專利名稱：一種任意行程高精度直線驅(qū)動器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微機(jī)電設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，它提供了一種具有任意行程的微米級、高速、大輸出力、雙向直線驅(qū)動器(馬達(dá))。本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、生物儀器、光學(xué)儀器，以及精密加工等各種高精度定位和任意行程的場合，尤其適合作為仿人機(jī)器人的肌肉使用。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)研究的發(fā)展，對機(jī)電系統(tǒng)驅(qū)動和控制的精密化、結(jié)構(gòu)的微型化的要求越來越高。作為精密或微型機(jī)電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的微型、大行程、精密微步距驅(qū)動器是系統(tǒng)的關(guān)鍵，其特性和功能直接關(guān)系到微型機(jī)電系統(tǒng)的特性和功能。因此，大行程、微型直接驅(qū)動新原理、新結(jié)構(gòu)及其實(shí)現(xiàn)方案的研究己成為世界微型機(jī)械領(lǐng)域競相研究的重點(diǎn)課題，國內(nèi)外著名的大學(xué)和實(shí)驗(yàn)室都將有關(guān)微驅(qū)動器的設(shè)計(jì)、加工、制造技術(shù)、測試技術(shù)等的研究作為微機(jī)械研究的一個(gè)重點(diǎn)方向和突破口。
壓電驅(qū)動器是近年來發(fā)展起來的新型驅(qū)動器，是一種利用壓電陶瓷堆逆壓電效應(yīng)制作的微位移器，具有體積小、推力大、精度高、位移分辨率高和頻響快等優(yōu)點(diǎn)，并且不發(fā)熱，不產(chǎn)生噪聲，是理想的微位移驅(qū)動器。目前，已廣泛應(yīng)用于微進(jìn)給定位機(jī)構(gòu)或系統(tǒng)。壓電/電致伸縮微進(jìn)給定位機(jī)構(gòu)或系統(tǒng)在精密機(jī)械工程方面，用于刀具微進(jìn)給、微雕刻系統(tǒng)、直線位移驅(qū)動、控制射流噴嘴、微型泵等；在光學(xué)及測量技術(shù)方面，用于透鏡定位調(diào)節(jié)、激光調(diào)制、光纖定位對準(zhǔn)、自動調(diào)焦、干涉測量、全息攝影、掃描探針顯微測量等；在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，用于眼外科手術(shù)等的微操作、細(xì)胞穿刺、微劑量控制器件、聽覺生理刺激等；在微電子學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)方面，用于芯片和掩膜定位對準(zhǔn)、光刻與半導(dǎo)體加工檢查裝置、磁盤和光盤制造裝置及驅(qū)動器、點(diǎn)陣打印機(jī)，在機(jī)器人中可以用于手指、肢的驅(qū)動等。
在很多的系統(tǒng)中，都需要驅(qū)動器不僅微型化、功重比高、耗能少、發(fā)熱小，而且行程大。如果直接利用壓電陶瓷堆的變形來驅(qū)動負(fù)載往往具有明顯的缺點(diǎn)，那就是行程小，至多在微米量級。目前，對于大行程驅(qū)動器的設(shè)計(jì)，一般有兩種方法，一種是利用杠桿，液壓等放大原理來放大位移，但是這種方法往往放大倍數(shù)有限，而且大大增加了系統(tǒng)的體積，減小了輸出力。種方法就是采用位移累加方式，例如超聲驅(qū)動器、蠕動仿生驅(qū)動器等，這種機(jī)構(gòu)巧妙地克服了行程小的缺點(diǎn)。但是就目前的直線型超聲驅(qū)動器來說，其輸出力往往比較小。對于蠕動式仿生驅(qū)動器，就目前已經(jīng)研制出壓電驅(qū)動器的來說，其輸出力矩也比較小，而且速度較低，行程有限，正是這些不足，限制了這種驅(qū)動器的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單、輸出力大、任意行程、高精度微型壓電型雙向直線驅(qū)動器，以適應(yīng)各方面的實(shí)際需要?？蓮V泛應(yīng)用于機(jī)器人線性驅(qū)動、工業(yè)驅(qū)動、機(jī)械加工、生物儀器等領(lǐng)域。
任意行程高精度直線驅(qū)動器，其特征在于包括有兩端敞開的機(jī)殼，機(jī)殼內(nèi)固定有導(dǎo)向支座，導(dǎo)向支座的中間有導(dǎo)向筒，導(dǎo)向筒內(nèi)有繩索穿過，繩索兩端分別繞過導(dǎo)引輪，導(dǎo)向支座的一個(gè)側(cè)面安裝有至少二個(gè)橫向伸縮單元，每個(gè)橫向伸縮單元端部均安裝有縱向伸縮箝位單元；縱向伸縮箝位單元的頂部是壓頭，壓頭指向繩索。
導(dǎo)向支座的二個(gè)側(cè)面安裝有至少二個(gè)橫向伸縮單元，每個(gè)橫向伸縮單元端部均安裝有縱向伸縮箝位單元；縱向伸縮箝位單元的頂部是壓頭，壓頭指向繩索。
橫向伸縮單元及與之連接的縱向伸縮箝位單元圍繞繩索對稱安裝。
所述的繩索為鋼索。
所述的繩索外側(cè)有弧形摩擦片，弧形摩擦片和蝶形彈性膜片固結(jié)于一體，縱向伸縮箝位單元頂部的壓頭指向弧形摩擦片。
所述的機(jī)殼兩端安裝有管狀的導(dǎo)向部件。
所述的縱向伸縮箝位單元和導(dǎo)向支座之間連接有彈簧。
所述的橫向伸縮單元、縱向伸縮箝位單元均采用壓電陶瓷堆。
本發(fā)明的導(dǎo)向支座一側(cè)安裝有縱向箝位伸縮單元和橫向伸縮單元時(shí)，縱向箝位伸縮單元和橫向伸縮單元在控制電壓時(shí)序下形成一種推壓關(guān)系，在摩擦作用下使鋼索發(fā)生位移。
本發(fā)明的導(dǎo)向支座二側(cè)安裝有縱向箝位伸縮單元和橫向伸縮單元時(shí)，即當(dāng)左側(cè)的箝位單元夾緊時(shí)，右側(cè)的箝位單元放松，同時(shí)左側(cè)的伸縮單元推動驅(qū)動軸運(yùn)動，右側(cè)的伸縮單元做預(yù)備動作；當(dāng)右側(cè)的箝位單元夾緊時(shí)，左側(cè)的箝位單元處于放松狀態(tài)，右側(cè)的伸縮單元繼續(xù)驅(qū)動輸出軸運(yùn)動，同時(shí)左側(cè)的伸縮單元做預(yù)備動作，如此循環(huán)往復(fù)。
本發(fā)明可根據(jù)需要設(shè)置二個(gè)或多個(gè)箝位單元在摩擦力的作用下共同實(shí)現(xiàn)繩索箝位的作用，增加輸出力，同時(shí)改善機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性。
本發(fā)明通過彈簧預(yù)緊或電場預(yù)緊方式來實(shí)現(xiàn)對橫向聯(lián)合向伸縮單元施加預(yù)應(yīng)力，從而保證伸縮元件始終保持在受壓狀態(tài)，即保持箝位狀態(tài)。
繩索采用高強(qiáng)度高撓性單股或多股鋼索。為了保證鋼索的平順運(yùn)動，在導(dǎo)向支座中設(shè)有導(dǎo)向筒，在外殼端部隊(duì)設(shè)置管狀的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，并使得鋼索能夠和弧形摩擦片可靠接觸。
與其他發(fā)明相比，本發(fā)明的優(yōu)越性和創(chuàng)新點(diǎn)主要表現(xiàn)在1、利用對稱分布的壓電陶瓷堆對構(gòu)成的箝位單元產(chǎn)生更大的徑向夾緊力，響應(yīng)速度快；2、采用蝶形彈性膜片和具有一定包覆范圍的弧形摩擦片，增加了夾緊面積，使得箝位動作更加可靠、穩(wěn)定保持；3、把剛性軸改為具有一定柔韌性的鋼索，并通過裝置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和導(dǎo)引輪，可以產(chǎn)生任意行程的位移和任意方向的力；這是現(xiàn)有的其它類型的直線驅(qū)動器所不具備的獨(dú)特優(yōu)勢；4、使用彈簧預(yù)緊或者在安裝時(shí)用負(fù)電壓進(jìn)行預(yù)壓縮提供縱向箝位伸縮小單元的壓電陶瓷堆的預(yù)應(yīng)力，迫使伸縮機(jī)構(gòu)在無預(yù)加電壓時(shí)縱向預(yù)伸長，使得在無源的狀態(tài)下保持箝位或制動狀態(tài)，該特點(diǎn)使得在需要動靜態(tài)姿態(tài)保持的場合有真正的應(yīng)用價(jià)值。
本發(fā)明易于實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，結(jié)構(gòu)簡單，輸出力大，單個(gè)驅(qū)動器的輸出力能夠達(dá)到100N?？梢酝ㄟ^改變輸入頻率來調(diào)整直線運(yùn)動的步進(jìn)速度，通過改變輸入電壓調(diào)整步進(jìn)距離，通過使用多個(gè)驅(qū)動器來增大輸出力。


圖1為直線驅(qū)動器機(jī)構(gòu)原理圖；圖2為箝位機(jī)構(gòu)圖；圖3為導(dǎo)向機(jī)構(gòu)圖；圖4為直線驅(qū)動器的驅(qū)動電壓時(shí)序圖；圖5為直線驅(qū)動器工作過程示意圖；圖6為箝位機(jī)構(gòu)應(yīng)用實(shí)例圖。
具體實(shí)施方法如圖1(a)所示，由彈簧預(yù)緊的驅(qū)動器主要構(gòu)成單股或多股鋼索1，鋼索可為全封閉的環(huán)形，也可為一定長度的線段；導(dǎo)向支座2、管狀導(dǎo)向部件3；箝位機(jī)構(gòu)，包括縱向伸縮箝位單元6、縱向伸縮箝位單元7；軸向伸縮機(jī)構(gòu)，包括橫向伸縮單元4，橫向伸縮單元5組成。箝位機(jī)構(gòu)與伸縮單元的一端固定聯(lián)接，伸縮單元的另一端與導(dǎo)向支座2的固定部件相互固定聯(lián)接。通過彈簧8給箝位單元6、7中的壓電陶瓷堆15施加預(yù)應(yīng)力，使得壓電陶瓷堆15始終工作在受壓狀態(tài)。9為機(jī)殼。10為承載鋼索的導(dǎo)引輪，在空間中可裝置一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)引輪，安裝在特定位置，使得鋼索在空間中可以任意方向受力。導(dǎo)向支座2的固定部件與機(jī)殼9相固定。箝位單元6、7的縱向伸縮方向與機(jī)殼相互接觸，不應(yīng)為過盈配合，而在箝位機(jī)構(gòu)的橫向方向上，由于會隨著伸縮機(jī)構(gòu)的伸縮方向而前后移動，所以保持一個(gè)間隙11。
箝位機(jī)構(gòu)，如圖2所示，以圖1左側(cè)由箝位單元6構(gòu)成的結(jié)構(gòu)為例說明，箝位單元7的構(gòu)成與箝位單元6完全相同。包含對稱分布的兩個(gè)箝位單元6，其上裝置壓電陶瓷堆15，通過螺栓(圖中未示出)與連接元件16固定在一起，螺栓頂部與機(jī)殼緊密接觸，起到調(diào)整螺栓的作用。在系統(tǒng)驅(qū)動過程中，箝位單元6在伸縮單元4的作用下會相對于機(jī)殼滑動。壓電陶瓷堆15，其一端被機(jī)殼頂住，另一端可相對于鋼索軸心縱向自由伸縮；自由伸縮端安裝一箝位壓頭14，頂在弧形摩擦片13上；蝶形彈性膜片12、弧形摩擦片13固結(jié)于一體。
箝位單元中的壓電陶瓷堆15在其上無電場作用時(shí)，彈簧8預(yù)緊產(chǎn)生橫向的預(yù)應(yīng)力導(dǎo)致箝位單元中的壓電陶瓷堆15實(shí)現(xiàn)伸長運(yùn)動，從而產(chǎn)生徑向位移和力。在產(chǎn)生伸長運(yùn)動時(shí)，由于壓電陶瓷堆15外端空間受限，迫使伸長方向?yàn)橹赶蜾撍髦行?，箝位壓頭14直接作用于弧形摩擦片13，可以在較大的接觸面積下夾緊(制動)鋼索1，即處于箝位狀態(tài)。碟形彈簧膜片12在箝位壓頭14的作用下隨著弧形摩擦片13發(fā)生彈性變形和回復(fù)，從而在撤除對弧形摩擦片13的箝位壓力后，使得弧形摩擦片13與鋼索1能夠快速、可靠分離。當(dāng)施加負(fù)電場時(shí)，壓電陶瓷堆15克服彈簧8預(yù)緊力可回復(fù)至初始長度，蝶形彈性膜片12彈性回復(fù)，致使弧形摩擦片13與鋼索1分離，即處于松開狀態(tài)。這種在無源條件下的預(yù)夾緊，使得在系統(tǒng)中能夠保持姿態(tài)不變。彈簧8的預(yù)緊力可以通過另外增加調(diào)節(jié)螺栓來實(shí)現(xiàn)。
除了采用彈簧預(yù)緊方式保持箝位狀態(tài)外，還可以有另外一種方法即電場預(yù)緊，如圖1(b)所示。與圖1(a)比較，在本方案中不再使用彈簧。仍如圖2所示，對鋼索1的預(yù)夾緊是利用了其中的壓電陶瓷堆15在裝配中的預(yù)縮短。具體做法是在裝配時(shí)，對壓電陶瓷堆15施加一定的負(fù)電場，使得壓電陶瓷堆15縮短到要求的長度，通過調(diào)整螺栓(圖中未示出)調(diào)節(jié)使得箝位單元的箝位壓頭14正好接觸鋼索1。鎖緊螺栓，則壓電陶瓷堆15在徑向空間受限。撤除預(yù)先施加的負(fù)電場，則壓電陶瓷堆15回復(fù)至原長；由于壓電陶瓷堆15外端通過調(diào)整螺栓與外殼相接觸，迫使壓電陶瓷堆15向鋼索中心伸長，從而產(chǎn)生一定的預(yù)緊力，可預(yù)夾緊鋼索1。在驅(qū)動負(fù)載過程中，為了可靠夾緊鋼索1，可以對壓電陶瓷堆15施加正電場，增大箝位夾緊力，以致產(chǎn)生足夠的靜摩擦力來箝位制動鋼索1。
本發(fā)明由導(dǎo)向機(jī)構(gòu)2、3保證鋼索1能更好地與弧形摩擦片13的相互密合。其中導(dǎo)向機(jī)構(gòu)2如圖3所示，由盤片狀的固定部件和管狀的導(dǎo)向部件構(gòu)成。管狀導(dǎo)向部件3為一圓筒，固定于機(jī)殼9。
軸向伸縮機(jī)構(gòu)由伸縮單元4、5構(gòu)成。
通過對軸向伸縮單元與箝位機(jī)構(gòu)中的伸縮元件在一定的時(shí)序下的運(yùn)動組合來實(shí)現(xiàn)對單股或多股鋼索1的軸向驅(qū)動。具體工作過程，如圖5所示，為驅(qū)動鋼索1左移的過程(1)伸縮單元4、5，箝位單元6、7中的壓電陶瓷堆15均無外加電場時(shí)，伸縮單元4、5處于原長度，箝位單元6、7中的壓電陶瓷堆15處于彈簧的橫向預(yù)壓緊狀態(tài)而產(chǎn)生伸長，從而產(chǎn)生箝位壓緊力，鋼索1制動；(2)給箝位單元7中的壓電陶瓷堆15施加負(fù)電場(圖中的“-”)而縮短，則鋼索1在該端解除箝位；而另一端仍保持箝位狀態(tài)；(3)保持壓電陶瓷堆15的負(fù)電場，給伸縮單元4、5施加正電場(圖中的“+”)，伸縮單元4、5在電場作用下伸長；由于箝位單元6夾緊鋼索1，因而在伸縮單元4的伸長力作用下，推動鋼索1向左移動一定距離；而另一端由于箝位單元解除箝位，可自由伸長，不會對鋼索1施加任何力；(4)保持伸縮單元4、5的正電場不變，撤除箝位單元7中的壓電陶瓷堆15的負(fù)電場，則7所對應(yīng)端的鋼索恢復(fù)箝位狀態(tài)；(5)保持伸縮單元4、5的正電場不變，給箝位單元6中的壓電陶瓷堆15施加負(fù)電場，則6所對應(yīng)端的鋼索解除箝位；由于箝位單元7仍然保持夾緊，則鋼索處于箝位狀態(tài)；(6)保持箝位單元6中的壓電陶瓷堆15的負(fù)電場不變，給伸縮單元4、5施加負(fù)電場(或者撤除正電場)，則使伸縮單元4、5縮短；由于箝位單元7夾緊鋼索1，則在5的收縮力作用下，拉動鋼索向左移動一定距離；而另一端由于箝位單元解除箝位，可自由收縮，不會對鋼索1施加任何力；(7)保持伸縮單元4、5的負(fù)電場(或無電場)不變，撤除箝位單元6中的壓電陶瓷堆15的負(fù)電場，則6所對應(yīng)端的鋼索恢復(fù)箝位狀態(tài)；(8)保持伸縮單元4、5的負(fù)電場(或無電場)不變，給箝位單元7中的伸縮元件施加負(fù)電場，則7所對應(yīng)端的鋼索解除箝位；由于箝位單元6仍然保持夾緊，則鋼索處于箝位狀態(tài)；(9)重復(fù)步驟(3)-(8)。如此循環(huán)，則鋼索1不斷向左移動。
輸入電壓的時(shí)序圖如圖4所示，其中，伸縮單元4、5所加的電壓相同。當(dāng)然，也可以工作于不同的時(shí)序，達(dá)到不斷左移的目的，只是控制時(shí)序更加復(fù)雜。如果要實(shí)現(xiàn)右移運(yùn)動，只需要改變一下輸入電壓時(shí)序次序。為了保證輸出力矩的連續(xù)性，箝位單元6和7有一個(gè)同時(shí)箝位的時(shí)段。
本發(fā)明的機(jī)構(gòu)可用開環(huán)控制，通過一定的控制算法，即使在開環(huán)條件下，也能夠得到精確輸出。對于存在較大干擾的系統(tǒng)，可以通過增加角度傳感器，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。
利用本發(fā)明的原理，箝位機(jī)構(gòu)可以有多種機(jī)構(gòu)形式?？梢愿鶕?jù)輸出需要適當(dāng)分布箝位單元個(gè)數(shù)來增大輸出力。如圖6所示，(a)為箝位機(jī)構(gòu)中有4個(gè)箝位單元對稱分布時(shí)的結(jié)構(gòu)圖，(b)為箝位機(jī)構(gòu)中有6個(gè)箝位單元對稱分布時(shí)的結(jié)構(gòu)圖。
按圖1(a)、(b)所示的結(jié)構(gòu)，可以構(gòu)成實(shí)際的應(yīng)用裝置。如圖1(b)所示，鋼索1為直徑1mm的高強(qiáng)度、高韌性GB4358琴鋼絲。導(dǎo)向支座2的固定部件為直徑為28mm，厚為4mm的圓片，導(dǎo)向筒的外徑為3mm，內(nèi)徑為1.5mm，其材料為45#鋼。管狀導(dǎo)向部件3的內(nèi)徑為1.5mm，外徑為4mm，長度為5mm，其材料同樣為45#鋼。伸縮單元4、5長度為20mm、外徑為14mm，內(nèi)徑為4mm的環(huán)形壓電陶瓷堆，由日本NEC公司提供，最大可加電壓為±150V，推薦電壓為-100-+100V，最大電壓下的伸長為17.4±2.0um，可提供最大輸出力200N。箝位單元6、7中的壓電陶瓷堆15為立方形壓電陶瓷堆，邊長為10mm，同樣由日本NEC公司提供，其最大可加電壓為±150V，推薦電壓為-100-+100V，最大電壓下的伸長為9.1±1.5um，可提供最大力200N。彈簧8為中徑為4mm，線徑為0.8mm由GB4357碳素鋼絲制成，單圈彈簧剛度為63.2N/mm。機(jī)殼9的外徑為30mm，厚1mm，其兩個(gè)端面的厚度均為2mm，并和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)3緊密配合，其材料為45#鋼。導(dǎo)向輪10的外徑為6-15mm?？障?1為0.5-1mm?；⌒文Σ疗?3厚度0.5mm，內(nèi)徑1mm，圓心角為90°，其成分為高錳鋼ZGM13。
權(quán)利要求
1.一種任意行程高精度直線驅(qū)動器，其特征在于包括有兩端敞開的機(jī)殼，機(jī)殼內(nèi)固定有導(dǎo)向支座，導(dǎo)向支座的中間有導(dǎo)向筒，導(dǎo)向筒內(nèi)有繩索穿過，繩索兩端分別繞過導(dǎo)引輪，導(dǎo)向支座的一個(gè)側(cè)面安裝有至少二個(gè)橫向伸縮單元，每個(gè)橫向伸縮單元端部均安裝有縱向伸縮箝位單元；縱向伸縮箝位單元的頂部是壓頭，壓頭指向繩索。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直線驅(qū)動器，其特征在于導(dǎo)向支座的二個(gè)側(cè)面安裝有至少二個(gè)橫向伸縮單元，每個(gè)橫向伸縮單元端部均安裝有縱向伸縮箝位單元；縱向伸縮箝位單元的頂部是壓頭，壓頭指向繩索。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的直線驅(qū)動器，其特征在于橫向伸縮單元及與之連接的縱向伸縮箝位單元圍繞繩索對稱安裝。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的直線驅(qū)動器，其特征在于所述的繩索為鋼索。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的直線驅(qū)動器，其特征在于所述的繩索外側(cè)有弧形摩擦片，弧形摩擦片和蝶形彈性膜片固結(jié)于一體，縱向伸縮箝位單元頂部的壓頭指向弧形摩擦片。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的直線驅(qū)動器，其特征在于所述的機(jī)殼兩端安裝有管狀的導(dǎo)向部件。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的直線驅(qū)動器，其特征在于所述的縱向伸縮箝位單元和導(dǎo)向支座之間連接有彈簧。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7之一所述的直線驅(qū)動器，其特征在于所述的橫向伸縮單元、縱向伸縮箝位單元均采用壓電陶瓷堆。
全文摘要
本發(fā)明提供一種任意行程高精度直線驅(qū)動器，它針對現(xiàn)有的直線驅(qū)動器的行程小，輸出力小及控制精度低的問題，采用仿生學(xué)運(yùn)動原理，以壓電陶瓷堆作為基本的運(yùn)動執(zhí)行元件，以高強(qiáng)度高柔韌性單股或多股環(huán)形鋼索作為輸出部件，由橫向伸縮單元和縱向伸縮箍位單元完成驅(qū)動，可以產(chǎn)生方向相反的雙向位移和任意行程。其控制精度可以根據(jù)控制方法的選擇達(dá)到50nm，輸出力可達(dá)到50－100N，甚至更大。本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、生物儀器、光學(xué)儀器，以及精密加工等各種高精度定位和任意行程的場合，尤其適合于作為仿人機(jī)器人的肌肉使用。
文檔編號H02N2/04GK1845443SQ20061003894
公開日2006年10月11日 申請日期2006年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月16日
發(fā)明者關(guān)勝曉, 汪增福, 張江濤 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)