一种带位移传感功能步距可变的闭环微位移步进驱动装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明既是一种自带位移传感功能的步进距离可变的高精度闭环微位移驱动装置，同时又是一种以步进方式进行测量的高精度位移传感器。本发明
涉及机电一体化领域和传感测控领域，可作为一种高精度闭环直线或扭转运动机构的驱动器，又可作为高精度位移测量的传感装置。可应用于超精密加工，精密工程，微机电系统(MEMS)，微小机器人，半导体制造，生物医学，航空航天，激光高速烧结加工，高分辨率激光投影等科学领域制造业领域，和消费电子领域。
【背景技术】
[0002]随着现代科学技术的不断发展，人类对微观领域的研究越来越深。尤其在超精密加工，微机电系统(MEMS)，微小机器人等领域，对精密定位，微小位移的要求越来越高，传统的驱动装置，如普通电机，丝杠螺母，蜗轮蜗杆等宏观大尺寸驱动装置已经不能满足其精度要求，相比于传统驱动装置，压电，磁致伸缩等器件驱动装置因为体积小，位移分辨率高，响应速度快，控制特性好，能耗低，无噪声等优点，正在被越来越多的应用于精密工程，微机电系统(MEMS)，微小机器人等领域。随着激光烧结为代表的新一代制造技术的发展，作为激光振镜的高精度定位功能和响应时间，已成为一个重要的技术瓶颈，传统的振镜方式无法提供高分辨率的角位置，严重局限了激光烧结技术的加工尺寸和加工精度。同时随着激光电视和激光投影技术的发展，激光代替传统光源，实现了高亮度，高可靠性，结构简单成本低等特点。但是一个重要的局限因素就是激光投影的光折射振镜能否提供高精度的定位位置，如果可以提供高精度的定位位置和高响应速度，激光投影和激光电视技术的分辨率和适用范围则会大大提升。目前的传统驱动装置往往带来结构尺寸偏差大，不仅精度低，往复运动定位精度低，行程小等特点。一些应用压电和磁致伸缩等微位移技术的驱动装置，也存在着驱动器和传感器分离，驱动器行程有限，大量程的位移传感器价格昂贵，整体结构复杂等缺陷。严重制约着精密技术领域的发展，和精密工程领域的运用。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于提供一种自带位移传感功能步进距离可变的高精度闭环微位移驱动装置，同时也是一种以步进方式进行测量的高精度位移传感器。解决目前微位移驱动器结构尺寸大，结构复杂，输出行程小，定位精度和重复定位精度低，闭环控制时驱动器和传感器分离，大行程位移传感器价格昂贵等问题。本发明采用两组或两组以上步进式微位移驱动机构单元，两组或两组以上步进微位移驱动机构在运动轴向上保持一致，且位置平行。在每组机构单元的横梁位置上安装有小行程高精度的位移传感器，且两组或两组以上步进式微位移驱动机构单元分别安装位移传感器的动端和静端。两组或两组以上步进式微位移驱动机构分别按时序依次驱动，先记录装置的此刻位置数据，然后驱动其中的一组机构单元轴向运动，传感器数据发生变化，然后驱动另一组微位移机构单元同向运动，使传感器数据还原。这样便完成了一次闭环的距离可变的定长步进，从而可以达到闭环的高精度定位，实现大行程运动，却无需昂贵的大行程位移传感器。作为一种以步进方式测量的高精度位移传感器时，相比其他步进位移传感器，本发明具有分辨率可变的性质，对于测量过程，可以以大步进距离进行快速测定，到即将结束时换用小步进距离更加准确的测量，从而既保证了测量精度，又提高了测量速度。
[0004]以使用两组步进式压电驱动机构单元为例，本发明的上述目的通过以下技术方案实现:
驱动装置分为上下两个机构单元，两个机构单元都为传统的双向运动步进压电驱动器，即使用左右两个箍位压电叠堆，左右两个行程压电叠堆。箍位压电叠堆垂直于导轨，而行程压电叠堆平行于导轨。紧锁机构跟导轨之间存在极小的缝隙，其缝隙可供机构单元在导轨上自由滑动，但不超过箍位压电叠堆的行程，在紧锁机构内安装箍位压电叠堆，使其可以根据需要控制机构单元自由运动还是锁死固定在导轨上，而行程压电叠堆则需要预紧安装在机构的横梁两端。两组机构在导轨上运动轴向保持一致，且位置平行，并保持一定距离。在这个距离内安装高精度的小量程位移传感器，其安装位置与两机构轴向一致。在上机构固定位移传感器的动端或静端，在下机构固定另外一端。上下机构均采用薄壁柔性铰链进行传动，既有一定的强度，又可以保持运动性。其中位移传感器可以采用LVDT式，电容式，光栅式等各类传感器，且对于线性区域较小的位移传感器有着极强的适应性，同时避免使用昂贵的大量程传感器。
[0005]其工作过程简单描述为，在初始状态下将所有箍位压电叠堆上电，将上机构单元和下机构单元分别固定在导轨上，然后记录位移传感器的数值，并将其定为原点。运动开始时先将一端的箍位压电叠堆下电，让此端的锁紧机构和导轨松开，然后给予另一端行程压电叠堆一定电压，产生位移。这使得固定在上机构的位移传感器数值发生变化，此数值则为驱动器的步进距离，可根据电压调节自行确定。然后将已经下电的箍位压电叠堆上电，锁紧机构重新锁定在导轨上。接着将相反方向的箍位压电叠堆下电，让锁紧机构跟导轨分开，然后将造成刚才运动的已经上电的行程压电叠堆下电，这样上机构将向锁死的方向运动，然后再将刚才下电的箍位压电叠堆上电，让锁紧机构跟导轨重新锁死。这样，上机构则整体向一个方向移动了一个步进距离。然后用同样的方式移动下机构，使下机构向同一个方向运动一样的步进距离，即可完成驱动装置的一次步进运动。与此同时驱动装置恢复初始状态，以便下一次的步进运动，而需要向另一侧运动则只需反向重复上述过程。
[0006]在作为作为位移传感器时，大体操作方式与上述方法相同，只要记录步进的次数，乘以每次的步长，便可以得出测量的数值。
[0007]详细的执行顺序可参照实施例的实施方式。
【附图说明】
[0008]此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
[0009]图1为本发明的整体结构示意图。
[0010]图中:1.导轨，2.上机构的左箍位压电叠堆，3.使用薄壁柔性铰链传动的上机构单元，4.上机构的左行程压电叠堆，5.位移传感器在下机构的安装位，6，位移传感器，7.位移传感器在上机构的安装位，8.上机构的右行程压电叠堆，9.上机构的右箍位压电叠堆，10，上机构的右锁紧机构，11.下机构的右箍位压电叠堆，12.下机构的右锁紧机构，13.下机构的右行程压电叠堆，14.下机构的左行程压电叠堆，15.使用薄壁柔性铰链传动的下机构单元，16.下机构的做锁紧机构，17.下机构的左压电叠堆，18.上机构的左锁紧机构。19.上机构的位移传感器安装误差同轴性调节压电叠堆，20.下机构的位移传感器安装误差同轴性调节压电叠堆。
【具体实施方式】
[0011]面结合附图进一步说明本发明的详细内容及【具体实施方式】。
[0012]使用两组步进式压电驱动机构单元作为位移驱动器时:
在初始状态下将箍位压电叠堆(2) (9) (17) (11)上电，将上机构(3)和下机构(15)固定在导轨(I)上，然后记录位移传感器(6)的数值，并将其定为原点。运动开始时先将箍位压电叠堆(9)下电，锁紧机构(10)和导轨(I)松开，然后给予行程压电