專利名稱：一種基于仿生原理的精密運動驅(qū)動裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于仿生原理的精密運動驅(qū)動裝置，屬于幾何量計量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在幾何量計量技術(shù)領(lǐng)域，比較常用的精密運動及定位裝置通常采用電機(jī)加絲杠的 驅(qū)動方式，這種驅(qū)動方式可以實現(xiàn)大范圍運動，但只能達(dá)到微米級的運動分辨力；還有的采 用壓電陶瓷微位移驅(qū)動器方式，這種驅(qū)動方式可以實現(xiàn)納米級的運動分辨率，但運動范圍 通常只有微米級；要實現(xiàn)大運動范圍的納米級運動分辨率及定位精度，只能采用粗動與微 動相結(jié)合的兩級運動方式，使用電機(jī)加絲杠實現(xiàn)大范圍運動，再使用壓電陶瓷微位移驅(qū)動 裝置實現(xiàn)小范圍調(diào)整，這種方式的缺點是兩種驅(qū)動方式之間的結(jié)合非常困難，不能實現(xiàn)整 個運動范圍的超精細(xì)平穩(wěn)運動，尤其無法實現(xiàn)大范圍的高精度掃描。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，使運動執(zhí)行裝置在大運動范圍的情況 下實現(xiàn)高運動分辨率，提出一種基于仿生原理的精密運動驅(qū)動裝置。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的。本發(fā)明的一種基于仿生原理的精密運動驅(qū)動裝置，由前吸盤、前壓電陶瓷微位移 驅(qū)動元件、運動輸出支點、后壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件、后吸盤組成，其外圍設(shè)備為固定驅(qū) 動裝置用的鐵質(zhì)軟磁導(dǎo)磁平板；前吸盤、前壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件、運動輸出支點、后壓電陶瓷微位移驅(qū)動元 件、后吸盤依次排列成一條直線，前壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件和后壓電陶瓷微位移驅(qū)動元 件的運動方向也在這一直線上；前壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件的一端和后壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件的一端分別固 定連接在運動輸出支點的前、后兩側(cè)，前壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件的另一端固定連接于前 吸盤，后壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件的另一端固定連接于后吸盤；前吸盤和后吸盤在裝置運動過程中，受到前壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件和后壓電陶 瓷微位移驅(qū)動元件的推動而滑動，就象動物的兩條腿，交替吸附于鐵質(zhì)軟磁導(dǎo)磁平板上，從 而實現(xiàn)運動輸出支點的大范圍運動；前吸盤和后吸盤均為磁性吸盤，由吸盤磁路、電磁線圈和高磁性永久磁鐵組成，高 磁性永久磁鐵位于吸盤磁路之中，電磁線圈纏繞在吸盤磁路外面；吸盤磁路與導(dǎo)磁平板構(gòu) 成一個完整的鐵磁回路，使磁路的磁阻盡量小，在電磁線圈不通電時，吸盤磁路中有足夠的 磁通量，保證吸盤與平板間有足夠的正壓力，從而提供足夠的摩擦力，保證吸盤能牢固地吸 附于鐵質(zhì)軟磁導(dǎo)磁平板上；當(dāng)需要吸盤脫開時，在電磁線圈中通電，使其產(chǎn)生一個與永久磁 鐵磁場方向相反的磁場，從而降低吸盤磁路的磁通量，使磁回路的綜合磁通量為零，吸盤就 可以在鐵質(zhì)軟磁導(dǎo)磁平板上自由滑動；本發(fā)明的一種基于仿生原理的精密運動驅(qū)動裝置，其向前運動的過程如下
步驟1.后吸盤吸附于鐵質(zhì)軟磁導(dǎo)磁平板上，前吸盤脫開，前壓電陶瓷微位移驅(qū)動 元件和后壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件伸長，推動運動輸出支點向前運動，同時前吸盤也向前 運動；步驟2.當(dāng)前壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件和后壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件伸長到極限 位置后，前吸盤吸附于鐵質(zhì)軟磁導(dǎo)磁平板上，后吸盤脫開，前壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件和后 壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件縮短，拉動運動輸出支點向前運動，同時后吸盤也向前運動；步驟3.當(dāng)前壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件和后壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件收縮到極限 位置后，驅(qū)動裝置處于一個前方的新的位置；重復(fù)進(jìn)行上述步驟1、2、3，運動輸出支點就可以實現(xiàn)連續(xù)向前運動；本發(fā)明的一種基于仿生原理的精密運動驅(qū)動裝置，其向后運動的過程如下步驟1.前吸盤吸附于鐵質(zhì)軟磁導(dǎo)磁平板上，后吸盤脫開，前壓電陶瓷微位移驅(qū)動 元件和后壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件伸長，推動運動輸出支點向后運動，同時后吸盤也向后 運動；步驟2.當(dāng)前壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件和后壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件伸長到極限 位置后，后吸盤吸附于鐵質(zhì)軟磁導(dǎo)磁平板上，前吸盤脫開，前壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件和后 壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件縮短，拉動運動輸出支點向后運動，同時前吸盤也向后運動；步驟3.當(dāng)前壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件和后壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件收縮到極限 位置后，驅(qū)動裝置處于一個后方的新的位置；重復(fù)進(jìn)行上述步驟1、2、3，運動輸出支點就可以實現(xiàn)連續(xù)向后運動；這種采用磁性吸盤的方式，既有利于減小驅(qū)動裝置的體積，還能夠提供足夠的吸 附力，保證吸盤與鐵質(zhì)軟磁導(dǎo)磁平板的摩擦力足夠大，從而使驅(qū)動裝置的輸出力足夠大，也 便于降低控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度；在本發(fā)明的精密運動驅(qū)動裝置中，發(fā)熱元件主要是前吸盤和后吸盤中的電磁線 圈；采用永久磁鐵磁路的好處就是在精密運動驅(qū)動裝置做精密定位時，吸盤電磁線圈不需 要通電，即此時電磁線圈的發(fā)熱比較小，而根據(jù)統(tǒng)計，幾何量計量過程中，運動裝置大部分 時間都是處于保持狀態(tài)，因此可使本裝置發(fā)熱大大降低；另外在整個控制系統(tǒng)還沒有工作 時，能夠保證運動系統(tǒng)不被移動，從而使整個系統(tǒng)處于已知狀態(tài)；前壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件和后壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件是本裝置的運動單元， 這兩個驅(qū)動元件類似動物驅(qū)動兩條腿的肌肉，在“一步”內(nèi)的運動由這兩個驅(qū)動元件控制完 成；壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件的特點是1)位移量與驅(qū)動電壓近似線性關(guān)系，并可以通過 反饋控制方式實現(xiàn)精密的位移控制，位移分辨率可以達(dá)到納米級；2)運動范圍可以達(dá)到驅(qū) 動元件長度的0. 15%；3)驅(qū)動力大，可以達(dá)到幾牛頓到幾千牛頓；4)利用電場力工作，在位 置保持時幾乎不消耗能量；5)響應(yīng)速度快；在本發(fā)明的精密運動驅(qū)動裝置中，運動輸出支點位于驅(qū)動裝置的中部，前壓電陶 瓷微位移驅(qū)動元件和后壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件的連接部位，這樣的布局可以保證運動輸 出支點的運動不會因為運動過程中前吸盤和后吸盤的切換而造成頓挫。有益效果本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，發(fā)熱量低，運動過程無頓挫；具有高運動分辨率和大的運動范 圍，其運動范圍只受鐵質(zhì)軟磁導(dǎo)磁平板尺寸的限制；可以實現(xiàn)精確運動，適用于需要進(jìn)行低速運行的場合。
圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；其中，1為前吸盤，2為前壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件，3為運動輸出支點，4為后壓電 陶瓷微位移驅(qū)動元件，5為后吸盤；圖2為本發(fā)明中前吸盤和后吸盤的結(jié)構(gòu)示意圖；其中，6為吸盤磁路，7為電磁線圈，8為高磁性永久磁鐵，9為鐵質(zhì)軟磁導(dǎo)磁平板；圖3為本發(fā)明的驅(qū)動裝置實現(xiàn)向前運動的過程示意圖；圖4為本發(fā)明的驅(qū)動裝置實現(xiàn)向后運動的過程示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。實施例一種基于仿生原理的精密運動驅(qū)動裝置，如圖1所示，由前吸盤、前壓電陶瓷微位 移驅(qū)動元件、運動輸出支點、后壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件、后吸盤組成，其外圍設(shè)備為固定 驅(qū)動裝置用的鐵質(zhì)軟磁導(dǎo)磁平板；前吸盤、前壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件、運動輸出支點、后壓電陶瓷微位移驅(qū)動元 件、后吸盤依次排列成一條直線，前壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件和后壓電陶瓷微位移驅(qū)動元 件的運動方向也在這一直線上；前壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件的一端和后壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件的一端分別固 定連接在運動輸出支點的前、后兩側(cè)，前壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件的另一端固定連接于前 吸盤，后壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件的另一端固定連接于后吸盤；前吸盤和后吸盤在裝置運動過程中，受到前壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件和后壓電陶 瓷微位移驅(qū)動元件的推動而滑動，就象動物的兩條腿，交替吸附于鐵質(zhì)軟磁導(dǎo)磁平板上，從 而實現(xiàn)運動輸出支點的大范圍運動；前吸盤和后吸盤均為磁性吸盤，如圖2所示，由吸盤磁路、電磁線圈和高磁性永久 磁鐵組成，高磁性永久磁鐵位于吸盤磁路之中，電磁線圈纏繞在吸盤磁路外面。本實施例的一種基于仿生原理的精密運動驅(qū)動裝置，如圖3所示，其向前運動的 過程如下步驟1.后吸盤吸附于鐵質(zhì)軟磁導(dǎo)磁平板上，前吸盤脫開，前壓電陶瓷微位移驅(qū)動 元件和后壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件伸長，推動運動輸出支點向前運動，同時前吸盤也向前 運動；步驟2.當(dāng)前壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件和后壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件伸長到極限 位置后，前吸盤吸附于鐵質(zhì)軟磁導(dǎo)磁平板上，后吸盤脫開，前壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件和后 壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件縮短，拉動運動輸出支點向前運動，同時后吸盤也向前運動；步驟3.當(dāng)前壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件和后壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件收縮到極限 位置后，驅(qū)動裝置處于一個前方的新的位置；重復(fù)進(jìn)行上述步驟1、2、3，運動輸出支點就可以實現(xiàn)連續(xù)向前運動；
本實施例的一種基于仿生原理的精密運動驅(qū)動裝置，如圖3所示，其向后運動的 過程如下步驟1.前吸盤吸附于鐵質(zhì)軟磁導(dǎo)磁平板上，后吸盤脫開，前壓電陶瓷微位移驅(qū)動 元件和后壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件伸長，推動運動輸出支點向后運動，同時后吸盤也向后 運動；步驟2.當(dāng)前壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件和后壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件伸長到極限 位置后，后吸盤吸附于鐵質(zhì)軟磁導(dǎo)磁平板上，前吸盤脫開，前壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件和后 壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件縮短，拉動運動輸出支點向后運動，同時前吸盤也向后運動；步驟3.當(dāng)前壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件和后壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件收縮到極限 位置后，驅(qū)動裝置處于一個后方的新的位置；重復(fù)進(jìn)行上述步驟1、2、3，運動輸出支點就可以實現(xiàn)連續(xù)向后運動。上述前吸盤和后吸盤均采用直徑20mm圓柱形軟鐵磁路，采用釹鐵硼稀土永磁材 料作為磁路中的永久磁鐵；上述前壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件和后壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件均采用 IOmmX IOmmX30mm、行程45 μ m、驅(qū)動能力1000N、帶位移反饋的層疊式壓電陶瓷微位移驅(qū) 動元件；本實施例在普通鑄鐵平臺上實現(xiàn)了 500mm運動行程，并可以實現(xiàn)IOnm的定位精度。以上所述為本發(fā)明的較佳實施例而已，本發(fā)明不應(yīng)該局限于該實施例和附圖所公 開的內(nèi)容。凡是不脫離本發(fā)明所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本發(fā)明保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
1.一種基于仿生原理的精密運動驅(qū)動裝置，其外圍設(shè)備為固定驅(qū)動裝置用的鐵質(zhì)軟磁 導(dǎo)磁平板，其特征在于由前吸盤、前壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件、運動輸出支點、后壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件、 后吸盤組成；前吸盤、前壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件、運動輸出支點、后壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件、后 吸盤依次排列成一條直線，前壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件和后壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件的運 動方向也在這一直線上；前壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件的一端和后壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件的一端分別固定連 接在運動輸出支點的前、后兩側(cè)，前壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件的另一端固定連接于前吸盤， 后壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件的另一端固定連接于后吸盤；前吸盤和后吸盤在裝置運動過程中，受到前壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件和后壓電陶瓷微 位移驅(qū)動元件的推動而滑動，交替吸附于鐵質(zhì)軟磁導(dǎo)磁平板上；前吸盤和后吸盤均為磁性吸盤，由吸盤磁路、電磁線圈和高磁性永久磁鐵組成，高磁性 永久磁鐵位于吸盤磁路之中，電磁線圈纏繞在吸盤磁路外面；當(dāng)電磁線圈不通電時，吸盤吸 附于鐵質(zhì)軟磁導(dǎo)磁平板上；當(dāng)電磁線圈中通電時，產(chǎn)生一個與永久磁鐵磁場方向相反的磁 場，使吸盤從鐵質(zhì)軟磁導(dǎo)磁平板上脫開并可以自由滑動；上述基于仿生原理的精密運動驅(qū)動裝置，其向前運動的過程如下 步驟1.后吸盤吸附于鐵質(zhì)軟磁導(dǎo)磁平板上，前吸盤脫開，前壓電陶瓷微位移驅(qū)動元 件和后壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件伸長，推動運動輸出支點向前運動，同時前吸盤也向前運 動；步驟2.當(dāng)前壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件和后壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件伸長到極限位置 后，前吸盤吸附于鐵質(zhì)軟磁導(dǎo)磁平板上，后吸盤脫開，前壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件和后壓電 陶瓷微位移驅(qū)動元件縮短，拉動運動輸出支點向前運動，同時后吸盤也向前運動；步驟3.當(dāng)前壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件和后壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件收縮到極限位置 后，驅(qū)動裝置處于一個前方的新的位置；重復(fù)進(jìn)行上述步驟1、2、3，運動輸出支點就可以實現(xiàn)連續(xù)向前運動； 上述一種基于仿生原理的精密運動驅(qū)動裝置，其向后運動的過程如下 步驟1.前吸盤吸附于鐵質(zhì)軟磁導(dǎo)磁平板上，后吸盤脫開，前壓電陶瓷微位移驅(qū)動元 件和后壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件伸長，推動運動輸出支點向后運動，同時后吸盤也向后運 動；步驟2.當(dāng)前壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件和后壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件伸長到極限位置 后，后吸盤吸附于鐵質(zhì)軟磁導(dǎo)磁平板上，前吸盤脫開，前壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件和后壓電 陶瓷微位移驅(qū)動元件縮短，拉動運動輸出支點向后運動，同時前吸盤也向后運動；步驟3.當(dāng)前壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件和后壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件收縮到極限位置 后，驅(qū)動裝置處于一個后方的新的位置；重復(fù)進(jìn)行上述步驟1、2、3，運動輸出支點就可以實現(xiàn)連續(xù)向后運動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于仿生原理的精密運動驅(qū)動裝置，其特征在于所述 前吸盤和后吸盤均采用直徑20mm圓柱形軟鐵磁路，采用釹鐵硼稀土永磁材料作為磁路中 的永久磁鐵。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于仿生原理的精密運動驅(qū)動裝置，其特征在于所述 前壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件和后壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件均采用IOmmX IOmmX 30mm、行程 45 μ m、驅(qū)動能力1000N、帶位移反饋的層疊式壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于仿生原理的精密運動驅(qū)動裝置，屬于幾何量計量技術(shù)領(lǐng)域。由前吸盤、前壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件、運動輸出支點、后壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件、后吸盤組成，其外圍設(shè)備為固定驅(qū)動裝置用的鐵質(zhì)軟磁導(dǎo)磁平板；通過協(xié)調(diào)前吸盤和后吸盤的吸附動作，以及前壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件和后壓電陶瓷微位移驅(qū)動元件的伸縮動作，推動運動輸出支點實現(xiàn)大運動范圍內(nèi)的納米級精確定位驅(qū)動。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，發(fā)熱量低，運動過程無頓挫；具有高運動分辨率和大運動范圍，其運動范圍只受鐵質(zhì)軟磁導(dǎo)磁平板尺寸的限制；可以實現(xiàn)精確運動，適用于需要進(jìn)行低速運行的場合。
文檔編號H02N2/02GK102122901SQ20111005352
公開日2011年7月13日 申請日期2011年3月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月7日
發(fā)明者蘭一兵, 朱振宇, 李華豐, 李強(qiáng), 王霽 申請人:中國航空工業(yè)集團(tuán)公司北京長城計量測試技術(shù)研究所