CN109889085A - 压电驱动的超精密三自由度平面运动平台及其激励方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是压电驱动的超精密三自由度平面运动平台及其激励方法。本发明解决了多数平面三自由度运动平台结构复杂、精度不足以及激励方法单一的技术问题。所述平台包括运动平台(1)、多个驱动单元(2)以及基座(3)，其中驱动单元(2)为主要驱动元件，通过控制多个驱动单元(2)的运动方向和时序来驱动运动平台(1)的平面内三自由度运动。基于本发明中的激励方法，所述运动平台(1)可以实现大行程的超精密运动。本发明中的运动平台结构简单紧凑，激励方法灵活多样，便于应用在多种需要精密定位和调姿的技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及压电驱动技术领域，是一种压电驱动的超精密三自由度平面运动平台及其激励方法。
背景技术
在超精密驱动技术领域，压电驱动是一种利用压电材料的逆压电效应实现致动输出的驱动方式。压电材料的逆压电效应具有高精度和快速响应的特点，因此压电驱动装置具有分辨力高、无电磁干扰、响应速度快以及结构多样的优势，是目前受到广泛关注和研究的精密驱动方式。
目前较为成熟的精密压电驱动装置多数只能实现单自由度或两自由度驱动，要实现更多自由度的运动往往采用多装置串联的方式，这就带来了体积庞大和结构复杂的缺点。在细胞操作、高密度芯片以及精密光学等技术领域，能够实现超高精度且具有简单结构和可靠工作能力的驱动装置是所迫切需求的。因此发明一种结构简单紧凑、激励方法易于实现的精密压电驱动装置不仅可以满足这些技术领域对于超精密驱动装置的需求，对于促进精密压电驱动技术的发展也具有重要的意义。
发明内容
本发明为解决现有存在的问题，提供了一种压电驱动的超精密三自由度平面运动平台及其激励方法，本发明提供了以下技术方案：
一种压电驱动的超精密三自由度平面运动平台，所述平台包括运动平台1、n个驱动单元2和基座3，n为大于1的整数，所述驱动单元2与基座3固定连接，所述n个驱动单元2在基座3平面上呈圆周分布，所述驱动单元2包括驱动足2-1、双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2、绝缘块2-3和层叠式直线型压电驱动器2-4，所述驱动足2-1、双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2、绝缘块2-3和层叠式直线型压电驱动器2-4沿驱动单元2的轴线方向依次固定连接，所述运动平台1下表面通过外置支撑装置紧压在n个驱动足2-1上，所述基座3保持固定，所述运动平台1输出平面内三自由度运动。
优选地，所述驱动单元2为能量转换元件，通过驱动单元2实现输入电能向输出机械能的转换。
优选地，所述双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2由多片压电陶瓷固定连接形成，每片压电陶瓷包含四个极化分区，在对其施加激励电压信号后将带动驱动足2-1沿两个正交方向做摆动运动，所述层叠式直线型压电驱动器2-4由多片压电陶瓷固定连接形成，每片压电陶瓷包含一个极化分区，在对其施加激励电压信号后将带动驱动足2-1沿自身轴线方向做直线运动。
优选地，所述运动平台1与驱动足2-1之间通过外置支撑装置接触压紧，所述外置支撑装置包括球轴承压紧、电磁力吸引、流体动压力压紧或者流体静压力压紧。
一种压电驱动的超精密三自由度平面运动平台的激励方法，包括以下步骤：
步骤一：运动平台1沿基座6平面内水平方向做双向直线运动；
步骤二：运动平台1沿基座6平面内纵深方向做双向直线运动；
步骤三：运动平台1绕着与基座6平面垂直的轴线方向做双向旋转运动；
以上三个步骤的先后顺序根据需要自由调整。
优选地，当驱动单元2的个数n为大于1的整数时，所述步骤一至步骤三的具体方法如下：
所述步骤一、运动平台1沿基座6平面内水平方向做双向直线运动的具体方法为：
第一步：n个驱动单元2沿基座平面内圆周分布，将运动平台1压紧在驱动足2-1上，通过对层叠式直线型压电驱动器2-4施加直流电压信号，层叠式直线型压电驱动器2-4伸缩变形带动驱动足2-1靠近或者远离运动平台1，以此调整驱动足2-1和运动平台1间的预压力；
第二步：对每个双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的两个方向弯曲的极化分区施加幅值缓慢上升的激励电压信号，它们的变形带动驱动足2-1沿水平方向缓慢摆动至极限位置，在驱动足2-1与运动平台1间静摩擦力的作用下，运动平台1沿水平方向产生直线位移输出；
第三步：对每个双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的两个方向弯曲的极化分区施加幅值快速下降的激励电压信号，它们的变形带动驱动足2-1沿水平方向快速摆动至初始位置，在运动平台1的惯性作用下，运动平台1与驱动足2-1间发生相对滑动而保持静止；
第四步：重复第二步至第三步，实现运动平台1沿水平方向连续的正方向直线运动，通过改变激励电压信号的幅值和时间，实现水平方向上的超精密运动。
第五步：n个驱动单元2沿基座平面内圆周分布，将运动平台1压紧在驱动足2-1上，通过对层叠式直线型压电驱动器2-4施加直流电压信号，层叠式直线型压电驱动器2-4伸缩变形带动驱动足2-1靠近或者远离运动平台1，以此调整驱动足2-1和运动平台1间的预压力；
第六步：对每个双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的两个方向弯曲的极化分区施加幅值缓慢下降的激励电压信号，它们的变形带动驱动足2-1沿水平方向缓慢摆动至极限位置，在驱动足2-1与运动平台1间静摩擦力的作用下，运动平台1沿水平方向产生直线位移输出；
第七步：对每个双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的两个方向弯曲的极化分区施加幅值快速上升的激励电压信号，它们的变形带动驱动足2-1沿水平方向快速摆动至初始位置，在运动平台1的惯性作用下，运动平台1与驱动足2-1间发生相对滑动而保持静止；
第八步：重复第六步至第七步，实现运动平台1沿水平方向连续的反方向直线运动，通过改变激励电压信号的幅值和时间，实现水平方向上的超精密运动。
所述步骤二、运动平台1沿基座6平面内纵深方向做双向直线运动具体方法为：
第一步：n个驱动单元2沿基座平面内圆周分布，将运动平台1压紧在驱动足2-1上，通过对层叠式直线型压电驱动器2-4施加直流电压信号，层叠式直线型压电驱动器2-4伸缩变形带动驱动足2-1靠近或者远离运动平台1，以此调整驱动足2-1和运动平台1间的预压力；
第二步：对每个双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的两个方向弯曲的极化分区施加幅值缓慢上升的激励电压信号，它们的变形带动驱动足2-1沿纵深方向缓慢摆动至极限位置，在驱动足2-1与运动平台1间静摩擦力的作用下，运动平台1沿纵深方向产生直线位移输出；
第三步：对每个双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的两个方向弯曲的极化分区施加幅值快速下降的激励电压信号，它们的变形带动驱动足2-1沿纵深方向快速摆动至初始位置，在运动平台1的惯性作用下，运动平台1与驱动足2-1间发生相对滑动而保持静止；
第四步：重复第二步至第三步，实现运动平台1沿纵深方向连续的正方向直线运动，通过改变激励电压信号的幅值和时间，实现纵深方向上的超精密运动；
第五步：n个驱动单元2沿基座平面内圆周分布，将运动平台1压紧在驱动足2-1上，通过对层叠式直线型压电驱动器2-4施加直流电压信号，层叠式直线型压电驱动器2-4伸缩变形带动驱动足2-1靠近或者远离运动平台1，以此调整驱动足2-1和运动平台1间的预压力；
第六步：对每个双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的两个方向弯曲的极化分区施加幅值缓慢下降的激励电压信号，它们的变形带动驱动足2-1沿纵深方向缓慢摆动至极限位置，在驱动足2-1与运动平台1间静摩擦力的作用下，运动平台1沿纵深方向产生直线位移输出；
第七步：对每个双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的两个方向弯曲的极化分区施加幅值快速上升的激励电压信号，它们的变形带动驱动足2-1沿纵深方向快速摆动至初始位置，在运动平台1的惯性作用下，运动平台1与驱动足2-1间发生相对滑动而保持静止；
第八步：重复第六步至第七步，实现运动平台1沿纵深方向连续的反方向直线运动，通过改变激励电压信号的幅值和时间，实现纵深方向上的超精密运动；
所述步骤三、运动平台1绕着与基座6平面垂直的轴线方向做双向旋转运动具体方法为：
第一步：n个驱动单元2沿基座平面内圆周分布，将运动平台1压紧在驱动足2-1上，通过对层叠式直线型压电驱动器2-4施加直流电压信号，层叠式直线型压电驱动器2-4伸缩变形带动驱动足2-1靠近或者远离运动平台1，以此调整驱动足2-1和运动平台1间的预压力；
第二步：对每个双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的两个方向弯曲的极化分区施加幅值缓慢上升的激励电压信号，它们的变形带动驱动足2-1沿驱动单元2分布圆周的切线方向缓慢摆动至极限位置，在驱动足2-1与运动平台1间静摩擦力的作用下，运动平台1绕驱动单元2分布圆周的轴线方向产生旋转位移输出；
第三步：对每个双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的两个方向弯曲的极化分区施加幅值快速下降的激励电压信号，它们的变形带动驱动足2-1沿驱动单元2分布圆周的切线方向快速摆动至初始位置，在运动平台1的惯性作用下，运动平台1与驱动足2-1间发生相对滑动而保持静止；
第四步：重复第二步至第三步，实现运动平台1绕驱动单元2分布圆周的轴线方向连续的正方向旋转运动，通过改变激励电压信号的幅值和时间，实现旋转方向上的超精密运动；
第五步：n个驱动单元2沿基座平面内圆周分布，将运动平台1压紧在驱动足2-1上，通过对层叠式直线型压电驱动器2-4施加直流电压信号，层叠式直线型压电驱动器2-4伸缩变形带动驱动足2-1靠近或者远离运动平台1，以此调整驱动足2-1和运动平台1间的预压力；
第六步：对每个双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的两个方向弯曲的极化分区施加幅值缓慢下降的激励电压信号，它们的变形带动驱动足2-1沿驱动单元2分布圆周的切线方向缓慢摆动至极限位置，在驱动足2-1与运动平台1间静摩擦力的作用下，运动平台1绕驱动单元2分布圆周的轴线方向产生旋转位移输出；
第七步：对每个双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的两个方向弯曲的极化分区施加幅值快速上升的激励电压信号，它们的变形带动驱动足2-1沿驱动单元2分布圆周的切线方向快速摆动至初始位置，在运动平台1的惯性作用下，运动平台1与驱动足2-1间发生相对滑动而保持静止；
第八步：重复第六步至第七步，实现运动平台1绕驱动单元2分布圆周的轴线方向连续的反方向旋转运动，通过改变激励电压信号的幅值和时间，实现旋转方向上的超精密运动。
优选地，当驱动单元2的个数n为大于1的整数时，所述步骤一至步骤三的具体方法为：
所述步骤一、运动平台1沿基座6平面内水平方向做双向直线运动的具体方法为：
第一步：n个驱动单元2沿基座平面内圆周分布，将运动平台1压紧在驱动足2-1上，调整驱动足2-1和运动平台1间的预压力，对每个双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的两个方向弯曲的极化分区以及每个层叠式直线型压电驱动器2-4施加相同相位的方波激励电压信号，它们的变形带动n个驱动足2-1沿水平方向形成往复斜线轨迹运动，在驱动足2-1与运动平台1之间的摩擦力和惯性作用下，运动平台1沿水平方向产生直线位移输出；
第二步：重复第一步，实现运动平台1沿水平方向连续的正方向直线运动，通过改变激励电压信号的幅值和时间，实现水平方向上的超精密运动；
第三步：n个驱动单元2沿基座平面内圆周分布，将运动平台1压紧在驱动足2-1上，调整驱动足2-1和运动平台1间的预压力，对每个双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的两个方向弯曲的极化分区以及每个层叠式直线型压电驱动器2-4施加相反相位的方波激励电压信号，它们的变形带动n个驱动足2-1沿水平方向形成往复斜线轨迹运动，在驱动足2-1与运动平台1之间的摩擦力和惯性作用下，运动平台1沿水平方向产生直线位移输出；
第四步：重复第三步，实现运动平台1沿水平方向连续的反方向直线运动，通过改变激励电压信号的幅值和时间，实现水平方向上的超精密运动；
所述步骤二、运动平台1沿基座6平面内纵深方向做双向直线运动具体方法为：
第一步：n个驱动单元2沿基座平面内圆周分布，将运动平台1压紧在驱动足2-1上，调整驱动足2-1和运动平台1间的预压力，对每个双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的两个方向弯曲的极化分区以及每个层叠式直线型压电驱动器2-4施加相同相位的方波激励电压信号，它们的变形带动n个驱动足2-1沿纵深方向形成往复斜线轨迹运动，在驱动足2-1与运动平台1之间的摩擦力和惯性作用下，运动平台1沿纵深方向产生直线位移输出；
第二步：重复第一步，实现运动平台1沿纵深方向连续的正方向直线运动，通过改变激励电压信号的幅值和时间，实现纵深方向上的超精密运动；
第三步：n个驱动单元2沿基座平面内圆周分布，将运动平台1压紧在驱动足2-1上，调整驱动足2-1和运动平台1间的预压力，对每个双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的两个方向弯曲的极化分区以及每个层叠式直线型压电驱动器2-4施加相反相位的方波激励电压信号，它们的变形带动n个驱动足2-1沿纵深方向形成往复斜线轨迹运动，在驱动足2-1与运动平台1之间的摩擦力和惯性作用下，运动平台1沿纵深方向产生直线位移输出；
第四步：重复第三步，实现运动平台1沿纵深方向连续的反方向直线运动，通过改变激励电压信号的幅值和时间，实现纵深方向上的超精密运动；
所述步骤三、运动平台1绕着与基座6平面垂直的轴线方向做双向旋转运动具体方法为：
第一步：n个驱动单元2沿基座平面内圆周分布，将运动平台1压紧在驱动足2-1上，调整驱动足2-1和运动平台1间的预压力，对每个双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的两个方向弯曲的极化分区以及每个层叠式直线型压电驱动器2-4施加相同相位的方波激励电压信号，它们的变形带动n个驱动足2-1沿驱动单元2分布圆周的切线方向形成往复斜线轨迹运动，在驱动足2-1与运动平台1之间的摩擦力和惯性作用下，运动平台1绕驱动单元2分布圆周的轴线方向产生旋转位移输出；
第二步：重复第一步，实现运动平台1绕驱动单元2分布圆周的轴线方向连续的正方向旋转运动，通过改变激励电压信号的幅值和时间，实现旋转方向上的超精密运动；
第三步：n个驱动单元2沿基座平面内圆周分布，将运动平台1压紧在驱动足2-1上，调整驱动足2-1和运动平台1间的预压力，对每个双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的两个方向弯曲的极化分区以及每个层叠式直线型压电驱动器2-4施加相反相位的方波激励电压信号，它们的变形带动n个驱动足2-1沿驱动单元2分布圆周的切线方向形成往复斜线轨迹运动，在驱动足2-1与运动平台1之间的摩擦力和惯性作用下，运动平台1绕驱动单元2分布圆周的轴线方向产生旋转位移输出；
第四步：重复第三步，实现运动平台1绕驱动单元2分布圆周的轴线方向连续的反方向旋转运动，通过改变激励电压信号的幅值和时间，实现旋转方向上的超精密运动。
优选地，当驱动单元2的个数n为大于3的整数时，所述步骤一至步骤三的具体方法为：
所述步骤一、运动平台1沿基座6平面内水平方向做双向直线运动的具体方法为：
第一步：n个驱动单元2沿基座平面内圆周分布，将运动平台1压紧在驱动足2-1上，调整驱动足2-1和运动平台1间的预压力，对每个双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的两个方向弯曲的极化分区以及每个层叠式直线型压电驱动器2-4施加有相位差的方波或梯形波激励电压信号，它们的变形带动n个驱动足2-1在水平方向与驱动器2的轴线方向构成的平面内形成单向的矩形轨迹运动；
第二步：调整不同驱动单元2施加的激励电压信号的时序，每一时刻至少有两个驱动足2-1与运动平台1接触，在驱动足2-1与运动平台1之间的摩擦力的作用下，运动平台1沿水平方向产生直线位移输出；
第三步：重复第一步至第二步，实现运动平台1沿水平方向连续的正方向直线运动，通过改变激励电压信号的幅值和时间，实现水平方向上的超精密运动；
第四步：n个驱动单元2沿基座平面内圆周分布，将运动平台1压紧在驱动足2-1上，调整驱动足2-1和运动平台1间的预压力，通过改变对每个双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的两个方向弯曲的极化分区以及每个层叠式直线型压电驱动器2-4施加有相位差的方波或梯形波激励电压信号，它们的变形带动n个驱动足2-1在水平方向与驱动器2的轴线方向构成的平面内形成相反方向的矩形轨迹运动；
第五步：调整不同驱动单元2施加的激励电压信号的时序，每一时刻至少有两个驱动足2-1与运动平台1接触，在驱动足2-1与运动平台1之间的摩擦力的作用下，运动平台1沿水平方向产生直线位移输出；
第六步：重复第四步至第五步，实现运动平台1沿水平方向连续的反方向直线运动，通过改变激励电压信号的幅值和时间，实现水平方向上的超精密运动；
所述步骤二、运动平台1沿基座6平面内纵深方向做双向直线运动具体方法为：
第一步：n个驱动单元2沿基座平面内圆周分布，将运动平台1压紧在驱动足2-1上，调整驱动足2-1和运动平台1间的预压力，对每个双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的两个方向弯曲的极化分区以及每个层叠式直线型压电驱动器2-4施加有相位差的方波或梯形波激励电压信号，它们的变形带动n个驱动足2-1在纵深方向与驱动器2的轴线方向构成的平面内形成单向的矩形轨迹运动；
第二步：调整不同驱动单元2施加的激励电压信号的时序，每一时刻至少有两个驱动足2-1与运动平台1接触，在驱动足2-1与运动平台1之间的摩擦力的作用下，运动平台1沿纵深方向产生直线位移输出；
第三步：重复第一步至第二步，实现运动平台1沿纵深方向连续的正方向直线运动，通过改变激励电压信号的幅值和时间，实现纵深方向上的超精密运动；
第四步：n个驱动单元2沿基座平面内圆周分布，将运动平台1压紧在驱动足2-1上，调整驱动足2-1和运动平台1间的预压力，通过改变对每个双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的两个方向弯曲的极化分区以及每个层叠式直线型压电驱动器2-4施加有相位差的方波或梯形波激励电压信号，它们的变形带动n个驱动足2-1在纵深相反方向与驱动器2的轴线方向构成的平面内形成相反方向的矩形轨迹运动；
第五步：调整不同驱动单元2施加的激励电压信号的时序，每一时刻至少有两个驱动足2-1与运动平台1接触，在驱动足2-1与运动平台1之间的摩擦力的作用下，运动平台1沿纵深方向产生直线位移输出；
第六步：重复第四步至第五步，实现运动平台1沿纵深方向连续的反方向直线运动，通过改变激励电压信号的幅值和时间，实现纵深方向上的超精密运动；
所述步骤三、运动平台1绕着与基座6平面垂直的轴线方向做双向旋转运动具体方法为：
第一步：n个驱动单元2沿基座平面内圆周分布，将运动平台1压紧在驱动足2-1上，调整驱动足2-1和运动平台1间的预压力，对每个双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的两个方向弯曲的极化分区以及每个层叠式直线型压电驱动器2-4施加有相位差的方波或梯形波激励电压信号，它们的变形带动n个驱动足2-1在驱动单元2分布圆周的切线方向与驱动器2的轴线方向构成的平面内形成单向的矩形轨迹运动；
第二步：调整不同驱动单元2施加的激励电压信号的时序，每一时刻至少有两个驱动足2-1与运动平台1接触，在驱动足2-1与运动平台1之间的摩擦力的作用下，运动平台1绕驱动单元2分布圆周的轴线方向产生旋转位移输出；
第三步：重复第一步至第二步，实现运动平台1绕驱动单元2分布圆周的轴线方向连续的正方向旋转运动，通过改变激励电压信号的幅值和时间，实现旋转方向上的超精密运动；
第四步：n个驱动单元2沿基座平面内圆周分布，将运动平台1压紧在驱动足2-1上，调整驱动足2-1和运动平台1间的预压力，通过改变对每个双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的两个方向弯曲的极化分区以及每个层叠式直线型压电驱动器2-4施加有相位差的方波或梯形波激励电压信号，它们的变形带动n个驱动足2-1在驱动单元2分布圆周的切线方向与驱动器2的轴线方向构成的平面内形成相反方向的矩形轨迹运动；
第五步：调整不同驱动单元2施加的激励电压信号的时序，每一时刻至少有两个驱动足2-1与运动平台1接触，在驱动足2-1与运动平台1之间的摩擦力的作用下，运动平台1绕驱动单元2分布圆周的轴线方向产生旋转位移输出；
第六步：重复第四步至第五步，实现运动平台1绕驱动单元2分布圆周的轴线方向连续的反方向旋转运动，通过改变激励电压信号的幅值和时间，实现旋转方向上的超精密运动。
本发明具有以下有益效果：
本发明利用几个较为简单的压电驱动单元配合运动实现了复杂的三自由度平面运动的输出，提出了一种压电驱动的超精密三自由度平面运动平台。本发明中所采用的压电驱动单元结构简单紧凑，便于生产制造；在实际工作中，根据不同的工作场合和应用需求，可以采用不同的激励方法，从而可以实现稳定可靠的超精密运动输出；由于超精密三自由度平面运动在诸如细胞操作、高密度芯片以及精密光学等领域中具有很好的应用前景，因此本发明的提出可以在一定程度上满足相应的需求，扩展精密压电驱动技术的应用范围，促进压电驱动技术领域的发展进步。
附图说明
图1为具有两个驱动单元的超精密三自由度平面运动平台的三维结构示意图；
图2为具有四个驱动单元的超精密三自由度平面运动平台的三维结构示意图；
图3为超精密三自由度平面运动平台在具体实施例二中实现超精密运动时所需要施加的第一种激励电压信号示意图；
图4为超精密三自由度平面运动平台在具体实施例二中实现超精密运动时所需要施加的第二种激励电压信号示意图；
图5为超精密三自由度平面运动平台在具体实施例二中实现超精密运动时每个驱动足相对于运动平台的运动轨迹以及运动平台的运动方向示意图；
图6为超精密三自由度平面运动平台在具体实施例三中实现超精密运动时一个驱动单元上所需要施加的第一种激励电压信号示意图；
图7为超精密三自由度平面运动平台在具体实施例三中实现超精密运动时一个驱动单元上所需要施加的第二种激励电压信号示意图；
图8为超精密三自由度平面运动平台在具体实施例三中实现超精密运动时每个驱动足相对于运动平台的运动轨迹示意图；
图9为超精密三自由度平面运动平台在具体实施例四中实现超精密运动时四个层叠式直线型压电驱动器所需要施加的激励电压信号示意图；
图10为超精密三自由度平面运动平台在具体实施例四中实现超精密运动时四双向层叠式弯曲型压电驱动器所需要施加的第一种激励电压信号示意图；
图11为超精密三自由度平面运动平台在具体实施例四中实现超精密运动时四双向层叠式弯曲型压电驱动器所需要施加的第二种激励电压信号示意图；
图12为超精密三自由度平面运动平台在具体实施例四中实现超精密运动时四双向层叠式弯曲型压电驱动器所需要施加的第三种激励电压信号示意图；
图13为超精密三自由度平面运动平台在具体实施例四中实现超精密运动时四双向层叠式弯曲型压电驱动器所需要施加的第四种激励电压信号示意图。
图中，1-运动平台，2-驱动单元，3-基座，2-1-驱动足，2-2-双向层叠式弯曲型压电驱动器，2-3-绝缘块，2-4-层叠式直线型压电驱动器。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。
具体实施例一：
下面结合说明书附图1、图2对本实施例做进一步详细说明。本实施例提供了一种如图1或图2所示的超精密三自由度平面运动平台。所述运动平台包括运动平台1、两个或四个驱动单元2以及基座3；所述驱动单元2包括驱动足2-1、双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2、绝缘块2-3以及层叠式直线型压电驱动器2-4；所述运动平台1用于装载精密操控对象，并输出沿X轴和Y轴方向的直线运动以及绕Z轴方向的旋转运动；所述驱动单元2的各组件之间保持固定连接，驱动单元2与基座3之间保持固定连接，且各个驱动单元2沿平面内圆周分布；所述基座3保持固定，运动平台1在外置支撑装置的作用下可以实现在其平面内的三自由度运动，具体包括平面内沿X轴和Y轴方向的直线运动以及平面内绕Z轴方向的旋转运动；所述驱动足2-1与运动平台1相接触，并通过调控各个驱动足2-1的运动方向实现运动平台1的三自由度平面运动，具体表现为：当所有驱动足2-1沿平面内X轴或Y轴方向做相同方向的运动时，运动平台1实现平面内沿X轴或Y轴方向的直线运动，当所有驱动足2-1沿平面内驱动单元2的分布圆周的切线方向做相同方向的运动时，运动平台1实现绕Z轴方向的旋转运动。
在本实施例中，所述驱动单元2作为能量转换元件，可以实现输入电能向输出机械能的转换；所述双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2由多片压电陶瓷固定连接而成，每片压电陶瓷包含四个分区，在对其施加激励电压信号后，处于对侧分区的压电陶瓷区域分别伸长和缩短，从而使双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2产生偏离自身轴线方向的弯曲变形，进而带动驱动足2-1沿X轴或Y轴方向的摆动运动；所述层叠式直线型压电驱动器2-4由多片压电陶瓷固定连接而成，每片压电陶瓷包含一个分区，在对其施加激励电压信号后，压电陶瓷伸长或缩短，从而使层叠式直线型压电驱动器2-4产生沿自身轴线方向的伸缩变形，进而带动驱动足2-1沿Z轴方向的直线运动。
在本实施例中，所述运动平台1的下表面通过支撑装置压紧在多个驱动足2-1上，运动平台1可以在自身平面内做平面运动，具体包括沿X轴和Y轴方向的直线运动以及绕Z轴方向的旋转运动；所述运动平台1与驱动足2-1之间通过支撑装置压紧，且二者之间的压紧力可以进行调整，所述支撑装置包括但不限于球轴承压紧、电磁力吸引、流体动压力压紧、流体静压力压紧等。
在本实施例中，所述运动平台1用于固定精密操作对象，以实现其在平面内三个自由度上的超精密运动；所述驱动单元2的个数为两个或四个，更多的驱动单元2也可以应用在所述运动平台中，从而实现多种激励方法和负载能力的倍增。
在本实施例中，通过对驱动单元2的各个陶瓷分区施加不同的激励电压信号，驱动足2-1的末端质点可以在其运动范围内形成任意闭合轨迹的运动，如往复直线运动、多边形运动、椭圆形运动等，因此多种激励方法和驱动原理可以应用于本实施例中的结构。
具体实施例二：下面结合说明书附图1、图3、图4、图5对本实施例做进一步详细说明。本实施例提供了一种基于图1所示的超精密三自由度平面运动平台的激励方法，该激励方法可以实现运动平台1的大行程平面内三自由度超精密运动，包括沿X轴或Y轴方向的直线运动以及绕Z轴方向的旋转运动，通过调整激励电压信号的幅值和施加时间可以使其实现纳米级分辨力。本实施例中驱动单元2的个数为两个，但是增加其个数本实施例同样适用，在施加相同激励电压信号的情况下增加其数量会增加运动平台1的负载能力。
实现运动平台1沿X轴方向做直线运动的激励方法包括以下步骤：
第一步、所有驱动单元2沿平面内圆周分布，将运动平台1压紧在驱动足2-1上，对每个驱动单元2的层叠式直线型压电驱动器2-4施加直流电压信号，其伸缩变形带动驱动足2-1靠近或远离运动平台1，以此调整驱动足2-1和运动平台1之间的预压力；
第二步、对每个双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的X轴方向弯曲分区施加幅值缓慢上升的激励电压信号，其弯曲变形带动驱动足2-1沿X轴方向缓慢摆动至极限位置，在驱动足2-1与运动平台1之间的静摩擦力的作用下，运动平台1沿X轴方向产生直线位移输出；
第三步、对每个双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的X轴方向弯曲分区施加幅值快速下降的激励电压信号，其弯曲变形带动驱动足2-1沿X轴方向快速摆动至初始位置，在运动平台1的惯性的作用下，运动平台1与驱动足2-1之间发生相对滑动而保持静止；
第四步、重复第二步至第三步，可以实现运动平台1沿X轴方向连续的正方向直线运动，通过改变激励电压信号的幅值和时间，可以实现该方向上的超精密运动，对图1中左侧和右侧驱动单元2的双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的X轴方向弯曲分区施加的激励电压信号均如图3中U所示；
第五步、与以上步骤相似，通过对每个双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的X轴方向弯曲分区施加幅值缓慢下降和快速上升的激励电压信号，可以实现运动平台1沿X轴方向连续的反方向超精密直线运动，对图1中左侧和右侧驱动单元2的双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的X轴方向弯曲分区施加的激励电压信号均如图4中U所示；
实现运动平台1沿Y轴方向做直线运动的激励方法包括以下步骤：
第一步、所有驱动单元2沿平面内圆周分布，将运动平台1压紧在驱动足2-1上，对每个驱动单元2的层叠式直线型压电驱动器2-4施加直流电压信号，其伸缩变形带动驱动足2-1靠近或远离运动平台1，以此调整驱动足2-1和运动平台1之间的预压力；
第二步、对每个双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的Y轴方向弯曲分区施加幅值缓慢上升的激励电压信号，其弯曲变形带动驱动足2-1沿Y轴方向缓慢摆动至极限位置，在驱动足2-1与运动平台1之间的静摩擦力的作用下，运动平台1沿Y轴方向产生直线位移输出；
第三步、对每个双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的Y轴方向弯曲分区施加幅值快速下降的激励电压信号，其弯曲变形带动驱动足2-1沿Y轴方向快速摆动至初始位置，在运动平台1的惯性的作用下，运动平台1与驱动足2-1之间发生相对滑动而保持静止；
第四步、重复第二步至第三步，可以实现运动平台1沿Y轴方向连续的正方向直线运动，通过改变激励电压信号的幅值和时间，可以实现该方向上的超精密运动，对图1中左侧和右侧驱动单元2的双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的Y轴方向弯曲分区施加的激励电压信号均如图3中U所示；
第五步、与以上步骤相似，通过对每个双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的Y轴方向弯曲分区施加幅值缓慢下降和快速上升的激励电压信号，可以实现运动平台1沿Y轴方向连续的反方向超精密直线运动，对图1中左侧和右侧驱动单元2的双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的Y轴方向弯曲分区施加的激励电压信号均如图4中U所示；
实现运动平台1绕Z轴方向做旋转运动的激励方法包括以下步骤：
第一步、所有驱动单元2沿平面内圆周分布，将运动平台1压紧在驱动足2-1上，对每个驱动单元2的层叠式直线型压电驱动器2-4施加直流电压信号，其伸缩变形带动驱动足2-1靠近或远离运动平台1，以此调整驱动足2-1和运动平台1之间的预压力；
第二步、对左侧驱动单元2的双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的X轴方向弯曲分区施加幅值缓慢上升的激励电压信号，对右侧驱动单元2的双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的X轴方向弯曲分区施加幅值缓慢下降的激励电压信号，它们的弯曲变形带动驱动足2-1沿驱动单元2分布圆周的相同切线方向缓慢摆动至极限位置，在驱动足2-1与运动平台1之间的静摩擦力的作用下，运动平台1绕Z轴方向产生旋转位移输出；
第三步、对左侧驱动单元2的双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的X轴方向弯曲分区施加幅值快速下降的激励电压信号，对右侧驱动单元2的双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的X轴方向弯曲分区施加幅值快速上升的激励电压信号，它们的弯曲变形带动驱动足2-1沿驱动单元2分布圆周的相同切线方向快速摆动至初始位置，在运动平台1的惯性的作用下，运动平台1与驱动足2-1之间发生相对滑动而保持静止；
第四步、重复第二步至第三步，可以实现运动平台1绕Z轴方向连续的正方向旋转运动，通过改变激励电压信号的幅值和时间，可以实现该方向上的超精密运动，对图1中左侧驱动单元2的双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的X轴方向弯曲分区施加的激励电压信号如图3中U所示，对图1中右侧驱动单元2的双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的X轴方向弯曲分区施加的激励电压信号如图4中U所示；
第五步、与以上步骤相似，通过对左侧驱动单元2的双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的X轴方向弯曲分区施加幅值缓慢下降和快速上升的激励电压信号，对右侧驱动单元2的双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的X轴方向弯曲分区施加幅值缓慢上升和快速下降的激励电压信号，可以实现运动平台1绕Z轴方向连续的反方向超精密旋转运动，对图1中左侧驱动单元2的双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的X轴方向弯曲分区施加的激励电压信号如图4中U所示，对图1中右侧驱动单元2的双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的X轴方向弯曲分区施加的激励电压信号如图3中U所示。
在本实施例中，所述运动平台实现超精密运动时两个驱动足2-1各自相对于运动平台1的运动轨迹以及运动平台1的运动方向如图5所示，并利用两个驱动足2-1沿不同方向运动速度的不同以及运动方向的组合实现运动平台1的超精密三自由度正反向运动。
具体实施例三：下面结合说明书附图1、图6、图7、图8对本实施例做进一步详细说明。本实施例提供了一种基于图1所示的超精密三自由度平面运动平台的激励方法，该激励方法可以实现运动平台1的大行程平面内三自由度超精密运动，包括沿X轴或Y轴方向的直线运动以及绕Z轴方向的旋转运动，通过调整激励电压信号的幅值和施加时间可以使其实现纳米级分辨力。本实施例中驱动单元2的个数为两个，但是增加其个数本实施例同样适用，在施加相同激励电压信号的情况下增加其数量会增加运动平台1的负载能力。
实现运动平台1沿X轴方向做直线运动的激励方法包括以下步骤：
第一步、所有驱动单元2沿平面内圆周分布，将运动平台1压紧在驱动足2-1上，并调整二者之间的预压力，对每个双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的X轴方向弯曲分区以及每个层叠式直线型压电驱动器2-4施加相同相位的方波激励电压信号，它们的变形带动多个驱动足2-1沿X轴方向形成往复斜线轨迹运动，在驱动足2-1与运动平台1之间的摩擦力以及二者的惯性的作用下，运动平台1沿X轴方向产生直线位移输出；
第二步、重复第一步，可以实现运动平台1沿X轴方向连续的正方向直线运动，通过改变激励电压信号的幅值和时间，可以实现该方向上的超精密运动，对图1中两个驱动单元2的双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的X轴方向弯曲分区以及层叠式直线型压电驱动器2-4施加的激励电压信号分别如图6中U1和U2所示；
第三步、与以上步骤相似，通过对每个双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的X轴方向弯曲分区以及每个层叠式直线型压电驱动器2-4施加相反相位的方波激励电压信号，驱动足2-1沿X轴方向形成不同方向的往复斜线轨迹运动，从而实现运动平台1沿X轴方向连续的反方向超精密直线运动，对图1中两个驱动单元2的双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的X轴方向弯曲分区以及层叠式直线型压电驱动器2-4施加的激励电压信号分别如图7中U1和U2所示；
实现运动平台1沿Y轴方向做直线运动的激励方法包括以下步骤：
第一步、所有驱动单元2沿平面内圆周分布，将运动平台1压紧在驱动足2-1上，并调整二者之间的预压力，对每个双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的Y轴方向弯曲分区以及每个层叠式直线型压电驱动器2-4施加相同相位的方波激励电压信号，它们的变形带动多个驱动足2-1沿Y轴方向形成往复斜线轨迹运动，在驱动足2-1与运动平台1之间的摩擦力以及二者的惯性的作用下，运动平台1沿Y轴方向产生直线位移输出；
第二步、重复第一步，可以实现运动平台1沿Y轴方向连续的正方向直线运动，通过改变激励电压信号的幅值和时间，可以实现该方向上的超精密运动，对图1中两个驱动单元2的双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的Y轴方向弯曲分区以及层叠式直线型压电驱动器2-4施加的激励电压信号分别如图6中U1和U2所示；
第三步、与以上步骤相似，通过对每个双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的Y轴方向弯曲分区以及每个层叠式直线型压电驱动器2-4施加相反相位的方波激励电压信号，驱动足2-1沿Y轴方向形成不同方向的往复斜线轨迹运动，从而实现运动平台1沿Y轴方向连续的反方向超精密直线运动，对图1中两个驱动单元2的双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的Y轴方向弯曲分区以及层叠式直线型压电驱动器2-4施加的激励电压信号分别如图7中U1和U2所示；
实现运动平台1绕Z轴方向做旋转运动的激励方法包括以下步骤：
第一步、所有驱动单元2沿平面内圆周分布，将运动平台1压紧在驱动足2-1上，并调整二者之间的预压力，对左侧驱动单元2的双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的X轴方向弯曲分区以及层叠式直线型压电驱动器2-4施加相同相位的方波激励电压信号，对右侧驱动单元2的双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的X轴方向弯曲分区以及层叠式直线型压电驱动器2-4施加相反相位的方波激励电压信号，它们的变形带动两个驱动足2-1沿驱动单元2的分布圆周的切线方向形成往复斜线轨迹运动，在驱动足2-1与运动平台1之间的摩擦力以及二者的惯性的作用下，运动平台1绕Z轴方向产生旋转位移输出；
第二步、重复第一步，可以实现运动平台1绕Z轴方向连续的正方向旋转运动，通过改变激励电压信号的幅值和时间，可以实现该方向上的超精密运动，对图1中左侧驱动单元2的双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的X轴方向弯曲分区以及层叠式直线型压电驱动器2-4施加的激励电压信号分别如图6中U1和U2所示，对图1中右侧驱动单元2的双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的X轴方向弯曲分区以及层叠式直线型压电驱动器2-4施加的激励电压信号分别如图7中U1和U2所示；
第三步、与以上步骤相似，通过对左侧驱动单元2的双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的X轴方向弯曲分区以及每个层叠式直线型压电驱动器2-4施加相反相位的方波激励电压信号，对右侧驱动单元2的双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的X轴方向弯曲分区以及每个层叠式直线型压电驱动器2-4施加相同相位的方波激励电压信号，驱动足2-1沿驱动单元2的分布圆周的切线方向形成不同方向的往复斜线轨迹运动，从而实现运动平台1绕Z轴方向连续的反方向超精密旋转运动，对图1中左侧驱动单元2的双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的X轴方向弯曲分区以及层叠式直线型压电驱动器2-4施加的激励电压信号分别如图7中U1和U2所示，对图1中右侧驱动单元2的双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的X轴方向弯曲分区以及层叠式直线型压电驱动器2-4施加的激励电压信号分别如图6中U1和U2所示；
在本实施例中，所述运动平台实现超精密运动时两个驱动足2-1各自相对于运动平台1的运动轨迹如图5所示，并利用两个驱动足2-1沿不同方向的往复斜线轨迹运动以及运动方向的组合实现运动平台1的超精密三自由度正反向运动。
具体实施例四：下面结合说明书附图2、图9、图10、图11、图12、图13对本实施例做进一步详细说明。本实施例提供了一种基于图2所示的超精密三自由度平面运动平台的激励方法，该激励方法可以实现运动平台1的大行程平面内三自由度超精密运动，包括沿X轴或Y轴方向的直线运动以及绕Z轴方向的旋转运动，通过调整激励电压信号的幅值和施加时间可以使其实现纳米级分辨力。本实施例中驱动单元2的个数为四个，但是增加其个数本实施例同样适用，在施加相似激励电压信号的情况下增加其数量会增加运动平台1的负载能力。
实现运动平台1沿X轴方向做直线运动的激励方法包括以下步骤：
第一步、所有驱动单元2沿平面内圆周分布，将运动平台1压紧在驱动足2-1上，并调整二者之间的预压力，对每个驱动单元2的双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的X轴方向弯曲分区以及层叠式直线型压电驱动器2-4施加有相位差的方波或梯形波激励电压信号，它们的变形带动每个驱动足2-1在XOZ平面内形成单向的矩形轨迹运动；
第二步、调整不同驱动单元2所施加的激励电压信号的时序，每一时刻至少有相对的两个驱动足2-1与运动平台1接触，在驱动足2-1与运动平台1之间的摩擦力的作用下，驱动足2-1的矩形轨迹运动导致运动平台1沿X轴方向产生直线位移输出；
第三步、重复第一步至第二步，可以实现运动平台1沿X轴方向连续的正方向直线运动，通过改变激励电压信号的幅值和时间，可以实现该方向上的超精密运动，对图1中最左侧、最右侧、最前侧、最后侧的驱动单元2的层叠式直线型压电驱动器2-4施加的激励电压信号分别如图9中的U11、U12、U13、U14所示，对图1中最左侧、最右侧、最前侧、最后侧的驱动单元2的双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的X轴方向弯曲分区施加的激励电压信号分别如图10中的U21、U22、U23、U24所示；
第四步、与以上步骤相似，改变对每个驱动单元2的双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的X轴方向弯曲分区以及层叠式直线型压电驱动器2-4施加的方波或梯形波激励电压信号的相位，使驱动足2-1形成相反方向的矩形轨迹运动，从而实现运动平台1沿X轴方向连续的反方向超精密直线运动，对图1中最左侧、最右侧、最前侧、最后侧的驱动单元2的层叠式直线型压电驱动器2-4施加的激励电压信号分别如图9中的U11、U12、U13、U14所示，对图1中最左侧、最右侧、最前侧、最后侧的驱动单元2的双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的X轴方向弯曲分区施加的激励电压信号分别如图11中的U21、U22、U23、U24所示；
实现运动平台1沿Y轴方向做直线运动的激励方法包括以下步骤：
第一步、所有驱动单元2沿平面内圆周分布，将运动平台1压紧在驱动足2-1上，并调整二者之间的预压力，对每个驱动单元2的双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的Y轴方向弯曲分区以及层叠式直线型压电驱动器2-4施加有相位差的方波或梯形波激励电压信号，它们的变形带动每个驱动足2-1在YOZ平面内形成单向的矩形轨迹运动；
第二步、调整不同驱动单元2所施加的激励电压信号的时序，每一时刻至少有相对的两个驱动足2-1与运动平台1接触，在驱动足2-1与运动平台1之间的摩擦力的作用下，驱动足2-1的矩形轨迹运动导致运动平台1沿Y轴方向产生直线位移输出；
第三步、重复第一步至第二步，可以实现运动平台1沿Y轴方向连续的正方向直线运动，通过改变激励电压信号的幅值和时间，可以实现该方向上的超精密运动，对图1中最左侧、最右侧、最前侧、最后侧的驱动单元2的层叠式直线型压电驱动器2-4施加的激励电压信号分别如图9中的U11、U12、U13、U14所示，对图1中最左侧、最右侧、最前侧、最后侧的驱动单元2的双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的Y轴方向弯曲分区施加的激励电压信号分别如图10中的U21、U22、U23、U24所示；
第四步、与以上步骤相似，改变对每个驱动单元2的双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的Y轴方向弯曲分区以及层叠式直线型压电驱动器2-4施加的方波或梯形波激励电压信号的相位，使驱动足2-1形成相反方向的矩形轨迹运动，从而实现运动平台1沿Y轴方向连续的反方向超精密直线运动，对图1中最左侧、最右侧、最前侧、最后侧的驱动单元2的层叠式直线型压电驱动器2-4施加的激励电压信号分别如图9中的U11、U12、U13、U14所示，对图1中最左侧、最右侧、最前侧、最后侧的驱动单元2的双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的Y轴方向弯曲分区施加的激励电压信号分别如图11中的U21、U22、U23、U24所示；
实现运动平台1绕Z轴方向做旋转运动的激励方法包括以下步骤：
第一步、所有驱动单元2沿平面内圆周分布，将运动平台1压紧在驱动足2-1上，并调整二者之间的预压力，对图1中最左侧和最右侧的驱动单元2的双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的X轴方向弯曲分区以及层叠式直线型压电驱动器2-4施加有相位差的方波或梯形波激励电压信号，它们的变形带动其驱动足2-1在XOZ平面内形成相反方向的矩形轨迹运动，对图1中最前侧和最后侧的驱动单元2的双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的Y轴方向弯曲分区以及层叠式直线型压电驱动器2-4施加有相位差的方波或梯形波激励电压信号，它们的变形带动其驱动足2-1在YOZ平面内形成相反方向的矩形轨迹运动；
第二步、调整不同驱动单元2所施加的激励电压信号的时序，每一时刻至少有相对的两个驱动足2-1与运动平台1接触，在驱动足2-1与运动平台1之间的摩擦力的作用下，驱动足2-1的矩形轨迹运动导致运动平台1绕Z轴方向产生旋转位移输出；
第三步、重复第一步至第二步，可以实现运动平台1绕Z轴方向连续的正方向旋转运动，通过改变激励电压信号的幅值和时间，可以实现该方向上的超精密运动，对图1中最左侧、最右侧、最前侧、最后侧的驱动单元2的层叠式直线型压电驱动器2-4施加的激励电压信号分别如图9中的U11、U12、U13、U14所示，对图1中最左侧、最右侧的驱动单元2的双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的X轴方向弯曲分区以及最前侧、最后侧的驱动单元2的双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的Y轴方向弯曲分区施加的激励电压信号分别如图12中的U21、U22、U23、U24所示；
第四步、与以上步骤相似，改变对图1中最左侧、最右侧的驱动单元2的双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的X轴方向弯曲分区以及层叠式直线型压电驱动器2-4施加的方波或梯形波激励电压信号的相位，改变对图1中最前侧、最后侧的驱动单元2的双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的Y轴方向弯曲分区以及层叠式直线型压电驱动器2-4施加的方波或梯形波激励电压信号的相位，使每个驱动足2-1形成相反方向的矩形轨迹运动，从而实现运动平台1绕Z轴方向连续的反方向超精密旋转运动，对图1中最左侧、最右侧、最前侧、最后侧的驱动单元2的层叠式直线型压电驱动器2-4施加的激励电压信号分别如图9中的U11、U12、U13、U14所示，对图1中最左侧、最右侧的驱动单元2的双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的X轴方向弯曲分区以及最前侧、最后侧的驱动单元2的双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2中的Y轴方向弯曲分区施加的激励电压信号分别如图13中的U21、U22、U23、U24所示。
以上所述仅是压电驱动的超精密三自由度平面运动平台及其激励方法的优选实施方式，压电驱动的超精密三自由度平面运动平台及其激励方法的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种压电驱动的超精密三自由度平面运动平台，其特征是：所述平台包括运动平台(1)、n个驱动单元(2)和基座(3)，n为大于1的整数，所述驱动单元(2)与基座(3)固定连接，所述n个驱动单元(2)在基座(3)平面上呈圆周分布，所述驱动单元(2)包括驱动足(2-1)、双向层叠式弯曲型压电驱动器(2-2)、绝缘块(2-3)和层叠式直线型压电驱动器(2-4)，所述驱动足(2-1)、双向层叠式弯曲型压电驱动器(2-2)、绝缘块(2-3)和层叠式直线型压电驱动器(2-4)沿驱动单元(2)的轴线方向依次固定连接，所述运动平台(1)下表面通过外置支撑装置紧压在n个驱动足(2-1)上，所述基座(3)保持固定，所述运动平台(1)输出平面内三自由度运动。
2.根据权利要求1所述的一种压电驱动的超精密三自由度平面运动平台，其特征是：所述驱动单元(2)为能量转换元件，通过驱动单元(2)实现输入电能向输出机械能的转换。
3.根据权利要求1所述的一种压电驱动的超精密三自由度平面运动平台，其特征是：所述双向层叠式弯曲型压电驱动器(2-2)由多片压电陶瓷固定连接形成，每片压电陶瓷包含四个极化分区，在对其施加激励电压信号后将带动驱动足(2-1)沿两个正交方向做摆动运动，所述层叠式直线型压电驱动器(2-4)由多片压电陶瓷固定连接形成，每片压电陶瓷包含一个极化分区，在对其施加激励电压信号后将带动驱动足(2-1)沿自身轴线方向做直线运动。
4.根据权利要求1所述的一种压电驱动的超精密三自由度平面运动平台，其特征是：所述运动平台(1)与驱动足(2-1)之间通过外置支撑装置接触压紧，所述外置支撑装置包括球轴承压紧、电磁力吸引、流体动压力压紧或者流体静压力压紧。
5.一种如权利要求1所述的压电驱动的超精密三自由度平面运动平台的激励方法，其特征是：包括以下步骤：
步骤一：运动平台(1)沿基座(6)平面内水平方向做双向直线运动；
步骤二：运动平台(1)沿基座(6)平面内纵深方向做双向直线运动；
步骤三：运动平台(1)绕着与基座(6)平面垂直的轴线方向做双向旋转运动。
6.根据权利要求5所述的一种压电驱动的超精密三自由度平面运动平台的激励方法，其特征是：当驱动单元(2)的个数n为大于1的整数时，所述步骤一至步骤三的具体方法如下：
所述步骤一、运动平台(1)沿基座(6)平面内水平方向做双向直线运动的具体方法为：
第一步：n个驱动单元(2)沿基座平面内圆周分布，将运动平台(1)压紧在驱动足(2-1)上，通过对层叠式直线型压电驱动器(2-4)施加直流电压信号，层叠式直线型压电驱动器(2-4)伸缩变形带动驱动足(2-1)靠近或者远离运动平台(1)，以此调整驱动足(2-1)和运动平台(1)间的预压力；
第二步：对每个双向层叠式弯曲型压电驱动器(2-2)中的两个方向弯曲的极化分区施加幅值缓慢上升的激励电压信号，它们的变形带动驱动足(2-1)沿水平方向缓慢摆动至极限位置，在驱动足(2-1)与运动平台(1)间静摩擦力的作用下，运动平台(1)沿水平方向产生直线位移输出；
第三步：对每个双向层叠式弯曲型压电驱动器(2-2)中的两个方向弯曲的极化分区施加幅值快速下降的激励电压信号，它们的变形带动驱动足(2-1)沿水平方向快速摆动至初始位置，在运动平台(1)的惯性作用下，运动平台(1)与驱动足(2-1)间发生相对滑动而保持静止；
第四步：重复第二步至第三步，实现运动平台(1)沿水平方向连续的正方向直线运动，通过改变激励电压信号的幅值和时间，实现水平方向上的超精密运动。
第五步：n个驱动单元(2)沿基座平面内圆周分布，将运动平台(1)压紧在驱动足(2-1)上，通过对层叠式直线型压电驱动器(2-4)施加直流电压信号，层叠式直线型压电驱动器(2-4)伸缩变形带动驱动足(2-1)靠近或者远离运动平台(1)，以此调整驱动足(2-1)和运动平台(1)间的预压力；
第六步：对每个双向层叠式弯曲型压电驱动器(2-2)中的两个方向弯曲的极化分区施加幅值缓慢下降的激励电压信号，它们的变形带动驱动足(2-1)沿水平方向缓慢摆动至极限位置，在驱动足(2-1)与运动平台(1)间静摩擦力的作用下，运动平台(1)沿水平方向产生直线位移输出；
第七步：对每个双向层叠式弯曲型压电驱动器(2-2)中的两个方向弯曲的极化分区施加幅值快速上升的激励电压信号，它们的变形带动驱动足(2-1)沿水平方向快速摆动至初始位置，在运动平台(1)的惯性作用下，运动平台(1)与驱动足(2-1)间发生相对滑动而保持静止；
第八步：重复第六步至第七步，实现运动平台(1)沿水平方向连续的反方向直线运动，通过改变激励电压信号的幅值和时间，实现水平方向上的超精密运动。
所述步骤二、运动平台(1)沿基座(6)平面内纵深方向做双向直线运动具体方法为：
第一步：n个驱动单元(2)沿基座平面内圆周分布，将运动平台(1)压紧在驱动足(2-1)上，通过对层叠式直线型压电驱动器(2-4)施加直流电压信号，层叠式直线型压电驱动器(2-4)伸缩变形带动驱动足(2-1)靠近或者远离运动平台(1)，以此调整驱动足(2-1)和运动平台(1)间的预压力；
第二步：对每个双向层叠式弯曲型压电驱动器(2-2)中的两个方向弯曲的极化分区施加幅值缓慢上升的激励电压信号，它们的变形带动驱动足(2-1)沿纵深方向缓慢摆动至极限位置，在驱动足(2-1)与运动平台(1)间静摩擦力的作用下，运动平台(1)沿纵深方向产生直线位移输出；
第三步：对每个双向层叠式弯曲型压电驱动器(2-2)中的两个方向弯曲的极化分区施加幅值快速下降的激励电压信号，它们的变形带动驱动足(2-1)沿纵深方向快速摆动至初始位置，在运动平台(1)的惯性作用下，运动平台(1)与驱动足(2-1)间发生相对滑动而保持静止；
第四步：重复第二步至第三步，实现运动平台(1)沿纵深方向连续的正方向直线运动，通过改变激励电压信号的幅值和时间，实现纵深方向上的超精密运动；
第五步：n个驱动单元(2)沿基座平面内圆周分布，将运动平台(1)压紧在驱动足(2-1)上，通过对层叠式直线型压电驱动器(2-4)施加直流电压信号，层叠式直线型压电驱动器(2-4)伸缩变形带动驱动足(2-1)靠近或者远离运动平台(1)，以此调整驱动足(2-1)和运动平台(1)间的预压力；
第六步：对每个双向层叠式弯曲型压电驱动器(2-2)中的两个方向弯曲的极化分区施加幅值缓慢下降的激励电压信号，它们的变形带动驱动足(2-1)沿纵深方向缓慢摆动至极限位置，在驱动足(2-1)与运动平台(1)间静摩擦力的作用下，运动平台(1)沿纵深方向产生直线位移输出；
第七步：对每个双向层叠式弯曲型压电驱动器(2-2)中的两个方向弯曲的极化分区施加幅值快速上升的激励电压信号，它们的变形带动驱动足(2-1)沿纵深方向快速摆动至初始位置，在运动平台(1)的惯性作用下，运动平台(1)与驱动足(2-1)间发生相对滑动而保持静止；
第八步：重复第六步至第七步，实现运动平台(1)沿纵深方向连续的反方向直线运动，通过改变激励电压信号的幅值和时间，实现纵深方向上的超精密运动；
所述步骤三、运动平台(1)绕着与基座(6)平面垂直的轴线方向做双向旋转运动具体方法为：
第一步：n个驱动单元(2)沿基座平面内圆周分布，将运动平台(1)压紧在驱动足(2-1)上，通过对层叠式直线型压电驱动器(2-4)施加直流电压信号，层叠式直线型压电驱动器(2-4)伸缩变形带动驱动足(2-1)靠近或者远离运动平台(1)，以此调整驱动足(2-1)和运动平台(1)间的预压力；
第二步：对每个双向层叠式弯曲型压电驱动器(2-2)中的两个方向弯曲的极化分区施加幅值缓慢上升的激励电压信号，它们的变形带动驱动足(2-1)沿驱动单元(2)分布圆周的切线方向缓慢摆动至极限位置，在驱动足(2-1)与运动平台(1)间静摩擦力的作用下，运动平台(1)绕驱动单元(2)分布圆周的轴线方向产生旋转位移输出；
第三步：对每个双向层叠式弯曲型压电驱动器(2-2)中的两个方向弯曲的极化分区施加幅值快速下降的激励电压信号，它们的变形带动驱动足(2-1)沿驱动单元(2)分布圆周的切线方向快速摆动至初始位置，在运动平台(1)的惯性作用下，运动平台(1)与驱动足(2-1)间发生相对滑动而保持静止；
第四步：重复第二步至第三步，实现运动平台(1)绕驱动单元(2)分布圆周的轴线方向连续的正方向旋转运动，通过改变激励电压信号的幅值和时间，实现旋转方向上的超精密运动；
第五步：n个驱动单元(2)沿基座平面内圆周分布，将运动平台(1)压紧在驱动足(2-1)上，通过对层叠式直线型压电驱动器(2-4)施加直流电压信号，层叠式直线型压电驱动器(2-4)伸缩变形带动驱动足(2-1)靠近或者远离运动平台(1)，以此调整驱动足(2-1)和运动平台(1)间的预压力；
第六步：对每个双向层叠式弯曲型压电驱动器(2-2)中的两个方向弯曲的极化分区施加幅值缓慢下降的激励电压信号，它们的变形带动驱动足(2-1)沿驱动单元(2)分布圆周的切线方向缓慢摆动至极限位置，在驱动足(2-1)与运动平台(1)间静摩擦力的作用下，运动平台(1)绕驱动单元(2)分布圆周的轴线方向产生旋转位移输出；
第七步：对每个双向层叠式弯曲型压电驱动器(2-2)中的两个方向弯曲的极化分区施加幅值快速上升的激励电压信号，它们的变形带动驱动足(2-1)沿驱动单元(2)分布圆周的切线方向快速摆动至初始位置，在运动平台(1)的惯性作用下，运动平台(1)与驱动足(2-1)间发生相对滑动而保持静止；
第八步：重复第六步至第七步，实现运动平台(1)绕驱动单元(2)分布圆周的轴线方向连续的反方向旋转运动，通过改变激励电压信号的幅值和时间，实现旋转方向上的超精密运动。
7.根据权利要求5所述的一种压电驱动的超精密三自由度平面运动平台的激励方法，其特征是：当驱动单元(2)的个数n为大于1的整数时，所述步骤一至步骤三的具体方法为：
所述步骤一、运动平台(1)沿基座(6)平面内水平方向做双向直线运动的具体方法为：
第一步：n个驱动单元(2)沿基座平面内圆周分布，将运动平台(1)压紧在驱动足(2-1)上，调整驱动足(2-1)和运动平台(1)间的预压力，对每个双向层叠式弯曲型压电驱动器(2-2)中的两个方向弯曲的极化分区以及每个层叠式直线型压电驱动器(2-4)施加相同相位的方波激励电压信号，它们的变形带动n个驱动足(2-1)沿水平方向形成往复斜线轨迹运动，在驱动足(2-1)与运动平台(1)之间的摩擦力和惯性作用下，运动平台(1)沿水平方向产生直线位移输出；
第二步：重复第一步，实现运动平台(1)沿水平方向连续的正方向直线运动，通过改变激励电压信号的幅值和时间，实现水平方向上的超精密运动；
第三步：n个驱动单元(2)沿基座平面内圆周分布，将运动平台(1)压紧在驱动足(2-1)上，调整驱动足(2-1)和运动平台(1)间的预压力，对每个双向层叠式弯曲型压电驱动器(2-2)中的两个方向弯曲的极化分区以及每个层叠式直线型压电驱动器(2-4)施加相反相位的方波激励电压信号，它们的变形带动n个驱动足(2-1)沿水平方向形成往复斜线轨迹运动，在驱动足(2-1)与运动平台(1)之间的摩擦力和惯性作用下，运动平台(1)沿水平方向产生直线位移输出；
第四步：重复第三步，实现运动平台(1)沿水平方向连续的反方向直线运动，通过改变激励电压信号的幅值和时间，实现水平方向上的超精密运动；
所述步骤二、运动平台(1)沿基座(6)平面内纵深方向做双向直线运动具体方法为：
第一步：n个驱动单元(2)沿基座平面内圆周分布，将运动平台(1)压紧在驱动足(2-1)上，调整驱动足(2-1)和运动平台(1)间的预压力，对每个双向层叠式弯曲型压电驱动器(2-2)中的两个方向弯曲的极化分区以及每个层叠式直线型压电驱动器(2-4)施加相同相位的方波激励电压信号，它们的变形带动n个驱动足(2-1)沿纵深方向形成往复斜线轨迹运动，在驱动足(2-1)与运动平台(1)之间的摩擦力和惯性作用下，运动平台(1)沿纵深方向产生直线位移输出；
第二步：重复第一步，实现运动平台(1)沿纵深方向连续的正方向直线运动，通过改变激励电压信号的幅值和时间，实现纵深方向上的超精密运动；
第三步：n个驱动单元(2)沿基座平面内圆周分布，将运动平台(1)压紧在驱动足(2-1)上，调整驱动足(2-1)和运动平台(1)间的预压力，对每个双向层叠式弯曲型压电驱动器(2-2)中的两个方向弯曲的极化分区以及每个层叠式直线型压电驱动器(2-4)施加相反相位的方波激励电压信号，它们的变形带动n个驱动足(2-1)沿纵深方向形成往复斜线轨迹运动，在驱动足(2-1)与运动平台(1)之间的摩擦力和惯性作用下，运动平台(1)沿纵深方向产生直线位移输出；
第四步：重复第三步，实现运动平台(1)沿纵深方向连续的反方向直线运动，通过改变激励电压信号的幅值和时间，实现纵深方向上的超精密运动；
所述步骤三、运动平台(1)绕着与基座(6)平面垂直的轴线方向做双向旋转运动具体方法为：
第一步：n个驱动单元(2)沿基座平面内圆周分布，将运动平台(1)压紧在驱动足(2-1)上，调整驱动足(2-1)和运动平台(1)间的预压力，对每个双向层叠式弯曲型压电驱动器(2-2)中的两个方向弯曲的极化分区以及每个层叠式直线型压电驱动器(2-4)施加相同相位的方波激励电压信号，它们的变形带动n个驱动足(2-1)沿驱动单元(2)分布圆周的切线方向形成往复斜线轨迹运动，在驱动足(2-1)与运动平台(1)之间的摩擦力和惯性作用下，运动平台(1)绕驱动单元(2)分布圆周的轴线方向产生旋转位移输出；
第二步：重复第一步，实现运动平台(1)绕驱动单元(2)分布圆周的轴线方向连续的正方向旋转运动，通过改变激励电压信号的幅值和时间，实现旋转方向上的超精密运动；
第三步：n个驱动单元(2)沿基座平面内圆周分布，将运动平台(1)压紧在驱动足(2-1)上，调整驱动足(2-1)和运动平台(1)间的预压力，对每个双向层叠式弯曲型压电驱动器(2-2)中的两个方向弯曲的极化分区以及每个层叠式直线型压电驱动器(2-4)施加相反相位的方波激励电压信号，它们的变形带动n个驱动足(2-1)沿驱动单元(2)分布圆周的切线方向形成往复斜线轨迹运动，在驱动足(2-1)与运动平台(1)之间的摩擦力和惯性作用下，运动平台(1)绕驱动单元(2)分布圆周的轴线方向产生旋转位移输出；
第四步：重复第三步，实现运动平台(1)绕驱动单元(2)分布圆周的轴线方向连续的反方向旋转运动，通过改变激励电压信号的幅值和时间，实现旋转方向上的超精密运动。
8.根据权利要求5所述的一种压电驱动的超精密三自由度平面运动平台的激励方法，其特征是：当驱动单元(2)的个数n为大于3的整数时，所述步骤一至步骤三的具体方法为：
所述步骤一、运动平台(1)沿基座(6)平面内水平方向做双向直线运动的具体方法为：
第一步：n个驱动单元(2)沿基座平面内圆周分布，将运动平台(1)压紧在驱动足(2-1)上，调整驱动足(2-1)和运动平台(1)间的预压力，对每个双向层叠式弯曲型压电驱动器(2-2)中的两个方向弯曲的极化分区以及每个层叠式直线型压电驱动器(2-4)施加有相位差的方波或梯形波激励电压信号，它们的变形带动n个驱动足(2-1)在水平方向与驱动器(2)的轴线方向构成的平面内形成单向的矩形轨迹运动；
第二步：调整不同驱动单元(2)施加的激励电压信号的时序，每一时刻至少有两个驱动足(2-1)与运动平台(1)接触，在驱动足(2-1)与运动平台(1)之间的摩擦力的作用下，运动平台(1)沿水平方向产生直线位移输出；
第三步：重复第一步至第二步，实现运动平台(1)沿水平方向连续的正方向直线运动，通过改变激励电压信号的幅值和时间，实现水平方向上的超精密运动；
第四步：n个驱动单元(2)沿基座平面内圆周分布，将运动平台(1)压紧在驱动足(2-1)上，调整驱动足(2-1)和运动平台(1)间的预压力，通过改变对每个双向层叠式弯曲型压电驱动器(2-2)中的两个方向弯曲的极化分区以及每个层叠式直线型压电驱动器(2-4)施加有相位差的方波或梯形波激励电压信号，它们的变形带动n个驱动足(2-1)在水平相反方向与驱动器(2)的轴线方向构成的平面内形成相反方向的矩形轨迹运动；
第五步：调整不同驱动单元(2)施加的激励电压信号的时序，每一时刻至少有两个驱动足(2-1)与运动平台(1)接触，在驱动足(2-1)与运动平台(1)之间的摩擦力的作用下，运动平台(1)沿水平方向产生直线位移输出；
第六步：重复第四步至第五步，实现运动平台(1)沿水平方向连续的反方向直线运动，通过改变激励电压信号的幅值和时间，实现水平方向上的超精密运动；
所述步骤二、运动平台(1)沿基座(6)平面内纵深方向做双向直线运动具体方法为：
第一步：n个驱动单元(2)沿基座平面内圆周分布，将运动平台(1)压紧在驱动足(2-1)上，调整驱动足(2-1)和运动平台(1)间的预压力，对每个双向层叠式弯曲型压电驱动器(2-2)中的两个方向弯曲的极化分区以及每个层叠式直线型压电驱动器(2-4)施加有相位差的方波或梯形波激励电压信号，它们的变形带动n个驱动足(2-1)在纵深方向与驱动器(2)的轴线方向构成的平面内形成单向的矩形轨迹运动；
第二步：调整不同驱动单元(2)施加的激励电压信号的时序，每一时刻至少有两个驱动足(2-1)与运动平台(1)接触，在驱动足(2-1)与运动平台(1)之间的摩擦力的作用下，运动平台(1)沿纵深方向产生直线位移输出；
第三步：重复第一步至第二步，实现运动平台(1)沿纵深方向连续的正方向直线运动，通过改变激励电压信号的幅值和时间，实现纵深方向上的超精密运动；
第四步：n个驱动单元(2)沿基座平面内圆周分布，将运动平台(1)压紧在驱动足(2-1)上，调整驱动足(2-1)和运动平台(1)间的预压力，通过改变对每个双向层叠式弯曲型压电驱动器(2-2)中的两个方向弯曲的极化分区以及每个层叠式直线型压电驱动器(2-4)施加有相位差的方波或梯形波激励电压信号，它们的变形带动n个驱动足(2-1)在纵深方向与驱动器(2)的轴线方向构成的平面内形成相反的矩形轨迹运动；
第五步：调整不同驱动单元(2)施加的激励电压信号的时序，每一时刻至少有两个驱动足(2-1)与运动平台(1)接触，在驱动足(2-1)与运动平台(1)之间的摩擦力的作用下，运动平台(1)沿纵深方向产生直线位移输出；
第六步：重复第四步至第五步，实现运动平台(1)沿纵深方向连续的反方向直线运动，通过改变激励电压信号的幅值和时间，实现纵深方向上的超精密运动；
所述步骤三、运动平台(1)绕着与基座(6)平面垂直的轴线方向做双向旋转运动具体方法为：
第一步：n个驱动单元(2)沿基座平面内圆周分布，将运动平台(1)压紧在驱动足(2-1)上，调整驱动足(2-1)和运动平台(1)间的预压力，对每个双向层叠式弯曲型压电驱动器(2-2)中的两个方向弯曲的极化分区以及每个层叠式直线型压电驱动器(2-4)施加有相位差的方波或梯形波激励电压信号，它们的变形带动n个驱动足(2-1)在驱动单元(2)分布圆周的切线方向与驱动器(2)的轴线方向构成的平面内形成单向的矩形轨迹运动；
第二步：调整不同驱动单元(2)施加的激励电压信号的时序，每一时刻至少有两个驱动足(2-1)与运动平台(1)接触，在驱动足(2-1)与运动平台(1)之间的摩擦力的作用下，运动平台(1)绕驱动单元(2)分布圆周的轴线方向产生旋转位移输出；
第三步：重复第一步至第二步，实现运动平台(1)绕驱动单元(2)分布圆周的轴线方向连续的正方向旋转运动，通过改变激励电压信号的幅值和时间，实现旋转方向上的超精密运动；
第四步：n个驱动单元(2)沿基座平面内圆周分布，将运动平台(1)压紧在驱动足(2-1)上，调整驱动足(2-1)和运动平台(1)间的预压力，通过改变对每个双向层叠式弯曲型压电驱动器(2-2)中的两个方向弯曲的极化分区以及每个层叠式直线型压电驱动器(2-4)施加有相位差的方波或梯形波激励电压信号，它们的变形带动n个驱动足(2-1)在驱动单元(2)分布圆周的切线方向与驱动器(2)的轴线方向构成的平面内形成相反方向的矩形轨迹运动；
第五步：调整不同驱动单元(2)施加的激励电压信号的时序，每一时刻至少有两个驱动足(2-1)与运动平台(1)接触，在驱动足(2-1)与运动平台(1)之间的摩擦力的作用下，运动平台(1)绕驱动单元(2)分布圆周的轴线方向产生旋转位移输出；
第六步：重复第四步至第五步，实现运动平台(1)绕驱动单元(2)分布圆周的轴线方向连续的反方向旋转运动，通过改变激励电压信号的幅值和时间，实现旋转方向上的超精密运动。
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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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