一种超声辅助克服摩擦直线运动平台的制作方法

本发明涉及运动平台的技术领域，更具体地，涉及一种超声辅助克服摩擦直线运动平台。

背景技术：

由于具有体积小、分辨率高、无噪音和易控制等特点，压电陶瓷在高速精密运动平台设计中得到了广泛应用。在高速精密运动平台中，当运动平台启动、停止或者进行微进给时，其速度相对较低，运动副之间表面粗糙度的不确定性会导致摩擦阻力的幅值波动，从而使运动平台出现“爬行”现象。在闭环控制系统作用下，驱动器将会通过增大驱动力的方式来克服摩擦阻力，补偿运动平台的定位误差。在上述补偿过程中，运动平台将会经历频繁的“静止→运动”状态切换。在“静止→运动”过程中，运动副之间的摩擦阻力会经历“静摩擦力→动摩擦力”的状态切换，而静摩擦系数与动摩擦系数的差异会导致上述状态切换瞬间的加速度突变，造成运动平台在最终定位位置附近的“抖动”，影响定位精度。如何降低在启动、停止和微进给过程中由于摩擦状态切换引起的“抖动”现象是影响高速精密运动平台执行精度的重要问题。

为解决上述问题，目前常用的解决方案有：

1.采用无摩擦或者低摩擦的运动副设计，例如采用气浮导轨、磁悬浮导轨等结构。其存在的主要问题是制造和使用成本较高。

2.建立精确的摩擦力模型，并采用运动控制对驱动力进行补偿。摩擦力产生于具有相对运动的接触面之间，受相对加速度、位移、润滑情况和表明接触状况等众多因素的影响，所以很难建立高精度的摩擦力模型，导致运动控制中需要复杂的补偿控制方法。

技术实现要素：

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种超声辅助克服摩擦直线运动平台，其所采用的技术方案如下。

一种超声辅助克服摩擦直线运动平台，其特征在于，所述运动平台包括：机座、直线导轨、导轨滑块、工作台、辅助机构、柔性铰链组、直线电机驱动器、压电叠堆和位移检测装置；所述直线导轨安装在所述机座上；所述导轨滑块设置于所述直线导轨上，并能够在所述直线导轨上滑动；所述辅助机构包括两个板块，所述辅助机构安装在所述导轨滑块上；所述工作台通过所述柔性铰链组与所述辅助机构连接；所述直线电机驱动器对所述工作台施加驱动力，所述驱动力可以使所述柔性铰链组发生弹性变形，进而使所述工作台产生沿导轨长度方向的直线位移；所述压电叠堆固定于所述辅助机构的所述两个板块之间；所述位移检测装置用于实时反馈所述工作台的位置。

进一步，每一条所述直线导轨上均至少设有两个所述导轨滑块；每一个所述板块分别安装在两个不同的所述导轨滑块上。

进一步，所述柔性铰链组包括多个柔性铰链，每个所述板块均至少与一个所述柔性铰链连接。

进一步，所述移检测装置包括：光栅尺传位移感器与光栅尺；光栅尺传位移感器与工作台连接，与装于基座上的光栅尺一起，实时测量运动平台在任意情况下的位移。

进一步，所述直线电机驱动器包括直线电机动子和直线电机定子，所述直线电机动子在电磁力作用下对所述工作台施加驱动力。

进一步，所述柔性铰链为单独加工、可拆卸式的切口型柔性铰链。

进一步，所述辅助机构的所述两个板块为刚性连接或做成整体。这样设置可以实现更好的同步效果。

与现有技术相比，有益效果是：

1.采用压电陶瓷来消除导轨的摩擦阻力，避免了低速工况下运动副摩擦状态切换导致加速度突变而引起的“抖动”现象，有利于实现更高的定位精度；

2.平台设计较为紧凑，结构简单，成本较低，适用范围广。

附图说明

图1为本发明的实施示意图。

图2为本发明的实施局部剖视图及局部放大图。

图3为本发明的实施前剖视图。

图4为本发明所述的超声辅助克服摩擦直线运动平台的工作原理示意图。

图5为本发明的滑块的受力分析示意图。

附图标记说明：1.底座，2.直线导轨，3.辅助机构，4.柔性铰链，5.压电叠堆，6.直线电机动子，7.直线电机定子，8.光栅尺，9.工作台，10、11、12和13.导轨滑块，14.防撞装置，15.双头螺栓，16.光栅尺位移传感器。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

如图1-3所示，本超声辅助克服摩擦直线运动平台包括机座1，承载着全部结构。直线导轨2安装在机座上。直线电机驱动器由直线电机动子6和直线电机定子7组成。其中直线电机动子6可以在电磁力作用下对工作台9施加驱动力。所述驱动力可以使四个柔性铰链4发生弹性变形，进而使整个运动平台产生沿导轨长度方向的直线位移。每个柔性铰链4通过螺纹连接方式，上连工作台9，下连辅助机构3。辅助机构3由四部分相同的板块组成，各板块通过螺纹与各滑块连接，各板块通过柔性铰链4与工作台9连接。为了实现更好的同步效果，辅助机构3的导轨前和后的两个板块可以分别刚性连接或做成整体。直线电机驱动器施加驱动力作用于工作台9，带动柔性铰链4发生弹性变形，实现整个运动平台的定向位移。光栅尺传位移感器16与工作台9连接，与装于基座1上的光栅尺8一起，实时测量运动平台在任意情况下的位移。压电叠堆5通过双头螺栓装在位于同侧导轨的辅助机构的两板块之间。当运动平台启动、停止或者微进给时，其相对速度较低，两个压电叠堆5在高频电信号的作用下，产生图4(ii)所示的高频机械振动。当压电叠堆5处于伸长状态时，滑块11和12受到推力，进而克服了静摩擦力进行了微位移，而滑块10和13受到拉力不足以克服静摩擦力而保持静止；压电叠堆5处于收缩状态时，滑块受力刚好相反，滑块10和13受到推力进行了微位移，滑块11和12受到拉力而保持静止。由此循环，通过两个压电叠堆克服导轨和滑块的静摩擦力，防止摩擦状态切换瞬间引起的加速度突变，避免了低速工况下运动副摩擦状态切换导致加速度突变而引起的“抖动”现象，有利于实现更高的定位精度。高速工况下，压电叠堆不工作，运动平台在直线电机的驱动下运动。

本发明超声辅助克服摩擦直线运动平台的工作原理如下：

图4(i)为当运动平台的启动时，由于静摩擦力的存在，运动平台有摩擦“死区”，驱动器继续增大驱动力，直至大于静摩擦力，运动平台才能开始运动。图4(ii)为压电叠堆5在高频电信号的作用下，产生高频声信号(机械振动)。

图5为所述压电叠堆运行时的两种状态：(i)为压电叠堆5处于伸长状态时，其产生的机械应力作用于滑块，其中滑块a受到推力，滑块b受到拉力，在驱动力f的共同作用下，滑块a克服了静摩擦力进行了微位移，滑块b由于受到拉力不足以克服静摩擦力而保持静止；(ii)为压电叠堆5处于收缩状态时，两滑块的受力情况刚好相反，滑块b受到推力，在电机驱动力f的共同作用下，滑块b克服了静摩擦力进行了微位移，滑块a由于受到拉力不足以克服静摩擦力而保持静止。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。