CN108111052B - 耦合尺蠖仿生与寄生运动原理的压电定位平台及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种耦合尺蠖仿生与寄生运动原理的压电定位平台及控制方法，定位平台中的驱动单元、动子单元及钳位单元分别与基座连接，动子单元中动子两侧的薄片状结构分别与驱动单元和钳位单元输出端的凹槽间隙配合。同时给钳位单元和驱动单元中的压电叠堆分别施加具有一定时序的周期性方波和锯齿波驱动电压，实现动子的步进运动。优点在于：耦合了尺蠖仿生与寄生运动原理的各自优势，克服了尺蠖仿生式压电定位平台压电元件使用多、结构和控制复杂的问题以及寄生运动式压电定位平台自锁性差、回退运动显著的问题，为研制同时具备大行程、高承载能力、回退运动小、结构和控制简单的压电精密定位平台提供一种可行方案。
Description
技术领域
本发明涉及精密机械、精密光学系统、显微操作、精密/超精密加工等领域，特别涉及一种耦合尺蠖仿生与寄生运动原理的压电定位平台及控制方法。
背景技术
基于压电材料设计的精密定位平台在精密机械、精密光学系统、显微操作、精密/超精密加工等领域具有重要应用。为解决单一压电元件输出位移非常有限的问题，研究人员提出了诸如尺蠖仿生、粘滑惯性、寄生运动等驱动原理，并设计研制了相应的大行程压电精密定位平台，一定程度上扩展了压电驱动精密定位平台的应用范围和领域。然而，基于上述原理研制的压电驱动精密定位平台也存在各自的缺点。典型的如尺蠖式压电定位平台具有输出力大、回退运动小、分辨率高等优点，但是其结构往往十分复杂、加工装配非常困难，而且由于需3个以上的压电元件时序动作，控制过程复杂。粘滑惯性式压电定位平台的结构和控制较为简单，但是其承载能力较低、而且运动过程存在明显的回退现象，限制了其使用。寄生运动式压电定位平台具备了粘滑式驱动器的优点，但是依然存在驱动电压为零时自锁性较差以及运动过程中存在明显的回退现象等问题。
综上，现存的各类压电定位平台虽然可在高分辨率的情况下实现大行程运动，但是依然存在或结构与控制复杂、或承载能力低、或回退现象显著、或自锁性差等问题，所以，研制同时具备大行程、高承载能力、回退运动小、结构和控制简单的压电精密定位平台依然是迫切需要解决的难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耦合尺蠖仿生与寄生运动原理的压电定位平台及控制方法，通过耦合尺蠖仿生和寄生运动原理的各自优势，一方面解决了尺蠖仿生式压电定位平台压电元件使用多、结构和控制复杂的问题，另一方面解决了寄生运动式压电定位平台自锁性差、回退运动显著的问题。本发明为研制同时具备大行程、高承载能力、回退运动小、结构和控制简单的压电精密定位平台提供了一种解决方案，在精密机械、精密光学系统、显微操作、精密/超精密加工等领域有广阔的应用前景。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
耦合尺蠖仿生与寄生运动原理的压电定位平台，包括钳位单元、动子单元及驱动单元，所述驱动单元、动子单元及钳位单元分别通过螺钉与基座1连接。
所述的钳位单元由钳位垫块4、钳位压电叠堆2和钳位柔性铰链抓爪3组成，所述钳位压电叠堆2采用过盈配合方式安装在钳位柔性铰链抓爪3尾部的槽内，所述钳位柔性铰链抓爪3通过钳位垫块4与基座1的侧面连接。
所述的驱动单元由驱动垫块8、驱动压电叠堆9和驱动柔性铰链抓爪10组成，所述驱动压电叠堆9采用过盈配合方式安装在驱动柔性铰链抓爪10尾部的槽内，所述驱动柔性铰链抓爪10通过驱动垫块8与基座1的上端面连接。
所述的动子单元由导轨5、滑块6和动子7组成，所述导轨5通过螺钉与基座1连接，动子7通过螺钉固定在滑块6的上端，动子7伴随滑块6在导轨5上沿x方向运动，动子7 两侧的薄片状结构分别与驱动单元和钳位单元输出端的凹槽实现间隙配合。
本发明的另一目的在于提供一种耦合尺蠖仿生与寄生运动原理的压电定位平台的控制方法，同时给钳位单元中的钳位压电叠堆2和驱动单元中的驱动压电叠堆9分别施加周期性的方波驱动电压和锯齿波驱动电压，两路驱动电压信号在一个周期T内满足以下时序关系：
1）在时间t=0时刻，钳位压电叠堆2的驱动电压处于高电平，在逆压电效应作用下，钳位压电叠堆2伸长，驱动钳位柔性铰链抓爪3夹紧动子两侧的薄片状结构，实现自锁；此时刻，驱动压电叠堆9的驱动电压保持为零；
2）在0～t 1时间，钳位压电叠堆2的驱动电压仍处于高电平；而驱动压电叠堆9的驱动电压线性增加，驱动柔性铰链抓爪10逐步产生变形，导致其输出端在t 1时刻与动子两侧的薄片状结构接触；
3）在t 1～t 2时间，钳位压电叠堆2的驱动电压变换为低电平，钳位柔性铰链抓爪3与动子两侧的薄片状结构松开；此时间内，驱动压电叠堆9的驱动电压仍线性增加，依据寄生运动驱动原理，驱动柔性铰链抓爪10拉动动子7沿着导轨5在x轴方向上运动；
4）在t 2～T时间，钳位压电叠堆2的驱动电压再次变换为高电平，钳位柔性铰链抓爪3再次夹紧动子两侧的薄片状结构；此时间内，驱动压电叠堆9的驱动电压线性增加至最大，之后快速下降至零；由于此段时间内，动子两侧的薄片状结构被钳位柔性铰链抓爪3夹紧，动子7在驱动压电叠堆9的驱动电压快速下降阶段的回退运动被大大抑制甚至消除，从而提高动子7的单步运动位移与定位精度。
本发明耦合尺蠖仿生与寄生运动原理，该类型定位平台在实现毫米级大行程和微纳米级高精度定位功能的基础上，兼具高承载能力、结构和控制简单等特点。
本发明的有益效果在于：耦合了尺蠖仿生与寄生运动原理各自的优势，克服了尺蠖仿生式压电定位平台压电元件使用多、结构和控制复杂的问题以及寄生运动式压电定位平台自锁性差、回退运动显著的问题，为研制同时具备大行程、高承载能力、回退运动小、结构和控制简单的压电精密定位平台提供一种可行方案。可用于精密机械、精密光学系统、显微操作、精密/超精密加工等领域实现大行程和微纳米精密定位。实用性强，适用范围广。
附图说明
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。
图1为本发明的耦合尺蠖仿生与寄生运动原理的压电定位平台的立体结构示意图；
图2为本发明的驱动单元的工作原理图；
图3为本发明的钳位单元的工作原理图；
图4为本发明在耦合尺蠖仿生与寄生运动原理下实现直线运动时，驱动压电叠堆以及钳位压电叠堆的时序控制图；
图5为本发明在仅利用寄生运动原理实现直线运动时的位移输出曲线图，其中驱动压电叠堆的驱动电压为80伏，频率为10赫兹；
图6为本发明在耦合尺蠖仿生与寄生运动原理下实现直线运动时的位移输出曲线图，其中驱动压电叠堆及钳位压电叠堆的驱动电压均为80伏、频率均为10赫兹。
图中：1、基座；2、钳位压电叠堆；3、钳位柔性铰链抓爪；4、钳位垫块；5、导轨；6、滑块；7、动子；8、驱动垫块；9、驱动压电叠堆；10、驱动柔性铰链抓爪。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1至图6所示，本发明的耦合尺蠖仿生与寄生运动原理的压电定位平台及控制方法，定位平台主要包括钳位单元、动子单元及驱动单元等，驱动单元、动子单元及钳位单元分别通过螺钉与基座连接，动子单元中动子两侧的薄片状结构分别与驱动单元和钳位单元输出端的凹槽实现间隙配合。该控制方法为：同时给钳位单元和驱动单元中的压电叠堆分别施加具有一定时序的周期性方波和锯齿波驱动电压，实现动子的步进运动。耦合了尺蠖仿生与寄生运动原理的各自优势，克服了尺蠖仿生式压电定位平台压电元件使用多、结构和控制复杂的问题以及寄生运动式压电定位平台自锁性差、回退运动显著的问题，为研制同时具备大行程、高承载能力、回退运动小、结构和控制简单的压电精密定位平台提供一种可行方案。可用于精密机械、精密光学系统、显微操作、精密/超精密加工等领域实现大行程和微纳米精密定位。
参见图1所示，本发明的耦合尺蠖仿生与寄生运动原理的压电定位平台，包括钳位单元、动子单元及驱动单元，所述的驱动单元、动子单元及钳位单元分别通过螺钉与基座1连接。
所述的钳位单元由钳位垫块4、钳位压电叠堆2和钳位柔性铰链抓爪3组成，所述的钳位压电叠堆2采用过盈配合方式安装在钳位柔性铰链抓爪3尾部的槽内，所述的钳位柔性铰链抓爪3通过钳位垫块4与基座1的侧面连接。
所述的驱动单元由驱动垫块8、驱动压电叠堆9和驱动柔性铰链抓爪10组成，所述的驱动压电叠堆9采用过盈配合方式安装在驱动柔性铰链抓爪10尾部的槽内，所述的驱动柔性铰链抓爪10通过驱动垫块8与基座1的上端面连接。
所述的动子单元由导轨5、滑块6和动子7组成，所述的导轨5通过螺钉与基座1连接，动子7通过螺钉固定在滑块6的上端，动子7可以伴随滑块6在导轨5上做x方向上的运动，动子7两侧的薄片状结构分别与驱动单元和钳位单元输出端的凹槽实现间隙配合。
本发明耦合尺蠖仿生与寄生运动原理，其中运动方向的驱动基于寄生运动原理（参见专利号：201210114613.9）。
参见图2所示，是本发明的驱动单元的工作原理图。驱动压电叠堆9在受到电压时伸长，使驱动柔性铰链抓爪10的尾部两端产生y pzt1大小的位移，由于驱动柔性铰链抓爪10的变形，抓爪端部同时产生y a和x a两个运动，即先夹紧动子两侧的薄片状结构，然后再拉动动子7沿x方向进行移动。
参见图3所示，是本发明的钳位单元的工作原理图。钳位压电叠堆2在受到电压时伸长，使钳位柔性铰链抓爪3的尾部两端产生y pzt2大小的位移，由于钳位柔性铰链抓爪3的变形，抓爪端部会对动子两侧的薄片状结构产生F Nb的夹紧力，钳住动子7。
参见图4所示，是本发明在耦合尺蠖仿生与寄生运动原理下实现直线运动时，驱动压电叠堆以及钳位压电叠堆的时序控制图。依据该时序控制图，同时给钳位单元中的钳位压电叠堆2和驱动单元中的驱动压电叠堆9分别施加周期性的方波驱动电压和锯齿波驱动电压，两路驱动电压信号在一个周期T内满足以下时序关系：
1）在时间t=0时刻，钳位压电叠堆2的驱动电压处于高电平，在逆压电效应作用下，钳位压电叠堆2伸长，驱动钳位柔性铰链抓爪3夹紧动子两侧的薄片状结构，实现自锁；此时刻，驱动压电叠堆9的驱动电压保持为零；
2）在0～t 1时间，钳位压电叠堆2的驱动电压仍处于高电平；而驱动压电叠堆9的驱动电压线性增加，驱动柔性铰链抓爪10逐步产生变形，导致其输出端在t 1时刻与动子两侧的薄片状结构接触；
3）在t 1～t 2时间，钳位压电叠堆2的驱动电压变换为低电平，钳位柔性铰链抓爪3与动子两侧的薄片状结构松开；此时间内，驱动压电叠堆9的驱动电压仍线性增加，依据寄生运动驱动原理，驱动柔性铰链抓爪10拉动动子7沿着导轨5在x轴方向上运动；
4）在t 2～T时间，钳位压电叠堆2的驱动电压再次变换为高电平，钳位柔性铰链抓爪3再次夹紧动子两侧的薄片状结构；此时间内，驱动压电叠堆9的驱动电压线性增加至最大，之后快速下降至零。由于此段时间内，动子两侧的薄片状结构被钳位柔性铰链抓爪3夹紧，动子7在驱动压电叠堆9的驱动电压快速下降阶段的回退运动被大大抑制甚至消除，从而提高动子7的单步运动位移与定位精度。
参见图5，是本发明在仅利用寄生运动原理实现直线运动时的位移输出曲线图，其中驱动压电叠堆9的驱动电压为80伏，频率为10赫兹；参见图6，是本发明在耦合尺蠖仿生与寄生运动原理下实现直线运动时的位移输出曲线图，其中驱动压电叠堆9及钳位压电叠堆2的驱动电压均为80伏、频率均为10赫兹。图中，Δx为动子一个周期内的有效位移，x b为动子一个周期内的回退位移。由图5显见，仅利用寄生运动原理实现直线运动时，动子回退位移非常大，导致其在一个周期内的有效位移很小，这种回退现象不仅降低了定位平台的单步运动位移，而且对定位精度产生较大的影响。相比图5，当定位平台在耦合尺蠖仿生与寄生运动原理下实现直线运动时，动子在一个周期内的回退位移得到有效抑制，有效位移显著增加。通过图5和图6的对比，显见本发明提供的耦合尺蠖仿生与寄生运动原理的大行程压电直线精密定位平台及控制方法的有益效果。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种耦合尺蠖仿生与寄生运动原理的压电定位平台，其特征在于：包括钳位单元、动子单元及驱动单元，所述驱动单元、动子单元及钳位单元分别通过螺钉与基座（1）连接；
所述的钳位单元由钳位垫块（4）、钳位压电叠堆（2）和钳位柔性铰链抓爪（3）组成，所述钳位压电叠堆（2）采用过盈配合方式安装在钳位柔性铰链抓爪（3）尾部的槽内，所述钳位柔性铰链抓爪（3）通过钳位垫块（4）与基座（1）的侧面连接；
所述的驱动单元由驱动垫块（8）、驱动压电叠堆（9）和驱动柔性铰链抓爪（10）组成，所述驱动压电叠堆（9）采用过盈配合方式安装在驱动柔性铰链抓爪（10）尾部的槽内，所述驱动柔性铰链抓爪（10）通过驱动垫块（8）与基座（1）的上端面连接；
所述的动子单元由导轨（5）、滑块（6）和动子（7）组成，所述导轨（5）通过螺钉与基座（1）连接，动子（7）通过螺钉固定在滑块（6）的上端，动子（7）伴随滑块（6）在导轨（5）上沿x方向运动，动子（7）两侧的薄片状结构分别与驱动单元和钳位单元输出端的凹槽实现间隙配合。
2.根据权利要求1所述的耦合尺蠖仿生与寄生运动原理的压电定位平台的控制方法，其特征在于：同时给钳位单元中的钳位压电叠堆（2）和驱动单元中的驱动压电叠堆（9）分别施加周期性的方波驱动电压和锯齿波驱动电压，两路驱动电压信号在一个周期T内满足以下时序关系：
1）在时间t=0时刻，钳位压电叠堆（2）的驱动电压处于高电平，在逆压电效应作用下，钳位压电叠堆（2）伸长，驱动钳位柔性铰链抓爪（3）夹紧动子（7）两侧的薄片状结构，实现自锁；此时刻，驱动压电叠堆（9）的驱动电压保持为零；
2）在0～t 1时间，钳位压电叠堆（2）的驱动电压仍处于高电平；而驱动压电叠堆（9）的驱动电压线性增加，驱动柔性铰链抓爪（10）逐步产生变形，导致其输出端在t 1时刻与动子两侧的薄片状结构接触；
3）在t 1～t 2时间，钳位压电叠堆（2）的驱动电压变换为低电平，钳位柔性铰链抓爪（3）与动子两侧的薄片状结构松开；此时间内，驱动压电叠堆（9）的驱动电压仍线性增加，依据寄生运动驱动原理，驱动柔性铰链抓爪（10）拉动动子（7）沿着导轨（5）在x轴方向上运动；
4）在t 2～T时间，钳位压电叠堆（2）的驱动电压再次变换为高电平，钳位柔性铰链抓爪（3）再次夹紧动子两侧的薄片状结构；此时间内，驱动压电叠堆（9）的驱动电压线性增加至最大，之后快速下降至零；由于此段时间内，动子两侧的薄片状结构被钳位柔性铰链抓爪（3）夹紧，动子（7）在驱动压电叠堆（9）的驱动电压快速下降阶段的回退运动被有效抑制甚至完全消除，从而提高动子（7）的单步运动位移与定位精度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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