專利名稱：一種利用壓電效應(yīng)箝位的超磁致伸縮高精度直線驅(qū)動器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微機(jī)電設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。特別涉及一種具有毫米級行程和納米級定位精度的一種利用壓電效應(yīng)箝位的超磁致伸縮高精度直線驅(qū)動器。
背景技術(shù)：
直線驅(qū)動器被用于制造和檢測系統(tǒng)中物體之間的精確定位，其定位精度決定了制造系統(tǒng)的尺寸加工精度和檢測系統(tǒng)的位置檢測精度，為了實(shí)現(xiàn)納米精度的制造和檢測，通常利用壓電陶瓷材料或磁致伸縮材料在電場或磁場中的伸縮效應(yīng)設(shè)計(jì)制造高精度驅(qū)動器，壓電陶瓷驅(qū)動器已得到較廣泛的應(yīng)用，如掃描探針顯微鏡中的壓電陶瓷管掃描器；利用超磁致伸縮材料研制的微位移驅(qū)動器在中國專利ZL99212477.8.“超磁致伸縮材料高速強(qiáng)力微位移機(jī)構(gòu)”、ZL00264746.“超磁致伸縮材料驅(qū)動器”，及ZL03153578.X“具有水冷裝置的磁致伸縮驅(qū)動器及其螺旋扁管的成型方法”中也已有報導(dǎo)。但是，由于壓電材料和磁致伸縮材料的伸縮量很有限，一般只有數(shù)微米至數(shù)十微米，往往不能滿足驅(qū)動器大行程的要求。在發(fā)明專利ZL03132072.4“S型壓電微位移放大機(jī)構(gòu)”和實(shí)用新型專利ZL03260236.7“三自由度精密定位工作臺”中提出了利用柔性機(jī)構(gòu)將壓電伸縮量放大的驅(qū)動器結(jié)構(gòu)，但是放大后的驅(qū)動器的行程一般也只有數(shù)百微米。為了獲得更大的行程范圍，在CN02138704.4中報導(dǎo)了一種利用電機(jī)與壓電驅(qū)動的組合實(shí)現(xiàn)大行程、粗定位與微行程、精定位組合的方法，另一種技術(shù)途徑則如CN1235405A、ZL92105232.4和ZL00207104.5中報導(dǎo)的那樣，將微驅(qū)動與蠕動運(yùn)動機(jī)構(gòu)相結(jié)合，利用壓電材料提供微小步進(jìn)運(yùn)動，通過蠕動運(yùn)動機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)較大行程范圍內(nèi)的直線或平面運(yùn)動。但是壓電材料會產(chǎn)生漂移和老化，定位精度受到影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是利用超磁致伸縮材料和壓電陶瓷材料的組合實(shí)現(xiàn)大行程、高定位精度的一種利用壓電效應(yīng)箝位的超磁致伸縮高精度直線驅(qū)動器。其特征在于所述直線驅(qū)動器的基體2通過地腳螺栓與底座1相連，帶V形滑槽的左導(dǎo)軌6和右導(dǎo)軌9用螺栓固定在基體2的兩個內(nèi)側(cè)面上，柔性鉸鏈框架7兩端的V型壓頭與左導(dǎo)軌6和右導(dǎo)軌9的V形滑槽構(gòu)成滑動配合，壓緊螺桿5通過固定在基體2右邊頂上的支撐板4的螺紋孔將楔形塊3緊壓在左邊基體2和左導(dǎo)軌6之間的斜槽內(nèi)，壓電元件8鑲嵌在柔性鉸鏈框架7的正中間，一組柔性鉸鏈框架7和壓電元件8構(gòu)成了一個箝位單元，并通過柔性鉸鏈框架7兩端的V型壓頭與左導(dǎo)軌6和右導(dǎo)軌9的V形滑槽構(gòu)成滑動配合；超磁致伸縮元件11兩端通過兩個連接件10分別與前后兩個柔性鉸鏈框架7相聯(lián)，構(gòu)成一體；高精度位移傳感器13通過連接板12與超磁致伸縮元件11連接。
本發(fā)明的有益效果是超磁致伸縮微致動器以壓電微致動器為箝位元件、以高精度光柵尺為檢測元件、采用間隙可微調(diào)的導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)和計(jì)算機(jī)反饋控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)制作出一種新型蠕動式直線驅(qū)動器，該驅(qū)動器克服了現(xiàn)有技術(shù)中壓電材料會產(chǎn)生漂移和老化現(xiàn)象，具有結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。實(shí)際運(yùn)行表明該直線驅(qū)動器的有效行程超過5毫米、定位精度達(dá)到30納米。這種驅(qū)動器有望在微米，納米精度的制造和檢測中得到廣泛應(yīng)用。


圖1(a)為本發(fā)明驅(qū)動器的橫截面圖；(b)為(a)的縱向視圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明是利用超磁致伸縮材料和壓電陶瓷材料的組合實(shí)現(xiàn)大行程、高定位精度的一種利用壓電效應(yīng)箝位的超磁致伸縮高精度直線驅(qū)動器。在圖1(a)(b)所示的結(jié)構(gòu)示意圖中，直線驅(qū)動器的基體2通過地腳螺栓與底座1相連，帶V形滑槽的左導(dǎo)軌6和右導(dǎo)軌9用螺栓固定在基體2的兩個內(nèi)側(cè)面上，柔性鉸鏈框架7兩端的V型壓頭與左導(dǎo)軌6和右導(dǎo)軌9的V形滑槽構(gòu)成滑動配合，壓緊螺桿5通過固定在基體2右邊頂上的支撐板4的螺紋孔將楔形塊3緊壓在左基體2和左導(dǎo)軌6之間的斜槽內(nèi)，壓電元件8鑲嵌在柔性鉸鏈框架7的正中間，一組柔性鉸鏈框架7和壓電元件8構(gòu)成了一個箝位單元，并通過柔性鉸鏈框架7兩端的V型壓頭與左導(dǎo)軌6和右導(dǎo)軌9的V形滑槽構(gòu)成滑動配合；超磁致伸縮元件11兩端通過兩個連接件10分別與前后兩個柔性鉸鏈框架7相聯(lián)，構(gòu)成一體；高精度位移傳感器13通過連接板12與超磁致伸縮元件11連接。
本發(fā)明考慮到壓電材料會產(chǎn)生漂移和老化，而超磁致伸縮材料漂移較小且無老化現(xiàn)象，則采用超磁致伸縮材料作為驅(qū)動器，壓電材料作為箝位元件。超磁致伸縮元件11是驅(qū)動器的核心，它根據(jù)驅(qū)動電源提供的控制電流的大小產(chǎn)生不同程度的伸長。為了將超磁致伸縮元件11的伸長轉(zhuǎn)變?yōu)轵?qū)動器的運(yùn)動步長，其兩端通過兩個連接件10分別與前后兩個柔性鉸鏈框架7相聯(lián)，構(gòu)成一體，由兩V型導(dǎo)軌支撐。用彈簧鋼制作的柔性鉸鏈框架7兩端的V型壓頭與導(dǎo)軌V形滑槽構(gòu)成滑動配合，壓電元件8鑲嵌在柔性鉸鏈框架的正中間，一組柔性鉸鏈框架和壓電元件構(gòu)成了一個箝位單元。若要使驅(qū)動器產(chǎn)生向前的運(yùn)動，則不給前端的箝位單元加電，使前端的箝位單元與導(dǎo)軌之間處于易于相對滑動的狀態(tài)，而對后端的箝位單元施加一定電壓，壓電元件伸長，推動柔性鉸鏈框架發(fā)生彈性變形，壓頭壓緊在V形滑槽內(nèi)，增大了柔性鉸鏈框架與導(dǎo)軌之間的摩擦力，從而實(shí)現(xiàn)了箝位。隨后給超磁致伸縮元件11施加一適當(dāng)?shù)目刂齐娏?，由于前后箝位單元的摩擦阻力不同，超磁致伸縮元件11就會向驅(qū)動器前進(jìn)的方向伸長。然后，給前端的箝位單元施加一個適當(dāng)?shù)碾妷海怪畬?shí)現(xiàn)箝位，而將施加在后端箝位單元的電壓撤掉，使其壓電元件恢復(fù)至未伸長狀態(tài)，柔性鉸鏈框架與導(dǎo)軌間的摩擦力恢復(fù)到柔性鉸鏈框架變形前水平，即松開箝位。最后，將施加在超磁致伸縮元件上的電流關(guān)閉，由于此時前后箝位單元已變?yōu)榍熬o后松，所以隨著超磁致伸縮元件恢復(fù)至未伸長狀態(tài)，會帶動后端的箝位單元前移一小步。如此多次循環(huán)動作，驅(qū)動器就實(shí)現(xiàn)了蠕動式前進(jìn)。只要改變前后箝位單元加電、去電的次序，就能改變驅(qū)動器的運(yùn)動方向。運(yùn)動的步長和箝位力的大小通過改變施加給超磁致伸縮元件的電流和壓電元件的電壓來控制。柔性鉸鏈框架四圓角處壁厚大小的選取十分重要，既要滿足彈性變形量要求，又應(yīng)滿足疲勞強(qiáng)度要求。柔性鉸鏈框架水平方向兩壓頭的形狀與兩導(dǎo)軌V形滑槽配合，一方面支撐驅(qū)動器和箝位單元的重量，另一方面限制了驅(qū)動器其它兩個方向的運(yùn)動自由度，使其沿著導(dǎo)軌作直線運(yùn)動。
以下給出該直線驅(qū)動器的運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果。超磁致伸縮元件選用ETREMA公司生產(chǎn)的AU-008G300-MS1型微位移驅(qū)動器，其驅(qū)動電源選用大華公司的DH1720A-2型可控恒流源；壓電元件選用PI公司的P-802.10型壓電堆，驅(qū)動電源選用博實(shí)公司的HPV型壓電驅(qū)動電源；高精度位移傳感器選用海德漢公司生產(chǎn)的CT2502型長度計(jì)，該長度計(jì)的測量范圍為25mm，經(jīng)校準(zhǔn)后在全量程內(nèi)的準(zhǔn)確度為±0.03μm。其它零部件自制。所發(fā)明的直線驅(qū)動器經(jīng)多次運(yùn)行試驗(yàn)，表明其行程可以超過5mm，定位精度達(dá)到30nm。
權(quán)利要求
1.一種利用壓電效應(yīng)箝位的超磁致伸縮高精度直線驅(qū)動器，其特征在于所述直線驅(qū)動器的基體(2)通過地腳螺栓與底座(1)相連，帶V形滑槽的左導(dǎo)軌(6)和右導(dǎo)軌(9)用螺栓固定在基體(2)的兩個內(nèi)側(cè)面上，柔性鉸鏈框架(7)兩端的V型壓頭與左導(dǎo)軌(6)和右導(dǎo)軌(9)的V形滑槽構(gòu)成滑動配合，壓緊螺桿(5)通過固定在基體(2)右邊頂上的支撐板(4)的螺紋孔將楔形塊(3)緊壓在左基體(2)和左導(dǎo)軌(6)之間的斜槽內(nèi)；壓電元件(8)鑲嵌在柔性鉸鏈框架(7)的正中間，一組柔性鉸鏈框架(7)和壓電元件(8)構(gòu)成了一個箝位單元，并通過柔性鉸鏈框架(7)兩端的V型壓頭與左導(dǎo)軌(6)和右導(dǎo)軌(9)的V形滑槽構(gòu)成滑動配合；超磁致伸縮元件(11)兩端通過兩個連接件(10)分別與前后兩個柔性鉸鏈框架(7)相聯(lián)，構(gòu)成一體；高精度位移傳感器(13)通過連接板(12)與超磁致伸縮元件(11)連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于微機(jī)電設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域的一種具有毫米級行程和納米級定位精度的一種利用壓電效應(yīng)箝位的超磁致伸縮高精度直線驅(qū)動器。該驅(qū)動器的基體與底座相連，帶V形滑槽的兩導(dǎo)軌固定在基體的兩個內(nèi)側(cè)面上，柔性鉸鏈框架兩端的V型壓頭與兩導(dǎo)軌的V形滑槽構(gòu)成滑動配合，壓電元件鑲嵌在柔性鉸鏈框架的正中間，一組柔性鉸鏈框架和壓電元件構(gòu)成了一個箝位單元；超磁致伸縮元件兩端通過兩個連接件分別與前后兩個柔性鉸鏈框架相聯(lián)成一體；高精度位移傳感器通過連接板與超磁致伸縮元件連接。該驅(qū)動器具有結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。實(shí)際運(yùn)行表明該直線驅(qū)動器的有效行程超過5毫米、定位精度達(dá)到30納米。這種驅(qū)動器有望在微米納米精度的制造和檢測中得到廣泛應(yīng)用。
文檔編號H02N2/04GK1619938SQ20041009086
公開日2005年5月25日 申請日期2004年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月16日
發(fā)明者孟永鋼, 李翠紅, 葉子申, 田煜 申請人:清華大學(xué)