超精密驱动系统

1.本发明涉及精密驱动器技术领域，具体地，涉及一种超精密驱动系统。


背景技术：

2.现有的采用机敏材料的精密驱动器，一般为在机敏材料的外部设置电磁驱动装置，通过对电磁驱动装置通电产生磁场使机敏材料进行形变，进而影响输出杆的输出位移形成精密位移驱动器，上述现有的精密位移驱动器，由于通过电磁驱动装置产生的磁场影响机敏材料变形，则机敏材料必然要求设置于电磁驱动装置通电所产生的磁路内；电磁驱动装置通电后会产生热量，机敏材料在热量的作用下将具有一定的热膨胀，而对于精密位移驱动器来说，微量的异变都将使驱动产生误差，无法真正满足现代企业对精密驱动的要求。因此，传统驱动过程中伴随着能量的在线实时同步输入与转化，驱动过程中输入能量波动引起的干扰对行器末端的精度产生不可忽略的影响，因此如何消除外部干扰，使驱动更加精密是当前要解决的问题。
3.专利文献cn109889084a公开了一种超精密五自由度压电运动平台及其激励方法，进给调姿装置由动子(1)、驱动单元(2)、螺母(3)、丝杠(4)以及基座(5)组成其中驱动单元(2)为主要驱动元件，用以产生弯曲变形和扭转变形并通过驱动足或丝杠螺母驱动动子的三自由度旋转运动和单自由度直线运动，但该设计仍然存在驱动不够精密、噪音大的缺陷


技术实现要素：

4.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种超精密驱动系统。
5.根据本发明提供的一种超精密驱动系统，包括：
6.自适应抽吸单元，具有负压驱动机构以及布置在所述负压驱动机构内部的储液空间；
7.执行单元，具有执行端以及容纳腔体，所述容纳腔体分别通过第一流道、第二流道连接所述储液空间；
8.通断单元，配置在第一流道以及第二流道上并能够使得第一流道和第二流道处于打开状态或者切断状态，其中，在第一流道处于打开状态、第二流道处于切断状态时，在所述负压驱动机构的驱使下所述储液空间中的流体通过第一流道进入到所述容纳腔体中进而使所述执行端朝第一方向运动；在第一流道处于切断状态、第二流道处于打开状态时，在所述负压驱动机构的驱使下所述容纳腔体中的流体通过第二流道进入到所述储液空间中进而使所述执行端朝第二方向运动，第一方向与第二方向的方向相反；
9.控制单元，控制所述通断单元运动第一位移进而调整第一流道或第二流道的孔隙，通过所述第一位移以及预设的流道参数、储液空间参数获得所述执行端运动的第二位移，其中，所述控制单元通过第二位移与位移指令比对后修正所述第一位移直至输出的所述第二位移等于位移指令或者处于所述位移指令的范围内。
10.优选地，所述负压驱动机构包括第一负压驱动器以及第二负压驱动器；
11.所述第一负压驱动器包括第一壳体、第一转轴以及第一转动体，所述第一转动体通过第一转轴可转动的安装在第一壳体的内部并在第一转动体的两侧形成第一负压空间以及第一流体空间；
12.所述第二负压驱动器包括第二壳体、第二转轴以及第二转动体，所述第二转动体通过第二转轴可转动的安装在第二壳体的内部并在第二转动体的两侧形成第二负压空间以及第二流体空间；
13.在第一流道处于打开状态、第二流道处于切断状态时，外界大气压的作用下第一转动体朝向第一负压空间变小的方向转动进而使得第一流体空间变小，流体通过第一流道进入到所述容纳腔体中进而使所述执行端朝第一方向运动；在第一流道处于切断状态、第二流道处于打开状态时，外界大气压的作用下驱使执行端朝第二方向运动使得容纳腔体中的流体通过第二流道流入第二流体空间中进而驱使第二负压空间变小。
14.优选地，所述第一流体空间和第二流体空间共同组成储液空间，所述第二负压空间和第二流体空间通过安装有单向阀的第三流道相连；
15.当第一流道和第二流道均关闭时，外力驱使所述第一转动体绕第一转轴转动使得第一流体空间体积变大时，第二流体空间中流体通过所述第三流道经单向阀被抽入到所述第一流体空间中使得所述第二负压空间体积变大。
16.优选地，所述通断单元包括分别安装在第一流道、第二流道上的两个通断执行器；所述通断执行器包括第三壳体以及布置在所述第三壳体内部并将所述第三壳体内部分割为第一腔体、第二腔体的隔离膜片；
17.所述第二腔体的外部包裹有柔性阀膜，柔性阀膜的底端为可形变端，所述第一腔体的内部设置有上下运动机构，所述上下运动机构的顶端固定安装在第三壳体上，上下运动机构的底端通过所述隔离膜片连接柔性阀膜的顶端。
18.优选地，所述上下运动机构包括依次相连的压电材料和磁致伸缩材料，当上下运动机构通电后磁致伸缩材料自身形变伸长使得所述隔离膜片朝向所述柔性阀膜的顶端运动挤压柔性阀膜进而使得可形变端向外凸出从而能够使所述第一流道或第二流道变小或切断并通过所述压电材料自身电信号的变化获得所述可形变端的位移。
19.优选地，所述上下运动机构采用音圈电机或形状记忆合金。
20.优选地，所述隔离膜片的一侧或两侧设置有垫片，其中，所述垫片正对所述上下运动机构且面积大于与所述垫片接触的上下运动机构的端部；
21.所述柔性阀膜为弹性材料制成的膜结构。
22.优选地，靠近所述隔离膜片一侧的第二腔体的面积大于所述可形变端的面积使得隔离膜片的运动位移小于可形变端的运动位移。
23.优选地，所述第三壳体内部具有控制流体流动的流体通道，所述第一流道和第二流道均连接所述流体通道并通过所述可形变端控制所述流体通道通断实现对第一流道和第二流道通断的控制。
24.优选地，所述通断执行器还包括激励线圈、磁轭以及预压螺钉；
25.所述激励线圈沿所述磁致伸缩材料的周向布置，所述磁轭布置在所述激励线圈的外部；
26.所述预压螺钉安装在所述第三壳体上并能够调节上下运动机构上下方向所在的
位置。
27.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
28.1、本发明通过稳定的负压驱动结合上下驱动机构实现驱动控制过程中无通常步进方式运动的单步误差累积，可实现连续超精密驱动控制，整体驱动系统紧凑，体积小，无噪音。
29.2、本发明驱动系统可控制正负双向位移，不仅可以释放液体还可以抽吸液体，实用性强。
30.3、本发明驱动系统具有自传感功能，驱动传感一体，相比现有技术结构更简单。
31.4、本发明基于负压储能，在初始状态调整完毕及能量注入后，驱动过程中不用实时加电，依靠外界大气即可实现真空驱动，无噪声。
32.5.本发明容易实现输出运动精确控制，大气压恒定，因此横截面积确定的情况下具有驱动力恒定的优势，其他的能量如电能等都不恒定，驱动的精度更高。
33.6、本发明中的上下驱动机构可采用电磁驱动与压电材料、磁致伸缩材料配合的结构、音圈电机、形状记忆合金、凸轮等驱动的结构，能够根据实际的应用场景和产品实际驱动的精度进行合理选择，应用范围更广。
附图说明
34.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
35.图1为本发明的结构示意图；
36.图2为阀口全部打开时的结构示意图，其中图中箭头下方为方框部位的放大图；
37.图3为阀口部分打开时的结构示意图，其中图中箭头下方为方框部位的放大图；
38.图4为的阀口关闭时的结构示意图，其中图中箭头下方为方框部位的放大图；
39.图5为超精密驱动系统一个周期内工作原理示意图；
40.图6为实施例2中自适应抽吸单元的结构示意图。
41.图中示出：
42.自适应抽吸单元 1
43.第一壳体 11
44.第一负压空间 111
45.第一流体空间 112
46.阀口 1121
47.第一转轴 12
48.第一转动体 13
49.第二壳体 14
50.第二负压空间 141
51.第二流体空间 142
52.第二转轴 15
53.第二转动体 16
54.驱动把手 17
55.限位块 18
56.执行单元 2
57.执行端 21
58.容纳腔体 22
59.通断单元 3
60.第一流道 101
61.第二流道 102
62.第三流道 103
63.单向阀 1031
64.第三壳体 31
65.第一腔体 311
66.第二腔体 312
67.流体通道 313
68.隔离膜片 32
69.垫片 321
70.柔性阀膜 33
71.可形变端 331
72.磁致伸缩材料 332
73.压电材料 333
74.激励线圈 34
75.磁轭 35
76.预压螺钉 36
具体实施方式
77.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
78.实施例1：
79.本发明提供了一种超精密驱动系统，如图1所示，包括自适应抽吸单元1、执行单元2、通断单元3以及控制单元，自适应抽吸单元1具有负压驱动机构以及布置在负压驱动机构内部的储液空间；执行单元2具有执行端21以及容纳腔体22，容纳腔体22分别通过第一流道101、第二流道102连接储液空间；通断单元3配置在第一流道101以及第二流道102上并能够使得第一流道101和第二流道102处于打开状态或者切断状态，其中，在第一流道101处于打开状态、第二流道102处于切断状态时，在负压驱动机构的驱使下储液空间中的流体通过第一流道101进入到容纳腔体22中进而使执行端21朝第一方向运动；在第一流道101处于切断状态、第二流道102处于打开状态时，在负压驱动机构的驱使下容纳腔体22中的流体通过第二流道102进入到储液空间中进而使执行端21朝第二方向运动，第一方向与第二方向的方向相反，需要说明的是，第一方向和第二方向既可以是如图1中的直上直下的直线运动方
向，也可以是绕某一轴心转动的方向，或者是执行端21沿着某一特殊路径前进或后退的方向，例如，沿某一曲线前进为第一方向，沿该曲线后退定义为第二方向，因此本发明中执行端21最终可实现多种驱动路径往复运动已达到实际精密驱动或运动功能的效果。
80.控制单元能够控制通断单元3运动第一位移进而调整第一流道101或第二流道102的孔隙，通过第一位移以及预设的流道参数、储液空间参数输出执行端21运动的第二位移，流道参数包括第一流道101或第二流道102的内径、流体流速等参数，储液空间参数包括横截面积、几何形状等参数，其中，控制单元通过第二位移与位移指令比对后能够修正第一位移直至输出的第二位移等于位移指令或者处于位移指令的范围内，使得执行端21最终输出精密的第二位移。
81.负压驱动机构包括第一负压驱动器以及第二负压驱动器，第一负压驱动器包括第一壳体11、第一转轴12以及第一转动体13，第一转动体13通过第一转轴12可转动的安装在第一壳体11的内部并在第一转动体13的两侧形成第一负压空间111以及第一流体空间112；第二负压驱动器包括第二壳体14、第二转轴15以及第二转动体16，第二转动体16通过第二转轴15可转动的安装在第二壳体14的内部并在第二转动体16的两侧形成第二负压空间141以及第二流体空间142。
82.进一步地，第一转动体13的外壁与大气连通且优选为双叶片结构，当第一流道101处于打开状态、第二流道102处于切断状态时，外界大气压的作用下驱使第一转动体13朝向第一负压空间111变小的方向转动进而使得第一流体空间112变小，流体通过第一流道101进入到容纳腔体22中进而推动执行端21朝第一方向运动，图1中朝上运动的箭头表示第一方向；第二转动体16的外壁与第二流体空间142接触且优选为单叶片结构，当第一流道101处于切断状态、第二流道102处于打开状态时，外界大气压的作用下驱使执行端21朝第二方向运动使得容纳腔体22中的流体通过第二流道102被压入到第二流体空间142中，第二流体空间142体积变大从而推动第二转动体16转动进而使第二负压空间141变小。
83.具体地，第一流体空间112和第二流体空间142共同组成储液空间，第二负压空间141和第二流体空间142通过安装有单向阀1031的第三流道103相连，单向阀1031仅允许第二流体空间142中的流体向第一流体空间112内流动，不允许反向流动。当第一流道101和第二流道102均关闭时，外力驱使第一转动体13绕第一转轴12转动使得第一流体空间112体积变大时，第二流体空间142中流体通过第三流道103经单向阀1031被抽入到第一流体空间112中使得第二负压空间141体积变大，该过程为整个系统注入能量的过程，注入能量后的系统依靠第一负压空间111、第二负压空间141的负压空间，在外界大气压的作用下可实现执行端21无需实施加电即可实现运动。
84.第一负压空间111、第一流体空间112、第二负压空间141、第二流体空间142均优选为扇形空间，可获得更加集成的外形，有利于产品的小型化设计。在实际应用中也可以是其他几何形状的空间，具体根据实际的应用场景可灵活设计。
85.通断单元3包括分别安装在第一流道101、第二流道102上的两个通断执行器；通断执行器包括第三壳体31以及布置在第三壳体31内部并将第三壳体31内部分割为第一腔体311、第二腔体312的隔离膜片32，第二腔体312的外部包裹有柔性阀膜33，柔性阀膜33的底端优选为锥状的可形变端331，第一腔体311的内部设置有上下运动机构，通过上下运动机构驱使隔离膜片32朝向或远离柔性阀膜33运动实现可形变端331形变能够实现第一流道
101、第二流道102上完全打开、部分打开或完全切断的动作。
86.进一步地，上下运动机构的顶端固定安装在第三壳体31上，上下运动机构的底端通过隔离膜片32连接柔性阀膜33的顶端，需要说明的是，隔离膜片32连接上下运动机构的部位设置有垫片321，可有效保护隔离膜片32不受损伤，同时，隔离膜片32的上下两侧均加上垫片321，能够使得上下运动机构运动时通过垫片321与隔离膜片32接触，即使是上下运动机构的横截面积小也能够保证垫片321与隔离膜片32的接触面积，起到了扩大接触面积的功能，其中，隔离膜片32相比垫片321更加柔软，使得驱动放大的效果更加明显。
87.本实施例中，上下运动机构包括依次相连的压电材料333和磁致伸缩材料332，当上下运动机构通电后磁致伸缩材料332自身形变伸长使得隔离膜片32朝向柔性阀膜33的顶端运动挤压柔性阀膜33进而使得可形变端331向外凸出从而能够切断第一流道101或第二流道102并能够通过压电材料333自身电信号的变化获得可形变端331的位移，即第一位移，对于成形的产品第一位移与第二位移有一定的对应关系，通过计算或试验数据的提取可最终获得压电材料333自身电信号的变化与第二位移的对应关系，进而也能够确定第二位移的数值。
88.在实际应用中，上下运动机构可以选择多种结构，如采用电机，例如音圈电机、直线电机、旋转马达等，还可以采用如气泵、液压泵、电磁作动器等，还可以是磁致伸缩材料和压电材料的复合体结构，再如采用热膨胀材料，如形状记忆合金、相变材料等，形状记忆合金通过加热实现形变并通过其自身刚度的变化也可以确定第二位移，在要求精度不是很高的驱动中，上下运动机构还可以选择凸轮结构，通过凸轮的转动实现隔离膜片32运动的调整。
89.具体地，隔离膜片32采用金属或非金属片状结构，上下运动机构形变或运动时能够通过隔离膜片32驱使柔性阀膜33形变达到驱动的目的，柔性阀膜33采用弹性材料制作的膜结构，该膜结构为封闭式囊形结构，材质采用如橡胶、硅胶、弹性金属等，优选采用包括pdms膜以及配置在pdms膜两侧的pmma材料层制作，pdms膜是由pdms硅橡胶交联固化制成的一种全透明、高精度的薄膜材料，厚度从15～500μm，具有优异的拉伸回弹性，pdms膜的两侧分别设置有pmma材料层，pmma材料层优选粘接在pdms膜的两侧经压合而成，制作简单。
90.靠近隔离膜片32一侧的第二腔体312的面积大于可形变端331的面积使得隔离膜片32的运动位移小于可形变端331的运动位移，使得上下运动机构的位移被放大并表现在可形变端331上。
91.需要说明的是，靠近隔离膜片32一侧的第二腔体312的面积大于可形变端331的面积使得隔离膜片32的运动位移小于可形变端331的运动位移，由此可见，第二腔体312为液压放大腔室，隔离膜片32微小位移能够驱使可形变端331产生更大的位移。通断执行器工作时，pdms膜产生位移，液压放大腔室内流体压力产生变化，pdms膜在液体微流道方向产生不同程度的抛物线形状变形，驱动压力对应阀口1121的开度，阀口1121完全打开、部分打开或关闭，如图2所示，为阀口1121完全打开时的状态，如图3所示，为阀口1121部分打开时的状态，如图4所示，为阀口1121关闭时的状态，即对应第一流道101和/或第二流道102处于切断状态，当第二腔体312内压力增加时，柔性阀膜33变形增大，阀口1121开度变小；当第二腔体312内压力降低时，柔性阀膜33变形减小，阀口1121口开度增大。
92.进一步地，上下运动机构通过隔离膜片32与柔性阀膜33接触，流量控制过程中柔
性阀膜33产生微位移挤压第二腔体312内的流体，使流体压力产生变化，导致柔性阀膜33变形从而控制流体通道313内流体的进出。
93.本发明中的第三壳体31内部具有控制流体流动的流体通道313，第一流道101和第二流道102均连接流体通道313并通过可形变端331控制流体通道313通断实现对第一流道101和第二流道102通断的控制。
94.通断执行器还包括激励线圈34、磁轭35以及预压螺钉36，激励线圈34沿磁致伸缩材料332的周向布置，磁轭35布置在激励线圈34的外部，预压螺钉36安装在第三壳体31上并能够调节上下运动机构上下方向所在的位置，通断执行器上还可设置永磁体，为上下运动机构提供偏置磁场，保证初始状态时流体通道313处于关闭状态。
95.需要说明的是，本发明的超精密驱动系统在某些应用场景中，可以将通断单元3的结构简化更换为一般的夹子，第一流道101和第二流道102均采用柔性管，通过结构简单的夹子也能够实现第一流道101和第二流道102的打开与切断的功能，能够大大简化系统，使用也方便。
96.本发明采用准静态零里梯度的驱动方法实现驱动，驱动能量离线注入，使含有扰动的能量注入过程与驱动控制过程相互独立，驱动能量的注入有两种方式，一种可通过外力直接驱动第一转动体13转动使得第一负压空间111变大进而内部形成负压空间，另一种可先将第一负压空间111与外部大气连通后将第一转动体13转动的设定位置后对第一负压空间111与外部隔断后内部抽真空的方式实现驱动能量的离线注入。待驱动能量注入完毕后可开始闭环驱动，由于负压能量驱动能量释放稳定，因此驱动控制过程中伴随稳态能量的输出，驱动过程中驱动力为一静态力，无波动，且驱动过程中不需要实时供电，驱动过程中驱动力不随空间位置等参数的变化而变化，大大提高了稳定性。
97.实施例2：
98.本实施例为实施例1的优选例。
99.本实施例中，如图6所示，第一壳体11、第二壳体14均为缸体且均包括上下两部分，组装时可通过螺栓和垫片实现两部分的密封连接，第一转动体13为可绕第一转轴12轴心转动的双叶片结构，第二转动体16为可绕第二转轴15轴心转动的单叶片结构，在实际的产品中可将第一转动体13与第一转轴12固连，将第二转动体16与第二转轴15固连，第一转轴12、第二转轴15的端部均延伸到壳体外部并分别安装的驱动把手17，通过操作驱动把手17即可实现第一转轴12或第二转轴15的转动进而实现转动体绕轴转动的操作，驱动把手17既可以是手动操作，也可以通过动力源和设置的软件程序实现自动化操作，具体应根据实际的场景灵活运用。
100.第一转动体13与第二转动体16在转动的过程中，通过安装在第一壳体11或第二壳体14内部的限位块18对转动体的行程进行限位，以达到实际的需求。
101.具体的能量注入过程中，推动驱动把手17使单、双叶片缸体内产生储存能量的负压腔体，其一次注能量的多少取决于负压腔室的大小，驱动力取决于缸体内转动叶片截面积。在不考虑摩擦力的情况下，驱动压力即为标准大气压，负压能释放过程中相比现有的电机等其他能量更加稳定。
102.上下运动机构工作时，磁致伸缩材料332产生形变并作用在隔离膜片32上，由于反作用力的存在最终在作用在压电材料333上，压电材料333产生对应变化的电信号，进而能
够实现第一位移的测定。
103.如图5所示，超精密驱动系统一个周期内工作原理如下：
104.初始状态：图5中(1)所示，将流体预先注入单叶片缸体内的第二流体空间142，控制第一流道101、第二流道102均处于关闭状态，切断自适应抽吸单元1与执行单元2之间的通路，执行端21位移为初始自锁0状态。
105.能量注入：图5中(2)所示，能量注入过程为一次性离线完成过程，推动与双叶片缸体的第一转轴12固连的驱动把手17，单叶片缸体内的流体通过第三流道103经单向阀1031流入双叶片缸体内的第一流体空间112，与此同时两个缸体内分别形成储存稳态能量的负压腔室，分别为第一负压空间111、第二负压空间141。
106.负向驱动执行：图5中(3)所示，末端执行器负向位移，即执行端21朝第二方向运动，通过控制上下运动机构的驱动电流，关闭连接双叶片缸体内第一流体空间112与执行单元2中的容纳腔体22之间的第一流道101，打开单叶片缸体内第二流体空间142与执行单元2中的容纳腔体22之间的第二流道102，末端执行器内的流体在第二负压空间141的作用下被吸回单叶片缸体内的第二流体空间142中，末端执行器产生负向位移。
107.正向驱动执行：图5中(4)所示，末端执行器正向位移，即执行端21朝第一方向运动，控制上下运动机构的驱动电流，使第一流道101打开、第二流道102关闭，双叶片缸体内的第一流体空间112中的流体在第一负压空间111的作用下推入执行单元2中的容纳腔体22，末端执行器产生正向位移。
108.复位负向驱动执行和正向驱动执行，使单叶片与双叶片缸体内的负压腔体完全消失，驱动能量消耗殆尽，关闭所有流道，图5中(5)所示，完成一整个周期作动。
109.本发明中的超精密驱动系统通过对负压驱动机构注入能量后即可使整个系统离线作业实现执行端21的驱动，不需要实时加电，且驱动力稳定，能够实现精密控制。
110.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
111.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。