壓電驅(qū)動/鎖緊式往復(fù)步進(jìn)驅(qū)動平臺的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及精密驅(qū)動技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種壓電驅(qū)動/鎖緊式往復(fù)步進(jìn)驅(qū)動平臺。本實用新型能夠?qū)崿F(xiàn)跨尺度雙向精密步進(jìn)運動與鎖緊，具有三種工作模式，可用于高精密驅(qū)動、材料原位力學(xué)性能測試、精密光學(xué)和微小機器人等領(lǐng)域的微定位、微操作等。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，納米定位技術(shù)受到了研宄人員的廣泛關(guān)注，已取得了長足的發(fā)展，并廣泛應(yīng)用于精密光學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程、材料原位力學(xué)性能測試、航空航天等重要工程領(lǐng)域。隨著納米操作技術(shù)需求的不斷增大，具有納米級運動精度和毫米級運動行程的跨尺度定位技術(shù)，成為了成為納米定位技術(shù)領(lǐng)域的研宄熱門。
[0003]目前，跨尺度定位主要采用宏微混合式驅(qū)動、壓電超聲馬達(dá)驅(qū)動、粘滑式驅(qū)動和壓電尺蠖式驅(qū)動這四種方式。其中，宏微混合式驅(qū)動的回程誤差和整體尺寸較大，不便于集成，且整體定位時控制較復(fù)雜；壓電超聲馬達(dá)驅(qū)動驅(qū)動力較小，尺寸較大，結(jié)構(gòu)不夠緊湊；粘滑式驅(qū)動受壓電驅(qū)動機理的制約工作中存在無法克服的后沖現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了平臺的運動精度和可靠性；壓電尺蠖式驅(qū)動具有行程大，驅(qū)動方式穩(wěn)定，驅(qū)動力大等優(yōu)點，同時也存在機構(gòu)復(fù)雜、尺寸較大、整體剛度差、加工困難、成本過高等缺點，嚴(yán)重限制了其在生產(chǎn)實際中的應(yīng)用。因此，設(shè)計一種結(jié)構(gòu)簡單緊湊、便于加工、承載能力高的跨尺度超精密驅(qū)動平臺顯得尤為必要和迫切。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實用新型的目的在于提供一種壓電驅(qū)動/鎖緊式往復(fù)步進(jìn)驅(qū)動平臺，在壓電疊堆的時序控制下，具有三種工作模式，可實現(xiàn)雙向精密步進(jìn)運動，進(jìn)行跨尺度定位和鎖緊，解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的機構(gòu)復(fù)雜、尺寸較大、整體剛度差、加工困難、成本過高等問題。
[0005]本實用新型的上述目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):
[0006]壓電驅(qū)動/鎖緊式往復(fù)步進(jìn)驅(qū)動平臺，包括精密驅(qū)動與鎖緊單元1、II，往復(fù)步進(jìn)單元和支撐座10，所述精密驅(qū)動與鎖緊單元1、II與支撐座10通過螺紋連接固定，所述往復(fù)步進(jìn)單元安裝在支撐座10上；通過鎖緊壓電疊堆1、II 5、13，將組合柔性鉸鏈1、II 7、I與運動平臺4鎖緊；并通過驅(qū)動壓電疊堆1、II 8、2和組合柔性鉸鏈1、II 7、1，實現(xiàn)運動平臺4的正、反向跨尺度精密步進(jìn)運動。
[0007]所述的精密驅(qū)動與鎖緊單元I由組合柔性鉸鏈I 7、鎖緊壓電疊堆I 5、驅(qū)動壓電疊堆I 8、預(yù)緊螺釘I a、I b9、6組成，所述的精密驅(qū)動與鎖緊單元II由組合柔性鉸鏈II 1、鎖緊壓電疊堆II 13、驅(qū)動壓電疊堆II 2、預(yù)緊螺釘II a, II bl4、3組成，通過預(yù)緊螺釘I a、I b、II a、II b9、6、14、3分別對驅(qū)動壓電疊堆I 8、鎖緊壓電疊堆I 5、驅(qū)動壓電疊堆II 2、鎖緊壓電疊堆II 13進(jìn)行初始預(yù)緊；通過鎖緊壓電疊堆I 5或鎖緊壓電疊堆II 13驅(qū)動組合柔性鉸鏈I 7或組合柔性鉸鏈II I伸長，并與運動平臺4接觸，實現(xiàn)運動平臺4的鎖緊；通過驅(qū)動壓電疊堆I 8或驅(qū)動壓電疊堆II 2的伸長與縮短，驅(qū)動組合柔性鉸鏈I 7或組合柔性鉸鏈II 1，帶動運動平臺4作步進(jìn)式精密運動。
[0008]所述的往復(fù)步進(jìn)單元安裝于支撐座10上，呈對稱的凸字形布置，由運動平臺4、精密滾動導(dǎo)軌I 11、精密滾動導(dǎo)軌II 12組成，運動平臺4通過精密滾動導(dǎo)軌1、II 11、12安裝在支撐座10上，通過精密滾動導(dǎo)軌1、11 11、12做導(dǎo)向支撐，具有較高的承載能力和穩(wěn)定性。
[0009]所述的支撐座10為中心對稱的凹型結(jié)構(gòu)，為其它單元提供安裝支撐；其上的條形凸臺為精密滾動導(dǎo)軌1、II 11U2的安裝提供定位基準(zhǔn)。
[0010]所述的精密驅(qū)動與鎖緊單元1、II采用中心對稱布置，集鎖緊與驅(qū)動于一體，運動平臺4的運動行程由精密滾動導(dǎo)軌1、II 11,12的長度決定，通過適當(dāng)選擇導(dǎo)軌長度，可獲得跨尺度精密運動。
[0011]所述的組合柔性鉸鏈1、II 7、I均為一體式柔性鉸鏈，包含驅(qū)動鉸鏈a和鎖緊鉸鏈b ;驅(qū)動鉸鏈a用以步進(jìn)驅(qū)動，為三排直角柔性鉸鏈，具有較高的運動靈敏度和足夠的剛度，以保證運動精度；鎖緊鉸鏈b為單排直角柔性鉸鏈，用以實現(xiàn)與運動平臺4的鎖緊。
[0012]所述的鎖緊壓電疊堆1、II 5、13、驅(qū)動壓電疊堆1、II 8、2通過對時序電壓控制實現(xiàn)鎖緊與步進(jìn)驅(qū)動。
[0013]本實用新型的有益效果在于:結(jié)構(gòu)簡單，加工件少，并且加工方便；集成度高，總體尺寸較小；利用兩個相同結(jié)構(gòu)、不同布置形式的精密驅(qū)動與鎖緊單元，通過采用不同的時序控制方式，可以獲得三種工作模式，實現(xiàn)雙向跨尺度步進(jìn)運動與鎖緊，且安裝方便、美觀；采用兩支精密滾動導(dǎo)軌進(jìn)行支撐導(dǎo)向，運動平穩(wěn)、可靠，剛度高，承載能力強。本實用新型克服了傳統(tǒng)跨尺度運動平臺結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸較大、整體剛度差、加工困難、成本過高等問題，可用于高精密驅(qū)動、材料原位力學(xué)性能測試、精密光學(xué)和微小機器人等領(lǐng)域的微定位、微操作等，投資少，收益高，具有廣闊的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0014]此處所說明的附圖用來提供對本實用新型的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，本實用新型的示意性實例及其說明用于解釋本實用新型，并不構(gòu)成對本實用新型的不當(dāng)限定。
[0015]圖1為本實用新型的軸測圖；
[0016]圖2為本實用新型的主視圖；
[0017]圖3為本實用新型的俯視圖；
[0018]圖4為本實用新型的左視圖；
[0019]圖5為本實用新型的精密驅(qū)動與鎖緊單元的軸測圖；
[0020]圖6為本實用新型的精密驅(qū)動與鎖緊單元的示意圖；
[0021]圖7為圖6的A-A剖視示意圖；
[0022]圖8為本實用新型的支撐平臺的軸測圖；
[0023]圖9為控制時序一；
[0024]圖10為控制時序二 ；
[0025]圖11為控制時序三；
[0026]圖12為控制時序四；
[0027]圖13為工作模式一的工作原理圖；
[0028]圖14為工作模式二的工作原理圖(以正、反向運動I為例)；
[0029]圖15為工作模式三的工作原理圖。
[0030]圖中:1.組合柔性鉸鏈II ;2.驅(qū)動壓電疊堆II ;3.預(yù)緊螺釘II b ;4.運動平臺；
5.鎖緊壓電疊堆I ;6.預(yù)緊螺釘I b ;7.組合柔性鉸鏈I ;8.驅(qū)動壓電疊堆I ;9.預(yù)緊螺釘I a;10.支撐座；11.精密滾動導(dǎo)軌I ;12.精密滾動導(dǎo)軌II ;13.鎖緊壓電疊堆II ;14.預(yù)緊螺釘II a。
【具體實施方式】
[0031]下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本實用新型的詳細(xì)內(nèi)容及其【具體實施方式】。
[0032]參見圖1至圖8所示，本實用新型的壓電驅(qū)動/鎖緊式往復(fù)步進(jìn)驅(qū)動平臺，主要由精密驅(qū)動與鎖緊單元1、II，往復(fù)步進(jìn)單元和支撐座10構(gòu)成；通過鎖緊壓電疊堆1、II 5、13，將組合柔性鉸鏈1、II 7、I與運動平臺4鎖緊；并通過驅(qū)動壓電疊堆1、II 8、2和組合柔性鉸鏈1、11 7、1，實現(xiàn)運動平臺4的正、反向跨尺度精密步進(jìn)運動。
[0033]參見圖1、圖5至圖7所示，所述的精密驅(qū)動與鎖緊單元I由組合柔性鉸鏈I 7、鎖緊壓電疊堆I 5、驅(qū)動壓電疊堆I 8、預(yù)緊螺釘I a、I b 9、6組成。該單元通過螺紋連接與支撐座10固定；其中預(yù)緊螺釘I a、I b 9、6分別用于對驅(qū)動壓電疊堆I 8、鎖緊壓電疊堆I 5進(jìn)行初始預(yù)緊；組合柔性鉸鏈I 7為一體式柔性鉸鏈，包含驅(qū)動鉸鏈a和鎖緊鉸鏈b，驅(qū)動鉸鏈a用以步進(jìn)驅(qū)動，為三排直角柔性鉸鏈，具有較高的運動靈敏度和足夠的剛度，以保證運動精度；鎖緊鉸鏈b為單排直角柔性鉸鏈，用以實現(xiàn)與運動平臺4的鎖緊。該單元通過對鎖緊壓電疊堆1、II 5、13、驅(qū)動壓電疊堆1、II 8、2的時序電壓控制實現(xiàn)鎖緊與步進(jìn)驅(qū)動。通過鎖緊壓電疊堆I 5驅(qū)動組合柔性鉸鏈I 7伸長，并與運動平臺4接觸，實現(xiàn)運動平臺4的鎖緊；通過驅(qū)動壓電疊堆I 8的伸長與縮短，驅(qū)動組合柔性鉸鏈I 7，帶動運動平臺4運動，按照相應(yīng)的時序控制算法，即可實現(xiàn)平臺的雙向精密步進(jìn)運動，并可實現(xiàn)平臺運動到指定位置的鎖緊。該單元集鎖緊與驅(qū)動于一體，精密驅(qū)動與鎖緊單元1、II采用中心對稱布置。
[0034]所述的精密驅(qū)動與鎖緊單元II由組合柔性鉸鏈II 1、鎖緊壓電疊堆II 13、驅(qū)動壓電疊堆II 2、預(yù)緊螺釘II a, IIb 14、3組成。該單元的結(jié)構(gòu)和運動方式與精密驅(qū)動與鎖緊單元I相同。
[0035]參見圖1、圖2所示，所述的往復(fù)步進(jìn)單元由運動平臺4、精密滾動導(dǎo)軌I 11、精密滾動導(dǎo)軌II 12組成。該單元安裝于支撐座10上，呈對稱的凸字形布置，采用兩支精密滾動導(dǎo)軌做導(dǎo)向支撐，具有較高的承載能力和穩(wěn)定性。其中，運動平臺4的運動行程由導(dǎo)軌長度決定，通過適當(dāng)選擇導(dǎo)軌長度，可獲得跨尺度精密運動。
[0036]參見圖8所示，所述的支撐座10為中心對稱的凹型結(jié)構(gòu)，為其它單元提供安裝支撐；其上的條形凸臺為精密滾動導(dǎo)軌1、II 11U2的安裝提供定位基準(zhǔn)。
[0037]本實用新型所述的壓電驅(qū)動/鎖緊式往復(fù)步進(jìn)驅(qū)動方法，按照不同的時序控制算法，具有三種工作模式，實現(xiàn)雙向精密步進(jìn)運動，并實現(xiàn)平臺運動到指定位置的鎖緊。其中，工作模式一的正向、反向步進(jìn)運動采用相同的時序控制方式，由兩個精密驅(qū)動與鎖緊單元分別實現(xiàn)，實現(xiàn)簡單，并可實現(xiàn)模塊化；工作模式二的正向、反向步進(jìn)運動采用不同的時序控制方式，任一精密驅(qū)動與鎖緊單元均可獨立實現(xiàn)正向、反向步進(jìn)運動，可靠性較高；工作模式三的正向、反向步進(jìn)運動采用不同的時序控制方式，每個運動均由兩個精密驅(qū)動與鎖緊單元共同完成，避免了輸出運動產(chǎn)生偏擺，同時，具有較高的驅(qū)動能力，穩(wěn)定性較好。
[0038]參見圖1至圖15所示，本實用新型采用不同的時序控制算法，可以獲得三種不同的工作模式，以梯形時序信號為例，具體工作過程如下:
[0039]初始狀態(tài):驅(qū)動壓電疊堆1、II 8、2，鎖緊壓電疊堆1、II 5、13均不帶電，系統(tǒng)處于自由狀態(tài)，此時運動平臺4處于游動狀態(tài)。
[0040]模式一:正、反向步進(jìn)采用相同的時序控制