CN109217717B - 弧形结构铰链抑制寄生压电驱动器回退运动的装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种弧形结构铰链抑制寄生压电驱动器回退运动的装置与方法，属于精密定位领域。装置的驱动单元及初始间隙调整单元分别通过螺钉与基座连接。通过旋转水平微动调整机构的旋钮，可以调整驱动单元中弧形结构柔性铰链与导轨滑块之间的初始间隙。在特定的初始间隙下，当压电叠堆的驱动电压快速下降时，弧形结构柔性铰链由于弹性回复产生的摩擦力平衡了引起回退运动的摩擦力，进而有效抑制回退运动，极大地提高了压电驱动器的运动稳定性。优点在于：继承了寄生运动原理驱动器结构简单、控制方便、分辨率高的特点，有效消除了回退现象，实现了平稳步进运动，提升了寄生运动原理压电驱动器的整体输出性能。
Description
技术领域
本发明涉及精密定位领域，特别涉及一种弧形结构铰链抑制寄生压电驱动器回退运动的装置与方法，可应用于精密机械、微电子制造业、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、无回退和高精度定位。
背景技术
压电驱动技术，基本原理是基于压电陶瓷材料的逆压电效应，通过控制其机械变形产生旋转或直线运动，具有结构简单、设计灵活、高精度和高分辨率等特点。基于压电材料的驱动器在精密机械、微电子制造业、精密光学系统、微操作、精密/超精密加工等领域有着重要的应用。在已有的研究中，研究人员提出了多种驱动原理，例如仿生尺蠖、粘滑、惯性、寄生运动原理。相应地，设计并试验了各种类型的大行程压电驱动器，在一定程度上扩展了压电驱动器的应用范围和领域。然而，每种驱动原理仍然存在一些固有的缺点。例如，尺蠖原理设计的压电驱动器，通常需要使用3块压电叠堆，而且需要按照特定的时序进行工作，因此该类型压电驱动器的结构和控制往往比较复杂，加工和装配都十分困难。采用粘滑、惯性和寄生运动原理设计的定位平台，虽然结构和控制相对简单，但是其输出过程中普遍存在回退运动，严重影响其输出性能，限制了其应用。例如，现有的一些寄生运动原理压电驱动器，仅使用1块压电叠堆，其结构简单、操作方便、承载力大，并且可以实现大行程的正向和反向运动。然而，通过试验数据可知，在它们的输出位移曲线中观测到显著的回退运动。类似的回退运动也出现在由粘滑原理设计的定位平台中。为抑制回退运动，Morita等人提出了一种谐振型平滑冲击驱动机构(Takeshi Morita et al 2013 Jpn. J. Appl.Phys. 52 07HE05)，在此之后，该方法被其他研究者进一步采用和研究，证实了利用该方法可明显抑制回退运动。然而，这种方法会带来一些其他问题，如增加控制的复杂性以及导致运动的不稳定性。
综上所述，回退运动仍然是一个限制粘滑原理、寄生运动原理驱动器广泛应用的重要问题。因此，需要对驱动过程中的回退运动及抑制回退运动的方法开展进一步研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种弧形结构铰链抑制寄生压电驱动器回退运动的装置与方法，解决了现有技术存在的上述问题。本发明通过驱动器中特殊的弧形结构柔性铰链的弹性变形抑制寄生运动原理所固有的回退运动，一方面继承了寄生运动原理驱动器结构简单、控制方便、分辨率高的特点，另一方面消除了寄生运动原理压电驱动器驱动过程中的回退现象，增强了其运动的稳定性。通过旋转水平微动调整机构的旋钮，可以调整驱动单元中弧形结构柔性铰链与导轨滑块之间的初始间隙。在特定的初始间隙下，当压电叠堆的驱动电压快速下降时，弧形结构柔性铰链由于弹性回复产生的摩擦力平衡了引起回退运动的摩擦力，进而有效抑制回退运动，极大地提高了压电驱动器的运动稳定性。本发明为研制同时具备大行程、高稳定性、高承载能力、结构和控制简单的压电驱动器提供了一种解决方案，在精密机械、微电子制造业、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：
弧形结构铰链抑制寄生压电驱动器回退运动的装置，包括基座1、驱动单元及初始间隙调整单元，所述驱动单元、初始间隙调整单元分别通过螺钉与基座1连接；所述驱动单元由弧形结构柔性铰链3、两块压电叠堆4、导轨滑块5及导轨固定端6组成，所述两块压电叠堆4采用过盈配合方式分别安装在弧形结构柔性铰链3的两个槽内，弧形结构柔性铰链3通过螺钉与初始间隙调整单元的水平微动调整机构2的上端面相连接，导轨固定端6通过螺钉固定在基座1上，导轨滑块5沿着导轨方向进行水平移动；
所述初始间隙调整单元包括水平微动调整机构2，所述水平微动调整机构2通过螺钉与基座1相连接，通过旋转水平微动调整机构2的旋钮对驱动单元中弧形结构柔性铰链3与导轨滑块5之间的初始间隙进行调整。
本发明的另一目的在于提供一种弧形结构铰链抑制寄生压电驱动器回退运动的方法，基于寄生运动原理，驱动器在波形为锯齿波以及梯形波的驱动电压下正常工作；驱动器中弧形结构柔性铰链3的弧型结构抑制寄生运动原理所固有的回退运动，在驱动过程中，由于弧形结构柔性铰链3圆弧处的刚度相对较低，当弧形结构柔性铰链3的前端面与导轨滑块5表面接触时，接触反作用力会导致弧形结构柔性铰链3的输出端产生弹性变形；当驱动电压急速降低时，在弧形结构柔性铰链3和导轨滑块5之间出现反向摩擦力F r，推动导轨滑块5向后运动；与此同时，弧型结构柔性铰链3的输出端弹性回复，产生向前的摩擦力F f，从而推动导轨滑块5向前运动；当反向摩擦力F r和向前的摩擦力F f平衡时，寄生运动原理中的回退运动被抑制。
所述的弧形结构柔性铰链3通过驱动过程中的自身弹性变形与回复，抑制寄生运动原理压电驱动器所固有的回退现象。
本发明的有益效果在于：继承了寄生运动原理压电驱动器的大行程、高分辨率、结构和控制简单的优点，同时通过采用弧形结构柔性铰链，克服了寄生运动原理压电驱动器所固有的回退现象，极大地提高了压电驱动器的运动稳定性和自锁性，为研制同时具备大行程、高精度、高承载能力、高稳定性的精密压电驱动器提供一种可行方案。可用于精密机械、微电子制造业、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。
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为本发明的弧形结构铰链抑制寄生压电驱动器回退运动的装置的立体结构示意图；
图2为本发明的弧形结构柔性铰链的结构示意图；
图3为本发明的驱动电压的时序控制图；
图4为本发明基于寄生运动原理实现直线驱动的过程示意图；
图5至图7为本发明弧形结构柔性铰链在驱动过程中弹性变形抑制回退运动的过程示意图；
图8、图9为本发明在控制电压和驱动频率保持不变时，不同初始间隙下，位移随时间变化试验曲线图；
图10、图11为本发明在控制初始间隙和电压保持不变时，不同驱动频率下，位移随时间变化试验曲线图；
图12为本发明在控制初始间隙和驱动频率保持不变时，不同电压下，位移随时间变化实验曲线图。
图中：1、基座；2、水平微动调整机构；3、弧形结构柔性铰链；4、压电叠堆；5、导轨滑块；6、导轨固定端。
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所示，本发明的弧形结构铰链抑制寄生压电驱动器回退运动的装置，包括基座1、驱动单元及初始间隙调整单元，所述驱动单元、初始间隙调整单元分别通过螺钉与基座1连接；所述驱动单元由弧形结构柔性铰链3、两块压电叠堆4、导轨滑块5及导轨固定端6组成，所述两块压电叠堆4采用过盈配合方式分别安装在弧形结构柔性铰链3的两个槽内，弧形结构柔性铰链3通过螺钉与初始间隙调整单元的水平微动调整机构2的上端面相连接，导轨固定端6通过螺钉固定在基座1上，导轨滑块5沿着导轨方向进行水平移动；
所述初始间隙调整单元包括水平微动调整机构2，所述水平微动调整机构2通过螺钉与基座1相连接，通过旋转水平微动调整机构2的旋钮对驱动单元中弧形结构柔性铰链3与导轨滑块5之间的初始间隙进行调整。
参见图2所示，本发明的压电驱动器的运动实现是基于寄生运动原理ZL201210114613.9，该类型驱动器可实现毫米级大行程和微纳米级定位，但是存在明显的回退运动。为此，本发明通过采用弧形结构柔性铰链3，消除该类压电驱动器运动过程中的回退现象，实现平稳的步进运动。
所述弧形结构柔性铰链3可通过驱动过程中的自身弹性变形与回复，抑制寄生运动原理压电驱动器所固有的回退现象，进而极大地提升压电驱动器的运动稳定性和自锁性。
参见图3所示，为本发明驱动电压的时序控制图，输入电压以此波形对压电叠堆进行驱动。
参见图4，为本发明基于寄生运动原理实现直线驱动的过程示意图。基于寄生运动原理的完整运动过程概括如下，主要包括三个步骤：
步骤1：参见图4中a部分所示，起始，弧形结构柔性铰链3和导轨滑块5之间有一个小的初始间隙。当驱动电压施加到压电叠堆4时，它将伸长并输出位移d PEA，推动弧形结构柔性铰链3产生一个沿x轴、一个沿y轴方向的弹性变形。弧形结构柔性铰链3的前端面随着驱动电压的增加逐渐向导轨滑块5靠近，直至前端面与导轨滑块5接触。
步骤2：参见图4中b部分所示，在临界电压时，弧形结构柔性铰链3的前端面与导轨滑块5接触后，向导轨滑块5产生正压力F y。驱动电压进一步增加，在弧形结构柔性铰链3的前端面与导轨滑块5之间出现静摩擦力F x。当F x超过了导轨滑块5与导轨固定端6之间的摩擦力F时，导轨滑块5将沿x轴进行运动。随着驱动电压在t 1时刻达到最大值，导轨滑块5将达到最大步进位移S。从时间t 1到t 2，驱动电压保持恒定，使整个结构稳定一段时间。
步骤3：参见图4中c部分所示，在t 2时刻，电压从最大值急速下降到0，在这个过程中，弧形结构柔性铰链3将带动导轨滑块5向反方向运动一段距离，即产生回退运动S 0，这显著地减少了步进位移，并为精确定位与控制带来了困难。当系统完全稳定后，压电驱动器的有效步进位移可以表示为ΔS=S-S 0。
参见图5至图7所示，为本发明弧形结构柔性铰链在驱动过程中变形抑制回退运动的过程示意图。具体抑制原理如下：在驱动过程中，由于弧形结构柔性铰链3圆弧处的刚度相对较低，当弧形结构柔性铰链3的前端面与导轨滑块5表面接触时，接触反作用力会导致弧形结构柔性铰链3的输出端产生弹性变形。当驱动电压急速降低时，在弧形结构柔性铰链3和导轨滑块5之间出现反向摩擦力F r，推动导轨滑块5向后运动。与此同时，弧型结构柔性铰链3的输出端弹性回复，产生向前的摩擦力F f，从而推动导轨滑块5向前运动。当这两种摩擦力平衡时，寄生运动原理中的回退运动在理论上将被抑制。
参见图8及图9所示，为本发明在控制电压和驱动频率保持不变时，不同初始间隙下，位移随时间变化试验曲线图；图8为在驱动电压为80V、驱动频率为5Hz时，对初始间隙单次调整50微米的位移随时间变化的试验曲线图。图9为保持驱动电压及驱动频率不变，在110微米至150微米范围内，对初始间隙单次调整10微米的位移随时间变化的试验曲线图，从图中可以看出，当水平微动调整机构2的刻度为130微米时，驱动器的回退运动完全被抑制。
参见图11及图11为本发明在控制初始间隙和驱动电压保持不变时，不同驱动频率下，位移随时间变化的试验曲线图；图12为本发明在控制初始间隙和驱动频率保持不变时，不同驱动电压下，位移随时间变化的试验曲线图；可以发现，保持初始间隙不变，驱动电压与驱动频率其中之一改变时，回退运动均得到了有效的抑制。
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 (3)
1.一种弧形结构铰链抑制寄生压电驱动器回退运动的装置，其特征在于：包括基座（1）、驱动单元及初始间隙调整单元，所述驱动单元、初始间隙调整单元分别通过螺钉与基座（1）连接；所述驱动单元由弧形结构柔性铰链（3）、两块压电叠堆（4）、导轨滑块（5）及导轨固定端（6）组成，弧形结构柔性铰链（3）的弧形结构是指两个圆弧相交得到的弧形结构，柔性铰链为对称结构，两侧的弧形结构实现对称的双向运动；所述两块压电叠堆（4）采用过盈配合方式分别安装在弧形结构柔性铰链（3）的两个圆弧内，弧形结构柔性铰链（3）通过螺钉与初始间隙调整单元的水平微动调整机构（2）的上端面相连接，导轨固定端（6）通过螺钉固定在基座（1）上，导轨滑块（5）沿着导轨方向进行水平移动；
所述初始间隙调整单元包括水平微动调整机构（2），所述水平微动调整机构（2）通过螺钉与基座（1）相连接，通过旋转水平微动调整机构（2）的旋钮对驱动单元中弧形结构柔性铰链（3）与导轨滑块（5）之间的初始间隙进行调整；弧形结构柔性铰链（3）的前端面与导轨滑块（5）表面接触时，接触间隙由水平微动调整机构（2）进行调整，导轨固定端（6）与导轨平行且固定在基座（1）上。
2.一种采用权利要求1所述的弧形结构铰链抑制寄生压电驱动器回退运动的装置进行弧形结构铰链抑制寄生压电驱动器回退运动的方法，其特征在于：基于寄生运动原理，驱动器在波形为锯齿波以及梯形波的驱动电压下正常工作；驱动器中弧形结构柔性铰链（3）的弧型结构抑制寄生运动原理所固有的回退运动，在驱动过程中，由于弧形结构柔性铰链（3）圆弧处的刚度相对较低，当弧形结构柔性铰链（3）的前端面与导轨滑块（5）表面接触时，接触反作用力会导致弧形结构柔性铰链（3）的输出端产生弹性变形；当驱动电压急速降低时，在弧形结构柔性铰链（3）和导轨滑块（5）之间出现反向摩擦力F r，推动导轨滑块（5）向后运动；与此同时，弧型结构柔性铰链（3）的输出端弹性回复，产生向前的摩擦力F f，从而推动导轨滑块（5）向前运动；当反向摩擦力F r和向前的摩擦力F f平衡时，寄生运动原理中的回退运动被抑制。
3.根据权利要求2所述的弧形结构铰链抑制寄生压电驱动器回退运动的方法，其特征在于：所述的弧形结构柔性铰链（3）通过驱动过程中的自身弹性变形与回复，抑制寄生运动原理压电驱动器所固有的回退现象。
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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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