高精度可调速直线型微位移工作台的制作方法

文档序号:7435685
专利名称:高精度可调速直线型微位移工作台的制作方法
技术领域
本发明属于超精密制造与检测技术领域,特别涉及了逆压电效应和摩擦微驱动技术实现高精度、可调速的微位移工作台。
背景技术
国内外愈来愈多地采用压电陶瓷材料实现微位移驱动,较多采用PZT压电陶瓷。 用压电陶瓷材料片叠片粘接制成的驱动器,具有响应频率高、调节精度高的优点,技术上已 较为成熟,应用于高频率动态调节的微驱动场合,效果很好;但它行程很小,无自锁,通常不 能对微动步距调整,工业精密加工应用范围受到制约。现有的微动工作台主要以双层结构, 即粗细两层,细工作台由压电陶瓷驱动,而粗工作台由电机驱动,这种粗细各两套控制系统 使其本身过于复杂、成本过高。德国PI公司2006年推出的型号为M674压电陶瓷超声直线 电机中实现了快速响应高精度大行程直线运动,但其执行位移速度非常快,驱动负载较小, 最大负载仅7N。不易在工业实际生产中所需求的慢速较大载荷中应用。在国内研究的双足 式大行程双向微动工作台,专利号ZL98243475. 8协调运动控制仍然复杂,可承受的负载有 限。新型大位移精密微动工作台的行程量变大,专利号ZL02245100. 5,但范围依然局限在小 行程中。基于矩形压电陶瓷薄板面内振动的直线型超声电机,专利号ZL01127038. 1,解决了 行程范围的限制,但受制于驱动原理,负载小。因此,面对现行情况,依然需求一种高精度、 行程范围大,超过100mm,并可调整移动速度、负载大的微动技术。

发明内容
本发明要解决的技术难题是在保证压电陶瓷材料驱动高精度、快响应的优势下, 针对现有微位移工作台的不足之处,通过平面三联柔顺机构实现结构简单、体积小巧、机电 转换效率高的微动系统以产生大行程(理论上最大行程无限制)、可调速和快速响应,并可 承载较大载荷的微位移,同时尽量降低控制复杂度。本发明采用的技术方案是一种高精度可调速直线型微位移工作台,具有微驱动 单元3、承载板2、4、导向装置6、7和基体9 ;微驱动单元3由相互平行且共面布置的第一、 第二、第三压电陶瓷驱动器11、14、16,第一、第二、第三调整片12、13、15,平面三联柔顺结 构10和摩擦触角17组合而成;其中第一压电陶瓷驱动器11和第一调整片12、第三压电 陶瓷驱动器16和第三调整片15分别对应安装在平面三联柔顺结构10的左、右椭圆形柔顺 结构c、f中,第二压电陶瓷驱动器14和第二调整片13放置在单稳态柔顺结构d中;摩擦 触角17固结在平面三联柔顺结构10中心轴上的一端;平面三联柔顺结构10中的椭圆形柔 顺结构c、f以及单稳态柔顺结构d、四足柔性支撑梁e呈中心对称分布。上承载板2和微 驱动单元3通过紧定螺栓1连接到下承载板4,下承载板4通过紧定螺钉5连接到导向装 置滑块7上,导向装置导轨6用调整螺钉8将连接在L型基体承载面a上;通过调整螺钉8 调整,使摩擦触角17与L型基体摩擦面b垂直相对并保持5 μ m间距。本发明具有以下显著效果依据以上技术方案,利用摩擦驱动和平面三联柔顺机构很好地实现了大行程、高精度的微位移,承载方向与驱动力方向异面垂直,减小了负载大 小对驱动力的作用,承载能力得到进一步提高。同时,改变压电驱动器控制方案,可实现大 小步距不同、频率不同的微位移动作。以上效果说明微位移工作台的应用范围进一步扩大, 在一定情况下可取代粗细双台组合方式的工作台,降低设备成本。


图1是高精度可调速直线型微位移工作台装配示意图,图2是微位移工作台的俯 视图,图3是微位移工作台的A-A截面图,图4是平面三联柔顺机构层示意图。其中1_紧 定螺栓,2-上承载板,3-微驱动单元,4-下承载板,5-紧定螺钉,6-导轨,7-滑块,8-调整螺 钉,9-L型基体,10-平面三联柔顺结构,11-第一压电陶瓷驱动器,12-第一调整片,13-第 二压电陶瓷驱动器,14-第二调整片,15-第三压电陶瓷驱动器,16-第三调整片,17-摩擦触 角,a-L型基体承载面,b-L型基体摩擦面,C-左椭圆形柔顺结构,d-单稳态柔顺结构,f_右 椭圆形柔顺结构,Ul-第一压电驱动器施加电压,U2-第二压电驱动器施加电压,U3-第三压 电驱动器施加电压,XY-平面坐标轴。
具体实施例方式依据本发明的技术方案和附图详细说明本发明的
具体实施例方式如图4所示,两组压电陶瓷驱动器11、16以及第一调整片12、第三调整片15分别 对应放入平面三联柔顺结构10的左、右椭圆形柔顺结构c、f中,另一组压电陶瓷驱动器14 和第二调整片13 —起放置在对称轴位置处,分别通过调整片12、13、15使平面柔顺结构10 的椭圆形柔性结构c、f和单稳态柔顺铰链结构d产生对压电陶瓷驱动器11、14、16适当的 预紧力。在平面三联柔顺结构10中心轴上一侧位置固结摩擦触角17,摩擦触角17由耐磨 材料制成。摩擦触角17位于第二压电陶瓷驱动器直接驱动的多组片型对称分布的单稳态 柔顺结构d中,可保证摩擦触角17仅具有Y方向直线运动的自由度,避免产生对压电驱动 器14的扭转剪切力,并在摩擦触角17作用后有良好的复位效果。导向装置导轨6用调整 螺钉8将连接在L型基体承载面a上;通过调整螺钉8调整,使摩擦触角17与L型基体摩 擦面b垂直相对,并保持5 μ m间距。椭圆形柔顺结构c、f呈中心轴对称设计,不仅能够提供X、Y方向的预紧变形,也解 决了动作中产生的压电驱动器变形冲突。第一和第三压电陶瓷驱动器安装在椭圆形柔性机 构的长径上,改变了驱动器作用方向,减小了占用空间,使工作台结构更紧凑,也增强了动 作的平稳性,提高了微动工作台X方向上的位移精度。如图1所示,用调整螺钉8将导向装 置导轨6连接在L型基体承载面a上,再将导向装置滑块7与导轨6配合安装,用紧定螺钉 5在图中所示固定孔位置将下承载板4连接到精密导向装置的滑块7上,再用紧定螺栓1将 上承载板2和微驱动单元3与下承载板4连接,通过调整螺钉8使摩擦触角17与L型基体 摩擦面b垂直相对并保持1 10 μ m间隙,进而组成微位移工作台。微位移工作台在工作 时,第一压电陶瓷驱动器11上加载正半周期正弦电压Ul = Um| sincot I,同时在第二压电陶
当第一压电驱动驱伸长导致左椭圆形柔性结构C变形,单稳态柔顺铰链结构d在X负方向 产生最大微位移,此时摩擦触角17在第二压电驱动器的作用下Y正方向上产生位移,摩擦 触角17作用在L型基体摩擦面b产生正压力,如图2所示,待压电陶瓷驱动器驱动电压为 零时,整个平台在X负方向上产生步进位移,之后第二压电陶瓷驱动器14驱动电压为零,摩 擦触角复位,以此周期性动作实现了工作台的X负方向微位移。同理在第三压电陶瓷上作 用正半周期正弦电压U3 = Um I sin ω 11,同时在压电陶瓷驱动器2上作用同上方波电压可产 生沿X正方向位移。实验中电压Um可在50 200V而且ω在100 IOOOHz间调整变化, 则产生不同频率和精度的微位移。同时因压电陶瓷驱动器产生的驱动力最大可达800Ν,产 生的最大侧向摩擦阻力可达100Ν,可以承受最大纵向载荷达10kN。工作台行程范围可依据 使用条件设定。 本发明依据使用条件的不同,可设计实现不同精度和承载能力的微位移工作台,应用到不同需求的场合。通过两个以上本发明的一维微位移工作台组合可实现多维动作。 既可在精密加工设备中作为位移工作台配合加工轴实现准确定位、复合加工,也可在测量、 扫描及微操作设备中实现多自由度控制。
权利要求
一种高精度可调速直线型微位移工作台,具有微驱动单元(3)、承载板(2、4)、导向装置(6、7)和基体(9),其特征是,微驱动单元(3)由相互平行且共面布置的第一、第二、第三压电陶瓷驱动器(11、14、16)、第一、第二、第三调整片(12、13、15)、平面三联柔顺结构(10)和摩擦触角(17)组合而成;其中第一压电陶瓷驱动器(11)和第一调整片(12)、第三压电陶瓷驱动器(16)和第三调整片(15)分别对应安装在平面三联柔顺结构(10)的左、右椭圆形柔顺结构(c、f)中,第二压电陶瓷驱动器(14)和第二调整片(13)放置在单稳态柔顺结构(d)中;摩擦触角(17)固结在平面三联柔顺结构(10)中心轴上的一端;平面三联柔顺结构(10)中的左、右椭圆形柔顺结构(c、f)以及单稳态柔顺结构(d)、四足柔性支撑梁(e)呈中心对称分布;上承载板(2)和微驱动单元(3)通过紧定螺栓(1)连接到下承载板(4)上,下承载板(4)通过紧定螺钉(5)连接到导向装置滑块(7)上,导向装置导轨(6)用调整螺钉(8)将连接在L型基体承载面(a)上;通过调整螺钉(8)调整,使摩擦触角(17)与L型基体摩擦面(b)垂直相对,并保持5μm间距。
全文摘要
本发明是一种高精度可调速直线型微位移工作台,属于超精密制造与检测技术领域,特别涉及了逆压电效应和摩擦微驱动技术实现高精度、可调速的微位移工作台。工作台具有微驱动单元、承载板、导向装置和基体,微驱动单元由相互平行且共面布置的第一、第二、第三压电陶瓷驱动器,第一、第二、第三调整片,平面三联柔顺结构和摩擦触角组合而成;平面三联柔顺结构中的左、右椭圆形柔顺结构以及单稳态柔顺结构、四足柔性支撑梁呈中心对称分布。本发明通过压电驱动器和平面三联柔顺机构复合运动实现了精度高、行程大(理论上最大行程无限制)、载荷大、步距及响应频率可调和机电转换效率高的微位移技术,可以满足精密制造、检测以及微操作领域中不同的使用要求。
文档编号H02N2/00GK101860256SQ20101014132
公开日2010年10月13日 申请日期2010年4月2日 优先权日2010年4月2日
发明者付春楠, 梁延德 申请人:大连理工大学
再多了解一些
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