一种驱导测一体化直线运动装置

本发明涉及一种直线运动装置，特别涉及一种结构紧凑、精度高的驱导测一体化直线运动装置。

背景技术：

1、高精度的直线运动装置通常需要响应速度快稳定性好的电机、直线度高摩擦力小的导轨、以及分辨率高的光栅尺来分别实现驱动、导向、测量功能，其中测量机构是为了实现位置反馈，通过对电机的闭环控制来实现更高的定位精度。在现有技术中，气浮导轨具有较高的导向精度、超声电机具有较高的定位精度，因此在精密及超精密工程、航空航天医疗器械以及高端装备制造等领域有着重要应用。为此，众多学者对其进行了不辍研究，以期实现性能的优化与提高。

2、专利cn201621130596.8“一种双轴宫规的直线运动装置”、专利cn201911411653.8“一种基于共振磁耦合无线传能技术的直线运动装置及控制方法”、专利cn201620392319.8“一种定位影响增强器的直线运动装置”均提出自身装置具有较高精度，但没有给出保障高运动精度或定位精度的有效方法或具体结构。而本发明结构紧凑，空间利用率高，使用气浮导轨实现了高精度的直线运动导向(即运动精度)，并利用超声电机和光栅尺实现位置环反馈控制(即定位精度)，进而对直线运动装置进行实时调整。

3、专利cn201710396474.6“超声电机驱动的二维直线运动平台及微动方法”中提出利用超声电机驱动二维平台，从而提高了运动精度，但该装置没有给出超声电机安装和使用方式(主要是预紧机构)。在本发明中详细描述了驱动模块的结构和工作方式，特别是设计了相应的预紧装置，保证了箔片振子与耐磨条的稳定接触力，进而保证了驱动模块的稳定驱动力。

4、专利cn201610012154.1“一种稳定的动态直线运动发生装置”中描述了以驱动模块、运动模块和支撑模块组成部分的直线运动装置，但该装置结构不够紧凑，存在较大的安装误差，而且没有考虑原理误差的影响。而本发明整体结构紧凑，负责驱动、导向和测量的核心部件具有同一个安装基准，即便存在安装误差主要也主要集中在直线导轨上，符合高精度仪器装备的阿贝原则，因此没有原理误差。同时本发明结构紧凑使安装误差进一步降低。

5、cn201220078459.x“一种同轴宏微符合直线运动平台装置”描述了能够实现驱动，测量和导向功能的直线运动装置，该装置构建宏动平台和微动平台，通过柔性铰链实现高精度的微位移，整个装置尺寸较大，操作复杂。而本发明具有弹簧自预紧的驱动模块，不受微位移的限制，可实现全行程的高精度定位，不需要宏微电机切换或搭配，具有重复定位精度高、操作简单的优势。

6、在现有技术中，气浮导轨具有较高的导向精度、超声电机具有较高的定位精度，是同领域人员常用的技术结构，但本发明旨在集成驱动、导向、测量的基础上，提出一种没有原理误差、降低安装误差的驱导测一体化直线运动装置，同时满足小体积、大行程、易操作、模块化的功能需求。

技术实现思路

1、本发明的目的就是针对上述已有技术存在的1.驱动、导向、测量机构难以集成化；2.驱动、导向、测量机构缺少同一个安装基准；3.驱动、导向机构存在安装力臂引入阿贝误差等问题，提出一种驱导测一体化直线运动装置。本发明采用超声电机实现高精度驱动、采用气浮导轨实现高精度导向、采用光栅尺实现高精度位置反馈，集成了驱动、导向、测量功能共同实现高精度直线运动。与传统技术不同的是，本发明采用的驱动、导向、测量机构分属不同的模块，可独立拆卸和升级，同时结构紧凑、具有同一个安装基准。因此，本发明装置在原理上消除了阿贝误差，具有高运动精度和定位精度的特点。

2、上述目的通过以下的技术方案实现：

3、一种驱导测一体化直线运动装置，包括导轨机构、驱动机构、导向机构和测量机构，导轨机构包括“工”型直线导轨，所述“工”型直线导轨两侧的槽里安装有高精度耐磨条，驱动机构沿着高精度耐磨条直线运动，“工”型直线导轨的下方安装有光栅尺，测量机构沿着光栅尺直线运动，“工”型直线导轨的其余外立面是导向机构的运动基准，导向机构沿着工”型直线导轨运动；

4、所述驱动机构包括定位扣件和电机壳，定位扣件加工有安装孔、电机槽和走线槽，电机壳成对安装在电机槽内，可由螺钉自下而上固定；电机壳加工有滑槽和弹簧安装槽，弹簧安装槽内装夹有上下2只弹簧，弹簧的另一端固连有滑板，滑板可在滑槽内直线往复运动，滑板上安装有箔片振子，箔片振子上加工或安装有驱动足，驱动足与耐磨条接触配合，并由弹簧进行预紧，箔片振子的两端加工有“几”型支架，“几”型支架的槽里安装有压电片，“几”型支架上加工有安装孔，使用紧固螺钉安装在滑板上；

5、所述导向机构包括气浮块，气浮块上加工有定位孔，定位孔与定位扣件的安装孔配合定位，保证驱动机构的安装精度，气浮块与“工”型直线导轨间隙配合，间隙中充满高压气体，形成了支撑气膜、左侧气膜、右侧气膜、防倾气膜，左侧气膜和右侧气膜结构对称且受力平衡，支撑气膜的工作面积最大且受力大于防倾气膜；为了形成上述气膜，气浮块的内部加工有z向短气路和向短气路，在z向短气路和x向短气路的两端，靠近“工”型直线导轨的一侧安装有节流器，远离“工”型直线导轨的一侧、即气浮块的外侧安装有气封塞；气浮块21的内部还加工有y向长气路，在长气路的一侧安装有气封塞，另一侧安装有通气嘴，通气嘴之间用供气软管相连；

6、所述测量机构包括多功能装夹器和读数头，多功能装夹器上加工有平行槽,平行槽装夹在气浮块下方的豁口处，保证多功能装夹器的安装精度，多功能装夹器上加工有凹槽，用来定位安装读数头，多功能装夹器上加工有窗口，用来引出读数头的数据线，多功能装夹器上加工导线槽，用来安装和引出驱动机构的电缆线，多功能装夹器上加工有汇合槽，用来固定和汇总读数头的数据线、驱动机构的电缆线、以及气浮块的供气软管。

7、驱动机构、导向机构和测量机构的安装基准分别是导轨机构的高精度耐磨条“工”型直线导的外立面和光栅尺，而高精度耐磨条和光栅尺安装在“工”型直线导轨上，因此驱动机构、导向机构和测量机构具有同一个安装和直线运动基准。

8、本发明具有以下特点及有益效果：

9、1.功能集成，结构紧凑，可模块升级。

10、本发明装置集成了高精度超声驱动、高精度气浮导向技术，结合光栅测量技术做位置反馈，提高了运动精度和定位精度、实现了高精度直线运动。

11、本发明装置的驱动机构、导向机构和测量机构均围绕在同一根直线导轨周围进行定位和安装，特别是驱动机构和导向机构采用串联安装的方式，使装置运动部分的结构更加紧凑。

12、本发明装置的驱动机构、导向机构和测量机构具有独立的结构，可以在不改变其他机构的参数和结构的前提下，通过增加电机数量、改变气浮块宽度、增加光栅尺长度等方法进行单独升级，也可根据需要拆除部分机构来简化装置的功能。

13、2.减小安装误差，从而提高了运动精度。

14、本发明装置的驱动机构、导向机构和测量机构中，具有安装精度要求的零部件具有同一个安装基准，即“工”型直线导轨。准确的说，驱动机构的安装基准是直线导轨的侧面、导向机构的安装基准是导轨的上面(原则上4个面都是基准，再通过气膜进行匀化，但导轨的上方形成的支撑气膜提供了承载力，因此它的几何精度对安装精度影响最大)、测量机构的安装基准是导轨的下面。因此，多个零部件的安装误差，都集中在了“工”型直线导轨的几何误差，极大的降低了安装误差，从而提高了运动精度。

15、3.消除原理误差，从而提高了定位精度。

16、本发明装置的驱动机构、导向机构串联安装(相对于“工”型直线导轨)，因此没有阿贝臂或阿贝臂极小，因此导轨不需要克服电机出力产生的转动力矩，由于气浮导轨的缺点之一就是气膜刚性差导致的转动刚度不足，本发明装置可以消除由于阿贝臂产生的原理误差，进而避免了气浮导轨转动刚度低引发的定位误差。