CN109217723B - 结构一体化原位驱动全位移放大式压电尺蠖直线平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了结构一体化原位驱动全位移放大式压电尺蠖直线平台，包括定平台以及动台面，动台面的下方设有两条挡条，两条挡条之间设置有钳位和驱动机构，第一驱动组和第二驱动组通过支架连接；第一钳位组和第一驱动组之间，以及第二驱动组和第二钳位组之间分别通过桥接部连接；第一钳位组和第二钳位组沿着垂直于挡条方向作伸缩钳位运动，第一驱动组和第二驱动组分别沿着挡条的长度方向作伸缩运动；通过对第一钳位组、第一驱动组、第二钳位组和第二驱动组的时序控制使动台面作尺蠖式行走和定位。本发明结构紧凑、动台面大、钳位与驱动机构一体化、对钳位与驱动机构的加工和装配精度要求低、钳位和释放充分、可断电钳位、运动速度快、运动误差小。
Description
技术领域
本发明属于纳米定位技术领域，涉及大行程、高分辨率的纳米定位平台，特别涉及结构一体化原位驱动全位移放大式压电尺蠖直线平台。
背景技术
压电尺蠖直线平台是一种大行程、高分辨的精密定位平台。它基于仿生学中的尺蠖爬行原理，将压电执行器的微小位移不断累加，从而成为连续的大行程位移。相对于电磁式直线电机型平台，压电尺蠖直线平台具有体积小、不发热，易于控制，不存在端部效应及推力波动等优点；相对于超声谐振式、惯性驱动式等压电直线平台，具有输出力大、功率密度大、定位稳定、无摩擦磨损等优点。因此，在大行程、高分辨率、精密定位领域，压电尺蠖直线平台更具有优势。但目前的压电尺蠖直线平台还存在以下不足：
1) 采用外钳位方式(即钳位机构位于动台面的外侧) 对动台面进行钳位，平台结构不紧凑、动台面小；
2) 结构为分体式，即先分别设计、制作出钳位机构、驱动机构，然后再将它们装配成一体，不仅装配和调节过程复杂，而且会降低钳位机构与驱动机构之间的接触刚度，增大阻尼，进而使平台的固有频率降低，动态响应特性变差；
3) 钳位单元的钳位位移或释放位移为其中的压电执行器的输出位移，而压电执行器的输出位移很小，为使钳位单元能够可靠地钳位与释放，就要求钳位单元及驱动单元要有非常高的加工及装配精度；
4) 钳位单元的输出位移较小，会使钳位单元不能充分钳位或释放动台面，而动台面不能充分钳位，其受到的钳位力就会较小，运动稳定性就会降低；动台面不能被充分释放，就会产生严重的摩擦磨损，降低平台的寿命；
5) 平台不能自锁（即不能断电钳位），就是平台在不工作时，动台面不能被钳位单元夹紧；
6) 驱动机构在工作过程中也做直线运动，从而使平台的运动质量变大，不利于平台的快速移动；
7) 驱动单元的单步位移为其中的压电执行器的输出位移，往往很小，从而使平台的运动速度较低；
8) 没有专门的导向机构，平台的定位动精度取决于钳位机构和驱动机构的加工及装配精度，为使平台具有较小的运动误差，钳位机构和驱动机构的加工及装配精度就要很高，这就使得平台在实现高运动精度方面相对困难。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的现状，提供结构紧凑、动台面大、钳位与驱动机构一体化、对钳位机构和驱动机构加工和装配精度要求低、钳位和释放充分、可断电钳位、运动速度快、运动误差小的结构一体化原位驱动全位移放大式压电尺蠖直线平台。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：结构一体化原位驱动全位移放大式压电尺蠖直线平台，包括定平台以及通过交叉滚柱导轨滑动连接的动台面，动台面的下方设有两条分别与交叉滚柱导轨平行的挡条，且挡条设于两条交叉滚柱导轨之间；两条挡条之间沿着挡条长度方向顺次设置有第一钳位组、第一驱动组、第二驱动组和第二钳位组，定平台包括连接第一驱动组和第二驱动组的支架；第一钳位组和第一驱动组之间，以及第二驱动组和第二钳位组之间分别通过桥接部连接；第一钳位组和第二钳位组沿着垂直于挡条方向作伸缩钳位运动，第一驱动组和第二驱动组分别沿着挡条的长度方向作伸缩运动；通过对第一钳位组、第一驱动组、第二钳位组和第二驱动组的时序控制使动台面作尺蠖式行走和定位。
为优化上述技术方案，采取的措施还包括：
优选的方案中，第一钳位组与第二钳位组的结构相同，分别包括两个分设于连接部两侧的呈菱形的钳位桥式放大单元，以及设于钳位桥式放大单元内的释放用压电执行器，释放用压电执行器的伸缩方向与挡条的长度方向一致，释放用压电执行器的伸缩端顶配于钳位桥式放大单元内；
第一驱动组与第二驱动组的结构相同，分别包括两个分设于连接部两侧的呈菱形的驱动桥式放大单元，以及设于驱动桥式放大单元内的驱动用压电执行器，驱动用压电执行器的伸缩方向垂直于挡条的长度方向，驱动用压电执行器的伸缩端顶配于驱动桥式放大单元内。
优选的方案中，钳位桥式放大单元包括顶设于释放用压电执行器两个伸缩端的第一刚性块和第二刚性块，设于释放用压电执行器侧方用于钳位挡条的第三刚性块，以及顺次连接第一刚性块、第三刚性块、第二刚性块和桥接部的钳位柔性薄板；
驱动桥式放大单元包括顶设于驱动用压电执行器两个伸缩端的第四刚性块和第五刚性块，以及顺次连接第四刚性块、桥接部、第五刚性块和支架的驱动柔性薄板。
优选的方案中，定平台设有位于桥接部延伸方向的基座，基座与桥接部之间连有防止第一钳位组和第二钳位组上下翻动的弹性件。
优选的方案中，弹性件为柔性折叠梁，柔性折叠梁为横向的弯折结构。
优选的方案中，定平台、基座、柔性折叠梁、钳位桥式放大单元、桥接部、支架和驱动桥式放大单元为一体成型结构。
优选的方案中，交叉滚柱导轨包括动导轨和定导轨，动台面设有顶配于动导轨上端面的第一凸条；定平台设有用于放置交叉滚柱导轨的安装槽，安装槽内设有顶配于定导轨下端面的第二凸条，安装槽的侧壁设有方便置入导轨预紧螺钉的侧孔；动导轨的下端旋设有将动导轨固定于动台面的第三螺钉，定导轨的上端旋设有将定导轨固定于定平台的第四螺钉，动台面设有方便调节第四螺钉的通孔。
与现有技术相比，本发明的结构一体化原位驱动全位移放大式压电尺蠖直线平台，包括定平台以及动台面，动台面的下方设有两条挡条，两条挡条之间设置有第一钳位组、第一驱动组、第二驱动组和第二钳位组，第一驱动组和第二驱动组通过支架连接；第一钳位组和第一驱动组之间，以及第二驱动组和第二钳位组之间分别通过桥接部连接；第一钳位组和第二钳位组沿着垂直于挡条方向作伸缩钳位运动，第一驱动组和第二驱动组分别沿着挡条的长度方向作伸缩运动；通过对第一钳位组、第一驱动组、第二钳位组和第二驱动组的时序控制使动台面作尺蠖式行走和定位。本发明的优点是：
1)采用内钳位方式(即钳位机构位于动台面两挡条之间) 对动台面进行钳位，平台结构紧凑、动台面大；
2)钳位机构和驱动机构为一体成型机构，不仅免去了将钳位机构和驱动机构结合起来的装配和调节过程，而且还能避免通过装配将钳位机构和驱动机构结合起来这种方式所造成的降低接触刚度，增加阻尼，进而使平台固有频率降低，动态响应特性变差的不足；
3)钳位单元为桥式放大机构，它能将其中的压电执行器的输出位移放大3以上，这就会使钳位单元能够充分地对动台面进行钳位及释放，进而能降低对钳位单元及驱动单元的加工及装配精度的要求；
4)由于钳位单元的输出位移变大，一方面会使动台面在被钳位单元钳位时所受到的钳位力变大，平台运动的稳定性就会提高；另一方面会使钳位单元在释放动台面时能够彻底松开动台面，二者之间不会产生摩擦磨损，进而能提高平台的寿命；
5)当平台不工作时，释放用压电执行器不通电，动台面被钳位单元钳位而不能运动，这就实现了平台的自锁，即断电钳位；
6)驱动单元也为桥式放大单元，它也能将其中的压电执行器的输出位移放大3倍以上，这就使驱动单元的单步位移增大，进而使平台的运动速度提高；
7)目前的压电尺蠖直线平台的动台面在一个运动周期内仅能移动一步，而本发明采用第一驱动组和第二驱动组组成的双驱动组驱动，能使动台面在一个运动周期内，移动两步，这又能进一步提高平台的运动速度；
8)钳位单元与驱动单元均不作直线运动，而是在原位作钳位与释放动作以及驱动动作，仅有动台面作直线运动，平台的运动质量小，这也能进一步提高平台的运动速度；
9) 采用交叉滚柱导轨对动台面的运动进行导向，能有效减小平台的水平摆动误差和纵向俯仰误差，进而能提高平台的定位精度。
附图说明
图1是本发明的立体结构示意图；
图2是图1的分解示意图；
图3是图2的仰视示意图；
图4是图2中定平台的结构示意图；
图5是图1中第一钳位组与桥接部连接的结构示意图；
图6是第一驱动组和第二驱动组与支架连接的结构示意图；
图7是图2中交叉滚柱导轨的结构示意图；
图8是本发明的电压时序图。
其中的附图标记为：1定平台、11基座、12第一钳位组、13第二钳位组、14支架、15桥接部、16柔性折叠梁、17安装槽、171第二凸条、172侧孔、2动台面、21通孔、22第一凸条、23挡条、4交叉滚柱导轨、41定导轨、411第四螺钉、42动导轨、421第三螺钉、5第一驱动组、6第二驱动组、71释放用压电执行器、72钳位桥式放大单元、721第一刚性块、722第二刚性块、723第三刚性块、724钳位柔性薄板、81驱动用压电执行器、82驱动桥式放大单元、821第四刚性块、822第五刚性块、823驱动柔性薄板。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
图1至图7为本发明的结构示意图，如图所示，本发明的结构一体化原位驱动全位移放大式压电尺蠖直线平台，包括定平台1以及通过交叉滚柱导轨4滑动连接的动台面2，动台面2的下方设有两条分别与交叉滚柱导轨4平行的挡条23，且挡条23设于两条交叉滚柱导轨4之间；两条挡条23之间沿着挡条23长度方向顺次设置有第一钳位组12、第一驱动组5、第二驱动组6和第二钳位组13，定平台1包括连接第一驱动组5和第二驱动组6的支架14；第一钳位组12和第一驱动组5之间，以及第二驱动组6和第二钳位组13之间分别通过桥接部15连接；第一钳位组12和第二钳位组13沿着垂直于挡条23方向作伸缩钳位运动，第一驱动组5和第二驱动组6分别沿着挡条23的长度方向作伸缩运动；通过对第一钳位组12、第一驱动组5、第二钳位组13和第二驱动组6的时序控制使动台面2作尺蠖式行走和定位。第一钳位组12、第一驱动组5、第二钳位组13和第二驱动组6为任一类型的直线电机。
优选的方案中，如图4和图5所示，第一钳位组12与第二钳位组13的结构相同，分别包括两个分设于连接部两侧的呈菱形的钳位桥式放大单元72，以及设于钳位桥式放大单元72内的释放用压电执行器71，释放用压电执行器71的伸缩方向与挡条23的长度方向一致，释放用压电执行器71的伸缩端顶配于钳位桥式放大单元72内；通电压的释放用压电执行器71会伸长，继而使钳位桥式放大单元72变形收缩，使挡条23释放，反之当释放用压电执行器71断电后，钳位桥式放大单元72变形复原，使挡条23钳位。
如图4和图6所示，第一驱动组5与第二驱动组6的结构相同，分别包括两个分设于连接部两侧的呈菱形的驱动桥式放大单元82，以及设于驱动桥式放大单元82内的驱动用压电执行器81，驱动用压电执行器81的伸缩方向垂直于挡条23的长度方向，驱动用压电执行器81的伸缩端顶配于驱动桥式放大单元82内。通电压的驱动用压电执行器81会伸长，继而使驱动桥式放大单元82变形收缩，拉动对应的桥接部15，反之当驱动用压电执行器81断电后，驱动桥式放大单元82变形复原，推动对应的桥接部15。
优选的方案中，如图4和图5所示，钳位桥式放大单元72包括顶设于释放用压电执行器71两个伸缩端的第一刚性块721和第二刚性块722，设于释放用压电执行器71侧方用于钳位挡条23的第三刚性块723，以及顺次连接第一刚性块721、第三刚性块723、第二刚性块722和桥接部15的钳位柔性薄板724；第三刚性块723作为对挡条23钳位的部件。
如图4和图6所示，驱动桥式放大单元82包括顶设于驱动用压电执行器81两个伸缩端的第四刚性块821和第五刚性块822，以及顺次连接第四刚性块821、桥接部15、第五刚性块822和支架14的驱动柔性薄板823。
优选的方案中，如图1、2和图4所示，定平台1设有位于桥接部15延伸方向的基座11，基座11与桥接部15之间连有防止第一钳位组12和第二钳位组13上下翻动的弹性件。
优选的方案中，如图1、2和图4所示，弹性件为柔性折叠梁16，柔性折叠梁16为横向的弯折结构。
优选的方案中，如图4、5和图6所示，定平台1、基座11、柔性折叠梁16、钳位桥式放大单元72、桥接部15、支架14和驱动桥式放大单元82为一体成型结构。
优选的方案中，如图2和图3所示，交叉滚柱导轨4包括动导轨42和定导轨41，动台面2设有顶配于动导轨42上端面的第一凸条22；定平台1设有用于放置交叉滚柱导轨4的安装槽17，安装槽17内设有顶配于定导轨41下端面的第二凸条171，安装槽17的侧壁设有方便置入导轨预紧螺钉的侧孔172；动导轨42的下端旋设有将动导轨42固定于动台面2的第三螺钉421，定导轨41的上端旋设有将定导轨41固定于定平台1的第四螺钉411，动台面2设有方便调节第四螺钉411的通孔21。
当第二钳位组13在图8(a)所示时序的电压u(t)、第一驱动组5和第二驱动组6同时在图8(b) 所示时序的电压u(t)、第一钳位组12在图8(c)所示时序的电压u(t)作用下时，动台面2沿着从第一驱动组5到第二驱动组6的方向移动，在一个运动周期内动台面2沿着从第一驱动组5到第二驱动组6的方向移动两步，这两步的实现过程如下：
1) 如图8(a)所示，给第二钳位组13中的释放用压电执行器71通电，第二钳位组13中的钳位桥式放大单元72变形，带动第二钳位组13的第三刚性块723，使第二钳位组13的第三刚性块723松开动台面2中的挡条23；
2) 当第二钳位组13中的释放用压电执行器71通电达到稳定状态（如t1时刻）时，如图8(b)所示，给第一驱动组5和第二驱动组6中的驱动用压电执行器81同时通电，第一驱动组5和第二驱动组6会同时向支架14收缩靠近，动台面2沿着从第一驱动组5到第二驱动组6的方向移动一步；
3) 当第一驱动组5和第二驱动组6中的驱动用压电执行器81同时通电达到稳定状态（如t2时刻）时，如图8(a)所示，给第二钳位组13中的释放用压电执行器71断电，第二钳位组13中的钳位桥式放大单元72的变形被复原，通过第二钳位组13的第三刚性块723钳住动台面2中的挡条23；
4) 当第二钳位组13中的释放用压电执行器71断电达到稳定状态（如t3时刻）时，如图8(c)所示，给第一钳位组12中的释放用压电执行器71通电，第一钳位组12中的钳位桥式放大单元72变形，带动第一钳位组12中的第三刚性块723，使第一钳位组12中的第三刚性块723松开动台面2中的挡条23；
5) 当第一钳位组12中的释放用压电执行器71通电达到稳定状态（如t4时刻）时，如图8(b)所示，给第一驱动组5和第二驱动组6中的驱动用压电执行器81同时断电，第一驱动组5和第二驱动组6会同时舒张复原并推离支架14，第二钳位组13带动动台面2沿着从第一驱动组5到第二驱动组6的方向又移动一步；
6) 当第一驱动组5和第二驱动组6中的驱动用压电执行器81同时断电达到稳定状态（如t5时刻）时，如图8(c)所示，给第一钳位组12中的释放用压电执行器71断电，第一钳位组12中的钳位桥式放大单元72的变形被复原，通过第一钳位组12中的第三刚性块723钳住动台面2中的挡条23；
当第一钳位组12中的释放用压电执行器71断电达到稳定状态（如t6时刻）时，开始下一个运动周期T，如此反复，动台面2便沿着从第一驱动组5到第二驱动组6的方向连续地输出直线位移。
当第一钳位组12在图8(a)所示时序的电压u(t)、第一驱动组5和第二驱动组6同时在图8(b) 所示时序的电压u(t)、第二钳位组13在图8(c)所示时序的电压u(t)作用下时，动台面2沿着从第二驱动组6到第一驱动组5的方向移动，在一个运动周期内动台面2沿着从第二驱动组6到第一驱动组5的方向移动两步，这两步的实现过程如下：
1) 如图8(a)所示，给第一钳位组12中的释放用压电执行器71通电，第一钳位组12中的钳位桥式放大单元72变形，带动第一钳位组12的第三刚性块723，使第一钳位组12的第三刚性块723松开动台面2中的挡条23；
2) 当第一钳位组12中的释放用压电执行器71通电达到稳定状态（如t1时刻）时，如图8(b)所示，给第一驱动组5和第二驱动组6中的驱动用压电执行器81同时通电， 第一驱动组5和第二驱动组6会同时向支架14收缩靠近，动台面2沿着从第二驱动组6到第一驱动组5的方向移动一步；
3) 当第一驱动组5和第二驱动组6中的驱动用压电执行器81同时通电达到稳定状态（如t2时刻）时，如图8(a)所示，给第一钳位组12中的释放用压电执行器71断电，第一钳位组12中的钳位桥式放大单元72的变形被复原，通过第一钳位组12的第三刚性块723钳住动台面2中的挡条23；
4) 当第一钳位组12中的释放用压电执行器71断电达到稳定状态（如t3时刻）时，如图8(c)所示，给第二钳位组13中的释放用压电执行器71通电，第二钳位组13中的钳位桥式放大单元72变形，带动第二钳位组13中的第三刚性块723，使第二钳位组13中的第三刚性块723松开动台面2中的挡条23；
5) 当第二钳位组13中的释放用压电执行器71通电达到稳定状态（如t4时刻）时，如图8(b)所示，给第一驱动组5和第二驱动组6中的驱动用压电执行器81同时断电，第一驱动组5和第二驱动组6会同时舒张复原并推离支架14，第一钳位组12带动动台面2沿着从第二驱动组6到第一驱动组5的方向又移动一步；
6) 当第一驱动组5和第二驱动组6中的驱动用压电执行器81同时断电达到稳定状态（如t5时刻）时，如图8(c)所示，给第二钳位组13中的释放用压电执行器71断电，第二钳位组13中的钳位桥式放大单元72的变形被复原，通过第二钳位组13中的第三刚性块723钳住动台面2中的挡条23；
当第二钳位组13中的释放用压电执行器71断电达到稳定状态（如t6时刻）时，开始下一个运动周期T，如此反复，动台面2便沿着从第二驱动组6到第一驱动组5的方向连续地输出直线位移。
本发明的最佳实施例已阐明，由本领域普通技术人员做出的各种变化或改型都不会脱离本发明的范围。
Claims (7)
1.结构一体化原位驱动全位移放大式压电尺蠖直线平台，包括定平台(1)以及通过交叉滚柱导轨(4)滑动连接的动台面(2)，其特征是：所述的动台面(2)的下方设有两条分别与所述的交叉滚柱导轨(4)平行的挡条(23)，且所述的挡条(23)设于两条交叉滚柱导轨(4)之间；两条挡条(23)之间沿着挡条(23)长度方向顺次设置有第一钳位组(12)、第一驱动组(5)、第二驱动组(6)和第二钳位组(13)，所述的定平台(1)包括连接第一驱动组(5)和第二驱动组(6)的支架(14)；所述的第一钳位组(12)和第一驱动组(5)之间，以及第二驱动组(6)和第二钳位组(13)之间分别通过桥接部(15)连接；所述的第一钳位组(12)和第二钳位组(13)沿着垂直于挡条(23)方向作伸缩钳位运动，第一驱动组(5)和第二驱动组(6)分别沿着挡条(23)的长度方向作伸缩运动；通过对第一钳位组(12)、第一驱动组(5)、第二钳位组(13)和第二驱动组(6)的时序控制使动台面(2)作尺蠖式行走和定位。
2.根据权利要求1所述的结构一体化原位驱动全位移放大式压电尺蠖直线平台，其特征是：所述的第一钳位组(12)与所述的第二钳位组(13)的结构相同，分别包括两个分设于连接部两侧的呈菱形的钳位桥式放大单元(72)，以及设于钳位桥式放大单元(72)内的释放用压电执行器(71)，所述的释放用压电执行器(71)的伸缩方向与挡条(23)的长度方向一致，所述的释放用压电执行器(71)的伸缩端顶配于钳位桥式放大单元(72)内；
所述的第一驱动组(5)与所述的第二驱动组(6)的结构相同，分别包括两个分设于连接部两侧的呈菱形的驱动桥式放大单元(82)，以及设于驱动桥式放大单元(82)内的驱动用压电执行器(81)，所述的驱动用压电执行器(81)的伸缩方向垂直于所述的挡条(23)的长度方向，所述的驱动用压电执行器(81)的伸缩端顶配于驱动桥式放大单元(82)内。
3.根据权利要求2所述的结构一体化原位驱动全位移放大式压电尺蠖直线平台，其特征是：所述的钳位桥式放大单元(72)包括顶设于释放用压电执行器(71)两个伸缩端的第一刚性块(721)和第二刚性块(722)，设于释放用压电执行器(71)侧方用于钳位所述的挡条(23)的第三刚性块(723)，以及顺次连接第一刚性块(721)、第三刚性块(723)、第二刚性块(722)和所述的桥接部(15)的钳位柔性薄板(724)；
所述的驱动桥式放大单元(82)包括顶设于驱动用压电执行器(81)两个伸缩端的第四刚性块(821)和第五刚性块(822)，以及顺次连接所述的第四刚性块(821)、桥接部(15)、第五刚性块(822)和支架(14)的驱动柔性薄板(823)。
4.根据权利要求3所述的结构一体化原位驱动全位移放大式压电尺蠖直线平台，其特征是：所述的定平台(1)设有位于桥接部(15)延伸方向的基座(11)，所述的基座(11)与所述的桥接部(15)之间连有防止第一钳位组(12)和第二钳位组(13)上下翻动的弹性件。
5.根据权利要求4所述的结构一体化原位驱动全位移放大式压电尺蠖直线平台，其特征是：所述的弹性件为柔性折叠梁(16)，所述的柔性折叠梁(16)为横向的弯折结构。
6.根据权利要求5所述的结构一体化原位驱动全位移放大式压电尺蠖直线平台，其特征是：所述的定平台(1)、基座(11)、柔性折叠梁(16)、钳位桥式放大单元(72)、桥接部(15)、支架(14)和驱动桥式放大单元(82)为一体成型结构。
7.根据权利要求6所述的结构一体化原位驱动全位移放大式压电尺蠖直线平台，其特征是：所述的交叉滚柱导轨(4)包括动导轨(42)和定导轨(41)，所述的动台面(2)设有顶配于所述的动导轨(42)上端面的第一凸条(22)；所述的定平台(1)设有用于放置所述的交叉滚柱导轨(4)的安装槽(17)，所述的安装槽(17)内设有顶配于所述的定导轨(41)下端面的第二凸条(171)，所述的安装槽(17)的侧壁设有方便置入导轨预紧螺钉的侧孔(172)；所述的动导轨(42)的下端旋设有将动导轨(42)固定于动台面(2)的第三螺钉(421)，所述的定导轨(41)的上端旋设有将定导轨(41)固定于定平台(1)的第四螺钉(411)，所述的动台面(2)设有方便调节第四螺钉(411)的通孔(21)。
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