專利名稱：蠕動(dòng)式壓電直線驅(qū)動(dòng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有納米級(jí)精度的大行程蠕動(dòng)式壓電直線驅(qū)動(dòng)器。屬于精密儀器設(shè)備技 術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
具有納米精度的直線驅(qū)動(dòng)器是納米技術(shù)的動(dòng)力部分，被人們稱為納米科技的心臟。國(guó)內(nèi) 外許多著名的研究機(jī)構(gòu)都把這種微驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為主要的研究方向。傳統(tǒng)電磁旋轉(zhuǎn)電機(jī)必須經(jīng)特定機(jī)構(gòu)才能轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，使其很難實(shí)現(xiàn)納米精度的直線運(yùn)動(dòng)。因此，當(dāng)運(yùn)動(dòng)分辨率達(dá) 到亞微米級(jí)或納米級(jí)時(shí)，固體致動(dòng)器特別是壓電致動(dòng)器在微驅(qū)動(dòng)定位技術(shù)中體現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)。壓 電陶瓷驅(qū)動(dòng)器與電磁直線電機(jī)相比，具有慣性小、響應(yīng)快、控制特性好、不受磁場(chǎng)影響、其 本身亦不產(chǎn)生磁場(chǎng)、運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確等特點(diǎn)。但是直接利用壓電變形的驅(qū)動(dòng)定位系統(tǒng)有其明顯的缺 點(diǎn)，即位移行程小，最多數(shù)十微米。
蠕動(dòng)式壓電直線驅(qū)動(dòng)器模仿自然界中蠕蟲(chóng)的爬行方式，通過(guò)對(duì)壓電陶瓷微小變形的累加， 能夠?qū)崿F(xiàn)大行程、高精度、高速度的雙向運(yùn)動(dòng)，適用于精密光學(xué)工程、半導(dǎo)體制造、超精密 微細(xì)加工與測(cè)量技術(shù)、微型機(jī)電系統(tǒng)、航空航天技術(shù)、現(xiàn)代醫(yī)學(xué)及生物遺傳工程等諸多尖端 科技領(lǐng)域的應(yīng)用。
迄今為止，所實(shí)現(xiàn)的蠕動(dòng)式壓電直線驅(qū)動(dòng)器都是由導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，如平行導(dǎo)軌或?qū)U，與箝 位機(jī)構(gòu)的直接接觸來(lái)提供驅(qū)動(dòng)所需要的摩擦力，步進(jìn)運(yùn)動(dòng)和輸出負(fù)載都是依賴箝位機(jī)構(gòu)和導(dǎo) 向機(jī)構(gòu)夾持箝位的摩擦力實(shí)現(xiàn)，箝位機(jī)構(gòu)的箝位夾持力決定了系統(tǒng)的輸出負(fù)載。由于磨損的 存在，運(yùn)行一段時(shí)間之后，由于間隙變大普遍出現(xiàn)輸出負(fù)載下降，直線度不穩(wěn)定的現(xiàn)象，并 最終影響使用壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是設(shè)計(jì)一款新穎結(jié)構(gòu)的蠕動(dòng)式壓電直線驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器能 夠在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行之后避免由于摩擦磨損所帶來(lái)的性能下降問(wèn)題，且系統(tǒng)成本低廉，易裝可調(diào) 具有較高輸出力和速度。
本發(fā)明設(shè)計(jì)的一種蠕動(dòng)式壓電直線驅(qū)動(dòng)器，包括底座，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，可調(diào)箝位機(jī)構(gòu)，可調(diào) 中間驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，帶法蘭盤(pán)輸出軸，箝位用固定支撐架；底座用于固定箝位用固定支撐架，而 箝位用固定支撐架用于固定導(dǎo)向機(jī)構(gòu)；導(dǎo)向機(jī)構(gòu)為雙平行直線導(dǎo)桿；所述的可調(diào)中間驅(qū)動(dòng)機(jī) 構(gòu)與帶法蘭盤(pán)輸出軸固定一體并可在導(dǎo)向機(jī)構(gòu)上自由移動(dòng)，輸出軸與箝位用固定支撐架小間 隙配合；所述的可調(diào)箝位機(jī)構(gòu)通過(guò)底座下的調(diào)節(jié)螺栓調(diào)節(jié)箝位機(jī)構(gòu)與輸出軸之間的間隙并達(dá) 到零間隙。
與現(xiàn)有的相同原理驅(qū)動(dòng)器相比，本發(fā)明具有以下技術(shù)效果(一)由于采用雙平行直線導(dǎo) 桿作為導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，可以得到較高的直線度，并且不受摩擦磨損的影響。(二)壓電陶瓷的預(yù)緊
和摩擦面間隙都采用可調(diào)機(jī)構(gòu)，保證了本發(fā)明設(shè)計(jì)的高可靠性，大大降低了加工成本。(三) 本發(fā)明設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊，適用于精密加工與裝配，增加導(dǎo)桿的剛度后，亦可以用于大承載能力 的精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。


圖l是本發(fā)明的裝配示意圖。
圖2是本發(fā)明的運(yùn)動(dòng)原理圖。
圖3是本發(fā)明的平行導(dǎo)桿滑動(dòng)部分的裝配示意圖。
圖4是本發(fā)明的中間驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的裝配示意圖。
圖5是本發(fā)明的箝位機(jī)構(gòu)的裝配示意圖。
圖6是圖5的側(cè)視圖。
圖7是中間驅(qū)動(dòng)柔順機(jī)構(gòu)示意圖。
圖8是箝位柔順機(jī)構(gòu)示意圖。
圖中1.底座，2.可調(diào)箝位支撐板，3.箝位柔順機(jī)構(gòu)，4.箝位用壓電疊堆，5.箝位 用固定支撐架，6.帶法蘭盤(pán)輸出軸，7.直線導(dǎo)桿，8.直線襯套，9.滑動(dòng)塊，10.中間驅(qū) 動(dòng)柔順機(jī)構(gòu)，11.彈簧鋼絲，12.驅(qū)動(dòng)用壓電疊堆，13.驅(qū)動(dòng)用壓電疊堆的預(yù)緊螺栓，14.驅(qū) 動(dòng)用壓電疊堆的墊塊，15.箝位機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)螺栓，16.箝位用壓電疊堆的預(yù)緊螺栓，17.箝位 用壓電疊堆的墊塊，18.柔性鉸鏈。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖，詳細(xì)介紹本發(fā)明的內(nèi)容。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是本發(fā)明設(shè)計(jì)主要包括底座1，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)7、 8，可調(diào)箝位機(jī)
構(gòu)2、 3、 4、 15、 16、 17，可調(diào)中間驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)9、 10、 11、 12、 13、 14，帶法蘭盤(pán)輸出軸6， 箝位用固定支撐架5。兩個(gè)箝位用固定支撐架5固定在底座1上，用于固定兩個(gè)平行的直線 導(dǎo)桿7提供導(dǎo)向平面，并且與左右兩個(gè)帶法蘭盤(pán)輸出軸6小間隙配合提供箝位接觸面。帶法 蘭盤(pán)輸出軸6與滑動(dòng)塊9固定聯(lián)接，滑動(dòng)塊9與中間驅(qū)動(dòng)柔順機(jī)構(gòu)10通過(guò)鉚釘和螺栓固定， 兩個(gè)滑動(dòng)塊9通過(guò)四個(gè)直線襯套8可以在直線導(dǎo)桿7上自由移動(dòng)。箝位柔順機(jī)構(gòu)3放在可調(diào) 箝位支撐板2上通過(guò)下面的兩個(gè)可調(diào)螺栓15，保證箝位柔順機(jī)構(gòu)13上面的圓弧面與輸出軸6 的無(wú)間隙配合。箝位機(jī)構(gòu)與中間驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)都是由壓電疊堆、柔順機(jī)構(gòu)、墊塊和可調(diào)螺栓組成， 中間驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)還配有六個(gè)回復(fù)彈簧鋼絲11。
如圖2所示，本發(fā)明設(shè)計(jì)的蠕動(dòng)式壓電直線驅(qū)動(dòng)器模仿蠕蟲(chóng)的運(yùn)動(dòng)方式，通過(guò)對(duì)兩個(gè)箝 位用壓電疊堆4和驅(qū)動(dòng)用壓電疊堆12順序加電壓實(shí)現(xiàn)如圖所示的單步位移，如此循環(huán)可以實(shí) 現(xiàn)大的位移行程，改變加電的邏輯順序可以實(shí)現(xiàn)雙向的運(yùn)動(dòng)。通過(guò)調(diào)整電壓的幅值和輸入波 形的頻率可以改變驅(qū)動(dòng)器的速度。如運(yùn)動(dòng)原理圖所示的結(jié)構(gòu)，箝位機(jī)構(gòu)固定，中間驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)
運(yùn)動(dòng)的構(gòu)型屬于步進(jìn)一推動(dòng)型的蠕動(dòng)式壓電直線驅(qū)動(dòng)器，該構(gòu)型運(yùn)動(dòng)部分質(zhì)量最小有利于系 統(tǒng)的快速響應(yīng)。
本發(fā)明直接采用高精度的直線導(dǎo)桿7作為導(dǎo)向，為了保證兩個(gè)直線導(dǎo)桿7在一個(gè)水平面 內(nèi)，左右箝位用固定支撐架5和兩個(gè)滑動(dòng)塊9都采用一體化加工，然后從中間切開(kāi)。如圖3 所示，可調(diào)中間驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)9、 10、 11、 12、 13、 14通過(guò)嵌在滑動(dòng)塊9中的直線襯套8可以在 導(dǎo)桿7上自由移動(dòng)。該結(jié)構(gòu)避免了由導(dǎo)向機(jī)構(gòu)直接提供驅(qū)動(dòng)所需的摩擦力，容易實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)用 摩擦表面間隙可調(diào)，降低配合精度，利于提高系統(tǒng)的使用壽命，同時(shí)也避免了使用大行程用 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)所必須的高的直線度和平面度的加工要求。
本發(fā)明采用壓電疊堆直接驅(qū)動(dòng)箝位的方式以及增大接觸面積的圓弧面配合來(lái)保證盡量大 的輸出力。盡管柔性放大機(jī)構(gòu)能夠放大壓電疊堆的變形，減小加工公差的要求，但是輸出剛 度太小，并不能真正有效地提高輸出剛度和輸出力，并且柔性放大機(jī)構(gòu)必然降低系統(tǒng)的響應(yīng) 速度。通過(guò)仔細(xì)研磨輸出軸6與箝位用固定支撐架5的接觸圓弧面，來(lái)保證上端的摩擦箝位 面的小間隙配合。如圖5、 6所示，箝位柔順機(jī)構(gòu)3放在箝位支撐板2上，通過(guò)下面的兩個(gè)調(diào) 節(jié)螺栓15來(lái)保證下端的摩擦箝位面，即柔順機(jī)構(gòu)3與輸出軸6之間的零間隙，間隙越小損失 的箝位力就越少，克服了直接驅(qū)動(dòng)對(duì)加工精度依賴的技術(shù)問(wèn)題，簡(jiǎn)單有效地提高了系統(tǒng)的可 靠性。
壓電疊堆在預(yù)緊情況下可以更有效運(yùn)動(dòng)，而且為了保護(hù)壓電疊堆4、 12，避免承受剪切 破壞，使用柔順機(jī)構(gòu)3、 10和預(yù)緊螺栓16、 13配合墊塊17、 14對(duì)壓電疊堆進(jìn)行預(yù)緊，相對(duì) 于直接使用柔順機(jī)構(gòu)的過(guò)盈配合來(lái)施加預(yù)緊，可以降低加工的精度要求。如圖7和8，分別 是驅(qū)動(dòng)用壓電疊堆12和箝位用壓電疊堆4的柔順機(jī)構(gòu)10和3,兩者都是基于柔性鉸鏈18的 柔性八桿機(jī)構(gòu)，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，兩者在滿足剛度和應(yīng)力的前提下，具有盡可能高的固有頻率， 使系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。為了進(jìn)一步增加系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，如圖4所示，增加6 根彈簧鋼絲ll，相當(dāng)于質(zhì)量不變并聯(lián)了6個(gè)小剛度彈簧，可以顯著提高系統(tǒng)的固有頻率，適 用于大承載能力的精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的預(yù)緊。
本發(fā)明在保證具有較高輸出力和速度的前提下，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、成本低廉且易裝可調(diào)便于 市場(chǎng)推廣，適用于精密加工進(jìn)給裝置的應(yīng)用，特別是適用于大承載的精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的應(yīng)用。
權(quán)利要求
1、一種蠕動(dòng)式壓電直線驅(qū)動(dòng)器，包括底座，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，可調(diào)箝位機(jī)構(gòu)，可調(diào)中間驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，帶法蘭盤(pán)輸出軸，箝位用固定支撐架；其特征在于，底座用于固定箝位用固定支撐架，而箝位用固定支撐架用于固定導(dǎo)向機(jī)構(gòu)；所述的可調(diào)中間驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與帶法蘭盤(pán)輸出軸固定一體并可在導(dǎo)向機(jī)構(gòu)上自由移動(dòng)，輸出軸與箝位用固定支撐架小間隙配合；所述的可調(diào)箝位機(jī)構(gòu)通過(guò)底座下的調(diào)節(jié)螺栓調(diào)節(jié)箝位機(jī)構(gòu)與輸出軸之間的間隙并達(dá)到零間隙。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種蠕動(dòng)式壓電直線驅(qū)動(dòng)器，其特征在于，所述的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)為雙平行直線導(dǎo)桿。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種蠕動(dòng)式壓電直線驅(qū)動(dòng)器，其特征在于，所述的箝位柔順機(jī)構(gòu)和中間驅(qū)動(dòng)柔順機(jī)構(gòu)采用基于柔性鉸鏈的柔性八桿機(jī)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種具有納米級(jí)精度的大行程蠕動(dòng)式壓電直線驅(qū)動(dòng)器，主要包括底座，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，可調(diào)箝位機(jī)構(gòu)，可調(diào)中間驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，帶法蘭盤(pán)輸出軸，箝位用固定支撐架。底座用于固定箝位用固定支撐架，箝位用固定支撐架用于固定雙平行直線導(dǎo)桿，形成導(dǎo)向平面；所述的可調(diào)中間驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與帶法蘭盤(pán)輸出軸固定一體并可在導(dǎo)向機(jī)構(gòu)上自由移動(dòng)，輸出軸與箝位用固定支撐架小間隙配合；所述的可調(diào)箝位機(jī)構(gòu)通過(guò)底座下的調(diào)節(jié)螺栓調(diào)節(jié)箝位機(jī)構(gòu)與輸出軸之間的間隙并達(dá)到零間隙。本發(fā)明獨(dú)特的雙平行直線導(dǎo)桿導(dǎo)向的結(jié)構(gòu)不僅可以保證高的直線度，而且可以避免該驅(qū)動(dòng)器長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后性能下降的問(wèn)題，該驅(qū)動(dòng)器簡(jiǎn)單緊湊、易裝可調(diào)、控制方便，適用于精密加工及精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的應(yīng)用。
文檔編號(hào)H02N2/04GK101207344SQ20071012444
公開(kāi)日2008年6月25日 申請(qǐng)日期2007年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月13日
發(fā)明者張兆成, 泓 胡 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院