CN105084309B - 基于柔性铰链的可调预紧式粘滑驱动定位平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于柔性铰链的可调预紧式粘滑驱动定位平台，包括基座、安装于基座上的摩擦振子、安装于基座和摩擦振子之间的振子驱动源和设置于摩擦振子上方的滑台，所述摩擦振子包括传动柔性铰链、惯性质量块和凸台，所述凸台上方与滑台直接接触，下方设有用于调整凸台和滑台之间预紧力的预紧力调整机构，所述预紧力调整机构包括预紧柔性铰链和预紧调整螺栓，所述预紧柔性铰链位于摩擦振子内部，预紧柔性铰链在预紧调整螺栓作用下发生变形，从而调整凸台与滑台之间的预紧力大小。

Description

基于柔性铰链的可调预紧式粘滑驱动定位平台

技术领域

本发明涉及微驱动精密定位技术领域，具体是涉及一种基于柔性铰链的可调预紧式粘滑驱动定位平台。

背景技术

随着纳米科学的发展，新的纳米材料、纳米结构逐渐被人们探索和发现，并显示出非常广阔的应用前景。纳米技术是人类对微观世界探索认识改造和利用的基本手段之一，其中，纳米操作是纳米技术的重要内容。而作为微观领域的关键技术之一，微定位技术的发展水平直接影响到微观领域技术的发展水平，其重要性不言而喻。目前，在如生物工程、聚合物操作、微创外科手术、扫描探针显微镜(SPM)、原子力显微镜(AFM)、扫描电子显微镜(SEM)、微细加工、半导体制版的精密定位、微纳操作等领域都要求定位平台在有限的操作空间内，实现高精度定位和操作的同时，也能拥有更大的操作范围。微定位技术，即结合新型的运动原理和驱动结构，利用微位移致动器驱动实现高精度定位和运动的技术。

由于粘滑驱动相对于其他类跨尺度运动驱动方式的驱动原理简单、方便、控制简单，且具有分辨率高、运动范围大、结构简单、精确定位和易微小化等优点，因此基于粘滑驱动原理的装备是目前跨尺度驱动设备中应用较多的一种。粘滑驱动的工作原理主要是以摩擦力作为驱动源，利用锯齿形电压激励压电振子的不对称振动所形成的动静摩擦力之间的差异来实现被驱动体的微小移动，通过多次重复激励从而实现被驱动体最终的跨尺度精密运动。而在粘滑驱动中，摩擦力的调整是其中尤为关键的环节。

目前根据摩擦力的预紧结构和调整方式的不同，粘滑驱动跨尺度精密滑台主要分为机械公差配合式粘滑驱动跨尺度精密滑台、永磁预紧式粘滑驱动跨尺度精密滑台以及上下弹簧预紧式粘滑驱动跨尺度精密滑台等。其中，机械公差配合式粘滑驱动跨尺度精密滑台，相关的公开技术有公开号为WO2008/052785A1、WO2007/022764A1、DE102006052175A1等专利，其工作原理通过机械公差配合使得摩擦振子和被驱动物体之间紧密接触从而实现摩擦力的预紧，通常该摩擦力的预紧没有其他的调整机构，主要是依靠机械公差调整和摩擦界面的调整实现摩擦力调整。其中，永磁预紧式粘滑驱动跨尺度精密滑台，相关的公开技术有公开号为WO2004077584A1、US2005284817A1等专利，其工作原理主要是利用三条压电晶体驱动腿来进行滑台的支撑，依靠双圆柱体并列方式进行导向，其中摩擦预紧力的调整主要依靠在基座上安装永磁体，而运动输出平台同样采用磁体材料，通过磁体之间的磁吸力将压电晶体驱动腿的运动传递给滑台，从而实现粘滑驱动跨尺度精密运动。而上下弹簧预紧式粘滑驱动跨尺度精密滑台，相关的公开技术有公开号或专利号为WO2009043421A1、US6940210B2、US7579752B2、US20080148589A1等专利，其工作原理主要是将滑台分为上下两部分，通过拉力弹簧来实现上下部分与摩擦振子之间摩擦力的调整，拉力弹簧通过螺纹结构进行调整其长度，从而实现预紧力的调整，其导向是依靠菱形摩擦面来实现，其摩擦预紧力的调整范围较小，较难适应摩擦界面的微小差异。

上述三种粘滑驱动跨尺度精密滑台虽然在摩擦力的预紧结构和调整方式上虽然不同，但其摩擦力的预紧结构和调整方式均设置地过为复杂，均会使摩擦力调节受限，同时这些方案均对摩擦界面的加工精度要求较高，从而导致对粘滑驱动平台的加工和装配精度要求较高，最终影响跨尺度精密滑台的运动精度和一致性。因此这些方案在保证粘滑驱动跨尺度滑台大批量生产时存在工艺复杂和成本高等许多问题。

另外，柔性铰链凭借其无机械摩擦、无间隙、运动平滑、灵敏度高等优点，在现今多种微定位***中广泛使用。基于粘滑原理的微定位平台以柔性铰链为导向传动元件、以压电陶瓷致动器为驱动源，它们具有高分辨率、高定位精度、尺寸小、无需润滑、结构简单可靠、刚度大、能耗低、响应快等优点，逐渐受到广泛应用。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种尺寸微小、精度高的基于柔性铰链的可调预紧式粘滑驱动定位平台，使其拥有更广阔的应用空间、更优秀的性能、更低的生产要求和成本。

根据本发明的目的提出的一种可调预紧式粘滑驱动定位平台，包括基座、安装于基座上的摩擦振子、安装于基座和摩擦振子之间的振子驱动源和设置于摩擦振子上方的滑台，所述摩擦振子包括传动柔性铰链、惯性质量块和凸台，所述凸台上方与滑台直接接触，下方设有用于调整凸台和滑台之间预紧力的预紧力调整机构；

所述预紧力调整机构包括预紧柔性铰链和预紧调整螺栓，所述预紧柔性铰链位于摩擦振子内部，预紧柔性铰链在预紧调整螺栓作用下发生变形，从而调整凸台与滑台之间的预紧力大小。

优选的，所述预紧力调整机构与摩擦振子加工成一体。

优选的，所述预紧力调整机构中预紧柔性铰链为平行板柔性铰链。

优选的，所述预紧柔性铰链上方与所述凸台接触，下方与惯性质量块接触，所述预紧调整螺栓安装于惯性质量块下方的螺纹孔中，并贯穿整个质量块，纵向延伸至预紧柔性铰链底部。

优选的，所述振子驱动源包括叠堆型压电陶瓷和驱动电源，所述叠堆型压电陶瓷和驱动电源通过导线连接。

优选的，所述叠堆型压电陶瓷一端通过预紧柔性铰链固定在基座上，另外一端与所述摩擦振子接触，为传动柔性铰链的形变提供动力。

优选的，还包括双列交叉滚柱导轨，所述双列交叉滚柱导轨通过固定螺栓固定于所述基座上，所述滑台沿着双列交叉滚柱导轨运动。

优选的，所述基座上设有导轨安装台阶，导轨安装台阶与双列交叉滚柱导轨的底部接触，所述导轨安装台阶的外侧设有导轨安装基准面，用于双列交叉滚柱导轨安装的定位。

优选的，所述导轨安装基准面上设有导轨调整螺栓，导轨调整螺栓一端与双列交叉滚柱导轨的侧面接触，另一端位于导轨安装基准面外侧。

与现有技术相比，本发明具有如下进步之处：

本发明提出了一种基于柔性铰链的预紧力调整机构，可用于改变摩擦振子的凸台与滑台之间的摩擦力。该预紧力调整机构是通过安装在摩擦振子下方的预紧调整螺栓与摩擦振子中的预紧柔性铰链相互接触，使该预紧柔性铰链变形，从而调整了摩擦振子的凸台与滑台之间的摩擦力，改善摩擦振子凸台与滑台之间的粘滑效应，使得滑台能够获得有效的跨尺度粘滑精密驱动。柔性铰链具有体积小，无机械摩擦，运动精度高，能够很好地减少定位平台的尺寸和重量，并且能精密的实施摩擦力的调节，因此本发明极大的简化的预紧力调整方式，且预紧力调整范围大、精度高，进而有效的提高了粘滑驱动跨尺度精密滑台的性能，确保了粘滑驱动跨尺度精密滑台的运动性能和一致性，适合批量生产。

在上述基础上，本发明进一步优化，预紧力调整机构中的预紧柔性铰链与摩擦振子中的惯性质量块、凸台加工成一体，使得整个粘滑驱动定位平台不会因为预紧柔性铰链与惯性质量块之间的安装误差而影响滑台的运动精度，同时预紧柔性铰链的加工一体化进一步减少了摩擦振子的质量，使得摩擦振子在运动过程中能够快速的趋于稳定，另一方面柔性铰链的加工一体化也减少了不必要的连接件从而有效的避免的滑台尺寸的增加，使之能够广泛运用于对尺寸有限制的场合。进一步优化，摩擦振子中的预紧柔性铰链采用了平行板柔性铰链，其中平行板柔性铰链在预紧力方向具有较小的刚度，能够有效的调整摩擦力，在滑台的运动方向具有较大的刚度，改善平台的运动性能，并且能够有效的避免在运动过程中预紧柔性铰链产生运动方向上的位移，影响滑台的运动精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例下的基于柔性铰链的可调预紧式粘滑驱动定位平台的立体结构示意图。

图2是本发明实施例下的基于柔性铰链的可调预紧式粘滑驱动定位平台的主视图。

图3是本发明实施例下的基于柔性铰链的可调预紧式粘滑驱动定位平台的仰视图。

图4是本发明实施例下的基座的结构示意图。

具体实施方式

正如背景技术中所述，现有的粘滑驱动定位平台，其摩擦力的预紧结构和调整方式均设置地过于复杂，均会使摩擦力调节受限，同时这些方案均对摩擦界面的加工精度要求较高，从而导致对粘滑驱动平台的加工和装配精度要求较高，最终影响跨尺度精密滑台的运动精度和一致性。

本发明公开了一种可调预紧式粘滑驱动定位平台，包括基座、安装于基座上的摩擦振子、安装于基座和摩擦振子之间的振子驱动源和设置于摩擦振子上方的滑台；

所述摩擦振子包括传动柔性铰链、惯性质量块和凸台，所述凸台上方与滑台直接接触，下方设有用于调整凸台和滑台之间预紧力的预紧力调整机构；

所述预紧力调整机构包括预紧柔性铰链和预紧调整螺栓，所述预紧柔性铰链位于摩擦振子内部，预紧柔性铰链在预紧调整螺栓作用下发生变形，从而调整凸台与滑台之间的预紧力大小。

下面将通过具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然的，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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作出创造性劳动的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。

请一并参照图1至图4，图1是基于柔性铰链的可调预紧式粘滑驱动定位平台的立体结构示意图，图2是基于柔性铰链的可调预紧式粘滑驱动定位平台的主视图，图3是基于柔性铰链的可调预紧式粘滑驱动定位平台的仰视图，图4是基座的结构示意图。一种可调预紧式粘滑驱动定位平台，包括基座1、安装于基座1上的摩擦振子2、安装于基座1和摩擦振子2之间的振子驱动源6和设置于摩擦振子2上方的滑台3；

摩擦振子2包括传动柔性铰链23、惯性质量块22和凸台21，所述凸台21上方与滑台3直接接触，下方设有用于调整凸台21和滑台3之间预紧力的预紧力调整机构4；

预紧力调整机构4包括预紧柔性铰链41和预紧调整螺栓42，所述预紧柔性铰链41位于摩擦振子2内部，预紧柔性铰链41在预紧调整螺栓42作用下发生变形，从而调整凸台21与滑台3之间的预紧力大小。该预紧力调整机构4是通过安装在摩擦振子2下方的预紧调整螺栓42与摩擦振子2中的预紧柔性铰链41相互接触，使该预紧柔性铰链41变形，从而调整了摩擦振子2的凸台21与滑台3之间的摩擦力，改善摩擦振子2的凸台21与其上方的滑台3之间的粘滑效应，使得滑台3能够获得有效的跨尺度粘滑精密驱动。

本实施例中预紧柔性铰链41优选为平行板柔性铰链。预紧柔性铰链41上方与所述凸台21接触，下方与惯性质量块22接触，预紧柔性铰链41与惯性质量块22设计成一体式结构，所述预紧调整螺栓42安装于惯性质量块22下方的螺纹孔421中，并贯穿整个惯性质量块22，纵向延伸至预紧柔性铰链41的底部。

进一步的，预紧力调整机构4与摩擦振子2加工成一体。具体地，预紧力调整机构4中的预紧柔性铰链41与摩擦振子2中的惯性质量块22、凸台21加工成一体，使得整个粘滑驱动定位平台不会因为预紧柔性铰链42与惯性质量块22之间的安装误差而影响滑台3的运动精度，同时预紧柔性铰链41的加工一体化进一步减少了摩擦振子2的质量，使得摩擦振子2在运动过程中能够快速的趋于稳定，另一方面预紧柔性铰链41的加工一体化也减少了不必要的连接件从而有效的避免的滑台3尺寸的增加，使之能够广泛运用于对尺寸有限制的场合。进一步优化，摩擦振子2中的预紧柔性铰链41采用了平行板柔性铰链，其中平行板柔性铰链在预紧力方向具有较小的刚度，能够有效的调整摩擦力，在滑台3的运动方向具有较大的刚度，改善滑台3的运动性能，并且能够有效的避免在运动过程中预紧柔性铰链41产生运动方向上的位移，影响滑台3的运动精度。

请参照图4，图4是基座的结构示意图。所述基座1上还设置有驱动源安装预紧机构5，所述驱动源安装预紧机构5包括安装预紧铰链51和安装调整螺栓52，安装调整螺栓52设置于基座1的侧面，所述安装预紧铰链51一端连接安装调整螺栓52，另一端连接振子驱动源6，所述安装调整螺栓52与安装预紧铰链51配合对振子驱动源6的安装提供预紧力。

振子驱动源6包括叠堆型压电陶瓷和驱动电源，所述叠堆型压电陶瓷和驱动电源通过导线连接。叠堆型压电陶瓷一端通过安装预紧铰链51固定在基座1上，另外一端与所述摩擦振子2接触，为传动柔性铰链23的形变提供动力。

进一步的，本发明实施例还包括双列交叉滚柱导轨7，所述双列交叉滚柱导轨7通过固定螺栓77固定于所述基座1上，所述滑台3沿着双列交叉滚柱导轨7运动。双列交叉滚柱导轨7包括第一导轨72、第二导轨75、保持架73、74和交叉滚柱，所述第一导轨72和第二导轨75分别设置于所述滑台3的两侧，所述保持架73、74和交叉滚柱为滑台3的运动提供支撑。为防止滑台3运动时两端脱离双列交叉滚柱导轨7，本实施例的进一步优化方案是，在第一导轨72和第二导轨75两端分别设有挡板71。

为了便于双列交叉滚柱导轨7的安装，基座1上设有导轨安装台阶11，导轨安装台阶11与双列交叉滚柱导轨7的底部接触，所述导轨安装台阶11的外侧设有导轨安装基准面12，用于双列交叉滚柱导轨7安装的定位。导轨安装基准面12上设有导轨调整螺栓76，导轨安装基准面12上设有若干用于安装导轨调整螺栓的安装孔13，导轨调整螺栓76一端与双列交叉滚柱导轨7的侧面接触，另一端位于导轨安装基准面12外侧。

各部件具体的形状、尺寸、参数依据粘滑驱动定位平台的***而确定，对堆叠型压电陶瓷致动器施加的具体电压数值、升降电压速率依据粘滑驱动定位平台的***而确定。

本发明的工作原理如下：

当所述振子驱动源上施加一变化着的电压时能够发生形变(由驱动电源为叠堆型压电陶瓷提供电源)，且形变发生的速率随着所述电压变化速率的增加而增加，所述振子驱动源的形变推动摩擦振子的传动柔性铰链的上端在水平方向发生移动，当所施加的电压为缓慢上升或缓慢下降时，传动柔性铰链的上端在水平方向上缓慢移动，传动柔性铰链与凸台为一体式结构，传动柔性铰链带动凸台一起缓慢移动，所述滑台在摩擦力作用下获得水平位移，当所施加的电压为迅速上升或迅速下降时，传动柔性铰链的上端在水平方向上迅速移动，带动凸台一起迅速移动，而所述运动输出微动平台在惯性作用下相对摩擦振子静止。

综合以上所述内容，本发明提供的基于柔性铰链的可调预紧式粘滑驱动定位平台极大简化了滑台预紧力的调整方式，便于加工和装配，减少了装配误差，进而有效提高了粘滑驱动定位平台的输出性能，可简单有效确保粘滑驱动定位平台的运动精度和一致性，适合批量生产化，同时柔性铰链的加工一体化减少了平台的重量和尺寸，非常适合在如微纳操作、微小型机器人、生物微操作、数码产品以及精密驱动***等具有结构微型化、大范围精确定位要求的各个领域中应用。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种基于柔性铰链的可调预紧式粘滑驱动定位平台，其特征在于：包括基座、安装于基座上的摩擦振子、安装于基座和摩擦振子之间的振子驱动源和设置于摩擦振子上方的滑台，所述摩擦振子包括传动柔性铰链、惯性质量块和凸台，所述凸台上方与滑台直接接触，下方设有用于调整凸台和滑台之间预紧力的预紧力调整机构；

所述预紧力调整机构包括预紧柔性铰链和预紧调整螺栓，所述预紧柔性铰链位于摩擦振子内部，预紧柔性铰链在预紧调整螺栓作用下发生变形，从而调整凸台与滑台之间的预紧力大小；所述预紧力调整机构中预紧柔性铰链为平行板柔性铰链。

2.如权利要求1所述的可调预紧式粘滑驱动定位平台，其特征在于：所述预紧力调整机构与摩擦振子加工成一体。

3.如权利要求1所述的可调预紧式粘滑驱动定位平台，其特征在于：所述预紧柔性铰链上方与所述凸台接触，下方与惯性质量块接触，所述预紧调整螺栓安装于惯性质量块下方的螺纹孔中，并贯穿整个质量块，纵向延伸至预紧柔性铰链底部。

4.如权利要求1所述的可调预紧式粘滑驱动定位平台，其特征在于：还包括双列交叉滚柱导轨，所述双列交叉滚柱导轨通过固定螺栓固定于所述基座上，所述滑台沿着双列交叉滚柱导轨运动。

5.如权利要求4所述的可调预紧式粘滑驱动定位平台，其特征在于：所述基座上设有导轨安装台阶，导轨安装台阶与双列交叉滚柱导轨的底部接触，所述导轨安装台阶的外侧设有导轨安装基准面，用于双列交叉滚柱导轨安装的定位。

6.如权利要求5所述的可调预紧式粘滑驱动定位平台，其特征在于：所述导轨安装基准面上设有导轨调整螺栓，导轨调整螺栓一端与双列交叉滚柱导轨的侧面接触，另一端位于导轨安装基准面外侧。