一种高频往复精密位移装置的制作方法

本发明涉及位移装置技术领域，具体为一种高频往复精密位移装置。

背景技术：

高频往复精密位移控制通常采用直线或音圈电机驱动，往往需要高加减速度运动控制，要求电机推力大，能耗高。当频率高达上百赫兹时，哪怕振幅只有10mm，加速度高达1000多g，几十克的负载就需要几千牛的推力。大推力电机的动子质量也大，进一步加剧了恶性循环。例如，持续推力一千牛左右的音圈电机，动子质量高达五千克，只能达到20g加速度。目前高频往复精密位移存在以下缺点：

一、采用直线电机或音圈电机驱动，高加减速度下能耗大，频繁运动磨损导轨；

二、高频振动，需要的推力大，大推力电机价格昂贵，或者实现不了；

三、振动系统存在振幅衰减，精度差。

为此，我们提出一种高频往复精密位移装置解决上述问题。

技术实现要素：

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种高频往复精密位移装置，采用刚度可调弹簧，将系统的固有频率调节为工作频率，电机按照给定固有频率激励，累加后振幅逐渐增加，阻尼力也逐渐增加，当电机输入能量与阻尼衰减能量平衡时振幅保持稳定，通过控制输入力的幅值，就可以控制振幅。光栅尺可以精密测量幅值。存在摩擦力时，可以通过柔性铰链补偿摩擦死区，提高位移控制精度等优点，解决了背景技术提出的问题。

(二)技术方案

为实现上述采用刚度可调弹簧，将系统的固有频率调节为工作频率，电机按照给定固有频率激励，累加后振幅逐渐增加，阻尼力也逐渐增加，当电机输入能量与阻尼衰减能量平衡时振幅保持稳定，通过控制输入力的幅值，就可以控制振幅。光栅尺可以精密测量幅值。存在摩擦力时，可以通过柔性铰链补偿摩擦死区，提高位移控制精度的目的，本发明提供如下技术方案：

一种高频往复精密位移装置，包括：

驱动单元，其固定设置于基座表面；

弹簧组件，其存储或释放从所述驱动单元获得的能量，所述驱动单元驱动弹簧组件往复运动；

弹簧刚度调节组件，其用于调节所述弹簧组件的刚度；

位置检测组件，其用于检测所述弹簧组件的振幅并将检测结果反馈给控制单元；

控制单元，其根据所述弹簧组件的振幅控制所述驱动单元输出的驱动力。

优选的，所述驱动单元为电机，其包括电机定子及电机动子，所述电机驱动电机动子做往复运动。

优选的，所述弹簧组件包括弹簧、弹簧前端固定件及弹簧后端固定件，所述弹簧一端与弹簧前端固定件固定连接，其另一端与弹簧后端固定件固定连接，所述弹簧后端固定件与基座固定连接。

优选的，所述弹簧刚度调节组件包括弹簧刚度内调节件及弹簧刚度外调节件，所述弹簧刚度内调节件与弹簧为螺旋配合，所述弹簧刚度内调节件与弹簧刚度外调节件相连接，所述弹簧刚度外调节件与基座相连接。

优选的，所述位置检测组件包括读数头、光栅尺及读数头固定件，所述读数头固定件与电机动子固定连接，所述读数头与读数头固定件固定连接，所述光栅尺与基座固定连接。

优选的，还包括刚性平台，包括工作台、第一柔性铰链导向机构及第一远端固定块，所述电机动子与工作台固定连接；所述第一远端固定块与基座固定连接，所述第一柔性铰链导向机构将工作台与第一远端固定块连接起来，所述弹簧前端固定件与工作台固定连接。

优选的，还包括刚柔耦合平台，所述刚柔耦合平台包括柔性平台、刚性框架、柔性铰链及弹簧钢片组件，所述柔性铰链及弹簧钢片组件将柔性平台与刚性框架连接起来，所述电机动子与柔性平台固定连接，所述弹簧前端固定件与刚性框架固定连接。

优选的，所述刚柔耦合平台还包括第二柔性铰链导向机构及第二远端固定块，所述第二柔性铰链导向机构将刚性框架与第二远端固定块连接起来。

优选的，所述弹簧钢片组件包括弹簧钢片夹块、螺母条、弹簧钢片及弹簧钢片中压块，所述弹簧钢片放置在两块钢片夹块的缝隙中，上下两个螺母条配合螺栓将弹簧钢片、钢片夹块与刚性框架固定连接，所述弹簧钢片中压块将弹簧钢片中部固定在柔性平台上。

优选的，还包括导轨滑块组件，所述导轨滑块组件包括导轨及滑块，所述滑块与导轨相配合，所述导轨与基座固定连接，所述刚性框架与滑块固定连接。

(三)有益效果

与现有技术对比，本发明具备以下有益效果：

该种高频往复精密位移装置，采用弹簧储能原理，将位移装置设计为弹簧刚度可调的弹性装置，根据工作频率要求，调整弹簧刚度到组成的弹性装置固有频率与工作频率要求一致。施加工作频率驱动力，引起弹性装置共振，不断积累能量就让小驱动力实现高加速度往复运动。当驱动力输入能量与摩擦阻尼等耗散能量相等时，装置处于稳定往复运动状态。当阻力恒定时，通过调整驱动力的幅值，可以精确控制装置的振动幅值。当存在摩擦等不确定因素时，能量耗散不一致，会引起振幅不稳定。采用光栅反馈进行检测振幅，根据振幅的变化进行驱动力补偿来调整振幅，由此在驱动力受限情况下实现高加速频往复运动。

附图说明

图1为本发明实施例1的刚性高频往复精密位移装置总体图；

图2为本发明实施例1的刚性高频往复精密位移装置半剖图；

图3为本发明实施例2的柔性铰链导向刚性高频往复精密位移装置总体图；

图4为本发明实施例2的柔性铰链导向刚性高频往复精密位移装置半剖图；

图5为本发明实施例3的导轨导向刚柔耦合高频往复精密位移装置总体图；

图6为本发明实施例3的导轨导向刚柔耦合高频往复精密位移装置半剖图；

图7为本发明实施例3的导轨导向刚柔耦合高频往复精密位移装置的刚柔耦合平台半剖示意图；

图8为本发明实施例4的柔性铰链导向刚柔耦合高频往复精密位移装置总体图；

图9为本发明实施例4的柔性铰链导向刚柔耦合高频往复精密位移装置半剖图；

图10为本发明实施例4的柔性铰链导向刚柔耦合高频往复精密位移装置的刚柔耦合平台半剖示意图。

图中：1、电机；2、弹簧组件；3、弹簧刚度调节组件；4、基座；5、位置检测组件；6、刚性平台；7、刚柔耦合平台；8、导轨滑块组件；9、侧板；101、电机定子；102、电机动子；201、弹簧；202、弹簧前端固定件；203、弹簧后端固定件；301、弹簧刚度内调节件；302、弹簧刚度外调节件；501、读数头；502、光栅尺；503、读数头固定件；601、工作台；602、第一柔性铰链导向机构；603、第一远端固定块；701、柔性平台；702、刚性框架；703、柔性铰链；704、弹簧钢片组件；705、第二柔性铰链导向机构；706、第二远端固定块；7041、弹簧钢片夹块；7042、螺母条；7043、弹簧钢片；7044、弹簧钢片中压块；801、导轨；802、滑块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-10，一种高频往复精密位移装置，包括：驱动单元、弹簧组件2、弹簧刚度调节组件、位置检测组件5以及控制单元；驱动单元固定设置于基座4表面，且用于驱动弹簧组件2往复运动，弹簧组件2存储或释放从驱动单元获得的能量，从而往复运动，弹簧刚度调节组件用于调节弹簧组件2的刚度，从而使位移装置的工作频率与固有频率一致，位置检测组件5用于检测弹簧组件2的振幅并将检测结果反馈给控制单元，控制单元根据振幅控制驱动单元输出的驱动力。

因为驱动单元的驱动能力远小于弹簧组件2最大加速度下的惯性力，不足于直接让弹簧装置产生给定振幅，采用下面两个途径之一实现：

一、根据工作频率要求，设置幅值的正弦驱动力，振幅逐渐累加到给定的振幅，进入能量输入与耗散的平衡状态，驱动力只是补偿振动过程中的能量损失，调节不同的驱动力幅值，就可以获得不同的位移幅值。

二、借助外力，直接把弹簧拉伸或压缩到给定的振幅，由于阻尼存在，释放后外力后，弹性装置成衰减振动，施加驱动力补偿能量衰减，使得振幅保持在稳定状态。

通常情况，振动幅值与驱动力幅值存在确定的关系，由于制造误差，每个系统的刚度阻尼值与设计值存在偏差，第一次需要作实验建立特定频率下振动幅值与驱动力幅值的关系。

针对不同的具体应用场合，存在以下四种情况，分别对应后面的四个具体实施例：

一、当驱动频率非常高，对位移精度和直线度要求较低时，采用大刚度弹簧直接作为导向机构，组成高频弹性装置，驱动力直接作用到装置上。

二、当直线度要求较高，但是当驱动频率较低时，可以采用导轨进行导向。位置精度要求也较高时，采用刚柔耦合平台，通过弹性变形补偿摩擦死区，减小摩擦力的影响，提高位移精度。

三、当驱动频率较高但振幅较小时，容易造成导轨局部磨损，采用柔性铰链作为导向机构，刚柔耦合平台进行位移补偿。

四、当驱动频率较高，振幅较小，当位移精度要求较低，直接采用柔性铰链作为导向机构，刚性平台直接驱动。

特别地，当需要间歇运动时，需要采用柔性铰链刚柔耦合平台，在弹簧处于最大势能处时速度为零，可以临时卡住柔性铰链框架，驱动力驱动柔性铰链进行微补偿操作。

实施例1

本发明涉及一种高频往复精密位移装置，即刚性高频往复精密位移装置，包括电机1、弹簧组件2、弹簧刚度调节组件3、基座4及位置检测组件5。电机1包括电机定子101及电机动子102；弹簧组件2包括弹簧201、弹簧前端固定件202及弹簧后端固定件203；弹簧刚度调节组件3包括弹簧刚度内调节件301及弹簧刚度外调节件302；位置检测组件5包括读数头501、光栅尺502及读数头固定件503。

电机1属于直线或音圈电机等非接触式驱动，电机定子101与基座4固定连接，电机动子102与弹簧前端固定件202固定连接；弹簧201一端与弹簧前端固定件202固定连接，其另一端与弹簧后端固定件203固定连接；弹簧后端固定件203与基座4固定连接；弹簧刚度调节组件3可调节弹簧201的自由长度从而调节其刚度；弹簧刚度内调节件301与弹簧201的配合关系为螺旋配合关系，与螺栓螺母的配合关系类似，通过转动弹簧刚度内调节件301可改变其在弹簧201长度方向上的位置；弹簧刚度内调节件301与弹簧刚度外调节件302固定连接；当弹簧刚度内调节件301与弹簧刚度外调节件302未固定连接时，弹簧刚度内调节件301可自由转动，改变位置；弹簧刚度外调节件302与基座4固定连接；弹簧刚度外调节件302在基座4上的固定位置可随着弹簧刚度内调节件301的位置的改变而改变；读数头固定件503与电机动子102固定连接；读数头501与读数头固定件503固定连接；光栅尺502与基座4固定连接；位置检测组件5可实时反馈电机动子的位置。

电机1可驱动电机动子102做往复运动，使弹簧201慢慢提高振动频率，直至弹簧201处于目标振动频率，弹簧201每一次往复运动振动都会消耗部分能量，这部分能量远远小于弹簧201的输入能量，因此每次振动电机1只需驱动电机动子102补偿这部分能量，当电机1输入能量与弹簧201阻尼衰减振动能量相平衡时，便可使弹簧201持续保持一个固定的频率和振幅。

实施例2

本发明涉及一种高频往复精密位移装置，即柔性铰链导向刚性高频往复精密位移装置，包括电机1、刚性平台6、弹簧组件2、弹簧刚度调节组件3、基座4及位置检测组件5；电机1包括电机定子101及电机动子102；刚性平台6包括工作台601、第一柔性铰链导向机构602及第一远端固定块603；工作台601、第一柔性铰链导向机构602及第一远端固定块603一体加工组成刚性平台6；弹簧组件2包括弹簧201、弹簧前端固定件202及弹簧后端固定件203；弹簧刚度调节组件3包括弹簧刚度内调节件301及弹簧刚度外调节件302；位置检测组件5包括读数头501、光栅尺502及读数头固定件503。

电机1属于直线或音圈电机等非接触式驱动，电机定子101与基座4固定连接，电机动子102与工作台601固定连接；第一远端固定块603与基座4固定连接，第一柔性铰链导向机构602将工作台601与第一远端固定块603连接起来；第一柔性铰链导向机构602起到对工作台601的一个导向作用。弹簧前端固定件202与工作台601固定连接；弹簧201一端与弹簧前端固定件202固定连接，一端与弹簧后端固定件203固定连接；弹簧后端固定件203与基座4固定连接；弹簧刚度调节组件3可调节弹簧201的自由长度从而调节其刚度；弹簧刚度内调节件301与弹簧201的配合关系为螺旋配合关系，与螺栓螺母的配合关系类似，通过转动弹簧刚度内调节件301可改变其在弹簧201长度方向上的位置；弹簧刚度内调节件301与弹簧刚度外调节件302固定连接；当弹簧刚度内调节件301与弹簧刚度外调节件302未固定连接时，弹簧刚度内调节件301可自由转动，改变位置；弹簧刚度外调节件302与基座4固定连接；弹簧刚度外调节件302在基座4上的固定位置可随着弹簧刚度内调节件301的位置的改变而改变；读数头固定件503与电机动子102固定连接；读数头501与读数头固定件503固定连接；光栅尺502与基座4固定连接；位置检测组件5可实时反馈工作台601的位置。

电机1可驱动电机动子102做往复运动，使弹簧201慢慢提高振动频率，直至弹簧201处于目标振动频率，弹簧201每一次往复运动振动都会消耗部分能量，这部分能量远远小于弹簧201的输入能量，因此每次振动电机1只需驱动电机动子102补偿这部分能量，当电机1输入能量与弹簧201阻尼衰减振动能量相平衡时，便可使弹簧201持续保持一个固定的频率和振幅。

实施例3

本发明涉及一种高频往复精密位移装置，即导轨导向刚柔耦合高频往复精密位移装置，包括电机1、刚柔耦合平台7、弹簧组件2、弹簧刚度调节组件3、导轨滑块组件8、基座4、位置检测组件5及侧板9；电机1包括电机定子101及电机动子102；刚柔耦合平台7包括柔性平台701、刚性框架702、柔性铰链703及弹簧钢片组件704；柔性平台701、刚性框架702、柔性铰链703为一体加工，组成一个部件；弹簧钢片组件704包括弹簧钢片夹块7041、螺母条7042、弹簧钢片7043及弹簧钢片中压块7044；弹簧组件2包括弹簧201、弹簧前端固定件202及弹簧后端固定件203；弹簧刚度调节组件3包括弹簧刚度内调节件301及弹簧刚度外调节件302；导轨滑块组件8包括导轨801及滑块802；位置检测组件5包括读数头501、光栅尺502及读数头固定件503。

电机1属于直线或音圈电机等非接触式驱动，电机定子101与基座4固定连接，电机动子102与柔性平台701固定连接；刚性框架702与滑块802固定连接；滑块802与导轨801相配合；导轨801与基座4固定连接；弹簧钢片7043放置在两块钢片夹块7041的缝隙中，上下两个螺母条7042配合螺栓将弹簧钢片7043、钢片夹块7041与刚性框架702固定连接；弹簧钢片中压块7044将弹簧钢片7043中部固定在柔性平台701上；柔性铰链703及弹簧钢片组件704将柔性平台701与刚性框架702连接起来；当导轨801与滑块802之间产生摩擦时，可利用柔性铰链703及弹簧钢片7043的弹性变形来补偿摩擦死区，提高位移控制精度；弹簧前端固定件202与刚性框架702固定连接；弹簧201的一端与弹簧前端固定件202固定，其另一端与弹簧后端固定件203固定连接；弹簧后端固定件203与侧板9固定连接；侧板9与基座4固定连接；弹簧刚度调节组件3可调节弹簧201的自由长度从而调节其刚度；弹簧刚度内调节件301与弹簧201的配合关系为螺旋配合关系，与螺栓螺母的配合关系类似，通过转动弹簧刚度内调节件301可改变其在弹簧201长度方向上的位置；弹簧刚度内调节件301与弹簧刚度外调节件302固定连接；当弹簧刚度内调节件301与弹簧刚度外调节件302未固定连接时，弹簧刚度内调节件301可自由转动，改变位置；弹簧刚度外调节件302与基座4固定连接；弹簧刚度外调节件302在基座4上的固定位置可随着弹簧刚度内调节件301的位置的改变而改变；读数头固定件503与电机动子102固定连接；读数头501与读数头固定件503固定连接；光栅尺502与基座4固定连接；位置检测组件5可实时反馈柔性平台701的位置。

电机1可驱动电机动子102做往复运动，使弹簧201慢慢提高振动频率，直至弹簧201处于目标振动频率，弹簧201每一次往复运动振动都会消耗部分能量，这部分能量远远小于弹簧201的输入能量，因此每次振动电机1只需驱动电机动子102补偿这部分能量，当电机1输入能量与弹簧201阻尼衰减振动能量相平衡时，便可使弹簧201的振动持续保持一个固定的频率和振幅。

实施例4

一种高频往复精密位移装置，即柔性铰链导向刚柔耦合高频往复精密位移装置，包括电机1、刚柔耦合平台7、弹簧组件2、弹簧刚度调节组件3、基座4及位置检测组件5；电机1包括电机定子101及电机动子102；刚柔耦合平台7包括柔性平台701、刚性框架702、柔性铰链703、弹簧钢片组件704、第二柔性铰链导向机构705及第二远端固定块706；弹簧钢片组件704包括弹簧钢片夹块7041、螺母条7042、弹簧钢片7043及弹簧钢片中压块7044；弹簧组件2包括弹簧201、弹簧前端固定件202及弹簧后端固定件203；弹簧刚度调节组件3包括弹簧刚度内调节件301及弹簧刚度外调节件302；位置检测组件5包括读数头501、光栅尺502及读数头固定件503；

电机1属于直线或音圈电机等非接触式驱动，电机定子101与基座4固定连接，电机动子102与柔性平台701固定连接；第二远端固定块706与基座4固定连接，第二柔性铰链导向机构705将刚性框架702与第二远端固定块706连接起来；第二柔性铰链导向机构705起到对刚性框架702的一个导向作用。弹簧钢片7043放置在两块钢片夹块7041的缝隙中，上下两个螺母条7042配合螺栓将弹簧钢片7043、钢片夹块7041与刚性框架702固定连接；弹簧钢片中压块7044将弹簧钢片7043中部固定在柔性平台701上；柔性铰链703及弹簧钢片组件704将柔性平台701与刚性框架702连接起来；当刚性框架702受到阻力时，可利用柔性铰链703及弹簧钢片7043的弹性变形来补偿摩擦死区，提高位移控制精度；弹簧前端固定件202与刚性框架702固定连接；弹簧201一端与弹簧前端固定件202固定连接，一端与弹簧后端固定件203固定连接；弹簧后端固定件203与基座4固定连接；弹簧刚度调节组件3可调节弹簧201的自由长度从而调节其刚度；弹簧刚度内调节件301与弹簧201的配合关系为螺旋配合关系，与螺栓螺母的配合关系类似，通过转动弹簧刚度内调节件301可改变其在弹簧201长度方向上的位置；弹簧刚度内调节件301与弹簧刚度外调节件302固定连接；当弹簧刚度内调节件301与弹簧刚度外调节件302未固定连接时，弹簧刚度内调节件301可自由转动，改变位置；弹簧刚度外调节件302与基座4固定连接；弹簧刚度外调节件302在基座4上的固定位置可随着弹簧刚度内调节件301的位置的改变而改变；读数头固定件503与电机动子102固定连接；读数头501与读数头固定件503固定连接；光栅尺502与基座4固定连接；位置检测组件5可实时反馈柔性平台701的位置。

电机1可驱动电机动子102做往复运动，使弹簧201慢慢提高振动频率，直至弹簧201处于目标振动频率，弹簧201每一次往复运动振动都会消耗部分能量，这部分能量远远小于弹簧201的输入能量，因此每次振动电机1只需驱动电机动子102补偿这部分能量，当电机1输入能量与弹簧201阻尼衰减振动能量相平衡时，便可使弹簧201持续保持一个固定的频率和振幅。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。