一種壓電微位移補償的氣動精密定位機構的製作方法

2023-10-17 00:49:34

本發明涉及一種氣動精密定位機構，特別是涉及一種壓電微位移補償的氣動精密定位機構。

背景技術：

氣動系統因其成本低廉、節能、響應速度快、元件結構簡單、工作效率高、使用和維修方便、功率重量比高、抗幹擾性強，便於集中供氣和無汙染等一系列優點，在機械、運輸、化工、冶金、採礦、微電子、生物工程、食品、紡織、醫藥以及軍事等工業部門等工業部門得到了廣泛的應用。傳統氣動系統採用機械定位和節流閥調速的方式，經常無法滿足許多設備的自動控制要求。而採用電-氣比例或伺服控制系統能非常方便地實現多點無級定位（柔性定位）和無級調速，僅需改變控制程序就能實現定位位置的改變，大幅度降低氣缸的動作時間，縮短工序節拍，提高生產率。

但由於空氣具有較大的壓縮性、閥口流量的非線性和氣缸活塞存在較大摩擦力等原因，導致了氣動伺服的強非線性和低剛度、氣壓傳播速度慢，從而導致大的時間滯後、大的摩擦力而帶來的死區以及系統參數易受環境影響等，使得氣動系統難於實現精密的位置控制，且穩定性較差，嚴重限制了氣動定位系統在微納光刻加工、精密電子產品的自動化裝配及快速精密加工工具機等領域中的應用。因此，圍繞著如何實現氣動系統的快速高精度定位這一問題，國內外專家進行了很多研究與探索。

目前為止，對氣動定位精度進行改進的研究共分為四類：①數學模型的研究；②控制方法的研究；③新型控制元件的研究；④新形式的氣動執行器的研究。雖然做了很多研究，但定位精度始終突破不了微米級，仍實現不了大行程的精密定位。

技術實現要素：

針對現有氣動定位系統定位精度差不能滿足精密機械工程的應用需求，本發明結合壓電陶瓷的優點，並應用到氣動定位系統中，提出一種基於壓電微位移補償的氣動精密定位機構以實現大行程高精度定位的氣動精密定位機構。

為了達到上述目的，本發明是通過以下技術方案實現的：

本發明的一種壓電微位移補償的氣動精密定位機構，由氣缸、壓電陶瓷位移放大機構、第二滑塊、第一滑塊、導軌7、光柵傳感器的玻璃尺9、光柵傳感器的第一讀數頭、光柵傳感器的第二讀數頭、工作檯以及氣缸與工作檯的第一連接件、第二連接件、氣缸與壓電陶瓷位移放大機構和第一滑塊的第四連接件、第四連接件與光柵傳感器的第一讀數頭的第六連接件、壓電陶瓷位移放大機構的位移輸出軸與第二滑塊的第五連接件、第五連接件與光柵傳感器的第二讀數頭的第七連接件、導軌與工作檯的第三連接件組成。

在工作檯上一端通過第一連接件和第二連接件支撐設置有氣缸，在工作檯上另一端通過第三連接件支撐設置導軌，在第三連接件上的凹槽內設置有光柵傳感器的玻璃尺，在導軌上設置有第二滑塊和第一滑塊，在第一滑塊的上方設置壓電陶瓷位移放大機構，氣缸的活塞杆與壓電陶瓷位移放大機構通過第四連接件串聯在一起，壓電陶瓷位移放大機構的位移輸出軸與第二滑塊之間通過第五連接件連接，光柵傳感器的第一讀數頭通過第六連接件和第四連接件與氣缸的活塞杆連接，以此來測量氣缸相對工作檯的位移輸出，光柵傳感器的第二讀數頭通過第七連接件、第五連接件與壓電陶瓷位移放大機構的位移輸出軸連接，以此來測量壓電陶瓷位移放大器的位移輸出軸相對工作檯的位移輸出，即氣動精密定位機構的整體位移。

本發明的進一步改進在於：壓電陶瓷位移放大機構是由底座、壓電陶瓷固定件、壓電陶瓷製動器、液壓放大器腔體、小膜片壓蓋、彈簧壓蓋、讀數頭連接件、光柵傳感器的讀數頭、光柵傳感器的玻璃尺、位移輸出軸、小膜片、小硬芯、大硬芯上、大膜片、大硬芯下、硬芯與壓電連接件組成；其中，壓電陶瓷固定件下端固定在底座上，壓電陶瓷固定件上端與液壓放大器腔體連接，且兩者夾緊大膜片，液壓放大器腔體的上端與小膜片壓蓋連接，且兩者夾緊小膜片，小膜片壓蓋通過螺紋與彈簧壓蓋配合，光柵傳感器的第二玻璃尺安裝在小膜片壓蓋的凹槽內；壓電陶瓷製動器的底端固定在底座上，頂端和硬芯與壓電連接件的一段相連，硬芯包括大硬芯上和大硬芯下，大硬芯上和大硬芯下夾著大膜片，共同緊固在硬芯與壓電連接件的另一端，大膜片與小膜片之間的密閉空間中充滿液壓油，位移輸出軸的下端和小硬芯夾著小膜片，位移輸出軸的上端與讀數頭連接件緊固在一起，光柵傳感器的第三讀數頭固定在讀數頭連接件上。

本發明的有益效果是：壓電陶瓷驅動器響應速度快、工作頻率寬、便於控制等優點，其輸出位移可達幾十到上百微米，且能實現納米級的定位精度，因此，結合氣動定位技術與壓電技術獨特的優點，可以開發出一種壓電微位移補償的氣動精密定位機構，這也是本發明專利的出發點，但壓電陶瓷驅動器的輸出位移範圍小於氣缸的定位精度，需要對壓電陶瓷的輸出位移進行有效放大。本發明採用膜式液壓放大原理以有效放大壓電陶瓷驅動器的輸出位移，並以此來補償氣缸輸出位移誤差，以實現大行程的高精度定位。

本發明結合氣動定位技術與壓電技術的優點，本發明提供了一種壓電微位移補償的氣動精密定位機構，能實現大行程的高精度定位，以滿足當前精密工程領域等需要大行程高精度定位的場合。

附圖說明

圖1是本發明的結構圖。

圖2是本發明壓電陶瓷位移放大機構剖視圖。

圖3是本發明光柵傳感器配合示意圖

其中：1-氣缸；2-第四連接件；3-壓電陶瓷位移放大機構；4-第一滑塊；5-第五連接件；6-第二滑塊；7-導軌；8-第三連接件；9-玻璃尺；10-第七連接件；11-第二讀數頭；12-第六連接件；13-第一讀數頭；14-第一連接件；15-第二連接件；16-工作檯；3-1-底座；3-2-壓電陶瓷固定件；3-3-壓電陶瓷製動器；3-4-液壓放大器腔體；3-5-小膜片壓蓋；3-6-彈簧壓蓋；3-7-讀數頭連接件；3-8-光柵傳感器的第三讀數頭；3-9-光柵傳感器的第二玻璃尺；3-10-位移輸出軸；3-11-小膜片；3-12-小硬芯；3-13-大硬芯上；3-14-大膜片；3-15-大硬芯下；3-16-硬芯與壓電連接件。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的具體實施方式不限於此，凡依本發明的創造精神及特徵、模式和實現本發明功能的都在本發明的保護範圍之內。

本發明的一種壓電微位移補償的氣動精密定位機構，由氣缸1、壓電陶瓷位移放大機構3、第一滑塊4、第二滑塊6、導軌7、光柵傳感器的玻璃尺9、光柵傳感器的第二讀數頭11、光柵傳感器的第一讀數頭13、工作檯16以及氣缸1與工作檯16的第一連接件14、第二連接件15、氣缸1與壓電陶瓷位移放大機構3和第一滑塊4的第四連接件2、第四連接件2與光柵傳感器的第一讀數頭13的第六連接件12、壓電陶瓷位移放大機構3的位移輸出軸與第二滑塊6的第五連接件5、第五連接件5與光柵傳感器的第二讀數頭11的第七連接件10、導軌7與工作檯16的第三連接件8組成，其中，氣缸1的缸體通過第一連接件14、第二連接件15固定在工作檯16上，也就是說在所述工作檯16上一端通過第一連接件14和第二連接件15支撐設置有氣缸1，在所述工作檯16上另一端通過第三連接件8支撐設置導軌7，在所述導軌7上設置有第二滑塊6和第一滑塊4，在所述第一滑塊4的上方設置壓電陶瓷位移放大機構3，氣缸1的活塞杆與壓電陶瓷位移放大機構3通過第四連接件2串聯在一起，並通過第一滑塊4支撐，導軌7通過第三連接件8固定在工作檯16上，光柵傳感器的玻璃尺9安裝在第三連接件8的凹槽內，光柵傳感器的第二讀數頭13通過第六連接件12,第四連接件2與氣缸1的活塞杆連接，以此來測量氣缸相對工作檯的位移輸出；壓電陶瓷位移放大機構3的位移輸出軸3-10經第五連接件5通過第二滑塊6支撐，光柵傳感器的第二讀數頭11通過第七連接件10,第五連接件5與壓電陶瓷位移放大機構3的位移輸出軸連接，以此來測量壓電陶瓷位移放大器輸出軸相對工作檯的位移輸出，即宏微混合驅動的整體位移，也就是氣動精密定位機構的整體位移，壓電陶瓷位移放大機構3是由底座3-1、壓電陶瓷固定件3-2、壓電陶瓷製動器3-3、液壓放大器腔體3-4、小膜片壓蓋3-5、彈簧壓蓋3-6、讀數頭連接件3-7、光柵傳感器的第三讀數頭3-8、光柵傳感器的第二玻璃尺3-9、位移輸出軸3-10、小膜片3-11、小硬芯3-12、大硬芯上3-13、大膜片3-14、大硬芯下3-15、硬芯與壓電連接件3-16組成；其中，壓電陶瓷固定件3-2下端固定在底座3-1上，上端與液壓放大器腔體3-4連接，且兩者夾緊大膜片3-14，液壓放大器腔體3-4的上端與小膜片壓蓋3-5連接，且兩者夾緊小膜片3-11，小膜片壓蓋3-5通過螺紋與彈簧壓蓋3-6配合，光柵傳感器的第二玻璃尺3-9安裝在小膜片壓蓋3-5的凹槽內；壓電陶瓷製動器3-3的底端固定在底座3-1上，頂端和硬芯與壓電連接件3-16的一段相連，大硬芯上3-13和大硬芯下3-15夾著大膜片3-14，共同緊固在硬芯與壓電連接件3-16的另一端，大膜片3-14與小膜片3-11之間的密閉空間中充滿液壓油，位移輸出軸3-10的下端和小硬芯3-12夾著小膜片3-11，上端與讀數頭連接件3-7緊固在一起，光柵傳感器的第三讀數頭3-8固定在讀數頭連接件3-7上，光柵傳感器的第二讀數頭11、光柵傳感器的第一讀數頭13共用玻璃尺9完成測量，光柵傳感器的第二讀數頭11與玻璃尺9配合，測量總定位機構的總輸出位移，光柵傳感器的第一讀數頭13與所述玻璃尺9配合，測量氣缸的輸出位移，光柵傳感器的第二玻璃尺3-9和光柵傳感器的第三讀數頭3-8配合，測量放大機構的總位移。

本發明的運動方式為：通過控制氣缸1運動並推動第一滑塊4和第二滑塊6運動，光柵傳感器的第二讀數頭11測定定位機構實際總輸出位移，並與理論設定值進行比較，當其位置誤差小於切換閾值時，氣缸1保持不動，此時，壓電陶瓷驅動器3-3開始運動，並經液壓放大後推動第二滑塊6進行位置，使得定位機構達到理想位置，其精度可達亞微米。