压电驱动/锁紧式往复步进驱动平台及方法技术

本发明专利技术涉及一种压电驱动/锁紧式往复步进驱动平台及方法，属于精密驱动技术领域。主要由精密驱动与锁紧单元Ⅰ、Ⅱ，往复步进单元和支撑座构成。其中，精密驱动与锁紧单元Ⅰ、Ⅱ分别由驱动压电叠堆、锁紧压电叠堆和组合柔性铰链等构成，利用压电叠堆的逆压电效应，通过锁紧压电叠堆，实现组合柔性铰链与运动平台的锁紧，通过驱动压电叠堆和组合柔性铰链，实现运动平台的跨尺度精密步进运动；往复步进单元由运动平台与两个精密滚动导轨构成，以保证平台的平稳运动和承载能力。本发明专利技术能够实现跨尺度精密步进运动与锁紧，具有三种工作模式，且结构简单、元器件少、便于加工和装配，可用于材料原位力学性能测试、精密光学和微小机器人等领域。

【技术实现步骤摘要】
压电驱动/锁紧式往复步进驱动平台及方法
本专利技术涉及精密驱动
，特别涉及一种压电驱动/锁紧式往复步进驱动平台及方法。本专利技术能够实现跨尺度双向精密步进运动与锁紧，具有三种工作模式，可用于高精密驱动、材料原位力学性能测试、精密光学和微小机器人等领域的微定位、微操作等。
技术介绍
近年来，纳米定位技术受到了研究人员的广泛关注，已取得了长足的发展，并广泛应用于精密光学、生物医学工程、材料原位力学性能测试、航空航天等重要工程领域。随着纳米操作技术需求的不断增大，具有纳米级运动精度和毫米级运动行程的跨尺度定位技术，成为了成为纳米定位
的研究热门。目前，跨尺度定位主要采用宏微混合式驱动、压电超声马达驱动、粘滑式驱动和压电尺蠖式驱动这四种方式。其中，宏微混合式驱动的回程误差和整体尺寸较大，不便于集成，且整体定位时控制较复杂；压电超声马达驱动驱动力较小，尺寸较大，结构不够紧凑；粘滑式驱动受压电驱动机理的制约工作中存在无法克服的后冲现象，严重影响了平台的运动精度和可靠性；压电尺蠖式驱动具有行程大，驱动方式稳定，驱动力大等优点，同时也存在机构复杂、尺寸较大、整体刚度差、加工困难、成本过高等缺点，严重限制了其在生产实际中的应用。因此，设计一种结构简单紧凑、便于加工、承载能力高的跨尺度超精密驱动平台显得尤为必要和迫切。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种压电驱动/锁紧式往复步进驱动平台及方法，在压电叠堆的时序控制下，具有三种工作模式，可实现双向精密步进运动，进行跨尺度定位和锁紧，解决现有技术中存在的机构复杂、尺寸较大、整体刚度差、加工困难、成本过高等问题。本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现：压电驱动/锁紧式往复步进驱动平台，包括精密驱动与锁紧单元Ⅰ、Ⅱ，往复步进单元和支撑座10，所述精密驱动与锁紧单元Ⅰ、Ⅱ与支撑座10通过螺纹连接固定，所述往复步进单元安装在支撑座10上；通过锁紧压电叠堆Ⅰ、Ⅱ5、13，将组合柔性铰链Ⅰ、Ⅱ7、1与运动平台4锁紧；并通过驱动压电叠堆Ⅰ、Ⅱ8、2和组合柔性铰链Ⅰ、Ⅱ7、1，实现运动平台4的正、反向跨尺度精密步进运动。所述的精密驱动与锁紧单元Ⅰ由组合柔性铰链Ⅰ7、锁紧压电叠堆Ⅰ5、驱动压电叠堆Ⅰ8、预紧螺钉Ⅰa、Ⅰb9、6组成，所述的精密驱动与锁紧单元Ⅱ由组合柔性铰链Ⅱ1、锁紧压电叠堆Ⅱ13、驱动压电叠堆Ⅱ2、预紧螺钉Ⅱa、Ⅱb14、3组成，通过预紧螺钉Ⅰa、Ⅰb、Ⅱa、Ⅱb9、6、14、3分别对驱动压电叠堆Ⅰ8、锁紧压电叠堆Ⅰ5、驱动压电叠堆Ⅱ2、锁紧压电叠堆Ⅱ13进行初始预紧；通过锁紧压电叠堆Ⅰ5或锁紧压电叠堆Ⅱ13驱动组合柔性铰链Ⅰ7或组合柔性铰链Ⅱ1伸长，并与运动平台4接触，实现运动平台4的锁紧；通过驱动压电叠堆Ⅰ8或驱动压电叠堆Ⅱ2的伸长与缩短，驱动组合柔性铰链Ⅰ7或组合柔性铰链Ⅱ1，带动运动平台4作步进式精密运动。所述的往复步进单元安装于支撑座10上，呈对称的凸字形布置，由运动平台4、精密滚动导轨Ⅰ11、精密滚动导轨Ⅱ12组成，运动平台4通过精密滚动导轨Ⅰ、Ⅱ11、12安装在支撑座10上，通过精密滚动导轨Ⅰ、Ⅱ11、12做导向支撑，具有较高的承载能力和稳定性。所述的支撑座10为中心对称的凹型结构，为其它单元提供安装支撑；其上的条形凸台为精密滚动导轨Ⅰ、Ⅱ11、12的安装提供定位基准。所述的精密驱动与锁紧单元Ⅰ、Ⅱ采用中心对称布置，集锁紧与驱动于一体，运动平台4的运动行程由精密滚动导轨Ⅰ、Ⅱ11、12的长度决定，通过适当选择导轨长度，可获得跨尺度精密运动。所述的组合柔性铰链Ⅰ、Ⅱ7、1均为一体式柔性铰链，包含驱动铰链a和锁紧铰链b；驱动铰链a用以步进驱动，为三排直角柔性铰链，具有较高的运动灵敏度和足够的刚度，以保证运动精度；锁紧铰链b为单排直角柔性铰链，用以实现与运动平台4的锁紧。所述的锁紧压电叠堆Ⅰ、Ⅱ5、13、驱动压电叠堆Ⅰ、Ⅱ8、2通过对时序电压控制实现锁紧与步进驱动。一种压电驱动/锁紧式往复步进驱动方法，压电驱动与锁紧式跨尺度往复步进平台，按照不同的时序控制算法，获得三种不同的工作模式，实现双向精密步进运动，并实现平台运动到指定位置的锁紧；其中，工作模式一的正向、反向步进运动采用相同的时序控制方式，由两个精密驱动与锁紧单元分别实现；工作模式二的正向、反向步进运动采用不同的时序控制方式，任一精密驱动与锁紧单元均可独立实现正向、反向步进运动；工作模式三的正向、反向步进运动采用不同的时序控制方式，每个运动均由两个精密驱动与锁紧单元共同完成。所述的工作模式一采用一种时序控制算法进行控制，实现正向、反向精密步进，较为简便，且正向、向精密步进由两个精密驱动与锁紧单元分别完成，能够实现模块化；所述的工作模式二中，任一精密驱动与锁紧单元均可完成正向和反向精密步进运动，可靠性较高；所述的工作模式三中，正向、反向运动均由两个驱动压电叠堆的推、拉作用共同完成，避免了输出运动产生偏摆，同时，具有较高的驱动能力，稳定性较好。本专利技术的有益效果在于：结构简单，加工件少，并且加工方便；集成度高，总体尺寸较小；利用两个相同结构、不同布置形式的精密驱动与锁紧单元，通过采用不同的时序控制方式，可以获得三种工作模式，实现双向跨尺度步进运动与锁紧，且安装方便、美观；采用两支精密滚动导轨进行支撑导向，运动平稳、可靠，刚度高，承载能力强。本专利技术克服了传统跨尺度运动平台结构复杂、尺寸较大、整体刚度差、加工困难、成本过高等问题，可用于高精密驱动、材料原位力学性能测试、精密光学和微小机器人等领域的微定位、微操作等，投资少，收益高，具有广阔的应用前景。附图说明此处所说明的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本申请的一部分，本专利技术的示意性实例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。图1为本专利技术的轴测图；图2为本专利技术的主视图；图3为本专利技术的俯视图；图4为本专利技术的左视图；图5为本专利技术的精密驱动与锁紧单元的轴测图；图6为本专利技术的精密驱动与锁紧单元的示意图；图7为图6的A-A剖视示意图；图8为本专利技术的支撑平台的轴测图；图9为控制时序一；图10为控制时序二；图11为控制时序三；图12为控制时序四；图13为工作模式一的工作原理图；图14为工作模式二的工作原理图（以正、反向运动Ⅰ为例）；图15为工作模式三的工作原理图。图中：1.组合柔性铰链Ⅱ；2.驱动压电叠堆Ⅱ；3.预紧螺钉Ⅱb；4.运动平台；5.锁紧压电叠堆Ⅰ；6.预紧螺钉Ⅰb；7.组合柔性铰链Ⅰ；8.驱动压电叠堆Ⅰ；9.预紧螺钉Ⅰa；10.支撑座；11.精密滚动导轨Ⅰ；12.精密滚动导轨Ⅱ；13.锁紧压电叠堆Ⅱ；14.预紧螺钉Ⅱa。具体实施方式下面结合附图进一步说明本专利技术的详细内容及其具体实施方式。参见图1至图8所示，本专利技术的压电驱动/锁紧式往复步进驱动平台，主要由精密驱动与锁紧单元Ⅰ、Ⅱ，往复步进单元和支撑座10构成；通过锁紧压电叠堆Ⅰ、Ⅱ5、13，将组合柔性铰链Ⅰ、Ⅱ7、1与运动平台4锁紧；并通过驱动压电叠堆Ⅰ、Ⅱ8、2和组合柔性铰链Ⅰ、Ⅱ7、1，实现运动平台4的正、反向跨尺度精密步进运动。参见图1、图5至图7所示，所述的精密驱动与锁紧单元Ⅰ由组合柔性铰链Ⅰ7、锁紧压电叠堆Ⅰ5、驱动压电叠堆Ⅰ8、预紧螺钉Ⅰa、Ⅰb9、6组成。该单元通过螺纹连接与支撑座本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种压电驱动/锁紧式往复步进驱动平台，其特征在于：包括精密驱动与锁紧单元Ⅰ、Ⅱ，往复步进单元和支撑座（10），所述精密驱动与锁紧单元Ⅰ、Ⅱ与支撑座（10）通过螺纹连接固定，所述往复步进单元安装在支撑座（10）上；通过锁紧压电叠堆Ⅰ、Ⅱ（5、13），将组合柔性铰链Ⅰ、Ⅱ（7、1）与运动平台（4）锁紧；并通过驱动压电叠堆Ⅰ、Ⅱ（8、2）和组合柔性铰链Ⅰ、Ⅱ（7、1），实现运动平台（4）的正、反向跨尺度精密步进运动。

【技术特征摘要】
1.一种压电驱动/锁紧式往复步进驱动平台，其特征在于：包括精密驱动与锁紧单元Ⅰ、Ⅱ，往复步进单元和支撑座（10），所述精密驱动与锁紧单元Ⅰ、Ⅱ与支撑座（10）通过螺纹连接固定，所述往复步进单元安装在支撑座（10）上；通过锁紧压电叠堆Ⅰ、Ⅱ（5、13），将组合柔性铰链Ⅰ、Ⅱ（7、1）与运动平台（4）锁紧；并通过驱动压电叠堆Ⅰ、Ⅱ（8、2）和组合柔性铰链Ⅰ、Ⅱ（7、1），实现运动平台（4）的正、反向跨尺度精密步进运动；所述的精密驱动与锁紧单元Ⅰ由组合柔性铰链Ⅰ（7）、锁紧压电叠堆Ⅰ（5）、驱动压电叠堆Ⅰ（8）、预紧螺钉Ⅰa、Ⅰb（9、6）组成，所述的精密驱动与锁紧单元Ⅱ由组合柔性铰链Ⅱ（1）、锁紧压电叠堆Ⅱ（13）、驱动压电叠堆Ⅱ（2）、预紧螺钉Ⅱa、Ⅱb（14、3）组成，通过预紧螺钉Ⅰa、Ⅰb、Ⅱa、Ⅱb（9、6、14、3）分别对驱动压电叠堆Ⅰ（8）、锁紧压电叠堆Ⅰ（5）、驱动压电叠堆Ⅱ（2）、锁紧压电叠堆Ⅱ（13）进行初始预紧；通过锁紧压电叠堆Ⅰ（5）或锁紧压电叠堆Ⅱ（13）驱动组合柔性铰链Ⅰ（7）或组合柔性铰链Ⅱ（1）伸长，并与运动平台（4）接触，实现运动平台（4）的锁紧；通过驱动压电叠堆Ⅰ（8）或驱动压电叠堆Ⅱ（2）的伸长与缩短，驱动组合柔性铰链Ⅰ（7）或组合柔性铰链Ⅱ（1），带动运动平台（4）作步进式精密运动；所述的往复步进单元安装于支撑座（10）上，呈对称的凸字形布置，由运动平台（4）、精密滚动导轨Ⅰ（11）、精密滚动导轨Ⅱ（12）组成，运动平台（4）通过精密滚动导轨Ⅰ、Ⅱ（11、12）安装在支撑座（10）上，通过精密滚动导轨Ⅰ、Ⅱ（11、12）做导向支撑。2.根据权利要求1所述的压电驱动/锁紧式往复步进驱动平台，其特征在于：所述的支撑座（10）为中心对称的凹型结构；其上的条形凸台为精密滚动导轨Ⅰ、Ⅱ（11、12）的安装提供定位基准。3.根据权利要求1所述的压电驱动/锁紧式往复步进驱动平台，其特征在于：所述的精密驱动与锁紧单元Ⅰ、Ⅱ采用中心对称布置，集锁紧与驱动于一体，运动平台（4）的运动行程由精密滚动导轨Ⅰ、Ⅱ（11、12）的长度决定。4.根据权利要求1所述的压电驱动/锁紧式往复步进驱动平台，其特征在于：所述的组合柔性铰链Ⅰ、Ⅱ（7、1）均为一体式柔性铰链，包含驱动铰链（a）和锁紧铰链（b）；驱动铰链（a）用以步进驱动，为三排直角柔性铰链；锁紧铰链（b）为单排直角柔性铰链，用以实现与运动平台（4）的锁紧。5.根据权利要求1所述的压电驱动/锁紧式往复步进驱动平台，其特征在于：所述的锁紧压电叠堆Ⅰ、Ⅱ（5、13）、驱动压电叠堆Ⅰ、Ⅱ（8、2）通过对时序电压控制实现锁紧与步进驱动。6.一种压电驱动/锁紧式往复步进驱动方法，其特征在于：压电驱动与锁紧式跨尺度往复步进平台，按照不同的时序控制算法，获得三种不同的工作模式，实现双向精密步进运动，并实现平台运动到指定位置的锁紧；其中，工作模式一的正向、反向步进运动采用相同的时序控制方式，由两个精密驱动与锁紧单元分别实现；工作模式二的正向、反向步进运动采用不同的时序控制方式，任一精密驱动与锁紧单元均可独立实现正向、反向步进运动；工作模式三的正向、反向步进运动采用不同的时序控制方式，每个运动均由两个精密驱动与锁紧单元共同完成；时序信号为梯形，具体工作过程如下：初始状态：驱动压电叠堆Ⅰ、Ⅱ（8、2），锁紧压电叠堆Ⅰ、Ⅱ（5、13）均不带电，系统处于自由状态，此时运动平台（4）处于游动状态；工作模式一：正、反向步进采用相同的时序控制方式，由两个精密驱动与锁紧单元分别完成；正向运动，控制时序一：当t1时刻到来时，锁紧压电叠堆Ⅰ（5）通电，由于逆压电效应而伸长，驱动并将组合柔性铰链Ⅰ（7）与运动平台（4）锁紧；锁紧完毕后，t2时刻到来，驱动压电叠堆Ⅰ（8）通电伸长，驱动组合柔性铰链Ⅰ（7）伸长，由于铰链与运动平台（4）已达到锁紧状态，故铰链的伸长会带动运动平台（4）一起运动一个步距；之后，t3时刻到来，锁紧压电叠堆Ⅰ（5）电压逐渐减小并缩短，组合柔性铰链Ⅰ（7）与运动平台（4）脱离接触，将其释放；待完全释放后，在t4时刻，驱动压电叠堆Ⅰ（8）电压逐渐减小，组合柔性铰链Ⅰ（7）由于弹性而回弹，并回复到初始位置；至t5时刻，便完成了一个步进周期；如此连续时序通电，便可实现运动平台（4）的正向精密步进；反向运动，控制时序一：将上述正向运动中的锁紧压电叠堆Ⅰ（5）、驱动压...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵宏伟，徐海龙，李莉佳，孙玉娇，杜宪成，付海双，任露泉，范尊强，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22