[实用新型]蠕动式压电/电致伸缩微进给定位装置

说明书

本实用新型涉及一种蠕动式压电/电致伸缩微进给定位装置，属精密机械及精密运动控制技术领域。

在精密机械及精密运动控制技术领域，当运动分辨率达到亚微米级甚或纳米级时，固体致动器特别是压电/电致伸缩致动器在进给定位机构或系统中凸现出优势。

压电/电致伸缩致动器件由于其位移分辨率高、减少中间运动传递部件、效率高、刚度大、响应快等优点，已广泛应用于微进给定位机构或系统。

压电/电致伸缩微进给定位机构或系统在精密机械工程方面，用于刀具微进给、微雕刻系统、直线位移驱动、控制射流喷嘴、微型泵等；在光学及测量技术方面，用于透镜定位调节、激光调制、光纤定位对准、自动调焦、干涉测量、全息摄影、扫描探针显微测量等；在生物医学领域，用于眼外科手术等的微操作、细胞穿刺、微剂量控制器件、听觉生理刺激等；在微电子学和计算机技术方面，用于芯片和掩膜定位对准、光刻与半导体加工检查装置、磁盘和光盘制造装置及驱动器、点阵打印机等。

上述一些成功的应用利用了压电/电致伸缩致动的优点。但应用于进给定位机构或系统时，直接利用压电/电致伸缩变形有其明显的缺点，即行程小，至多数10微米。

蠕动机构的发明问世，巧妙地克服了行程小的缺点。以美国Burleigh公司的蠕动式步进马达(inchworm motor)为例，其结构原理如图1所示。主要构件包括主轴1、轴向伸缩致动件3、以及径向箝位夹紧用压电陶瓷管2和4。当主轴1为运动部件时，致动件3、2、4的组合体相对固定；若主轴1固定，致动件3、2、4的组合体沿主轴1轴向运动。

以主轴1为运动部件，箝位件2固联于基座，3、4如图示与2联接的结构为例，初始状态为2、4夹紧主轴，其运动原理如下：

(1)首先使箝位件2径向松开主轴1，而箝位件4此时径向收缩夹紧主轴1；

(2)驱动致动件3沿轴向伸长，带动主轴1右进一步；

(3)使箝位件2径向收缩夹紧主轴1，然后箝位件4径向松开；

(4)使致动件3沿轴向收缩；

(5)再使箝位件4径向收缩夹紧主轴1，回复到初始状态。

循环步骤(1)-步骤(5)的操作，即可实现主轴1的直线步进运动。其反向运动可通过改变轴向伸缩致动件3、以及径向箝位夹紧用压电陶瓷管2和4的操作控制顺序实现。

主轴1的行程仅取决于主轴1的长度。移动速度可通过改变加于轴向伸缩致动件3上的电压幅值以及控制致动件3、径向箝位夹紧件2和4的动作频率来调节。

蠕动式压电直线马达的步进运动是靠箝位机构与主轴夹紧时的摩擦来传递推力实现的，箝位机构产生的夹紧力的大小，直接影响其轴向承载能力和运动稳定性。

迄今，所实现的蠕动式压电直线马达多有箝位夹紧驱动电压过高、轴向刚度和输出推力较小的不足之处。箝位夹紧机构的改进设计是提高蠕动式压电直线马达性能的一有效途径。

本实用新型的目的是设计一种提高轴向推力的蠕动式压电/电致伸缩微进给定位装置。在实现大行程、高位移分辨率的同时，通过采用电磁致动的柔性铰链构成的周向分布式杠杆箝位机构降低箝位夹紧电压和机械配合精度要求，提高箝位夹紧力，从而使蠕动式压电/电致伸缩微进给定位机构获得大的轴向输出推力。使其不仅可以用于测量等负载小的场合，亦能用于加工系统进给定位等负载较大的场合。

本实用新型设计的蠕动式压电/电致伸缩微进给定位装置，包括主轴、伸缩致动件、箝位夹紧机构、导向固定件和预紧弹簧。伸缩致动件的两端部与导向固定件相对固定，导向固定件的内径面与主轴成滑动配合。预紧弹簧置于导向固定件之间。箝位夹紧机构由不动部分的电磁磁路和可动部分的力放大杆、弧状杆、柔性铰链和夹紧脚组成。导向固定件的一侧与伸缩致动件相连，另一侧与箝位夹紧机构的电磁磁路相对固定，导向固定件的柔性悬臂套的外径面与箝位夹紧机构可动部分的夹紧脚过盈配合。

本实用新型的蠕动式压电/电致伸缩微进给定位装置，以圆筒状压电/电致伸缩致动件3作为轴向运动的主驱动件，以主轴1为中心轴将导向固定件6、8连接在致动件3的两端，并用弹簧9预紧。箝位夹紧机构5、7分别连接在导向固定件6、8上，其不动部分的电磁驱动磁路与导向固定件外侧面固联，沿径向可动的箝位夹紧部分与导向固定件外伸的悬臂套16过盈配合，在电磁力驱动下实现对主轴1的箝位和松位。这种结构可以有效地提高蠕动机构的刚度和轴向输出推力，在保持高位移分辨率的同时实现高精度和平稳的大行程进给定位，并且结构紧凑、控制方便，既充分利用了压电/电致伸缩件位移分辨率高、刚度大、响应快的优势，又有效结合了电磁驱动夹紧控制方便易于实现的优点。