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CN104889792A - 可变阻尼式移动支撑与张紧力复合调节微动平台 - Google Patents

可变阻尼式移动支撑与张紧力复合调节微动平台 Download PDF

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CN104889792A CN201510312024.5A CN201510312024A CN104889792A CN 104889792 A CN104889792 A CN 104889792A CN 201510312024 A CN201510312024 A CN 201510312024A CN 104889792 A CN104889792 A CN 104889792A
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白有盾
陈新
高健
贺云波
陈云
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Abstract

可变阻尼式移动支撑与张紧力复合调节微动平台，所述基座固定于底板，所述弹片组设于所述微动工作台的两侧，且所述弹片的长度方向垂直于所述微动工作台的运动方向，并将所述微动工作台固定于所述基座内；所述微动工作台在进给方向设有位移传感器，用于位移精密检测；所述弹片组设置有用于改变所述弹片组的有效变形长度的移动支撑调节机构，实现大范围刚度频率调节；所述基座与所述弹片组的连接处还设置有张紧力调节模块，实现刚度频率精密动态调节；所述微动工作台与基座之间设有可变阻尼器，可以配合刚度频率的需求配置最优阻尼；本发明提出一种满足不同工况且可在任意频率点上工作的可变阻尼式移动支撑与张紧力复合调节微动平台，刚度频率调节范围大，精度高，无需避开共振点，提高工作频率范围。

Description

可变阻尼式移动支撑与张紧力复合调节微动平台
技术领域
本发明涉及精密运动平台，本发明具体涉及可变阻尼式移动支撑与张紧力复合调节微动平台。
背景技术
为了实现精密运动，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弹片的快刀伺服机构，频率调节原理是通过弹片的张力，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。
在先技术3：基于应力刚化原理的刚度频率可调一维微动平台(发明申请号：201410214605.0)发明了一种基于预应力膜，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，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。虽然解决了上述两个问题，但是该机构在工作运动过程中会出现共振点，使其微动平台不可工作在任意频率点上，需要通过调节避开共振点，限定了工作频率范围。本发明增设了抗共振的结构，使微动平台可工作在任意频率点上而不产生无穷的振幅，无需避开共振点，可在任意频带上工作。
发明内容
本发明的目的在于提出一种满足不同工况且可在任意频率点上工作的可变阻尼式移动支撑与张紧力复合调节微动平台，刚度频率调节范围大，精度高，无需避开共振点，提高工作频率范围。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
可变阻尼式移动支撑与张紧力复合调节微动平台，包括基座、底板、微动工作台、弹片组、驱动器和位移传感器；
所述基座固定于底板，具有弹性的所述弹片组设于所述微动工作台的两侧，且所述弹片的长度方向垂直于所述微动工作台的运动方向，并将所述微动工作台固定于所述基座内，所述驱动器安装于所述基座，所述驱动器的动力输出端连接所述微动工作台在进给方向上的运动；
所述微动工作台在进给方向设有用于位移精密检测的位移传感器；
所述弹片组设置有用于改变所述弹片组的有效变形长度的移动支撑调节机构；
所述基座与所述弹片组的连接处设置有张紧力调节模块；
所述微动工作台与基座之间设有可变阻尼器。
优选的，所述调节机构包括步进电机、爪盘和双向滚珠丝杆机构；
所述双向滚珠丝杆机构沿着所述弹片组的方向，通过轴承安装于所述基座，所述步进电机与所述双向滚珠丝杆机构连接；
两个所述爪盘分别固定于所述双向滚珠丝杆结构的移动件上，分别位于所述基座的两侧，所述爪盘设有沿着所述弹片组方向设置的爪槽，所述弹片组卡装于所述爪槽内。
优选的，所述轴承通过轴承座固定于所述底板。
优选的，所述步进电机通过所述步进电机座固定于所述底板。
优选的，所述基座与所述弹片组连接处设有槽，所述槽在所述基座的内侧形成可变形的弹性件，所述张紧力调节模块包括所述弹性件和用于调节所述弹性件变形度的频率调节机构，所述频率调节机构安装于所述基座。
优选的，所述位移传感器为电容极板组，所述电容极板组包括两个平行设置的电极，两个所述电极分别固定于所述微动工作台和所述基座。
优选的，所述可变阻尼器设置于所述微动工作台与所述底板或所述基座之间，并分别与所述底板或所述基座及所述微动工作台相连接。
优选的，所述驱动器包括有定子和动子，所述的定子固定于所述基座或所述底板，所述动子固定于所述微动工作台。
优选的，两个平行设置的所述电极的非工作面设有绝缘层。
优选的，所述基座、底板、微动工作台和弹片组是一体式结构。
由于采用上述技术方案，本发明提出的阻尼式移动支撑与应力刚化复合调节微动平台具有以下优点：
1、能根据不同的驱动频率来调节结构的固有频率，并且在工作时动态调节预紧力消耗能源少，温度低，不会影响微进给装置精度；
2、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；
3、通过阻尼的设置，使微动平台可在任意频率点上工作，无需调节避开共振点。
附图说明
图1是本发明的一个实施例的俯视图；
图2是本发明的一个实施例的仰视图；
图3是本弹片组一种实例的变形示意图。
其中:基座1、底板2、微动工作台3、弹片组4、驱动器5、电容极板组6、槽11、工作平台31、移动支撑调节机构41、定子51、动子52、步进电机411、爪盘412、双向滚珠丝杆机构413、轴承414、阻尼61、弹性件101、频率调节机构102。
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。
可变阻尼式移动支撑与张紧力复合调节微动平台，包括基座1、底板2、微动工作台3、弹片组4、驱动器5和位移传感器；
所述基座1固定于底板2，具有弹性的所述弹片组4设于所述微动工作台3的两侧，且所述弹片的长度方向垂直于所述微动工作台的运动方向，并将所述微动工作台3固定于所述基座1内，所述驱动器5安装于所述基座1，所述驱动器5的动力输出端连接所述微动工作台3在进给方向上的运动；
所述微动工作台3在进给方向设有用于位移精密检测的位移传感器；
所述弹片组4设置有用于改变所述弹片组4的有效变形长度的移动支撑调节机构41；
所述基座1与所述弹片组4的连接处设置有张紧力调节模块；
所述微动工作台3与基座1之间设有可变阻尼器。
如图1或图2所示，所述驱动器5驱动所述微动工作台3和工作平台31产生微位移进给，所述驱动器5用于驱动所述微动工作台3上安装的刀具等功能组件，产生的微进给作用于待加工零件，使刀具等功能组件对待加工零件进行加工，在所述弹片组4的牵制作用下，所述运动部分在非进给方向的运动被抑制，所述微动工作台3安装有刀具等功能组件，在所述驱动器5的驱动作用下产生位移，完成相应的工艺动作，并通过所述张紧力调节模块改变所述弹片组4的松紧程度可以改变上述微运动中的机构固有频率，从而改变所述微动工作台3运动特性，而所述弹片组4为具有弹性的金属片，使所述微动工作台3具有固定的振动频率，与所述驱动器5的工作频率相匹配。
所述微动工作台3在进给方向设有位移传感器，用于位移精密检测；所述微动工作台3与基座1之间设有可变阻尼器，可以配合刚度频率的需求配置最优阻尼。
弹片组4设置的用于改变所述弹片组4的有效变形长度的移动支撑调节机构41是基于移动支撑的刚度频率可调的机构，能根据不同的驱动频率来调节结构微动工作台3的固有频率，实现大范围刚度频率调节；而在基座1与所述弹片组4的连接处设置的张紧力调节模块是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，实现刚度频率精密动态调节，改善并提高微动平台的性能。本发明阻尼式移动支撑与应力刚化复合调节微动平台，能根据不同的驱动频率来调节结构的固有频率，并且在工作时动态调节预紧力消耗能源少，温度低，不会影响微进给装置精度，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，并通过阻尼的设置，使微动平台可在任意频率点上工作，无需调节避开共振点。
优选的，所述移动支撑调节机构41包括步进电机411、爪盘412和双向滚珠丝杆机构413；
所述双向滚珠丝杆机构413沿着所述弹片组4的方向，通过轴承414安装于所述基座1，所述步进电机411与所述双向滚珠丝杆机构413连接；
两个所述爪盘412分别固定于所述双向滚珠丝杆结构413的移动件上，分别位于所述基座1的两侧，所述爪盘412设有沿着所述弹片组4方向设置的爪槽，所述弹片组4卡装于所述爪槽内。
如图3所示，所述弹片组5根据一端固定一端导向梁的刚度公式：
k b = F y max = 12 EI L 3
其中F受到的力，为导向梁端Y轴方向的变形位移距离，E为材料弹性模量，I为弯曲刚度,L为变形段梁的长度。E受材料特性的影响，不同批次的材料，会有偏差。惯性矩I与梁截面宽度成正比，与截面高度的3次方程正比，受加工精度的影响，特别是厚度,加工误差对刚度影响非常大。L为变形段的长度，所述弹片组4通过移动支撑改变变形段L的长度，从而实现刚度和频率的调节。
优选的，所述轴承414通过轴承座固定于所述底板2。
优选的，所述步进电机411通过所述步进电机座固定于所述底板2。
优选的，所述基座1与所述弹片组4连接处设有槽11，所述槽11在所述基座1的内侧形成可变形的弹性件101，所述张紧力调节模块包括所述弹性件101和用于调节所述弹性件101变形度的频率调节机构102，所述频率调节机构102安装于所述基座1。所述槽11在所述基座1的内侧形成较薄的可变形的弹性件101，通过所述频率调节机构102改变所述弹片组4的松紧程度可以改变上述微运动中的机构固有频率，从而改变所述微动工作台3的运动特性。
优选的，所述频率调节机构102为穿过所述槽11的螺栓，其两端分别连接于所述槽11的两侧。如图1所示，所述螺栓可手动调节长度方向产生位移，改变所述弹性件101的变形度，进而改变弹片组4的弹片张紧力，实现对平台的结构固有频率的动态调整。
优选的，所述频率调节机构102为穿过所述槽11的压电陶瓷驱动器，其两端分别连接于所述槽11的两侧。所述压电陶瓷片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101的变形度，进而改变所述弹片组4的弹片张紧力，实现对平台的结构固有频率的动态调整。
优选的，所述位移传感器6为电容极板组，所述电容极板组包括两个平行设置的电极，两个所述电极分别固定于所述微动工作台和所述基座。所述可变阻尼器61设置于两个所述电极之间。所述电容极板组6设于所述微动工作台3的进给方向的端部，所述电容极板组6包括两个平行设置的电极，分别固定于所述微动工作台3和所述基座1；
优选的，所述可变阻尼器61设置于所述微动工作台3与所述底板2或所述基座1之间，并分别与所述底板2或所述基座1及所述微动工作台相3连接；
优选的，可变阻尼器61设置在两个所述电容极板组的电极之间，通过所述电容极板组的电极间接与所述基座1连接；
阻尼以电容极板组6为载体，减少整个阻尼式微运动平台的独立连接结构，减少微动频率范围因连接结构的增多而降低的影响，确保最大的工作频率范围。电容极板组6用于所述检测微动工作台3的微位移，所设置阻尼的作用是避免产生共振时频率无穷大，使微动平台工作在任意频率范围，无需通过调节来避开共振点，提高了工作频率范围。阻尼61以电容极板组6为载体，减少整个阻尼式微运动平台的独立连接结构，减少微动频率范围因连接结构的增多而降低的影响，确保最大的工作频率范围。
优选的，所述驱动器5包括有定子51和动子52，所述的定子51固定于所述基座1或所述底板2，所述动子52固定于所述微动工作台3。驱动器5的大质量的定子51都固定在基座1或底板2上，减小了微动工作台3的运动惯性，有利于提高微动工作台3的响应速度。其中驱动器5可为音圈电机或压电陶瓷驱动器。
优选的，两个平行设置的所述电极的非工作面设有绝缘层。用以防止所述电容极板组6被其他金属干扰，影响其测量精度。
优选的，所述基座1、底板2、微动工作台3和弹片组4是一体式结构。所述基座1、底板2、微动工作台3和弹片组4由整块材料进过铣削和电火花加工工艺获得，避免零件组装的装配误差，加工简单，提高微进给装置的精度。
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.可变阻尼式移动支撑与张紧力复合调节微动平台，其特征在于：包括基座、底板、微动工作台、弹片组、驱动器和位移传感器；
所述基座固定于底板，具有弹性的所述弹片组设于所述微动工作台的两侧，且所述弹片的长度方向垂直于所述微动工作台的运动方向，并将所述微动工作台固定于所述基座内，所述驱动器安装于所述基座，所述驱动器的动力输出端连接所述微动工作台在进给方向上的运动；
所述微动工作台在进给方向设有用于位移精密检测的位移传感器；
所述弹片组设置有用于改变所述弹片组的有效变形长度的移动支撑调节机构；
所述基座与所述弹片组的连接处设置有张紧力调节模块；
所述微动工作台与基座之间设有可变阻尼器。
2.根据权利要求1所述的可变阻尼式移动支撑与张紧力复合调节微动平台，其特征在于：所述移动支撑调节机构包括步进电机、爪盘和双向滚珠丝杆机构；
所述双向滚珠丝杆机构沿着所述弹片组的方向，通过轴承安装于所述基座，所述步进电机与所述双向滚珠丝杆机构连接；
两个所述爪盘分别固定于所述双向滚珠丝杆结构的移动件上，分别位于所述基座的两侧，所述爪盘设有沿着所述弹片组方向设置的爪槽，所述弹片组卡装于所述爪槽内。
3.根据权利要求2所述的可变阻尼式移动支撑与张紧力复合调节微动平台，其特征在于：所述轴承通过轴承座固定于所述底板。
4.根据权利要求2所述的可变阻尼式移动支撑与张紧力复合调节微动平台，其特征在于：所述步进电机通过所述步进电机座固定于所述底板。
5.根据权利要求1所述的可变阻尼式移动支撑与张紧力复合调节微动平台，其特征在于：所述基座与所述弹片组连接处设有槽，所述槽在所述基座的内侧形成可变形的弹性件，所述张紧力调节模块包括所述弹性件和用于调节所述弹性件变形度的频率调节机构，所述频率调节机构安装于所述基座。
6.根据权利要求1所述的可变阻尼式移动支撑与张紧力复合调节微动平台，其特征在于：所述位移传感器为电容极板组，所述电容极板组包括两个平行设置的电极，两个所述电极分别固定于所述微动工作台和所述基座。
7.根据权利要求1所述的可变阻尼式移动支撑与张紧力复合调节微动平台，其特征在于：所述可变阻尼器设置于所述微动工作台与所述底板或所述基座之间，并分别与所述底板或所述基座及所述微动工作台相连接。
8.根据权利要求1所述的可变阻尼式移动支撑与张紧力复合调节微动平台，其特征在于：所述驱动器包括有定子和动子，所述的定子固定于所述基座或所述底板，所述动子固定于所述微动工作台。
9.根据权利要求1所述的可变阻尼式移动支撑与张紧力复合调节微动平台，其特征在于：两个平行设置的所述电极的非工作面设有绝缘层。
10.根据权利要求1所述的可变阻尼式移动支撑与张紧力复合调节微动平台，其特征在于：所述基座、底板、微动工作台和弹片组是一体式结构。
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