专利名称:蠕动式压电/电致伸缩微进给定位装置的制作方法
本发明涉及一种蠕动式压电/电致伸缩微进给定位装置，属精密机械及精密运动控制技术领域：
。
在精密机械及精密运动控制技术领域：
，当运动分辨率达到亚微米级甚或纳米级时，固体致动器特别是压电/电致伸缩致动器在进给定位机构或系统中凸现出优势。
压电/电致伸缩致动器件由于其位移分辨率高、减少中间运动传递部件、效率高、刚度大、响应快等优点，已广泛应用于微进给定位机构或系统。
压电/电致伸缩微进给定位机构或系统在精密机械工程方面，用于刀具微进给、微雕刻系统、直线位移驱动、控制射流喷嘴、微型泵等；在光学及测量技术方面，用于透镜定位调节、激光调制、光纤定位对准、自动调焦、干涉测量、全息摄影、扫描探针显微测量等；在生物医学领域，用于眼外科手术等的微操作、细胞穿刺、微剂量控制器件、听觉生理刺激等；在微电子学和计算机技术方面，用于芯片和掩膜定位对准、光刻与半导体加工检查装置、磁盘和光盘制造装置及驱动器、点阵打印机等。
上述一些成功的应用利用了压电/电致伸缩致动的优点。但应用于进给定位机构或系统时，直接利用压电/电致伸缩变形有其明显的缺点，即行程小，至多数10微米。
蠕动机构的发明问世，巧妙地克服了行程小的缺点。以美国Burleigh公司的蠕动式步进马达(inchworm motor)为例，其结构原理如图1所示。主要构件包括主轴1、轴向伸缩致动件3、以及径向箝位夹紧用压电陶瓷管2和4。当主轴1为运动部件时，致动件3、2、4的组合体相对固定；若主轴1固定，致动件3、2、4的组合体沿主轴1轴向运动。
以主轴1为运动部件，箝位件2固联于基座，3、4如图示与2联接的结构为例，初始状态为2、4夹紧主轴，其运动原理如下(1)首先使箝位件2径向松开主轴1，而箝位件4此时径向收缩夹紧主轴1；(2)驱动致动件3沿轴向伸长，带动主轴1右进一步；(3)使箝位件2径向收缩夹紧主轴1，然后箝位件4径向松开；(4)使致动件3沿轴向收缩；(5)再使箝位件4径向收缩夹紧主轴1，回复到初始状态。
循环步骤(1)一步骤(5)的操作，即可实现主轴1的直线步进运动。其反向运动可通过改变轴向伸缩致动件3、以及径向箝位夹紧用压电陶瓷管2和4的操作控制顺序实现。
主轴1的行程仅取决于主轴1的长度。移动速度可通过改变加于轴向伸缩致动件3上的电压幅值以及控制致动件3、径向箝位夹紧件2和4的动作频率来调节。
蠕动式压电直线马达的步进运动是靠箝位机构与主轴夹紧时的摩擦来传递推力实现的，箝位机构产生的夹紧力的大小，直接影响其轴向承载能力和运动稳定性。
迄今，所实现的蠕动式压电直线马达多有箝位夹紧驱动电压过高、轴向刚度和输出推力较小的不足之处。箝位夹紧机构的改进设计是提高蠕动式压电直线马达性能的一有效途径。
本发明的目的是设计一种提高轴向推力的蠕动式压电/电致伸缩微进给定位装置。在实现大行程、高位移分辨率的同时，通过采用电磁致动的柔性铰链构成的周向分布式杠杆箝位机构降低箝位夹紧电压和机械配合精度要求，提高箝位夹紧力，从而使蠕动式压电/电致伸缩微进给定位机构获得大的轴向输出推力。使其不仅可以用于测量等负载小的场合，亦能用于加工系统进给定位等负载较大的场合。
本发明设计的蠕动式压电/电致伸缩微进给定位装置，包括主辅、伸缩致动件、箝位夹紧机构、导向固定件和预紧弹簧。伸缩致动件的两端部与导向固定件相对固定，导向固定件的内径面与主轴成滑动配合。预紧弹簧置于导向固定件之间。箝位夹紧机构由不动部分的电磁磁路和可动部分的力放大杆、弧状杆、柔性铰链和夹紧脚组成。导向固定件的一侧与伸缩致动件相连，另一侧与箝位夹紧机构的电磁磁路相对固定，导向固定件的柔性悬臂套的外径面与箝位夹紧机构可动部分的夹紧脚过盈配合。
本发明的蠕动式压电/电致伸缩微进给定位装置，以圆筒状压电/电致伸缩致动件3作为轴向运动的主驱动件，以主轴1为中心轴将导向固定件6、8连接在致动件3的两端，并用弹簧9预紧。箝位夹紧机构5、7分别连接在导向固定件6、8上，其不动部分的电磁驱动磁路与导向固定件外侧面固联，沿径向可动的箝位夹紧部分与导向固定件外伸的悬臂套16过盈配合，在电磁力驱动下实现对主轴1的箝位和松位。这种结构可以有效地提高蠕动机构的刚度和轴向输出推力，在保持高位移分辨率的同时实现高精度和平稳的大行程进给定位，并且结构紧凑、控制方便，既充分利用了压电/电致伸缩件位移分辨率高、刚度大、响应快的优势，又有效结合了电磁驱动夹紧控制方便易于实现的优点。
该蠕动机构特别是具有柔性悬臂套16的导向固定件6、8和由柔性铰链互联的杠杆箝位夹紧机构5、7的发明，有效地改进了蠕动机构的性能特别是轴向输出推力的提高。这种效果使蠕动式压电/电致伸缩微进给定位机构的应用范围大为拓宽，使其不仅可能应用于精密测量，亦可用于加工、装配等需要一定承载能力的一维或多维精密进给定位系统，特别是适用于微小型机械的加工、装配与操作等。
图1是已有技术结构示意图。
图2是本发明设计的定位装置结构示意图。
图3是箝位夹紧机构原理示意图。
图4是导向固定件结构示意图。
图5是图4的侧视图。
图6是箝位夹紧机构装配示意图。
图7、图8、图9是本发明设计的定位装置的三个应用实例。
下面结合附图，详细介绍本发明的内容。
图1一图5中，1是主轴，2和4是径向箝位夹紧用压电陶瓷管，3是轴向伸缩致动件，5和7是箝位夹紧机构，6和8是导向固定件，9是预紧弹簧。图3中，10是力放大杆，11是弧状杆，12是柔性铰链，13是夹紧脚，14是电磁磁路，图4和图5中，15是固定法兰，16是左凸起，17是柔性悬臂套。
如图所示，本发明设计的蠕动式压电/电致伸缩微进给定位装置，包括主轴1、伸缩致动件3、箝位夹紧机构5和7、导向固定件6和8以及预紧弹簧9。伸缩致动件3的两端部与导向固定件相对固定，导向固定件的内径面与主轴1成滑动配合。预紧弹簧9置于导向固定件6和8之间。箝位夹紧机构5和7分别由不动部分的电磁磁路14和可动部分的力放大杆10、弧状杆11、柔性铰链12和夹紧脚13组成。导向固定件的一侧与伸缩致动件相连，另一侧与箝位夹紧机构的电磁磁路14相对固定，导向固定件的柔性悬臂套17的外径面与箝位夹紧机构可动部分的夹紧脚13过盈配合。
作为主致动件用来产生轴向位移的压电/电致伸缩致动件3的两端部与导向固定件6、8固联。连接在6、8之间的三根预紧弹簧9为压电/电致伸缩致动件3提供预紧压力，以保证3只受轴向压力，防止其受拉破坏。
导向固定件6、8与致动件3相连一侧的凸起用于保证圆筒状压电/电致伸缩致动件3的安装中心与主轴同轴。导向固定件6、8的另一侧面与箝位夹紧机构5、7的不动部分连接，凸出的柔性悬臂套的外径面与箝位夹紧机构5、7的可动部分过盈配合。导向固定件6、8的内径面作为导轨面与主轴1配合，主轴在其中可沿轴向相对运动。
箝位夹紧机构5、7由不动和可动两部分构成。不动部分是驱动箝位夹紧机构动作的电磁磁路14，分别与导向固定件6、8外侧面连接。可动部分是由柔性铰链构成的周向分布式杠杆箝位机构，与导向固定件外凸出的柔性悬臂套的外径面过盈配合。电磁驱动箝位机构产生径向箝位和松位，从而通过悬臂套的弹性变形夹紧或松开主轴。
该蠕动式压电/电致伸缩微进给定位装置的运动原理与蠕动式步进马达(inchworm motor)相同。当主轴1为运动部件时，可将导向固定件6、8的任一个固定于基座。若将主轴1固定于基座，由致动件3、导向固定件6和8与箝位夹紧机构5和7构成的组合体可沿主轴作轴向运动。
箝位夹紧机构5或7的可动部分的结构原理如图3所示，由三组沿周向分布且用十二个柔性铰链12互联的杠杆构成。当电磁致动力F沿如图所示切向同时作用于三组六根力放大杆10时，每对力放大杆10沿圆周方向被拉开，由三根弧状杆11构成的圆周长变大，使三个夹紧脚13沿径向外移，实现对主轴的松位。当致动力F不作用时，机构弹性回复，实现对主轴的箝位夹紧。
导向固定件6或8的结构设计如图4所示，其固定法兰15的内径面作为导轨与主轴滑动配合，左凸起16的外径面与圆筒状压电/电致伸缩致动件3的内径面同轴安装，与箝位夹紧机构5或7的可动部分过盈配合的柔性悬臂套17沿圆周分成三瓣，每瓣轴向刚度大径向刚度小，相当于一个悬臂梁。当箝位夹紧机构5或7通过柔性悬臂套17抱紧中间主轴1时，悬臂套17的作用是将致动件3产生的轴向运动和推力传递给中间主轴1。悬臂套17在这里是一个起双重作用的元件，既保证整个机构的进给定位精度和刚度，又在箝位/松位动作过程中减少对主轴的径向冲击，提高主轴运动的平稳性。
箝位夹紧机构5或7与导向固定件6或8及主轴1的径向配合如图5所示。由柔性铰链互联的杠杆箝位机构5或7通过夹紧脚13与柔性悬臂套17的外径面过盈配合实现对主轴1的夹紧箝位，夹紧力的大小由过盈量调节。当电磁致动力F沿如图所示切向同时作用于三组六根力放大杆10时，每对力放大杆沿圆周方向被拉开，由三根弧状杆11构成的圆周长变大，使三个夹紧脚13沿径向外移，三瓣柔性悬臂套17弹性回复，从而实现对主轴的松位。在箝位/松位控制过程中，致动力F通过由绕柔性铰链转动的力放大杠杆放大并经方向转换后传递给夹紧脚13，再经悬臂套17作用于主轴1。因此可以较小的致动力F解除作用于主轴1上较大的径向压力，主轴1上径向压力的增大直接提高主轴的轴向输出推力。采用柔性铰链的结构设计具有减少箝位冲击、提高机构的频率响应的优点。致动力F采用电磁磁路产生，易于实现和控制。电磁磁路可置于箝位夹紧机构的三根弧状杆11外侧、三组力放大杆10之间的空间，且固定于导向固定件6或8的固定法兰15外侧面上。
如上述，本发明的蠕动式压电/电致伸缩微进给定位装置由箝位夹紧机构5和7放大箝位夹紧力，从而实现提高机构的轴向输出推力；导向固定件6和8的配置有利于提高机构的进给定位精度和刚度。机构的整体结构紧凑有利于小型化，在轴向发挥了压电/电致伸缩致动件位移分辨率高的长处，在径向采用电磁力和机构弹性力结合控制箝位/松位动作，减少了压电/电致伸缩致动件在夹紧机构中的不必要使用。
以主轴1为运动部件，箝位夹紧组合件5和6固联于基座为例。蠕动式压电/电致伸缩微进给定位机构在工作时，顺序施加压电和电磁驱动电压，首先松开夹紧机构5，使主致动件3伸长，带动主轴右移一步；然后夹紧机构5夹紧、夹紧机构7松开，卸去加于主致动件3的电压使3回复至原来长度，之后使夹紧机构7夹紧。这时蠕动式压电/电致伸缩微进给定位机构回复初始状态，完成主轴的一步进给运动。循环上述过程，即可实现机构的蠕动进给。改变两个夹紧箝位机构和主致动件的控制顺序，即可实现主轴的反向运动。控制加于主致动件3的电压波形，可实现较大步距的进退运动以及换步间循环过程中的微小步距连续运动。
本发明的蠕动式压电/电致伸缩微进给定位装置可以三种模式工作小行程往复运动模式、大行程步进运动模式和混合运动模式。其中，小行程往复运动模式类似于单个压电致动器的运动，位移分辨率高、响应快、但位移行程小；大行程步进运动模式即作蠕动运动，位移行程大，有利于长距离或快速进给定位；混合运动模式是蠕动运动和换步间循环过程中的微小步距运动的复合，适合于高精度的大行程进给定位运动控制。三种运动模式均可由计算机控制实现。
本发明的蠕动式压电/电致伸缩微进给定位装置使用在开环控制时，系统构成如图6所示。进给速度可以通过改变驱动电压，控制压电/电致伸缩件每步的位移量以及机构整体的动作频率来调节。开环系统可用于不需要严格定位精度但要求高位移分辨率的位移进给调节。由于本发明的蠕动机构提高刚度和轴向输出推力的特点，可应用于精密测量等负载小的场合，亦适用于微小型机械加工装配等需要一定的承载能力的场合。
增加位移检测环节，可以实现如图7所示的微进给定位闭环控制系统。本发明的蠕动式压电/电致伸缩微进给定位装置既可使用外设位移传感器，又易与位移传感器一体制作。闭环的蠕动式压电/电致伸缩微进给定位机构既具有高位移分辨率、大位移行程的特点，又具有提高机构刚度和轴向输出推力，且易于控制的功能。拓宽了蠕动式压电/电致伸缩机构在微进给定位方面的应用范围。
本发明的蠕动式压电/电致伸缩微进给定位装置的构件易于标准化和模块化。采用如图8所示的配置可以进一步提高机构的运动精度、刚度和轴向输出推力。通过两组压电致动件和箝位夹紧机构的交替动作控制，可以容易实现主轴的连续进给。
权利要求
1.一种蠕动式压电/电致伸缩微进给定位装置，包括主轴、伸缩致动件，其特征在于还包括箝位夹紧机构、导向固定件和预紧弹簧；所述的伸缩致动件的两端部与导向固定件相对固定，导向固定件的内径面与主轴成滑动配合；预紧弹簧置于导向固定件之间；所述的箝位夹紧机构由不动部分的电磁磁路和可动部分的力放大杆、弧状杆、柔性铰链组成；导向固定件的一侧与伸缩致动件相连，另一侧与箝位夹紧机构的电磁磁路相对固定，导向固定件的柔性悬臂套的外径面与箝位夹紧机构可动部分的夹紧脚过盈配合。
专利摘要
本发明涉及一种蠕动式压电/电致伸缩微进给定位装置，该装置由主轴、伸缩致动件、箝位夹紧机构、导向固定件和预紧弹簧组成。伸缩致动件的两端与导向固定件相对固定，预紧弹簧置于导向固定件之间，导向固定件的一侧与伸缩致动件相连，另一侧与箝位夹紧机构的电磁磁路相对固定。本发明的定位装置在保持高位移分辨率的同时实现高精度和平稳的大行程进给定位，并且结构紧凑、控制方便，适用于微小型机械的加工、装配与操作。
文档编号G05G5/00GKCN1119735SQ98102837
公开日2003年8月27日 申请日期1998年7月10日
发明者李勇, 胡敏, 周兆英 申请人:清华大学导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan