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CN103963033B - 基于应力刚化原理的刚度频率可调一维微动平台 - Google Patents

基于应力刚化原理的刚度频率可调一维微动平台 Download PDF

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CN103963033B CN201410214605.0A CN201410214605A CN103963033B CN 103963033 B CN103963033 B CN 103963033B CN 201410214605 A CN201410214605 A CN 201410214605A CN 103963033 B CN103963033 B CN 103963033B
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陈新
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王梦
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Abstract

本发明涉及用精密一维运动场合，可用于通用一维运动平台的精密位移补偿。本发明具体涉及基于应力刚化原理的刚度频率可调一维微动平台，包括运动子平台及对应驱动器、微动工作平台，利用通过频率调节机构调节张紧力的薄膜组作为柔性铰链，实现一维微动平台的振动频率的手动或动态调整。本发明采用上述结构，基于预应力膜，频率可调，能根据不同的工况和驱动频率，可在工作前或工作过程中调节微动平台的固有频率。

Description

基于应力刚化原理的刚度频率可调一维微动平台
技术领域
本发明涉及精密运动平台，可用于精密操作和宏微复合高速精密补偿，本发明具体涉及基于应力刚化原理的刚度频率可调一维微动平台。
背景技术
为了实现一维精密运动，精确、稳定的进给机构显得尤为重要，因为它与产品的质量密切相关。另外，复杂光学自由曲面由于体积小，高精度更是对微进给机构提出了严格的要求。微进给系统是加工此类产品的基础，其广泛应用于快刀伺服进给系统，微动工作台和宏微复合平台等中。传统的一维微进给装置通常采用固定频率设计，对材料特性和制造误差提出了极高的要求，尤其在加工不同产品时，其驱动频率通常会变化，使得固定频率的运动平台位移放大因子不一致，从而使得位移放大失真。
在先技术1：刚度可调节的快刀伺服器(发明专利申请号201210055119.X)发明了一种刚度可调的快刀伺服机构，该机构的原理是采用对称布置的柔性铰链，消除垂向伴生运动。刚度调节是通过安装在前面的压紧弹簧，只能通过更换弹簧来该改变刚度，不能连续可调。
在先技术2：一种基于柔性铰链放大机构的频率可调快刀伺服进给装置(发明申请号：201210250524.7)发明了一种基于柔性铰链薄膜的快刀伺服机构，频率调节原理是通过薄膜的张力，可以实现频率和刚度的连续可调。但是，该机构采用位移放大方式存在有应力集中的柔性铰链，影响机构的使用寿命。
此外，上述两个发明在采用压电陶瓷驱动时，是通过接触来传递载荷，并需要一定的预紧力，造成了接触过程中的运动间隙和柔性铰链的非对称工作。为此，本发明取消了柔性铰链放大机构，并采用音圈电机替代压电陶瓷，通过非接触的驱动和位移测量，实时判断载荷工况，并根据载荷工况的变化，动态调节驱动机构的频率，可以实现动态特性的智能匹配。
发明内容
本发明的目的在于提出基于应力刚化原理的刚度频率可调一维微动平台，基于预应力膜，频率可调，适应不同的运动特性需求。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
基于应力刚化原理的刚度频率可调一维微动平台，其特征在于：包括机架(1)、薄膜组(201)、运动子平台(202)、外框架(203)、驱动器、工作平台(4)和频率调节机构(7)；
所述运动子平台(202)的两侧通过所述薄膜组(201)与所述外框架(203)内壁连接，所述薄膜组(201)内的薄膜为平行布置，且所述薄膜的长度方向垂直于所述运动子平台(202)的运动方向；
所述外框架(203)刚性固定于所述机架(1)，所述工作平台(4)刚性固定于所述运动子平台(202)；
所述驱动器包括有定子(301)和动子(302)，所述的定子(301)固定于所述机架(1)或者所述外框架(203)，所述动子(302)固定在所述运动子平台(202)上；
所述外框架(203)与所述薄膜组(201)连接处设有槽(2)，使所述外框架(203)内侧形成较薄的可变形的弹性件(5),所述外框架(203)设有调节所述弹性件(5)变形度的所述频率调节机构(7)。
还包括微位移传感器(6)，设于所述运动子平台(202)的进给方向的端部。
所述微位移传感器(6)为电容式传感器。
所述微位移传感器(6)为电感式传感器。
所述微位移传感器(6)的非工作面设置有绝缘层。
所述薄膜组(201)、运动子平台(202)和外框架(203)为一体式结构。
所述驱动器为音圈电机。
所述驱动器为压电陶瓷驱动器。
所述频率调节机构(7)为穿过所述槽(2)的螺栓，其两端分别连接于所述槽(2)的两侧。
所述频率调节机构(7)为穿过所述槽(2)的压电陶瓷驱动器，其两端分别连接于所述槽(2)的两侧。
本发明所提出的微动平台频率调节的技术原理为：预应力膜所构成的柔顺机构的固有频率与预应力膜的张力相关，通过调节预应力膜内的张紧力来调节机构的固有频率，满足不同工况的要求。
由于采用上述技术方案，本发明提出的频率调节一维微动平台具有以下优点：
1.采用了基于调节预应力膜张紧力来改变机构固有频率的的设计方案，可以手动或动态的调整机构的运动特性，改善并提高微动平台的性能。
2.本发明所提出的一维微动平台中驱动器的大质量的定子都固定在机架上，减小了微动平台的运动惯性，有利于提高微动平台的响应速度。
3.本发明所提出的一维微动平台采用一体式柔顺机构来实现一维位移，没有运动副间隙，可以适应高执行频率的工作环境。
附图说明
图1是本发明一种实例的结构轴测示意图
图2是本发明的一种实例的正视图
图3是本发明的一维微动平台的薄膜组、运动子平台和外框架的一体式结构示意图
图4是本发明的另一种实例的结构轴测示意图
图5是本发明的另一种实例的正视图。
其中，机架1，槽2，薄膜组201，运动子平台202，外框架203，定子301，动子302，工作平台4，弹性件5，微位移传感器6，频率调节机构7，压电陶瓷片701，外框架203。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
如图1及图2所示，基于应力刚化原理的刚度频率可调一维微动平台，包括机架1、薄膜组201、运动子平台202、外框架203、驱动器、工作平台4和频率调节机构7；
所述运动子平台202的两侧通过所述薄膜组201与所述外框架203内壁连接，所述薄膜组201内的薄膜为平行布置，且所述薄膜的长度方向垂直于所述运动子平台202的运动方向；
所述外框架203刚性固定于所述机架1，所述工作平台4刚性固定于所述运动子平台202；
所述驱动器包括有定子301和动子302，所述的定子301固定于所述机架1或者所述外框架203，所述动子302固定在所述运动子平台202上，用来驱动运动子平台202；
所述外框架203与所述薄膜组201连接处设有槽2，使所述外框架203内侧形成较薄的可变形的弹性件5,所述外框架203设有调节所述弹性件5变形度的所述频率调节机构7。
所述驱动器驱动所述运动子平台202及与其连接的工作平台4产生一维微位移进给。在所述薄膜组201的牵制作用下，所述运动部分在非进给方向的运动被抑制。
所述工作平台安装有刀具等功能组件，在所述驱动器的驱动作用下产生一维位移，完成相应的工艺动作。
通过所述频率调节机构7改变所述薄膜组201的松紧程度可以改变上述微运动中的机构固有频率，从而改变所述工作平台4运动特性。
还包括微位移传感器6，设于所述运动子平台202的进给方向的端部。用于所述检测工作平台4的一维微位移。
所述微位移传感器6为电容式传感器。
所述微位移传感器6为电感式传感器。
所述微位移传感器6的非工作面设置有绝缘层，用于防止位移传感器被其他金属材料干扰，影响测量精度。
如图3所示，所述薄膜组201、运动子平台202和外框架203为一体式结构。由整块材料经过铣削、电火花加工等方式获取，避免了零件的装配误差，可以提高平台运动精度。
所述驱动器为音圈电机。
所述驱动器为压电陶瓷驱动器。
所述频率调节机构7为穿过所述槽2的螺栓，其两端分别连接于所述槽2的两侧。
所述频率调节机构7为螺栓。所述螺栓可手动调节长度方向产生位移，改变所述弹性件5的变形度，进而改变薄膜组201的薄膜张紧力，实现对平台的结构固有频率的动态调整。
所述频率调节机构7为穿过所述槽2的压电陶瓷驱动器，其两端分别连接于所述槽2的两侧。
如图4、图5所示，所述频率调节机构7包括螺栓和压电陶瓷片701。所述压电陶瓷片701在外加电压作用下可在螺栓的长度方向产生位移，改变所述弹性件5的变形度，进而改变所述薄膜组201的薄膜张紧力，实现对平台的结构固有频率的动态调整。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于应力刚化原理的刚度频率可调一维微动平台，其特征在于：包括机架(1)、薄膜组(201)、运动子平台(202)、外框架(203)、驱动器、工作平台(4)和频率调节机构(7)；
所述运动子平台(202)的两侧通过所述薄膜组(201)与所述外框架(203)内壁连接，所述薄膜组(201)内的薄膜为平行布置，且所述薄膜的长度方向垂直于所述运动子平台(202)的运动方向；
所述外框架(203)刚性固定于所述机架(1)，所述工作平台(4)刚性固定于所述运动子平台(202)；
所述驱动器包括有定子(301)和动子(302)，所述的定子(301)固定于所述机架(1)或者所述外框架(203)，所述动子(302)固定在所述运动子平台(202)上；
所述外框架(203)与所述薄膜组(201)连接处设有槽(2)，使所述外框架(203)内侧形成较薄的可变形的弹性件(5),所述外框架(203)设有调节所述弹性件(5)变形度的所述频率调节机构(7)。
2.根据权利要求1所述的基于应力刚化原理的刚度频率可调一维微动平台，其特征在于：还包括微位移传感器(6)，设于所述运动子平台(202)的进给方向的端部。
3.根据权利要求2所述的基于应力刚化原理的刚度频率可调一维微动平台，其特征在于：所述微位移传感器(6)为电容式传感器。
4.根据权利要求2所述的基于应力刚化原理的刚度频率可调一维微动平台，其特征在于：所述微位移传感器(6)为电感式传感器。
5.根据权利要求2所述的基于应力刚化原理的刚度频率可调一维微动平台，其特征在于：所述微位移传感器(6)的非工作面设置有绝缘层。
6.根据权利要求1所述的基于应力刚化原理的刚度频率可调一维微动平台，其特征在于：所述薄膜组(201)、运动子平台(202)和外框架(203)为一体式结构。
7.根据权利要求1所述的基于应力刚化原理的刚度频率可调一维微动平台，其特征在于：所述驱动器为音圈电机。
8.根据权利要求1所述的基于应力刚化原理的刚度频率可调一维微动平台，其特征在于：所述驱动器为压电陶瓷驱动器。
9.根据权利要求1所述的基于应力刚化原理的刚度频率可调一维微动平台，其特征在于：所述频率调节机构(7)为穿过所述槽(2)的螺栓，其两端分别连接于所述槽(2)的两侧。
10.根据权利要求1所述的基于应力刚化原理的刚度频率可调一维微动平台，其特征在于：所述频率调节机构(7)为穿过所述槽(2)的压电陶瓷驱动器，其两端分别连接于所述槽(2)的两侧。
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