CN108173452B - 三维压电微纳驱动平台及其驱动方法 - Google Patents
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Abstract
一种三维压电微纳驱动平台及其驱动方法，以解决当前驱动平台行程小、定位精度低和控制复杂等问题。本发明由X向定位装置、Y向定位装置、Z向定位装置、载物平台组成。本发明采用杠杆型驱动装置，在保证定位精度的前提下对输出的微位移进行放大，使得本驱动平台具有较大的行程，可显著提升驱动平台的机械输出性能；所设计的杠杆放大机构，装配简单，易于调节，且具有可更换性。与当前已有技术相比，本发明具有大行程、定位精度高、结构简单轻量化和低成本等特点，在光学精密仪器等微纳驱动领域中具有很好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种三维压电微纳驱动平台及其驱动方法，属于微纳精密驱动与定位技术领域。
背景技术
压电驱动技术是一种利用压电材料的逆压电效应将电能转化为机械能的新型驱动方式，与传统的电磁驱动方式相比，具有低速大转矩（推力）、力矩密度高、设计灵活、结构紧凑、定位精度高、响应速度快、断电自锁、无电磁干扰以及可不使用轴承和润滑等优点，在机器人关节驱动、精密仪器仪表、超精密加工、航空航天以及生命科学等领域均具有广泛的应用前景，是近年来精密特种驱动技术领域研究的热点之一。
多自由度精密驱动平台广泛应用于空间机构、生命科学、光学精密仪器和超精加工等高端技术领域。多自由度精密驱动平台按照驱动方式主要可分为电磁电机驱动的多自由度精密驱动平台和压电驱动的多自由度精密驱动平台。目前多数采用的是电磁电机的驱动方式，虽然可实现较大的行程，但是普遍存在定位精度较低且工作环境要求苛刻等问题；由于上述高端技术领域对高精度驱动装置的需求，使得压电驱动技术得到了迅速发展。当前基于压电驱动的精密平台主要包括直动式压电驱动平台、尺蠖式压电驱动平台、粘滑式压电驱动平台等方式，直动式压电驱动平台由于运动行程小的缺陷影响了其在微纳精密驱动技术领域的应用，尺蠖式压电驱动平台存在控制复杂且动子与定子间磨损严重等问题，而压电粘滑驱动平台因具有结构简单紧凑、定位精度高、行程大和控制方便等优点，被广泛应用于精密驱动与定位技术领域。因此，为了克服直动式压电驱动平台和尺蠖式压电驱动平台存在的技术问题，基于粘滑驱动原理设计一种可实现大行程、高精度、结构简单以及寿命长的多自由度精密驱动平台显得尤为迫切。
发明内容
为了解决当前驱动平台行程小、定位精度低和控制复杂等问题，本发明公开了一种三维压电微纳驱动平台及其驱动方法。
本发明所采用的技术方案是：
所述一种利用阶梯型杠杆放大机构实现方式的三维压电微纳驱动平台由X向定位装置、Y向定位装置螺栓、Y向定位装置、Z向定位装置螺栓、Z向定位装置、载物平台螺栓、载物平台、X向定位装置螺栓组成；所述X向定位装置通过X向定位装置螺栓固定安装在外围装置上，所述Y向定位装置通过Y向定位装置螺栓固定安装在X向定位装置上，Z向定位装置通过Z向定位装置螺栓固定安装在Y向定位装置上，载物平台通过载物平台螺栓固定安装在Z向定位装置上。
所述X向定位装置设置有杠杆型驱动装置Ⅰ、导轨装置Ⅰ、底座Ⅰ、安装螺栓Ⅰ；所述杠杆型驱动装置Ⅰ和导轨装置Ⅰ通过安装螺栓Ⅰ固定安装在底座Ⅰ上；所述Y向定位装置设置有杠杆型驱动装置Ⅱ、安装螺栓Ⅱ、导轨装置Ⅱ、底座Ⅱ；所述杠杆型驱动装置Ⅱ和导轨装置Ⅱ通过安装螺栓Ⅱ固定安装于底座Ⅱ上；所述Z向定位装置设置有底座Ⅲ、杠杆型驱动装置Ⅲ、安装螺栓Ⅲ、导轨装置Ⅲ；所述杠杆型驱动装置Ⅲ和导轨装置Ⅲ通过安装螺栓Ⅲ固定安装在底座Ⅲ上；所述载物平台设置有支撑架、载物台和载物台螺钉；载物台通过载物台螺钉固定安装在支撑架上。
所述杠杆型驱动装置Ⅰ设置有杠杆型放大机构、共烧压电促动器、方形片、预紧螺钉；所述共烧压电促动器通过预紧螺钉和方形片固定在杠杆型放大机构中，所述杠杆型放大机构设置有半圆形柔性铰链、连接梁Ⅰ、连接梁Ⅱ、圆形柔性铰链、阶梯型杠杆、杠杆Ⅰ和杠杆Ⅱ；所述半圆形柔性铰链和圆形柔性铰链具有圆角半径分别为r和R，其圆角半径比值P=R/r取值为0.6~1；所述阶梯型杠杆前端长度为A，所述阶梯型杠杆后端长度为B，前端与后端的比值K=A/B为杠杆型放大机构平行于驱动方向的微位移放大倍数，其微位移放大倍数K取值为1~5；所述杠杆型放大机构设置有安装孔，安装孔与底座Ⅰ通过安装螺栓Ⅰ进行连接；所述杠杆型放大机构设置有螺纹孔Ⅰ，螺纹孔Ⅰ与预紧螺钉进行螺纹连接；所述杠杆型放大机构设置有半圆驱动头，其半圆驱动头与导轨装置Ⅰ进行线接触；所述底座Ⅰ设置有螺纹孔Ⅱ和驱动装置安装面Ⅰ，安装螺栓Ⅰ通过安装孔与螺纹孔Ⅱ进行螺纹连接，将杠杆型驱动装置Ⅰ固定于驱动装置安装面Ⅰ，底座Ⅰ设置有螺纹孔Ⅲ，通过安装螺栓Ⅰ将导轨装置Ⅰ固定于底座Ⅰ，底座Ⅰ设置有固定孔Ⅰ，通过X向定位装置螺栓将底座Ⅰ固定于其工作台面。
所述杠杆型驱动装置Ⅱ与杠杆型驱动装置Ⅰ机构相同；所述底座Ⅱ设置有螺纹孔Ⅳ和驱动装置安装面Ⅱ，安装螺栓Ⅱ与螺纹孔Ⅳ进行螺纹连接，将杠杆型驱动装置Ⅱ固定于驱动装置安装面Ⅱ；底座Ⅱ设置有螺纹孔Ⅴ，通过安装螺栓Ⅱ将导轨装置Ⅱ固定于底座Ⅱ；底座Ⅱ设置有固定孔Ⅱ和底座Ⅱ下足，Y向定位装置螺栓通过固定孔Ⅱ将底座Ⅱ固定安装于导轨装置Ⅰ。
所述底座Ⅲ设置有螺纹孔Ⅵ和驱动装置安装面Ⅲ，安装螺栓Ⅲ与螺纹孔Ⅵ进行螺纹连接，将杠杆型驱动装置Ⅲ固定于驱动装置安装面Ⅲ；底座Ⅲ设置有螺纹孔Ⅶ，通过安装螺栓Ⅲ将导轨装置Ⅲ固定于底座Ⅲ；底座Ⅲ设置有底座Ⅲ下足和固定孔Ⅲ，Z向定位装置螺栓通过固定孔Ⅲ将底座Ⅲ固定安装于导轨装置Ⅱ；底座Ⅲ设置有筋板；所述杠杆型驱动装置Ⅲ与杠杆型驱动装置Ⅰ机构相同。
所述支撑架设置有固定孔Ⅳ、螺纹孔Ⅷ、支撑板和支撑架下足，通过载物平台螺栓将载物平台固定于导轨装置Ⅲ；所述载物台设置有固定孔Ⅴ，载物台螺钉通过螺纹连接将载物台固定于支撑板，载物台设置有外接螺纹孔。
或为一种利用斜角杠杆放大机构实现方式的三维压电微纳驱动平台；所述杠杆型放大机构设置有半圆形柔性铰链、连接梁Ⅰ、连接梁Ⅱ和斜角杠杆；所述杠杆型放大机构设置有安装孔，安装孔与底座Ⅰ通过安装螺栓Ⅰ进行连接；所述杠杆型放大机构设置有螺纹孔Ⅰ，螺纹孔Ⅰ与预紧螺钉进行螺纹连接；所述杠杆型放大机构设置有半圆驱动头，其半圆驱动头与导轨装置Ⅰ进行线接触。
或为一种利用平行杠杆放大机构的实现方式三维压电微纳驱动平台；所述杠杆型放大机构设置有半圆形柔性铰链、连接梁Ⅰ、连接梁Ⅱ和平行杠杆；所述杠杆型放大机构设置有安装孔，安装孔与底座Ⅰ通过安装螺栓Ⅰ进行连接；所述杠杆型放大机构设置有螺纹孔Ⅰ，螺纹孔Ⅰ与预紧螺钉进行螺纹连接；所述杠杆型放大机构设置有扇形驱动头，其扇形驱动头与导轨装置Ⅰ进行线接触。
所述驱动方法中采用的复合激励电信号实现，复合激励电信号包括摩擦调控波和驱动波，通过将摩擦调控波复合叠加于驱动波的快速通电阶段，激发杠杆型驱动装置（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）在快速变形阶段处于微副高频共振状态，基于超声减摩效应降低快速变形阶段杠杆型驱动装置（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）与导轨装置（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）间的摩擦阻力。所述驱动波为锯齿波，所述摩擦调控波为正弦波。其中锯齿波的周期为T1，激励电压幅值为V1，对称性为S，正弦波周期为T2，激励电压幅值为V2，锯齿波与正弦波的周期比为T1/T2=100~20000，激励电压幅值比为V1/V2=2~6。
本发明的有益效果是：本发明采用杠杆型驱动装置，在保证定位精度的前提下对输出的微位移进行放大，使得本驱动平台具有较大的行程，可显著提升面向精密光学仪器的大行程串联式三自由度驱动平台的机械输出性能，开环条件定位精度可达纳米级，并通过机械结构串联的方式，使驱动平台可以进行三自由度运动，而且结构简单新颖、控制方便，输出速度提升明显，在光学精密仪器和微纳驱动技术领域具有广阔的应用前景。
附图说明
图1所示为本发明提出的利用阶梯型杠杆放大机构实现方式的三维压电微纳驱动平台的结构示意图；
图2所示为本发明提出的利用阶梯型杠杆放大机构实现方式的三维压电微纳驱动平台的X向定位装置结构示意图；
图3所示为本发明提出的利用阶梯型杠杆放大机构实现方式的三维压电微纳驱动平台的杠杆型驱动装置Ⅰ结构示意图；
图4所示为本发明提出的利用阶梯型杠杆放大机构实现方式的三维压电微纳驱动平台的杠杆型放大机构结构示意图；
图5所示为本发明提出的利用阶梯型杠杆放大机构实现方式的三维压电微纳驱动平台的杠杆型放大机构的俯视图；
图6所示为本发明提出的基于阶梯型杠杆的面向精密光学仪器的大行程串联式三自由度驱动平台的底座Ⅰ结构示意图；
图7所示为本发明提出的利用阶梯型杠杆放大机构实现方式的三维压电微纳驱动平台的Y向定位装置结构示意图；
图8所示为本发明提出的利用阶梯型杠杆放大机构实现方式的三维压电微纳驱动平台的底座Ⅱ的结构示意图Ⅰ；
图9所示为本发明提出的利用阶梯型杠杆放大机构实现方式的三维压电微纳驱动平台的底座Ⅱ的结构示意图Ⅱ；
图10所示为本发明提出的利用阶梯型杠杆放大机构实现方式的三维压电微纳驱动平台的Z向定位装置结构示意图；
图11所示为本发明提出的利用阶梯型杠杆放大机构实现方式的三维压电微纳驱动平台的底座Ⅲ的结构示意图Ⅰ；
图12所示为本发明提出的利用阶梯型杠杆放大机构实现方式的三维压电微纳驱动平台的底座Ⅲ的结构示意图Ⅱ；
图13所示为本发明提出的利用阶梯型杠杆放大机构实现方式的三维压电微纳驱动平台的载物平台结构示意图；
图14所示为本发明提出的利用阶梯型杠杆放大机构实现方式的三维压电微纳驱动平台的支撑架的结构示意图Ⅰ；
图15所示为本发明提出的利用阶梯型杠杆放大机构实现方式的三维压电微纳驱动平台的支撑架的结构示意图Ⅱ；
图16所示为本发明提出的利用阶梯型杠杆放大机构实现方式的三维压电微纳驱动平台的载物台的结构示意图；
图17所示为本发明提出的利用斜角杠杆放大机构实现方式的三维压电微纳驱动平台的结构示意图；
图18所示为本发明提出的利用斜角杠杆放大机构实现方式的三维压电微纳驱动平台的杠杆型放大机构结构示意图；
图19所示为本发明提出的一种利用平行杠杆放大机构的实现方式三维压电微纳驱动平台的结构示意图；
图20所示为本发明提出的一种利用平行杠杆放大机构的实现方式三维压电微纳驱动平台的杠杆型放大机构结构示意图；
图21所示为本发明提出的一种三维压电微纳驱动平台的耦合激励信号波形示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1~图16说明本实施方式。本实施方式提供了一种利用阶梯型杠杆放大机构实现方式的三维压电微纳驱动平台的具体实施方案。所述一种利用阶梯型杠杆放大机构实现方式的三维压电微纳驱动平台包括X向定位装置1、Y向定位装置螺栓2、Y向定位装置3、Z向定位装置螺栓4、Z向定位装置5、载物平台螺栓6、载物平台7、X向定位装置螺栓8；所述X向定位装置螺栓8用于将X向定位装置1通过螺纹连接固定安装在外围装置上，X向定位装置1可实现驱动平台的X向直线运动；所述Y向定位装置螺栓2用于将Y向定位装置3通过螺纹连接固定安装在X向定位装置1上，Y向定位装置3可实现驱动平台的Y向直线运动；所述Z向定位装置螺栓4用于将Z向定位装置5通过螺纹连接固定安装在Y向定位装置3上，Z向定位装置5可实现驱动平台的Z向直线运动；所述载物平台螺栓6用于将载物平台7通过螺纹连接固定安装在Z向定位装置5上，载物平台7可进行光学仪器的安装。
所述X向定位装置1设置有杠杆型驱动装置Ⅰ1-1、导轨装置Ⅰ1-2、底座Ⅰ1-3、安装螺栓Ⅰ1-4；安装螺栓Ⅰ1-4用于将杠杆型驱动装置Ⅰ1-1和导轨装置Ⅰ1-2通过螺纹连接固定安装在底座Ⅰ1-3上，杠杆型驱动装置Ⅰ1-1驱动导轨装置Ⅰ1-2进行X向直线运动；所述Y向定位装置3设置有杠杆型驱动装置Ⅱ3-1、安装螺栓Ⅱ3-2、导轨装置Ⅱ3-3、底座Ⅱ3-4；安装螺栓Ⅱ3-2用于将杠杆型驱动装置Ⅱ3-1和导轨装置Ⅱ3-3通过螺纹连接固定安装于底座Ⅱ3-4上，杠杆型驱动装置Ⅱ3-1驱动导轨装置Ⅱ3-3进行Y向直线运动；所述Z向定位装置5设置有底座Ⅲ5-1、杠杆型驱动装置Ⅲ5-2、安装螺栓Ⅲ5-3、导轨装置Ⅲ5-4；安装螺栓Ⅲ5-3用于将杠杆型驱动装置Ⅲ5-2和导轨装置Ⅲ5-4通过螺纹连接固定安装在底座Ⅲ5-1上，驱动装置Ⅲ5-2驱动导轨装置Ⅲ5-4进行Z向直线运动；所述载物平台7设置有支撑架7-1、载物台7-2和载物台螺钉7-3；载物台螺钉7-3用于将载物台7-2通过螺纹连接固定安装在支撑架7-1上，支撑架7-1起到对载物台7-2的支撑作用。
所述杠杆型驱动装置Ⅰ1-1设置有杠杆型放大机构1-1-1、共烧压电促动器1-1-2、方形片1-1-3、预紧螺钉1-1-4；所述共烧压电促动器1-1-2采用Thorlabs公司的产品，预紧螺钉1-1-4作用于共烧压电促动器1-1-2后面的方形片1-1-3上，将其固定在杠杆型放大机构1-1-1中，所述方形片1-1-3的材料为钨钢，其目的是防止预紧螺钉1-1-4直接作用于共烧压电促动器1-1-2，延长共烧压电促动器1-1-2的使用寿命，通过改变预紧螺钉1-1-4的旋进量，可对共烧压电促动器1-1-2进行预紧力调节。所述杠杆型放大机构1-1-1设置有半圆形柔性铰链1-1-1-1和圆形柔性铰链1-1-1-7，其圆角半径分别为r和R，比值P=R/r取值为0.6~1，本实施方式中该圆角半径的比值为1。所述杠杆型放大机构1-1-1设置有连接梁Ⅰ1-1-1-2和连接梁Ⅱ1-1-1-5，具体的，连接梁Ⅰ1-1-1-2和连接梁Ⅱ1-1-1-5的厚度都为d，其厚度d取值为1~3mm，本实施方式中选取厚度为2mm。所述杠杆型放大机构1-1-1设置有阶梯型杠杆1-1-1-8，阶梯型杠杆1-1-1-8对平行于驱动方向的微位移具有放大作用，所述阶梯型杠杆 1-1-1-8前端长度为A，所述阶梯型杠杆 1-1-1-8后端长度为B，前端与后端的比值K=A/B为杠杆型放大机构1-1-1平行于驱动方向的微位移放大倍数，其微位移放大倍数K取值为1~5；本实施方式中选取放大倍数K为2。所述杠杆型放大机构1-1-1设置有安装孔1-1-1-3，安装孔1-1-1-3使安装螺栓Ⅰ1-4能够通过其将杠杆型驱动装置Ⅰ1-1固定于底座Ⅰ1-3。所述杠杆型放大机构1-1-1设置有半圆驱动头1-1-1-6，半圆驱动头1-1-1-6与导轨装置Ⅰ1-2进行线接触，半圆驱动头1-1-1-6的直径与连接梁Ⅰ1-1-1-2和连接梁Ⅱ1-1-1-5的厚度相同，其厚度d影响与导轨装置Ⅰ1-2的接触面积，进而影响杠杆型驱动装置Ⅰ1-1的驱动能力。所述底座Ⅰ1-3设置有螺纹孔Ⅱ1-3-1和驱动装置安装面Ⅰ1-3-3，螺纹孔Ⅱ1-3-1与安装螺栓Ⅰ1-4进行螺纹连接，用于将杠杆型驱动装置Ⅰ1-1固定于驱动装置安装面Ⅰ1-3-3，底座Ⅰ1-3设置有螺纹孔Ⅲ1-3-2，螺纹孔Ⅲ1-3-2与安装螺栓Ⅰ1-4进行螺纹连接将导轨装置Ⅰ1-2固定于底座Ⅰ1-3，底座Ⅰ1-3设置有固定孔Ⅰ1-3-4，固定孔Ⅰ1-3-4与X向定位装置螺栓8进行螺纹连接，用于将底座Ⅰ1-3固定于其工作台面。
所述杠杆型驱动装置Ⅱ3-1与杠杆型驱动装置Ⅰ1-1机构相同，驱动导轨装置Ⅱ3-3用于平台的Y向直线运动。所述底座Ⅱ3-4设置有螺纹孔Ⅳ3-4-2和驱动装置安装面Ⅱ3-4-4，螺纹孔Ⅳ3-4-2与安装螺栓Ⅱ3-2与进行螺纹连接，用于将杠杆型驱动装置Ⅱ3-1固定于驱动装置安装面Ⅱ3-4-4；底座Ⅱ3-4设置有螺纹孔Ⅴ3-4-3，螺纹孔Ⅴ3-4-3与安装螺栓Ⅱ3-2进行螺纹连接将导轨装置Ⅱ3-3固定于底座Ⅱ3-4；底座Ⅱ3-4设置有固定孔Ⅱ3-4-1和底座Ⅱ下足3-4-5，固定孔Ⅱ3-4-1与Y向定位装置螺栓2进行螺纹连接，用于将底座Ⅱ3-4固定安装于导轨装置Ⅰ1-2，底座Ⅱ下足3-4-5仅与导轨装置Ⅰ1-2的动导轨接触，使底座Ⅱ3-4其余部分不与导轨装置Ⅰ1-2接触，消除干涉。
所述底座Ⅲ5-1设置有螺纹孔Ⅵ5-1-1和驱动装置安装面Ⅲ5-1-3，螺纹孔Ⅵ5-1-1与安装螺栓Ⅲ5-3进行螺纹连接，将杠杆型驱动装置Ⅲ5-2固定于驱动装置安装面Ⅲ5-1-3；底座Ⅲ5-1设置有螺纹孔Ⅶ5-1-2，螺纹孔Ⅶ5-1-2与安装螺栓Ⅲ5-3进行螺纹连接将导轨装置Ⅲ5-4固定于底座Ⅲ5-1；底座Ⅲ5-1设置有底座Ⅲ下足5-1-4和固定孔Ⅲ5-1-5，固定孔Ⅲ5-1-5与Z向定位装置螺栓4进行螺纹连接，用于将底座Ⅲ5-1固定安装于导轨装置Ⅱ3-3，底座Ⅲ下足5-1-4使底座Ⅲ5-1下半部分仅与导轨装置Ⅱ3-3的动导轨接触，使底座Ⅲ5-1其余部分不与导轨装置Ⅱ3-3接触，消除干涉，确保Z向定位装置5可以正常被驱动，对底座Ⅲ下足5-1-4起到支撑作用。底座Ⅲ5-1设置有筋板5-1-6，提高了底座Ⅲ下足5-1-4的强度。所述杠杆型驱动装置Ⅲ5-2与杠杆型驱动装置Ⅰ1-1机构相同，驱动导轨装置Ⅲ5-4用于平台的Z向直线驱动。
所述支撑架7-1设置有固定孔Ⅳ7-1-1和支撑架下足7-1-4，固定孔Ⅳ7-1-1与载物平台螺栓6进行螺纹连接，将载物平台7固定于导轨装置Ⅲ5-4，支撑架下足7-1-4使载物平台7仅与导轨装置Ⅲ5-2动导轨部分接触，确保载物平台7可以正常被驱动。所述载物台7-2设置有固定孔Ⅴ7-2-1，固定孔Ⅴ7-2-1与载物台螺钉7-3进行螺纹连接，将载物台7-2固定于支撑板7-1-3。载物台7-2设置有外接螺纹孔7-2-2，用于将外接模块固定于载物台7-2。
具体实施方式二：结合图17~18说明本实施方式，本实施方式提供了一种利用斜角杠杆放大机构实现方式的三维压电微纳驱动平台的具体实施方式，其结构组成、连接方式、定位方法与具体实施方式一相同，区别在于其杠杆型放大机构1-1-1的具体结构组成不同。
所述杠杆放大机构1-1-1利用斜角杠杆1-1-1-11进行位移放大，所述杠杆型放大机构1-1-1设置有半圆形柔性铰链1-1-1-1，其圆角半径为r，取值为0.5~0.85mm，本实施方式中该圆角半径为0.75mm。所述杠杆型放大机构1-1-1设置有连接梁Ⅰ1-1-1-2和连接梁Ⅱ1-1-1-5，具体的，连接梁Ⅰ1-1-1-2和连接梁Ⅱ1-1-1-5的厚度都为d，其厚度d取值为1~3mm，本实施方式中选取厚度为2mm。所述杠杆型放大机构1-1-1设置有斜角杠杆1-1-1-11，斜角杠杆1-1-1-11对平行于驱动方向的微位移具有放大作用。所述杠杆型放大机构1-1-1设置有安装孔1-1-1-3，安装孔1-1-1-3使安装螺栓Ⅰ1-4能够通过其将杠杆型驱动装置Ⅰ1-1固定于底座Ⅰ1-3。所述杠杆型放大机构1-1-1设置有半圆驱动头1-1-1-6，半圆驱动头1-1-1-6与导轨装置Ⅰ1-2进行线接触，半圆驱动头1-1-1-6的直径与连接梁Ⅰ1-1-1-2和连接梁Ⅱ1-1-1-5的厚度相同，其厚度d影响其与导轨装置Ⅰ1-2的接触面积，进而影响杠杆型驱动装置Ⅰ1-1的驱动能力。
具体实施方式三：结合图19~20说明本实施方式，本实施方式提供了一种利用平行杠杆放大机构的实现方式三维压电微纳驱动平台的具体实施方式，其结构组成、连接方式、定位方法与具体实施方式一相同，区别在于其杠杆型放大机构1-1-1的具体结构组成不同。
所述杠杆放大机构1-1-1利用平行杠杆1-1-1-13进行位移放大，所述杠杆型放大机构1-1-1设置有半圆形柔性铰链1-1-1-1，其圆角半径为r，取值为0.5~0.85mm，本实施方式中该圆角半径为0.75mm。所述杠杆型放大机构1-1-1设置有连接梁Ⅰ1-1-1-2和连接梁Ⅱ1-1-1-5，具体的，连接梁Ⅰ1-1-1-2和连接梁Ⅱ1-1-1-5的厚度都为d，其厚度d取值为1~3mm，本实施方式中选取厚度为2mm。所述杠杆型放大机构1-1-1设置有平行杠杆1-1-1-11，平行杠杆1-1-1-11对平行于驱动方向的微位移具有放大作用。所述杠杆型放大机构1-1-1设置有安装孔1-1-1-3，安装孔1-1-1-3使安装螺栓Ⅰ1-4能够通过其将杠杆型驱动装置Ⅰ1-1固定于底座Ⅰ1-3。所述杠杆型放大机构1-1-1设置有扇形驱动头1-1-1-12，扇形驱动头1-1-1-12与导轨装置Ⅰ1-2进行线接触，扇形驱动头1-1-1-12的大小影响其与导轨装置Ⅰ1-2的接触面积，进而影响杠杆型驱动装置Ⅰ1-1的驱动能力。
具体实施方式四：结合图21说明本实施方式，本实施方式提供了一种三维压电微纳驱动平台驱动方法的具体实施方式，所述一种三维压电微纳驱动平台的驱动方法如下所示。
所述驱动方法中通过采的复合激励用电信号实现，复合激励电信号包括摩擦调控波和驱动波，通过将摩擦调控波复合叠加于驱动波的快速通电阶段，激发杠杆型驱动装置（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）在快速变形阶段处于微副高频共振状态，基于超声减摩效应降低快速变形阶段杠杆型驱动装置（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）与导轨装置（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）间的摩擦阻力；所述驱动波为锯齿波，所述摩擦调控波为正弦波，其中锯齿波的周期为T1，激励电压幅值为V1，对称性为S，正弦波周期为T2，激励电压幅值为V2，锯齿波与正弦波的周期比为T1/T2=100~20000，激励电压幅值比为V1/V2=2~6。
工作原理：利用压电材料的逆压电效应可以将电能转化为输出的机械能，本发明所设计的三维压电微纳驱动平台在锯齿电信号激励下，经过杠杆型放大机构对微位移进行放大，使得本驱动平台具有较大的行程，且由于机械结构串联可实现三自由度直线运动。其中，杠杆型驱动装置缓慢变形驱动阶段，导轨装置在静摩擦力作用下随着杠杆型驱动装置一起发生缓慢的“粘”运动，此时杠杆型驱动装置和导轨装置一起向前运动一大步；在杠杆型驱动装置快速变形驱动阶段，杠杆型驱动装置和导轨装置间产生快速的“滑”运动，此时杠杆型驱动装置向后运动一小步，重复以上步骤达到杠杆型驱动装置驱动导轨装置直线运动的目的。同理，改变杠杆型驱动装置和导轨装置安装方向，并将其串联，本驱动平台可达到三自由度运动。本发明在保证定位精度的前提下，对共烧压电促动器产生的微位移进行放大，可显著提升驱动平台的机械输出性能。
综上所述，本发明设计的一种三维压电微纳驱动平台及其驱动方法，基于粘滑运动原理和杠杆放大原理，提高了驱动平台的定位精度及运动行程，在光学精密仪器和微纳驱动领域具有广阔的应用前景。
Claims (6)
1.一种三维压电微纳驱动平台，其特征在于该三维驱动平台包括X向定位装置（1）、Y向定位装置螺栓（2）、Y向定位装置（3）、Z向定位装置螺栓（4）、Z向定位装置（5）、载物平台螺栓（6）、载物平台（7）、X向定位装置螺栓（8）；所述X向定位装置（1）通过X向定位装置螺栓（8）固定安装在外围装置上，所述Y向定位装置（3）通过Y向定位装置螺栓（2）固定安装在X向定位装置（1）上，所述Z向定位装置（5）通过Z向定位装置螺栓（4）固定安装在Y向定位装置（3）上，所述载物平台（7）通过载物平台螺栓（6）固定安装在Z向定位装置（5）上；
所述X向定位装置（1）设置有杠杆型驱动装置Ⅰ（1-1）、导轨装置Ⅰ（1-2）、底座Ⅰ（1-3）、安装螺栓Ⅰ（1-4）；所述杠杆型驱动装置Ⅰ（1-1）和导轨装置Ⅰ（1-2）通过安装螺栓Ⅰ（1-4）固定安装在底座Ⅰ（1-3）上；所述Y向定位装置（3）设置有杠杆型驱动装置Ⅱ（3-1）、安装螺栓Ⅱ（3-2）、导轨装置Ⅱ（3-3）、底座Ⅱ（3-4）；所述杠杆型驱动装置Ⅱ（3-1）和导轨装置Ⅱ（3-3）通过安装螺栓Ⅱ（3-2）固定安装于底座Ⅱ（3-4）上；所述Z向定位装置（5）设置有底座Ⅲ（5-1）、杠杆型驱动装置Ⅲ（5-2）、安装螺栓Ⅲ（5-3）、导轨装置Ⅲ（5-4）；所述杠杆型驱动装置Ⅲ（5-2）和导轨装置Ⅲ（5-4）通过安装螺栓Ⅲ（5-3）固定安装在底座Ⅲ（5-1）上；所述载物平台（7）设置有支撑架（7-1）、载物台（7-2）和载物台螺钉（7-3）；载物台（7-2）通过载物台螺钉（7-3）固定安装在支撑架（7-1）上；
杠杆型驱动装置Ⅰ（1-1）设有杠杆型放大机构（1-1-1）、共烧压电促动器（1-1-2）、方形片（1-1-3）、预紧螺钉（1-1-4）；所述共烧压电促动器（1-1-2）通过预紧螺钉（1-1-4）和方形片（1-1-3）固定在杠杆型放大机构（1-1-1）中；
杠杆型放大机构（1-1-1）设置有半圆形柔性铰链（1-1-1-1）、连接梁Ⅰ（1-1-1-2）、连接梁Ⅱ（1-1-1-5）、圆形柔性铰链（1-1-1-7）、阶梯型杠杆（1-1-1-8）、杠杆Ⅰ（1-1-1-9）和杠杆Ⅱ（1-1-1-10）；所述半圆形柔性铰链（1-1-1-1）和圆形柔性铰链（1-1-1-7）具有圆角半径分别为r和R，其圆角半径比值P=R/r取值为0.6~1；所述阶梯型杠杆（1-1-1-8）前端长度为A，所述阶梯型杠杆（1-1-1-8）后端长度为B，前端与后端的比值K=A/B为杠杆型放大机构（1-1-1）平行于驱动方向的微位移放大倍数，其微位移放大倍数K取值为1~5；所述杠杆型放大机构（1-1-1）设置有安装孔（1-1-1-3），安装孔（1-1-1-3）与底座Ⅰ（1-3）通过安装螺栓Ⅰ（1-4）进行连接；所述杠杆型放大机构（1-1-1）设置有螺纹孔Ⅰ（1-1-1-4），螺纹孔Ⅰ（1-1-1-4）与预紧螺钉（1-1-4）进行螺纹连接；所述杠杆型放大机构（1-1-1）设置有半圆驱动头（1-1-1-6），其半圆驱动头（1-1-1-6）与导轨装置Ⅰ（1-2）进行线接触；所述底座Ⅰ（1-3）设置有螺纹孔Ⅱ（1-3-1）和驱动装置安装面Ⅰ（1-3-3），安装螺栓Ⅰ（1-4）通过安装孔（1-1-1-3）与螺纹孔Ⅱ（1-3-1）进行螺纹连接，将杠杆型驱动装置Ⅰ（1-1）固定于驱动装置安装面Ⅰ（1-3-3），底座Ⅰ（1-3）设置有螺纹孔Ⅲ（1-3-2），通过安装螺栓Ⅰ（1-4）将导轨装置Ⅰ（1-2）固定于底座Ⅰ（1-3），底座Ⅰ（1-3）设置有固定孔Ⅰ（1-3-4），通过X向定位装置螺栓（8）将底座Ⅰ（1-3）固定于其工作台面。
2.根据权利要求1所述的一种三维压电微纳驱动平台，其特征在于：杠杆型驱动装置Ⅱ（3-1）与杠杆型驱动装置Ⅰ（1-1）机构相同；底座Ⅱ（3-4）设置有螺纹孔Ⅳ（3-4-2）和驱动装置安装面Ⅱ（3-4-4），安装螺栓Ⅱ（3-2）与螺纹孔Ⅳ（3-4-2）进行螺纹连接，将杠杆型驱动装置Ⅱ（3-1）固定于驱动装置安装面Ⅱ（3-4-4）；底座Ⅱ（3-4）设置有螺纹孔Ⅴ（3-4-3），通过安装螺栓Ⅱ（3-2）将导轨装置Ⅱ（3-3）固定于底座Ⅱ（3-4）；底座Ⅱ（3-4）设置有固定孔Ⅱ（3-4-1）和底座Ⅱ下足（3-4-5），Y向定位装置螺栓（2）通过固定孔Ⅱ（3-4-1）将底座Ⅱ（3-4）固定安装于导轨装置Ⅰ（1-2）；底座Ⅲ（5-1）设置有螺纹孔Ⅵ（5-1-1）和驱动装置安装面Ⅲ（5-1-3），安装螺栓Ⅲ（5-3）与螺纹孔Ⅵ（5-1-1）进行螺纹连接，将杠杆型驱动装置Ⅲ（5-2）固定于驱动装置安装面Ⅲ（5-1-3）；底座Ⅲ（5-1）设置有螺纹孔Ⅶ（5-1-2），通过安装螺栓Ⅲ（5-3）将导轨装置Ⅲ（5-4）固定于底座Ⅲ（5-1）；底座Ⅲ（5-1）设置有底座Ⅲ下足（5-1-4）和固定孔Ⅲ（5-1-5），Z向定位装置螺栓（4）通过固定孔Ⅲ（5-1-5）将底座Ⅲ（5-1）固定安装于导轨装置Ⅱ（3-3）；底座Ⅲ（5-1）设置有筋板（5-1-6）；杠杆型驱动装置Ⅲ（5-2）与杠杆型驱动装置Ⅰ（1-1）机构相同。
3.根据权利要求1所述的一种三维压电微纳驱动平台，其特征在于：支撑架（7-1）设置有固定孔Ⅳ（7-1-1）、螺纹孔Ⅷ（7-1-2）、支撑板（7-1-3）和支撑架下足（7-1-4），通过载物平台螺栓（6）将载物平台（7）固定于导轨装置Ⅲ（5-4）；载物台（7-2）设有固定孔Ⅴ（7-2-1），载物台螺钉（7-3）通过螺纹连接将载物台（7-2）固定于支撑板（7-1-3），载物台（7-2）设有外接螺纹孔（7-2-2）。
4.根据权利要求1所述的一种三维压电微纳驱动平台，其特征在于杠杆型放大机构（1-1-1）设置有半圆形柔性铰链（1-1-1-1）、连接梁Ⅰ（1-1-1-2）、连接梁Ⅱ（1-1-1-5）和斜角杠杆（1-1-1-11）；杠杆型放大机构（1-1-1）设置有安装孔（1-1-1-3），安装孔（1-1-1-3）与底座Ⅰ（1-3）通过安装螺栓Ⅰ（1-4）进行连接；所述杠杆型放大机构（1-1-1）设置有螺纹孔Ⅰ（1-1-1-4），螺纹孔Ⅰ（1-1-1-4）与预紧螺钉（1-1-4）进行螺纹连接；杠杆型放大机构（1-1-1）设置有半圆驱动头（1-1-1-6），其半圆驱动头（1-1-1-6）与导轨装置Ⅰ（1-2）进行线接触。
5.根据权利要求1所述的一种三维压电微纳驱动平台，其特征在于杠杆型放大机构（1-1-1）设置有半圆形柔性铰链（1-1-1-1）、连接梁Ⅰ（1-1-1-2）、连接梁Ⅱ（1-1-1-5）和平行杠杆（1-1-1-13）；杠杆型放大机构（1-1-1）设置有安装孔（1-1-1-3），安装孔（1-1-1-3）与底座Ⅰ（1-3）通过安装螺栓Ⅰ（1-4）进行连接；杠杆型放大机构（1-1-1）设置有螺纹孔Ⅰ（1-1-1-4），螺纹孔Ⅰ（1-1-1-4）与预紧螺钉（1-1-4）进行螺纹连接；杠杆型放大机构（1-1-1）设置有扇形驱动头（1-1-1-12），其扇形驱动头（1-1-1-12）与导轨装置Ⅰ（1-2）进行线接触。
6.一种三维压电微纳驱动平台的驱动方法，该驱动方法是基于权利要求1所述的三维压电微纳驱动平台实现；所述驱动方法中通过采用复合激励的电信号实现，复合激励电信号包括摩擦调控波和驱动波，通过将摩擦调控波复合叠加于驱动波的快速通电阶段，激发杠杆型驱动装置（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）在快速变形阶段处于微副高频共振状态，基于超声减摩效应降低快速变形阶段杠杆型驱动装置（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）与导轨装置（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）间的摩擦阻力；所述驱动波为锯齿波，所述摩擦调控波为正弦波，其中锯齿波的周期为T1，激励电压幅值为V1，对称性为S，正弦波周期为T2，激励电压幅值为V2，锯齿波与正弦波的周期比为T1/T2=100~20000，激励电压幅值比为V1/V2=2~6。
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