一種精密定位裝置製造方法

2024-01-29 23:44:15 2

一種精密定位裝置製造方法
【專利摘要】一種精密定位裝置包括底座及安裝於底座上的若干驅動足，該若干個驅動足在底座上安裝後形成有用來夾持固定待定位物體的空間，每個驅動足包括與待定位物體相點接觸的抱爪，安裝於抱爪下方的第一柔性足和第二柔性足，安裝於第一柔性足和第二柔性足之間的第一支撐塊、壓電陶瓷片、上楔形墊塊、下楔形墊塊、半球墊塊及第二支撐塊，第一支撐塊和第二支撐塊上分別形成有橫向方向延伸的第一通孔和第二通孔，第一通孔和第二通孔中分別穿設有第一支撐軸和第二支撐軸，精密定位裝置還包括卡簧和彈性線圈，卡簧的兩端分別套設於第一支撐軸和第二支撐軸的外端面上以控制壓電陶瓷片的伸縮，彈性線圈套設於若干個抱爪的外圍以提高抱爪和待定位物體之間的摩擦力。
【專利說明】一種精密定位裝置

【技術領域】：
[0001] 本實用新型涉及一種精密定位裝置，其屬於壓電驅動【技術領域】。

【背景技術】：
[0002] 近年來，隨著科學技術的發展，光學、電子、航空航天等領域都迫切需要高精度、高 解析度、控制靈活的微定位裝置，用以直接進行工作或配合其它儀器設備完成高精度的微 定位，微定位裝置的研究和設計在越來越廣的範圍內得到人們的重視。目前，功能材料的主 要種類有壓電陶瓷材料、形狀記憶材料、電致伸縮材料、光導纖維、電（磁）流變液、磁致伸 縮材料、智能高分子材料等。而基於壓電陶瓷的微定位系統是其中一個很重要的方面，主要 是因為壓電陶瓷具有控制精度高，響應速度快，功耗低，不受電磁幹擾，適用於真空和超淨 環境等優點。由於壓電陶瓷自身的上述優點，近年來越來越多地採用壓電陶瓷作為微定位 系統的功能材料，對壓電陶瓷構造微定位裝置的性能研究也成為熱點。
[0003] 當對壓電陶瓷施加一定幅值的電壓時，在壓電材料的逆壓電效應作用下，壓電陶 瓷就可以產生一定的變形。同時由於它的高速響應特性，如果對它施加突變電壓，壓電陶瓷 就可以產生突變的力或位移。將壓電陶瓷作為激勵元件，通過施加電信號，經電一機轉換的 方式形成慣性衝擊，也就成為慣性衝擊作用產生驅動的一種方式。因此採用壓電陶瓷作為 功能材料，基於慣性衝擊原理研製的精密定位裝置在精密定位領域的研究中具有重大的意 義。 實用新型內容：
[0004] 本實用新型所要解決的技術問題是針對【背景技術】的缺陷，提供一種定位解析度達 到微米級的精密定位裝置。
[0005] 本實用新型採用如下技術方案：一種精密定位裝置，包括底座及安裝於底座上的 若干個驅動足，所述若干個驅動足在底座上安裝後形成有用來夾持固定待定位物體的空 間，所述每一個驅動足包括與待定位物體相點接觸的抱爪，安裝於抱爪下方的依次排列的 第一柔性足和第二柔性足，安裝於第一柔性足和第二柔性足之間的且依次排列的第一支撐 塊、壓電陶瓷片、上楔形墊塊、下楔形墊塊、半球墊塊及第二支撐塊，所述第一支撐塊和第二 支撐塊上分別形成有一橫向方向延伸的第一通孔和第二通孔，所述第一通孔和第二通孔中 分別穿設有第一支撐軸和第二支撐軸，所述精密定位裝置還包括有卡簧和彈性線圈，所述 卡簧的兩端分別套設於所述第一支撐軸和第二支撐軸的外端面上用以控制壓電陶瓷片的 伸縮，所述彈性線圈套設於所述若干個抱爪的外圍進而提高抱爪和待定位物體之間的摩擦 力。
[0006] 進一步地，所述抱爪包括上下端面和四個側面，所述四個側面分別為相對的兩個 半圓柱面和相對的兩個矩形平面，在其中一個矩形平面上加工有兩個半球形凹坑，所述凹 坑中收容有與所述待定位物體相點接觸的陶瓷球，所述凹坑面的直徑與所述陶瓷球的直徑 相同。
[0007] 進一步地，所述第一通孔的直徑與所述第一支撐軸的直徑相同，所述第二通孔與 所述第二支撐軸的直徑相同，所述精密定位裝置還包括有安裝於所述第一支撐軸的外端面 上且位於拉簧的上末端的外側的第一防松墊圈及安裝在第二支撐軸的外端面上且位於拉 簧的下末端的外側的第二防松墊圈。
[0008] 進一步地，所述第一柔性足採用黃銅製成，所述第一柔性足的兩端加工有外螺紋， 所述抱爪內部加工有與所述第一柔性足上端的外螺紋相配合的內螺紋，所述第一支撐塊的 內部加工有與所述第一柔性足下端的外螺紋相配合的內螺紋。
[0009] 進一步地，所述第二柔性足採用黃銅製成，所述第二柔性足的兩端加工有外螺紋， 所述第二支撐塊的內部加工有與所述第二柔性足上端的外螺紋相配合的內螺紋，所述底座 上加工有與所述第二柔性足下端的外螺紋相配合的內螺紋。
[0010] 進一步地，所述拉簧採用彈簧鋼製成，所述拉簧由六個首尾相接的且直徑相同的 圓環組成。
[0011] 進一步地，所述第一防松墊圈和第二防松墊圈均為一個有缺口的圓環，所述帶有 缺口的圓環的尺寸等於所述拉簧圓環的尺寸。
[0012] 進一步地，所述上楔形墊塊和下楔形墊塊端面的斜面傾角為4°。
[0013] 進一步地，所述半球墊塊的上端面為半圓柱面，下端面為平面。
[0014] 本實用新型具有如下有益效果：本實用新型精密定位裝置是在壓電陶瓷片通電後 伸長輸出一微小位移，推動抱爪輸出一微小位移，則待定位物體在抱爪的夾持下也跟著輸 出一微小位移，這樣待定位物體的解析度可以達到跟壓電陶瓷片相同的數量級，在整個過 程中待定位物體的啟動、停止和解析度完全由壓電陶瓷片控制，因此可以實現很好的控制 精度和高解析度，通過該精密定位裝置可以實現物體微米級別（<5um)的精密定位，對於精 密定位領域的研究具有重大意義。

【專利附圖】

【附圖說明】：
[0015] 圖1是壓電陶瓷預緊結構示意圖。
[0016] 圖2是驅動足結構示意圖。
[0017] 圖3是精密定位裝置總體結構示意圖。
[0018] 圖4是壓電陶瓷片上施加的鋸齒波電信號圖。
[0019] 圖中：
[0020] 1-抱爪、2-陶瓷球、3-第一柔性足、4-第一支撐塊、5-第一防松墊圈、6-第一支撐 軸、7-壓電陶瓷片、8-拉簧、9-上楔形墊塊、10-下楔形墊塊、11-半球墊塊、12-底座、13-待 定位物體（可以是光學鏡頭，傳感器探頭，雷射探頭，車床刀頭、載物臺等等）、14_彈性線 圈、15-第二柔性足、16-第二支撐塊、17-第二防松墊圈、18-第二支撐軸。

【具體實施方式】：
[0021] 下面結合附圖對本實用新型的技術方案做進一步的詳細說明。
[0022] 如圖1至3所示，本實用新型精密定位裝置包括底座12、安裝於底座12上的三個 驅動足及纏繞於三個驅動足外側的彈性線圈14,其中每個驅動足包括抱爪1、陶瓷球2、第 一柔性足3、第一支撐塊4、第一防松墊圈5、第一支撐軸6、壓電陶瓷片7、拉簧8、上楔形墊 塊9、下楔形墊塊10、半球墊塊11、第二柔性足15、第二支撐塊16、第二防松墊圈17、第二支 撐軸18。抱爪1包含上下端面和四個側面，四個側面分別為相對的兩個半圓柱面和相對的 兩個矩形平面，其中的一個矩形平面上加工有兩個半球形凹坑，凹坑面的直徑等於陶瓷球2 的直徑，將陶瓷球2壓入凹坑中，並用AB膠粘牢；待定位物體13被夾持定位於三個抱爪1 所圍成的空間中，且抱爪1與待定位物體13之間通過陶瓷球2形成點接觸，通過將彈性線 圈14纏繞在三個抱爪1的外側，以對抱爪1和待定位物體13施加預緊力，進而增加抱爪1 與待定位物體13之間的摩擦力。
[0023] 第一柔性足3和第二柔性足15依次安裝於抱爪1的下方，且第一柔性足3和第二 柔性足15採用黃銅製成，其上的柔性鉸鏈採用線切割加工，且第一柔性足3和第二柔性足 15的兩端均加工有外螺紋。且第一柔性足3和第二柔性足15之間按照順序依次放置第一 支撐塊4、六片壓電陶瓷片7、上楔形墊塊9、下楔形墊塊10、半球墊塊11和第二支撐塊16， 通過第一柔性足3上端設置的外螺紋與抱爪1的內螺紋相嚙合進而將第一柔性足3與抱爪 1相連接，同時通過第一柔性足3下端設置的外螺紋與第一支撐塊4的內螺紋相嚙合進而將 第一柔性足3與第一支撐塊4相連接，其中抱爪1的軸線與第一柔性足3的中軸線相重合。 同樣地，通過第二柔性足15上端的外螺紋與第二支撐塊16的內螺紋相嚙合進而將第二柔 性足15和第二支撐塊16相連接，在底座12上設置有三個用來安裝驅動足的螺紋孔（未標 示），通過第二柔性足15下端的外螺紋與底座12上螺紋孔相嚙合進而將第二柔性足15安 裝於底座12上。
[0024] 依次排列的六片壓電陶瓷片7的最上面的一片緊貼於第一支撐塊4的下表面，最 下面的一片緊貼於上楔形墊塊9,六片壓電陶瓷片7通過導線與外部控制電路板相連，外部 控制電路板給壓電陶瓷片7加電，本實用新型精密定位裝置才能工作。本實用新型中上楔 形墊塊9和下楔形墊塊10端面的斜面傾角為4°，上、下楔形墊塊的作用是利用斜面自鎖的 原理，防止壓電陶瓷片7工作時產生相對滑動，半球墊塊11的上端面為半圓柱面，下端面為 平面，且半球墊塊11的作用是使壓電陶瓷片7受到的預壓力均勻分布。
[0025] 第一支撐塊4上加工有橫向方向延伸的第一通孔（未標不），其中第一通孔的直徑 等於第一支撐軸6的直徑，第一支撐軸6穿過第一通孔後與所述第一支撐塊4相配合，第二 支撐塊16上加工有橫向方向延伸的第二通孔（未標不），其中第二通孔的直徑等於第二支 撐軸18的直徑，第二支撐軸18穿過第二通孔後與所述第二支撐塊16相配合。拉簧8採用 彈簧鋼製成，結構形式為六個首尾相接的且直徑相同的圓環，拉簧8的兩端分別套在第一 支撐軸6和第二支撐軸18的外端面上用於對第一支撐塊4和第二支撐塊16之間所夾的壓 電陶瓷片7施加預緊力；第一防松墊圈5安裝在第一支撐軸6的外端面上且位於拉簧8的 上末端的外側，第二防松墊圈17安裝在第二支撐軸18的外端面上且位於拉簧8的下末端 的外側，第一防松墊圈5和第二防松墊圈17均為一個有缺口的圓環，圓環尺寸等於拉簧8 上六個圓環的尺寸。通過第一防松墊圈5和第二防松墊圈17壓緊拉簧8的兩末端進而防 止第一支撐軸6及第二支撐軸18與拉簧8連接處鬆動。
[0026] 本實用新型精密定位裝置的原理是在壓電陶瓷片通電後伸長輸出一微小位移，推 動抱爪輸出一微小位移，則待定位物體在抱爪的夾持下也跟著輸出一微小位移，這樣待定 位物體的解析度可以達到跟壓電陶瓷片相同的數量級，在整個過程中待定位物體的啟動、 停止和解析度完全由壓電陶瓷片控制，因此可以實現很好的控制精度和高解析度。
[0027] 如圖1至3並結合圖4所示，本實用新型精密定位裝置的工作方法如下：
[0028] 1).外部控制電路板通過導線給壓電陶瓷片施加如圖4所示的鋸齒波電信號，精 密定位裝置開始工作；
[0029] 2).當電信號電壓緩慢增大時（即由a到b變化時），壓電陶瓷片緩慢伸長，推動 抱爪向上移動一個位移s，則被抱爪所夾持的物體也向上運動位移s ;
[0030] 3).當電信號的電壓快速恢復時到初始值時（即由b到c變化時），壓電陶瓷片快 速收縮，帶動抱爪快速下降到初始位置，因為慣性的作用，此時待定位物體保持不動，則在 這個工作周期內，物體向上運動了位移s ;
[0031] 4).重複步驟1)至步驟3)的過程，則待定位物體繼續向上做單向間歇直線運動。
[0032] 通過上述步驟，則本實用新型精密定位裝置的定位解析度即為s，定位距離為 nXs，η是鋸齒波電信號的周期數，因為壓電陶瓷片的伸長量僅為幾個um，因此，本實用新 型所設計的精密定位裝置其定位精度可以達到5um以下。
[0033] 同樣地，對於本實用新型精密定位裝置如果改變驅動電信號的方向，則物體將向 下作單向間歇直線運動，即通過控制鋸齒波電信號的周期數就能控制待定位物體移動的總 位移。
[〇〇34] 以上所述僅是本實用新型的優選實施方式，應當指出，對於本【技術領域】的普通技 術人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下還可以作出若干改進，這些改進也應視為 本實用新型的保護範圍。
【權利要求】
1. 一種精密定位裝置，包括底座（12)及安裝於底座（12)上的若干個驅動足，其特徵 在於：所述若干個驅動足在底座（12)上安裝後形成有用來夾持固定待定位物體（13)的空 間，所述每一個驅動足包括與待定位物體（13)相點接觸的抱爪（1)，安裝於抱爪（1)下方的 依次排列的第一柔性足（3)和第二柔性足（15)，安裝於第一柔性足（3)和第二柔性足（15) 之間的且依次排列的第一支撐塊（4)、壓電陶瓷片（7)、上楔形墊塊（9)、下楔形墊塊（10)、 半球墊塊（11)及第二支撐塊（16)，所述第一支撐塊（4)和第二支撐塊（16)上分別形成有 一橫向方向延伸的第一通孔和第二通孔，所述第一通孔和第二通孔中分別穿設有第一支撐 軸（6)和第二支撐軸（18)，所述精密定位裝置還包括有卡簧（8)和彈性線圈（14)，所述卡 簧（8)的兩端分別套設於所述第一支撐軸（6)和第二支撐軸（18)的外端面上用以控制壓 電陶瓷片（7)的伸縮，所述彈性線圈（14)套設於所述若干個抱爪（1)的外圍進而提高抱爪 (1)和待定位物體（13)之間的摩擦力。
2. 如權利要求1所述的精密定位裝置，其特徵在於：所述抱爪（1)包括上下端面和四 個側面，所述四個側面分別為相對的兩個半圓柱面和相對的兩個矩形平面，在其中一個矩 形平面上加工有兩個半球形凹坑，所述凹坑中收容有與所述待定位物體（13)相點接觸的 陶瓷球（2)，所述凹坑面的直徑與所述陶瓷球（2)的直徑相同。
3. 如權利要求2所述的精密定位裝置，其特徵在於：所述第一通孔的直徑與所述第一 支撐軸（6)的直徑相同，所述第二通孔與所述第二支撐軸（18)的直徑相同，所述精密定位 裝置還包括有安裝於所述第一支撐軸（6)的外端面上且位於拉簧（8)的上末端的外側的第 一防松墊圈（5)及安裝在第二支撐軸（18)的外端面上且位於拉簧（8)的下末端的外側的 第二防松墊圈（17)。
4. 如權利要求3所述的精密定位裝置，其特徵在於：所述第一柔性足（3)採用黃銅製 成，所述第一柔性足（3)的兩端加工有外螺紋，所述抱爪（1)內部加工有與所述第一柔性足 (3)上端的外螺紋相配合的內螺紋，所述第一支撐塊（4)的內部加工有與所述第一柔性足 (3)下端的外螺紋相配合的內螺紋。
5. 如權利要求4所述的精密定位裝置，其特徵在於：所述第二柔性足（15)採用黃銅製 成，所述第二柔性足（15)的兩端加工有外螺紋，所述第二支撐塊（16)的內部加工有與所述 第二柔性足（15)上端的外螺紋相配合的內螺紋，所述底座（12)上加工有與所述第二柔性 足（15)下端的外螺紋相配合的內螺紋。
6. 如權利要求5所述的精密定位裝置，其特徵在於：所述拉簧（8)採用彈簧鋼製成，所 述拉簧（8)由六個首尾相接的且直徑相同的圓環組成。
7. 如權利要求6所述的精密定位裝置，其特徵在於：所述第一防松墊圈（5)和第二防 松墊圈（17)均為一個有缺口的圓環，所述帶有缺口的圓環的尺寸等於所述拉簧（8)上圓環 的尺寸。
8. 如權利要求7所述的精密定位裝置，其特徵在於：所述上楔形墊塊（9)和下楔形墊 塊（10)端面的斜面傾角為4°。
9. 如權利要求8所述的精密定位裝置，其特徵在於：所述半球墊塊（11)的上端面為半 圓柱面，下端面為平面。
【文檔編號】H02N2/02GK203883698SQ201420251207
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年5月15日 優先權日:2014年5月15日
【發明者】王寅, 黃衛清, 周昇 申請人:南京航空航天大學