CN103912766A - 平面三自由度压电驱动平台及其运动驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平面三自由度压电驱动平台及其运动驱动方法，属于精密驱动技术领域。包括功能平台、压电驱动模块、弹性板和静平台，所述功能平台用于承载定位物体并与压电驱动模块连接；所述压电驱动模块包括2个压电叠堆、位移放大机构、连接板、固定螺栓以及预紧力螺栓；所述弹性板通过固定螺栓与压电驱动模块连接；所述静平台作为弹性板的支撑平台，设置在弹性板下方。通过对设置在弹性板上的组呈正方形排列的压电驱动模块分别施加特定的驱动信号，可在弹性板上激发出不同方向运行的行波，从而实现功能平台的三自由度的运动。本发明避免了传统机械式传动引入的铰链间隙等误差，可实现大行程、高精度的定位目标。

Description

平面三自由度压电驱动平台及其运动驱动方法

技术领域

本发明属于精密驱动技术领域，涉及一种驱动定位装置，具体是一种平面三自由度压电驱动平台。

背景技术

目前，铰链间隙误差是导致平面运动平台定位精度低的主要原因，因此平台很难达到纳米级定位要求。虽然通过采用柔性铰链的柔顺机构能在一定程度上减小铰链间的间隙误差问题，但是受柔性铰链有限的柔性变形限制，导致定位平台的工作空间小（一般只能实现微米级的工作空间）。因此针对上述的两个技术问题，本发明利用压电叠堆的精密驱动输出，并配合位移放大机构，实现了非轴对称结构体上行波的传动，从而提出了一种平面三自由度大行程、高精度的压电驱动平台。采用本专利发明的压电驱动平台不仅能实现三个自由度的运动，同时也避免了传统传动机构引入的铰链间隙误差，以及由于柔性铰链的小变形带来的工作空间小的问题。此外，通过调节弹性板的厚度来调整运动平台的分辨率，可以实现对不同精度的定位要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，是针对前述背景技术的缺陷和不足，设计一种平面三自由度压电驱动平台，实现平面三自由度大行程、高精度的定位要求。

本发明采用的技术方案是：

一种平面三自由度压电驱动平台，包括功能平台和弹性板，还包括安装于功能平台和弹性板之间的压电驱动器，还包括位于弹性板下方并与弹性板下表面直接接触的静平；

上述压电驱动器由4n个压电驱动模块组成，其中n大于或等于4，每个压电驱动模块均包括一个位移放大机构，位移放大机构的两侧各具有1个压电叠堆、1个预紧螺栓、1个连接板；其中所述连接板上部固连于功能平台（5）下方，所述预紧螺栓安装于所述连接板下部，所述压电叠堆通过预紧螺栓压紧在位移放大机构侧面；

4n(n≥4)个压电驱动模块呈正方形均匀排列方式安装于功能平台和弹性板之间,即每条正方形边安装有n+1个压电驱动模块。

上述4n个压电驱动模块安装方向保持一致。

在弹性板平面上按压电驱动模块所呈的正方形排列方式设置XOY坐标系，其中X方向与正方形第一边平行，Y方向与正方形第二边平行；

对上述的正方形任意一条边上排列的n+1个压电驱动模块分别施加驱动信号，其中施加在任一条边上的n+1个压电驱动模块的交流信号依次增加或减少90°的相位差，将形成一条沿着此边方向行进的行波；

若仅对XOY平面上的两条对边上的压电驱动模块施加上述交流信号，当两条对边上分别形成的行波具有相同的行进方向时，平台能实现沿该方向且运动方向与行波行进方向相同的平移运动；

若仅对XOY平面上的两条对边上的压电驱动模块施加上述交流信号，且两条对边上分别形成的行波具有相反的行进方向时，平台实现XOY平面内的旋转运动；

若当对XOY平面上的四条对边上的压电驱动模块均施加上述交流信号，当四条边上形成的行波具有绕某一轴旋转的方向，平台实现XOY平面内的旋转运动。

由于行波在所述弹性板上传播，从而迫使弹性板表面上的质点做椭圆运动，通过调整弹性板的厚度，以改变弹性板上表面质点的横向位移，从而调整平面三自由度压电驱动平台的位移分辨率。

本发明公开的平面三自由度压电驱动平台，利用压电叠堆产生大的静变形特点以及位移放大机构的放大作用从而使压电驱动模块产生有效的伸缩变形，同时通过对压电驱动模块的合理布置，即可在弹性板上激发出行进的行波，从而激励弹性板上的表面质点做椭圆运动，并在功能平台、压电驱动模块以及弹性板三者的自身重力作用下与静平台的上表面接触产生摩擦作用，从而实现平台的三自由度运动。本发明所用的4n(n≥4)个压电驱动模块通过固定螺栓连接到弹性板，并呈正方形排列，其中正方形每条边由n+1个压电驱动模块组成。根据需要，调整压电驱动模块上压电叠堆施加的交流信号，可以改变平台的工作状态。

本发明具有以下特点：本发明利用压电叠堆的共振或非共振振动模式进行激励，在弹性板上实现不同方向的行波行波传动，从而激励弹性板的表面质点作椭圆运动，在摩擦作用的驱动下实现平面的二自由度运动以及绕平面的旋转运动，同时通过改变弹性板的厚度，可以调整平台的分辨率。与传统机械式传动相比，具有结构简单、响应快、分辨率高、运动方式灵活等优点，避免了传统机械式传动引入的铰链间隙误差、运动空间小等问题，可实现三自由度大行程、高精度的定位目标。

理论上压电驱动模块对弹性板的驱动属于点接触激励，因此压电驱动模块的安装方向可以不作特殊要求，但实际应用中若使上述4n个压电驱动模块安装方向保持一致，可以使结构规整简单，且使弹性板具有相同的各向异性，有利于弹性板上行波的形成。

附图说明

图1是平面三自由度压电驱动平台的结构示意图；

图2是压电驱动模块的正方形布局俯视图；

图3是压电驱动模块的正方形布局主视图；

图4是一个压电驱动模块的装配示意图；

图5是位移放大机构的示意图；

图6是激励弹性板平移运动的信号施加示意图；

图7是激励弹性板旋转运动的信号施加示意图；

图8是取n=4时，同一边上5组压电模块在驱动信号下使得弹性板产生行波的示意图。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ为弹性板在一个周期过程中的4个状态示意图；

其中：1-连接板，2-预紧力螺栓，3-位移放大机构，4-固定螺栓，5-功能平台，6-压电叠堆，7-弹性板，8-静平台，9-角度，10-正方形第一边，11-正方形第二边，12-正方形第三边，13-正方形第四边，14-压电驱动模块。

具体实施方式

下面通过使用16个压电驱动模块（即n=4）进行激励来具体说明平面三自由度压电驱动平台的工作原理及具体实施方式。

如图1、图2、图3所示，本发明的平面三自由度压电驱动平台，由压电驱动模块、弹性板、功能平台以及静平台组成。所述的16个压电驱动模块在所述的弹性板上呈正方形排列，其中正方形的每条边由5个压电驱动模块组成，分别通过固定螺栓连接在弹性板上表面；所述的功能平台为材质均匀的正方形刚性板，通过焊接方式与压电驱动模块相连接；所述的静平台与弹性板下表面直接接触；通过对压电模块施加特定的驱动信号，可以在弹性板表面激励出行波，使弹性板表面质点作椭圆运动，同时在预压力的作用下，通过弹性板与静平台之间的摩擦作用从而驱动弹性板及其与之固定的功能平台实现平面的运动。此外，通过改变对16个压电驱动模块施加的驱动信号，可以改变平台的工作状态，实现平台的两个自由度的平面运动以及绕平面的旋转运动。

图4为一个压电驱动模块的结构示意图，压电驱动模块通过固定螺栓与弹性板相连接，通过连接板与功能平台焊接，压电叠堆通过预紧力螺栓与位移放大机构压紧。

图5所示为本发明中采用的位移放大机构示意图，位移放大机构能将两侧压电叠堆产生的水平伸缩运动，转换并放大到竖直方向上，且通过设计角度9的初始值，可调节位移放大的比例。

图6为平台平移运动原理图，如图6所示，以弹性板实现沿X轴负向运动为例进行说明，分别对正方形第一边10、正方形第三边12上的各5个压电驱动模块施加相同的sin、cos、-sin、-cos、sin驱动信号，则可以在正方形第一边10、正方形第三边12上激励出相同的向X轴负向移动的行波，使得弹性板表面质点沿行波方向做椭圆运动，在功能平台及压电驱动模块自身的重力预紧下，实现弹性板的向X轴负向平移运动。当在正方形第一边10、正方形第三边12上激励出相同的向X轴正向移动的行波时即可实现弹性板的向X轴正向平移运动。

图7为激励弹性板旋转运动的信号施加示意图，如图7所示，若对正方形第三边12上的5组压电模块施加sin、cos、-sin、-cos、sin驱动信号，对正方形第一边10上的5组压电模块施加-sin、cos、sin、-cos、-sin驱动信号，则在正方形第一边10、正方形第三边12上分别激励出沿X轴正向和沿X轴负向的行波，在功能平台5及压电驱动模块自身的重力预紧下，实现弹性板绕正方形中心的顺时针平面转动。当对换正方形第一边10、正方形第三边12上的驱动信号时，在正方形第一边10、正方形第三边12上分别激励出沿X轴负向和沿X轴正向的行波，可实现弹性板绕正方形中心的逆时针平面转动。

同理，正方形第二边11、正方形第四边13上的压电驱动模块驱动原理同正方形第一边10、正方形第三边12。在激励平台旋转运动时，为了得到更大的驱动力，可以在正方形四条边边分别施加特定的驱动信号，当在正方形第一边10、正方形第二边11、正方形第三边12、正方形第四边13上分别激励出沿X轴正向、Y轴负向、X轴负向、Y轴正向的行波时，实现弹性板绕正方形中心的顺时针平面转动；当在正方形第一边10、正方形第二边11、正方形第三边12、正方形第四边13上分别激励出沿X轴负向、Y轴正向、X轴正向、Y轴负向的行波时，实现弹性板绕正方形中心的逆时针平面转动。

图8是以正方形一条一边上5组压电模块14在一个激励周期T内产生行波的示意图。以图6中正方形第三边12所加驱动信号为例进行说明，对5个压电驱动模块上的压电叠堆分别施加sin、cos、-sin、-cos、sin驱动信号，在压电效应作用下，压电叠堆会产生相应的形变量Asinwt、Acoswt、A-sinwt、A-coswt、Asinwt，式中A为振幅，w为信号频率，这种形变通过位移放大机构放大并传递到弹性板上，迫使弹性板产生相应的形变，从而形成图8所示的行波，使得弹性板7表面对应的质点作椭圆运动。如图中所示，由于在弹性板中激励出了行波，弹性板与静平台只是在波谷处接触，所以驱动弹性板运动的只是这些与静平台接触的质点，图中给出了接触处一个质点椭圆运动的局部放大图，椭圆运动方向为逆时针，依据摩擦学知识，弹性板必然向X轴负向运动。图8中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ图形象的表示了一个周期内行波的运动以及质点接触处的变化。

Claims (4)

1.一种平面三自由度压电驱动平台，其特征在于：

包括功能平台（5）和弹性板（7），还包括安装于功能平台（5）和弹性板（7）之间的压电驱动器，还包括位于弹性板（7）下方并与弹性板（7）下表面直接接触的静平台（8）；

上述压电驱动器由个压电驱动模块（14）组成，其中n大于等于4，每个压电驱动模块（14）均包括一个位移放大机构（3），位移放大机构（3）的两侧各具有1个压电叠堆（6）、1个预紧螺栓（2）、1个连接板（1）；其中所述连接板（1）上部固连于功能平台（5）下方，所述预紧螺栓（2）安装于所述连接板（1）下部，所述压电叠堆（6）通过预紧螺栓（2）压紧在位移放大机构（3）侧面；

个压电驱动模块（14）呈正方形均匀排列方式安装于功能平台（5）和弹性板（7）之间,即正方形的每条边安装有n+1个压电驱动模块。

2.根据权利要求1所述的平面三自由度压电驱动平台，其特征在于：上述4n个压电驱动模块（14）安装方向保持一致。

3.根据权利要求1所述的平面三自由度压电驱动平台的运动驱动方法，其特征在于包括以下过程：

定义：在弹性板平面上按压电驱动模块（14）所呈的正方形排列方式设置XOY坐标系，其中X方向与正方形第一边（10）平行，Y方向与正方形第二边（11）平行；

对上述的正方形任意一条边上排列的n+1个压电驱动模块（14）分别施加驱动信号，其中施加在任一条边上的n+1个压电驱动模块（14）的交流信号依次增加或减少90°的相位差，则形成沿着此边方向行进的行波；

若仅对XOY平面上的两条对边上的压电驱动模块施加上述交流信号，当两条对边上分别形成的行波具有相同的行进方向时，平台能实现沿该方向且运动方向与行波行进方向相同的平移运动；

若仅对XOY平面上的两条对边上的压电驱动模块施加上述交流信号，且两条对边上分别形成的行波具有相反的行进方向时，平台实现XOY平面内的旋转运动；

若当对XOY平面上的四条对边上的压电驱动模块均施加上述交流信号，当四条边上形成的行波具有绕某一轴旋转的方向，平台实现XOY平面内的旋转运动。

4.根据权利要求3所述的平面三自由度压电驱动平台的运动驱动方法，其特征在于：由于行波在所述弹性板（7）上传播，从而迫使弹性板（7）表面上的质点做椭圆运动，通过调整弹性板（7）的厚度，以改变弹性板上表面质点的横向位移，从而调整平面三自由度压电驱动平台的位移分辨率。