系統(tǒng)在斷電時處于自鎖狀態(tài)。
[0049]本發(fā)明中的慣性粘滑出尺度精密定位平臺有兩種工作模式:步進式和掃描式。步進過程運用慣性粘滑原理實現(xiàn)跨尺度運動，運動范圍達到幾十毫米；掃描過程依靠壓電陶瓷自身的伸長實現(xiàn)納米級的定位精度，該系統(tǒng)集成度高，體積小，適用于對尺寸有要求的高精密定位場合。
[0050]綜上所述，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0051]本發(fā)明能改善現(xiàn)有慣性粘滑驅動平臺在運動中容易出現(xiàn)的步長一致性差、丟步、保持力小、運動性能受負載影響大等問題，且能實現(xiàn)步進式與掃描式兩種動作模式的雙向直線大行程運動；
[0052]該慣性粘滑驅動精密定位技術具有更好的運動靈活性和更高的集成度，可以實現(xiàn)體積更小而運動范圍更大的跨尺度精密運動；
[0053]該跨尺度精密定位平臺集導向、鉗位、驅動于一體，由基座部分、鉗位部分、驅動部分組成?；糠忠軐崿F(xiàn)導向和支撐作用，這里選用交叉滾柱導軌導向和支撐機構，主要考慮其精度高，一致性好，工作中滑動摩擦力隨負載變化??；鉗位部分由鉗位壓電陶瓷、鉗位塊、鉗位導軌、橢圓放大機構等組成，選用橢圓放大機構是由于壓電陶瓷伸長量較小，通過放大機構放大壓電陶瓷位移量，從而能實現(xiàn)順利鉗位，且在端部采用預緊螺釘對壓電陶瓷進行預緊，鉗位部分還采用斜塊調整位置機構夠，能實現(xiàn)鉗位部分在兩個方向上的平動微調；驅動部分采用壓電陶瓷作為驅動器，壓電陶瓷致動器在超精密定位和微位移控制中具有其他致動器無法比擬的優(yōu)點，如體積小、位移分辨率高、響應速度快、輸出力大、換能效率高、靜態(tài)不發(fā)熱等，是微位移技術中比較理想的致動元件。
[0054]本發(fā)明在許多對操作空間有高度集成要求的納米【技術領域】，如微納器件三維操作、磁盤刻錄、MEMS器件的裝配和封裝等，具有廣闊的應用前景。
[0055]對于本領域技術人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實施例的細節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和范圍內的所有變化囊括在本發(fā)明內。不應將權利要求中的任何附圖標記視為限制所涉及的權利要求。
[0056]此外，應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但并非每個實施方式僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可以經適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。
【權利要求】
1.一種可調預緊力式慣性粘滑驅動跨尺度精密定位平臺，其特征在于，所述平臺包括外殼、與外殼固定安裝的橢圓放大機構、位于橢圓放大機構上方的鉗位機構、位于鉗位機構上方的驅動機構、以及導向機構，所述導向機構為交叉滾柱導軌，所述驅動機構為驅動壓電陶瓷，所述鉗位機構包括與驅動機構粘接的鉗位塊和位于鉗位塊下方的鉗位導軌，所述橢圓放大機構包括與鉗位導軌相連的橢圓框架及位于橢圓框架內的鉗位壓電陶瓷，所述驅動壓電陶瓷兩端輸入有用于控制所述鉗位塊左右運動的第一電壓信號，鉗位壓電陶瓷兩端輸入有用于控制所述鉗位導軌上下運動的第二電壓信號。
2.根據權利要求1所述的跨尺度精密運動平臺，其特征在于，所述交叉滾柱導軌包括定子部分和動子部分。
3.根據權利要求2所述的跨尺度精密運動平臺，其特征在于，所述交叉滾柱導軌的定子部分與所述殼體的側壁之間留有間隙。
4.根據權利要求2所述的跨尺度精密運動平臺，其特征在于，所述驅動壓電陶瓷通過轉接塊與所述交叉滾柱導軌的動子部分相連，轉接塊與交叉滾柱導軌通過圓柱銷定位。
5.根據權利要求1所述的跨尺度精密運動平臺，其特征在于，所述驅動機構和殼體之間設置有至少一個斜塊，用于調整驅動機構和殼體之間的間隙。
6.根據權利要求5所述的跨尺度精密運動平臺，其特征在于，所述斜塊的斜面角度為30。?60°。
7.根據權利要求1所述的跨尺度精密運動平臺，其特征在于，所述鉗位壓電陶瓷的一端與橢圓框架之間設有墊片。
8.根據權利要求7所述的跨尺度精密運動平臺，其特征在于，所述墊片與橢圓框架通過預緊螺絲固定安裝。
9.根據權利要求1所述的跨尺度精密運動平臺，其特征在于，所述橢圓框架包括上圓弧薄板和下圓弧薄板，上圓弧薄板和/或下圓弧薄板上設置有若干加強筋。
10.根據權利要求1所述的跨尺度精密運動平臺，其特征在于，所述第一電壓信號的波形為鋸齒波，第二電壓信號的波形為矩形波，鋸齒波和矩形波的頻率相同，且鋸齒波處于上升沿時矩形波處于波峰階段，鋸齒波處于下降沿時矩形波處于波谷階段。
【文檔編號】H02N2/02GK104467525SQ201410719389
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月1日 優(yōu)先權日:2014年12月1日
【發(fā)明者】鐘博文, 王振華, 陳林森, 李宗偉, 金子祺, 錢哲, 孫立寧 申請人:蘇州大學