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精度可调速直线型微位移工作台

阅读:51发布:2021-05-13

专利汇可以提供精度可调速直线型微位移工作台专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 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。,下面是精度可调速直线型微位移工作台专利的具体信息内容。

1.一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(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(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。

说明书全文

技术领域

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,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。
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。
附图说明
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,U1-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13一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5μm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1~10μm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U1=Um|sinωt|,同时在第二压电陶瓷驱动器14上加载方波电压n=0,1,2,3····。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|sinωt|,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100~1000Hz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800N,产生的最大侧向摩擦阻力可达100N,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。
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