一種帶位移傳感功能步距可變的閉環(huán)微位移步進(jìn)驅(qū)動裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明既是一種自帶位移傳感功能的步進(jìn)距離可變的高精度閉環(huán)微位移驅(qū)動裝置，同時又是一種以步進(jìn)方式進(jìn)行測量的高精度位移傳感器。本發(fā)明
涉及機(jī)電一體化領(lǐng)域和傳感測控領(lǐng)域，可作為一種高精度閉環(huán)直線或扭轉(zhuǎn)運動機(jī)構(gòu)的驅(qū)動器，又可作為高精度位移測量的傳感裝置?？蓱?yīng)用于超精密加工，精密工程，微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)，微小機(jī)器人，半導(dǎo)體制造，生物醫(yī)學(xué)，航空航天，激光高速燒結(jié)加工，高分辨率激光投影等科學(xué)領(lǐng)域制造業(yè)領(lǐng)域，和消費電子領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人類對微觀領(lǐng)域的研究越來越深。尤其在超精密加工，微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)，微小機(jī)器人等領(lǐng)域，對精密定位，微小位移的要求越來越高，傳統(tǒng)的驅(qū)動裝置，如普通電機(jī)，絲杠螺母，蝸輪蝸桿等宏觀大尺寸驅(qū)動裝置已經(jīng)不能滿足其精度要求，相比于傳統(tǒng)驅(qū)動裝置，壓電，磁致伸縮等器件驅(qū)動裝置因為體積小，位移分辨率高，響應(yīng)速度快，控制特性好，能耗低，無噪聲等優(yōu)點，正在被越來越多的應(yīng)用于精密工程，微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)，微小機(jī)器人等領(lǐng)域。隨著激光燒結(jié)為代表的新一代制造技術(shù)的發(fā)展，作為激光振鏡的高精度定位功能和響應(yīng)時間，已成為一個重要的技術(shù)瓶頸，傳統(tǒng)的振鏡方式無法提供高分辨率的角位置，嚴(yán)重局限了激光燒結(jié)技術(shù)的加工尺寸和加工精度。同時隨著激光電視和激光投影技術(shù)的發(fā)展，激光代替?zhèn)鹘y(tǒng)光源，實現(xiàn)了高亮度，高可靠性，結(jié)構(gòu)簡單成本低等特點。但是一個重要的局限因素就是激光投影的光折射振鏡能否提供高精度的定位位置，如果可以提供高精度的定位位置和高響應(yīng)速度，激光投影和激光電視技術(shù)的分辨率和適用范圍則會大大提升。目前的傳統(tǒng)驅(qū)動裝置往往帶來結(jié)構(gòu)尺寸偏差大，不僅精度低，往復(fù)運動定位精度低，行程小等特點。一些應(yīng)用壓電和磁致伸縮等微位移技術(shù)的驅(qū)動裝置，也存在著驅(qū)動器和傳感器分離，驅(qū)動器行程有限，大量程的位移傳感器價格昂貴，整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺陷。嚴(yán)重制約著精密技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，和精密工程領(lǐng)域的運用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種自帶位移傳感功能步進(jìn)距離可變的高精度閉環(huán)微位移驅(qū)動裝置，同時也是一種以步進(jìn)方式進(jìn)行測量的高精度位移傳感器。解決目前微位移驅(qū)動器結(jié)構(gòu)尺寸大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，輸出行程小，定位精度和重復(fù)定位精度低，閉環(huán)控制時驅(qū)動器和傳感器分離，大行程位移傳感器價格昂貴等問題。本發(fā)明采用兩組或兩組以上步進(jìn)式微位移驅(qū)動機(jī)構(gòu)單元，兩組或兩組以上步進(jìn)微位移驅(qū)動機(jī)構(gòu)在運動軸向上保持一致，且位置平行。在每組機(jī)構(gòu)單元的橫梁位置上安裝有小行程高精度的位移傳感器，且兩組或兩組以上步進(jìn)式微位移驅(qū)動機(jī)構(gòu)單元分別安裝位移傳感器的動端和靜端。兩組或兩組以上步進(jìn)式微位移驅(qū)動機(jī)構(gòu)分別按時序依次驅(qū)動，先記錄裝置的此刻位置數(shù)據(jù)，然后驅(qū)動其中的一組機(jī)構(gòu)單元軸向運動，傳感器數(shù)據(jù)發(fā)生變化，然后驅(qū)動另一組微位移機(jī)構(gòu)單元同向運動，使傳感器數(shù)據(jù)還原。這樣便完成了一次閉環(huán)的距離可變的定長步進(jìn)，從而可以達(dá)到閉環(huán)的高精度定位，實現(xiàn)大行程運動，卻無需昂貴的大行程位移傳感器。作為一種以步進(jìn)方式測量的高精度位移傳感器時，相比其他步進(jìn)位移傳感器，本發(fā)明具有分辨率可變的性質(zhì)，對于測量過程，可以以大步進(jìn)距離進(jìn)行快速測定，到即將結(jié)束時換用小步進(jìn)距離更加準(zhǔn)確的測量，從而既保證了測量精度，又提高了測量速度。
[0004]以使用兩組步進(jìn)式壓電驅(qū)動機(jī)構(gòu)單元為例，本發(fā)明的上述目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):
驅(qū)動裝置分為上下兩個機(jī)構(gòu)單元，兩個機(jī)構(gòu)單元都為傳統(tǒng)的雙向運動步進(jìn)壓電驅(qū)動器，即使用左右兩個箍位壓電疊堆，左右兩個行程壓電疊堆。箍位壓電疊堆垂直于導(dǎo)軌，而行程壓電疊堆平行于導(dǎo)軌。緊鎖機(jī)構(gòu)跟導(dǎo)軌之間存在極小的縫隙，其縫隙可供機(jī)構(gòu)單元在導(dǎo)軌上自由滑動，但不超過箍位壓電疊堆的行程，在緊鎖機(jī)構(gòu)內(nèi)安裝箍位壓電疊堆，使其可以根據(jù)需要控制機(jī)構(gòu)單元自由運動還是鎖死固定在導(dǎo)軌上，而行程壓電疊堆則需要預(yù)緊安裝在機(jī)構(gòu)的橫梁兩端。兩組機(jī)構(gòu)在導(dǎo)軌上運動軸向保持一致，且位置平行，并保持一定距離。在這個距離內(nèi)安裝高精度的小量程位移傳感器，其安裝位置與兩機(jī)構(gòu)軸向一致。在上機(jī)構(gòu)固定位移傳感器的動端或靜端，在下機(jī)構(gòu)固定另外一端。上下機(jī)構(gòu)均采用薄壁柔性鉸鏈進(jìn)行傳動，既有一定的強(qiáng)度，又可以保持運動性。其中位移傳感器可以采用LVDT式，電容式，光柵式等各類傳感器，且對于線性區(qū)域較小的位移傳感器有著極強(qiáng)的適應(yīng)性，同時避免使用昂貴的大量程傳感器。
[0005]其工作過程簡單描述為，在初始狀態(tài)下將所有箍位壓電疊堆上電，將上機(jī)構(gòu)單元和下機(jī)構(gòu)單元分別固定在導(dǎo)軌上，然后記錄位移傳感器的數(shù)值，并將其定為原點。運動開始時先將一端的箍位壓電疊堆下電，讓此端的鎖緊機(jī)構(gòu)和導(dǎo)軌松開，然后給予另一端行程壓電疊堆一定電壓，產(chǎn)生位移。這使得固定在上機(jī)構(gòu)的位移傳感器數(shù)值發(fā)生變化，此數(shù)值則為驅(qū)動器的步進(jìn)距離，可根據(jù)電壓調(diào)節(jié)自行確定。然后將已經(jīng)下電的箍位壓電疊堆上電，鎖緊機(jī)構(gòu)重新鎖定在導(dǎo)軌上。接著將相反方向的箍位壓電疊堆下電，讓鎖緊機(jī)構(gòu)跟導(dǎo)軌分開，然后將造成剛才運動的已經(jīng)上電的行程壓電疊堆下電，這樣上機(jī)構(gòu)將向鎖死的方向運動，然后再將剛才下電的箍位壓電疊堆上電，讓鎖緊機(jī)構(gòu)跟導(dǎo)軌重新鎖死。這樣，上機(jī)構(gòu)則整體向一個方向移動了一個步進(jìn)距離。然后用同樣的方式移動下機(jī)構(gòu)，使下機(jī)構(gòu)向同一個方向運動一樣的步進(jìn)距離，即可完成驅(qū)動裝置的一次步進(jìn)運動。與此同時驅(qū)動裝置恢復(fù)初始狀態(tài)，以便下一次的步進(jìn)運動，而需要向另一側(cè)運動則只需反向重復(fù)上述過程。
[0006]在作為作為位移傳感器時，大體操作方式與上述方法相同，只要記錄步進(jìn)的次數(shù)，乘以每次的步長，便可以得出測量的數(shù)值。
[0007]詳細(xì)的執(zhí)行順序可參照實施例的實施方式。
【附圖說明】
[0008]此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，本發(fā)明的示意性實例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定。
[0009]圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0010]圖中:1.導(dǎo)軌，2.上機(jī)構(gòu)的左箍位壓電疊堆，3.使用薄壁柔性鉸鏈傳動的上機(jī)構(gòu)單元，4.上機(jī)構(gòu)的左行程壓電疊堆，5.位移傳感器在下機(jī)構(gòu)的安裝位，6，位移傳感器，7.位移傳感器在上機(jī)構(gòu)的安裝位，8.上機(jī)構(gòu)的右行程壓電疊堆，9.上機(jī)構(gòu)的右箍位壓電疊堆，10，上機(jī)構(gòu)的右鎖緊機(jī)構(gòu)，11.下機(jī)構(gòu)的右箍位壓電疊堆，12.下機(jī)構(gòu)的右鎖緊機(jī)構(gòu)，13.下機(jī)構(gòu)的右行程壓電疊堆，14.下機(jī)構(gòu)的左行程壓電疊堆，15.使用薄壁柔性鉸鏈傳動的下機(jī)構(gòu)單元，16.下機(jī)構(gòu)的做鎖緊機(jī)構(gòu)，17.下機(jī)構(gòu)的左壓電疊堆，18.上機(jī)構(gòu)的左鎖緊機(jī)構(gòu)。19.上機(jī)構(gòu)的位移傳感器安裝誤差同軸性調(diào)節(jié)壓電疊堆，20.下機(jī)構(gòu)的位移傳感器安裝誤差同軸性調(diào)節(jié)壓電疊堆。
【具體實施方式】
[0011]面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的詳細(xì)內(nèi)容及【具體實施方式】。
[0012]使用兩組步進(jìn)式壓電驅(qū)動機(jī)構(gòu)單元作為位移驅(qū)動器時:
在初始狀態(tài)下將箍位壓電疊堆(2) (9) (17) (11)上電，將上機(jī)構(gòu)(3)和下機(jī)構(gòu)(15)固定在導(dǎo)軌(I)上，然后記錄位移傳感器(6)的數(shù)值，并將其定為原點。運動開始時先將箍位壓電疊堆(9)下電，鎖緊機(jī)構(gòu)(10)和導(dǎo)軌(I)松開，然后給予行程壓電