CN110518827A - 大负载高精度压电粘滑直线定位平台及摩擦调控驱动方法 - Google Patents
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Abstract
一种大负载高精度压电粘滑直线定位平台及摩擦调控驱动方法，以解决当前压电粘滑直线定位平台垂直负载小、负载不平衡以及负载变化时驱动单元和运动单元之间的突变摩擦力对驱动器输出性能产生严重影响等问题。本发明由基座组件、运动单元、承载单元、上盖组成，运动单元固定安装在基座组件上，运动单元与承载单元固定连接并与基座组件通过导轨配合连接，上盖通过螺钉与承载单元连接。本发明引入承载单元，对运动单元和承载单元进行解耦，在各种载荷下保持恒定输出，并采用混合激励电信号驱动，增强直线定位平台正向驱动效果，减少位移回退并降低驱动条件，提高直线定位平台的输出效率，在光学精密仪器与定位领域中具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种大负载高精度压电粘滑直线定位平台及摩擦调控驱动方法，属于精密驱动与定位技术领域。
背景技术
高精度定位技术在许多工业和科学领域发挥着关键作用，如超精密加工领域、生物医学领域和光学工程领域。随着这些领域的快速发展，对定位平台的行程长、分辨率高、速度快、驱动力大、负载能力强等要求也越来越高。传统的定位装置如滚珠丝杠、滑动导轨等，很难满足高精密定位的要求。因此，提出了一些新的驱动方法、原理。压电粘滑定位平台具有体积小、分辨率高、响应快等优点，在超精密定位中发挥着重要作用，因此，压电堆叠被广泛使用。
压电粘滑直线定位平台由摩擦力驱动，通常由驱动单元和运动单元（通常为滑块）组成，它们通常具有高分辨率和长行程。但随着负载的变化，其输出性能会受到影响。从而影响到粘滑式压电定位平台的应用范围。然而，由于负载不平衡或负载变化时驱动单元和运动单元之间的突变摩擦力，会严重影响输出性能；同时大部分压电粘滑定位平台无法在驱动过程中实现对摩擦力的综合调控，导致压电粘滑定位平台的输出性能受限，限制了压电粘滑定位平台的应用和发展。
发明内容
为提高压电粘滑直线定位平台的垂直负载能力并解决当前压电粘滑驱动器在负载不平衡或负载变化时驱动单元和运动单元之间的突变摩擦力对驱动器输出性能产生严重影响的问题，本发明公开了一种大负载高精度压电粘滑直线定位平台及摩擦调控驱动方法。
本发明所采用的技术方案：
所述大负载高精度压电粘滑直线定位平台包括基座组件、运动单元、承载单元、上盖；所述运动单元固定安装在基座组件上，所述承载单元与运动单元固定连接并与基座组件连接，所述上盖与承载单元连接。
所述基座组件包括基座、固定导轨、十字交叉滚柱导轨支架和固定导轨定位螺钉，所述固定导轨固定连接在基座上，所述十字交叉滚柱导轨支架安装在固定导轨上；所述基座可采用不锈钢材料，所述基座包括固定导轨安装槽、固定导轨安装槽定位底面、碳纤维棒支撑梁、碳纤维棒安装孔Ⅱ、压电堆叠定位槽、压电堆叠定位平面、固定导轨定位孔、碳纤维棒安装孔Ⅰ；所述固定导轨安装槽安装固定导轨；所述固定导轨安装槽定位底面与固定导轨背面接触；所述碳纤维棒支撑梁支撑碳纤维棒；所述碳纤维棒安装孔Ⅱ安装碳纤维棒；所述压电堆叠定位槽安装压电堆叠，所述压电堆叠定位平面与压电堆叠端面Ⅰ接触，所述固定导轨定位孔通过与固定导轨定位螺钉将固定导轨安装在固定导轨安装槽中；所述碳纤维棒安装孔Ⅰ安装碳纤维棒；所述固定导轨包括固定导轨端面螺纹孔、固定导轨V型槽、固定导轨背面；所述固定导轨端面螺纹孔通过固定导轨定位螺钉穿过固定导轨定位孔螺纹连接；所述固定导轨V型槽安装十字交叉滚柱导轨支架；所述固定导轨背面与固定导轨安装槽定位底面接触。
所述运动单元包括压电堆叠、碳纤维棒、上预压板、滑块预紧调节螺钉、滑块预紧调节弹簧、下预压板；所述压电堆叠与碳纤维棒通过胶粘连接；所述上预压板通过滑块预紧调节螺钉、滑块预紧调节弹簧与下预压板连接，将碳纤维棒夹紧；所述压电堆叠包括压电堆叠端面Ⅰ、压电堆叠端面Ⅱ；所述压电堆叠端面Ⅰ与压电堆叠定位平面接触，通过胶粘连接；所述压电堆叠端面Ⅱ与碳纤维棒端面Ⅰ接触，通过胶粘连接；碳纤维棒包括碳纤维棒端面Ⅰ，所述碳纤维棒端面Ⅰ与压电堆叠端面Ⅱ接触，通过胶粘连接；上预压板包括上预压板圆弧凹槽、上预压板预紧调节螺钉安装通孔、弹簧限位槽；所述上预压板圆弧凹槽与碳纤维棒接触；所述上预压板预紧调节螺钉安装通孔安装滑块预紧调节螺钉；所述弹簧限位槽安装滑块预紧调节弹簧；所述下预压板包括下预压板圆弧凹槽、下预压板预紧调节螺钉安装螺纹孔、下预压板侧面；所述下预压板圆弧凹槽与碳纤维棒接触；所述下预压板预紧调节螺钉安装螺纹孔与滑块预紧调节螺钉螺纹配合连接；所述下预压板侧面与承载单元胶粘连接。
所述承载单元包括滑动导轨连接支架、预调节活动翻盖导向柱、滑动导轨、滑动导轨固定螺钉、预调节活动翻盖；所述滑动导轨连接支架与下预压板胶粘连接，所述预调节活动翻盖导向柱穿过导向柱限位通孔将预调节活动翻盖连接在滑动导轨连接支架上；所述滑动导轨通过滑动导轨固定螺钉固定在滑动导轨连接支架上。
所述滑动导轨支架包括滑动导轨定位螺纹孔、导向柱限位通孔、活动翻盖限位台阶、活动翻盖限位面、预调节矩形槽、滑动导轨连接支架上表面、滑块耦合U型板、滑块耦合U型板内表面、U型槽、滑动导轨连接支架侧面；所述滑动导轨定位螺纹孔与滑动导轨固定螺钉螺纹配合，将滑动导轨固定在滑动导轨连接支架上；所述导向柱限位通孔对预调节活动翻盖导向柱进行限位；所述活动翻盖限位台阶安装预调节活动翻盖；所述活动翻盖限位面对预调节活动翻盖进行限位；所述预调节矩形槽便于通过螺丝刀调节滑块预紧调节螺钉；所述滑动导轨连接支架上表面与上盖接触；所述滑块耦合U型板与下预压板贴合；所述滑块耦合U型板内表面与下预压板侧面胶粘连接；所述U型槽为碳纤维棒安装的预留空间；所述滑动导轨连接支架侧面与滑动导轨侧面Ⅰ接触；所述滑动导轨包括滑动导轨端面螺纹孔、滑动导轨侧面Ⅰ、滑动导轨沉头孔、滑动导轨V型槽；所述滑动导轨端面螺纹孔与活动导轨端面连接螺钉螺纹连接；所述滑动导轨侧面Ⅰ与滑动导轨连接支架侧面接触；所述滑动导轨沉头孔放置滑动导轨固定螺钉以实现对滑动导轨和滑动导轨连接支架进行固定；滑动导轨V型槽与十字交叉滚柱导轨支架配合安装；所述预调节活动翻盖包括翻盖导向孔、翻盖楔形端面、翻盖半圆形端面；所述翻盖导向孔与预调节活动翻盖导向柱间隙配合；所述翻盖楔形端面在预调节活动翻盖闭合时与活动翻盖限位面接触；翻盖半圆端面避免预调节活动翻盖在进行翻转时出现干涉。
上盖包括活动导轨端面连接螺钉、大负载平台上盖；所述大负载平台上盖通过活动导轨端面连接螺钉与承载单元固定连接；所述大负载平台上盖包括上盖上表面、滑动导轨端面限位孔、承载单元限位槽、上盖内表面；所述上盖上表面与承载物直接接触；所述滑动导轨端面限位孔用于活动导轨端面连接螺钉将大负载平台上盖和承载单元固定连接；所述承载单元限位槽与承载单元进行安装；所述上盖内表面与滑动导轨连接支架上表面接触。
所述驱动定位方法中采用混合激励电信号，所述混合激励电信号由驱动小波与驱动基波组成，该驱动小波可叠加至驱动基波的任意阶段，所述驱动小波为正弦波，所述驱动基波为具有上升沿和下降沿的激励电信号，其中，驱动基波周期为T1，激励电压幅值为V1，驱动小波周期为T2，激励电压幅值为V2，驱动基波与驱动小波的周期比为T1/T2=5~500000，激励电压幅值比为V1/V2大于1.5。
本发明的有益效果：
本发明提供一种大负载高精度的压电粘滑直线定位平台及摩擦调控驱动方法。引入承载单元，并对运动单元和承载单元进行解耦。通过上述设计，运动单元和承载单元之间的摩擦力几乎可以在各种载荷下保持恒定输出。同时，该压电粘滑直线定位平台的输出特性（速度、有效位移）与驱动电压和频率之间具有良好的线性关系。与普通压电粘滑驱动平台不同，所设计的大负载高精度压电粘滑直线定位平台具有以下特点：本发明由驱动单元、运动单元和承载单元组成，运动单元和承载单元进行解耦，随着负载增加，平台性能仍然保持稳定输出；运动单元由压电堆叠直接驱动，而不是用柔性铰链来放大或减小压电堆叠的位移，有利于在驱动时实现对直线定位平台的摩擦调控。以解决当前压电粘滑直线定位平台负载容量小和在负载不平衡或负载变化时（驱动单元和承载单元之间）的突变摩擦力对驱动器输出性能产生严重影响等问题；并且通过预紧螺钉与预紧弹簧的配合调节以实现驱动单元和碳纤维棒之间预紧力的调控，同时，上预压板和下预压板的设计提高了预紧力调节精度，本发明采用混合激励电信号驱动，进行摩擦调控，增强直线定位平台正向驱动效果，减少位移回退并降低驱动条件，提高直线定位平台的输出效率。在光学精密仪器和半导体加工等微纳精密驱动与定位领域中具有很好的应用前景。
附图说明
图1所示为本发明提出的一种大负载高精度压电粘滑直线定位平台的整体结构示意图；
图2所示为本发明提出的一种大负载高精度压电粘滑直线定位平台的整体结构爆炸图；
图3所示为本发明提出的一种大负载高精度压电粘滑直线定位平台的基座组件结构示意图；
图4所示为本发明提出的一种大负载高精度压电粘滑直线定位平台的基座侧视图；
图5所示为本发明提出的一种大负载高精度压电粘滑直线定位平台的固定导轨侧视图Ⅰ；
图6所示为本发明提出的一种大负载高精度压电粘滑直线定位平台的固定导轨侧视图Ⅱ；
图7所示为本发明提出的一种大负载高精度压电粘滑直线定位平台的十字交叉滚柱导轨支架侧视图；
图8所示为本发明提出的一种大负载高精度压电粘滑直线定位平台的驱动单元结构示意图；
图9所示为本发明提出的一种大负载高精度压电粘滑直线定位平台的压电堆叠侧视图Ⅰ；
图10所示为本发明提出的一种大负载高精度压电粘滑直线定位平台的压电堆叠侧视图Ⅱ；
图11所示为本发明提出的一种大负载高精度压电粘滑直线定位平台的碳纤维棒侧视图；
图12所示为本发明提出的一种大负载高精度压电粘滑直线定位平台的上预压板侧视图Ⅰ；
图13所示为本发明提出的一种大负载高精度压电粘滑直线定位平台的上预压板侧视图Ⅱ；
图14所示为本发明提出的一种大负载高精度压电粘滑直线定位平台的下预压板侧视图Ⅰ；
图15所示为本发明提出的一种大负载高精度压电粘滑直线定位平台的下预压板侧视图Ⅱ；
图16所示为本发明提出的一种大负载高精度压电粘滑直线定位平台的动子组件结构示意图；
图17所示为本发明提出的一种大负载高精度压电粘滑直线定位平台的滑动导轨连接支架侧视图Ⅰ；
图18所示为本发明提出的一种大负载高精度压电粘滑直线定位平台的滑动导轨连接支架侧视图Ⅱ；
图19所示为本发明提出的一种大负载高精度压电粘滑直线定位平台的滑动导轨侧视图Ⅰ；
图20所示为本发明提出的一种大负载高精度压电粘滑直线定位平台的滑动导轨侧视图Ⅱ；
图21所示为本发明提出的一种大负载高精度压电粘滑直线定位平台的预调节活动翻盖侧视图；
图22所示为本发明提出的一种大负载高精度压电粘滑直线定位平台的上盖结构示意图；
图23所示为本发明提出的一种大负载高精度压电粘滑直线定位平台的上盖侧视图Ⅰ；
图24所示为本发明提出的一种大负载高精度压电粘滑直线定位平台的上盖侧视图Ⅱ；
图25所示为本发明提出的一种大负载高精度压电粘滑直线定位平台的混合激励电信号波形示意图Ⅰ；
图26所示为本发明提出的一种大负载高精度压电粘滑直线定位平台的混合激励电信号波形示意图Ⅱ；
图27所示为本发明提出的一种大负载高精度压电粘滑直线定位平台的混合激励电信号波形示意图Ⅲ。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1~图24说明本实施方式，本实施方式提供了一种大负载高精度压电粘滑直线定位平台的具体实施方式，所述一种大负载高精度压电粘滑直线定位平台的具体实施方式表述如下：
所述一种大负载高精度压电粘滑直线定位平台由基座组件1、运动单元2、承载单元3、上盖4组成；所述运动单元2固定安装在基座组件1上，所述承载单元3与运动单元2固定连接并与基座组件1连接，所述上盖4与承载单元3连接。
所述基座组件1包括基座1-1、固定导轨1-2、十字交叉滚柱导轨支架1-3和固定导轨定位螺钉1-4，所述固定导轨1-2固定连接在基座1-1上，所述十字交叉滚柱导轨支架1-3安装在固定导轨1-2上；所述基座1-1可采用不锈钢材料，所述基座1-1包括固定导轨安装槽1-1-1、固定导轨安装槽定位底面1-1-2、碳纤维棒支撑梁1-1-3、碳纤维棒安装孔Ⅱ1-1-4、压电堆叠定位槽1-1-5、压电堆叠定位平面1-1-6、固定导轨定位孔1-1-7、碳纤维棒安装孔Ⅰ1-1-8；所述固定导轨安装槽1-1-1安装固定导轨1-2；所述固定导轨安装槽定位底面1-1-2与固定导轨背面1-2-3接触；所述碳纤维棒支撑梁1-1-3支撑碳纤维棒2-2，增大支撑刚度；所述碳纤维棒安装孔Ⅱ1-1-4安装碳纤维棒2-2，对碳纤维棒2-2具有限位作用；所述压电堆叠定位槽1-1-5安装压电堆叠2-1，所述压电堆叠定位平面1-1-6与压电堆叠端面Ⅰ2-1-1接触，所述固定导轨定位孔1-1-7通过固定导轨定位螺钉1-4将固定导轨1-2安装在固定导轨安装槽1-1-1中；所述碳纤维棒安装孔Ⅰ1-1-8安装碳纤维棒2-2，对碳纤维棒2-2具有限位作用；所述固定导轨1-2包括固定导轨端面螺纹孔1-2-1、固定导轨V型槽1-2-2、固定导轨背面1-2-3；所述固定导轨端面螺纹孔1-2-1通过固定导轨定位螺钉1-4穿过固定导轨定位孔1-1-7螺纹连接，对固定导轨1-2有固定作用；所述固定导轨V型槽1-2-2安装十字交叉滚柱导轨支架1-3；所述固定导轨背面1-2-3与固定导轨安装槽定位底面1-1-2接触，用于固定导轨1-2的定位。
所述运动单元2包括压电堆叠2-1、碳纤维棒2-2、上预压板2-3、滑块预紧调节螺钉2-4、滑块预紧调节弹簧2-5、下预压板2-6；所述压电堆叠2-1与碳纤维棒2-2通过胶粘连接；所述上预压板2-3通过滑块预紧调节螺钉2-4、滑块预紧调节弹簧2-5与下预压板2-6连接，将碳纤维棒2-2夹紧，通过调节滑块预紧调节螺钉2-4，可以调节上预压板2-3、下预压板2-6与碳纤维棒2-2之间的预紧力；所述压电堆叠2-1包括压电堆叠端面Ⅰ2-1-1、压电堆叠端面Ⅱ2-1-2；所述压电堆叠端面Ⅰ2-1-1与压电堆叠定位平面1-1-6接触，通过胶粘连接；所述压电堆叠端面Ⅱ2-1-2与碳纤维棒端面Ⅰ2-2-1接触，通过胶粘连接；碳纤维棒2-2包括碳纤维棒端面Ⅰ2-2-1，所述碳纤维棒端面Ⅰ2-2-1与压电堆叠端面Ⅱ2-1-2接触，通过胶粘连接；上预压板2-3包括上预压板圆弧凹槽2-3-1、上预压板预紧调节螺钉安装通孔2-3-2、弹簧限位槽2-3-3；所述上预压板圆弧凹槽2-3-1与碳纤维棒2-2接触，所述上预压板圆弧凹槽2-3-1半径为R1，其中R1的取值范围为3mm~8mm，本实施方式中R1=5mm；所述上预压板预紧调节螺钉安装通孔2-3-2安装滑块预紧调节螺钉2-4；所述弹簧限位槽2-3-3安装滑块预紧调节弹簧2-5；所述下预压板2-6包括下预压板圆弧凹槽2-6-1、下预压板预紧调节螺钉安装螺纹孔2-6-2、下预压板侧面2-6-3；所述下预压板圆弧凹槽2-6-1与碳纤维棒2-2接触，所述下预压板圆弧凹槽2-6-1半径为R2，其中R2的取值范围为3mm~8mm，本实施方式中R2=5mm；所述下预压板预紧调节螺钉安装螺纹孔2-6-2与滑块预紧调节螺钉2-4螺纹配合连接；所述下预压板侧面2-6-3与承载单元3胶粘连接。
所述承载单元3包括滑动导轨连接支架3-1、预调节活动翻盖导向柱3-2、滑动导轨3-3、滑动导轨固定螺钉3-4、预调节活动翻盖3-5；所述滑动导轨连接支架3-1与下预压板2-6胶粘连接，所述预调节活动翻盖导向柱3-2穿过导向柱限位通孔3-1-2将预调节活动翻盖3-5连接在滑动导轨连接支架3-1上；所述滑动导轨3-3通过滑动导轨固定螺钉3-4固定在滑动导轨连接支架3-1上。
所述滑动导轨支架3-1包括滑动导轨定位螺纹孔3-1-1、导向柱限位通孔3-1-2、活动翻盖限位台阶3-1-3、活动翻盖限位面3-1-4、预调节矩形槽3-1-5、滑动导轨连接支架上表面3-1-6、滑块耦合U型板3-1-7、滑块耦合U型板内表面3-1-8、U型槽3-1-9、滑动导轨连接支架侧面3-1-10；所述滑动导轨定位螺纹孔3-1-1与滑动导轨固定螺钉3-4螺纹配合，将滑动导轨3-3固定在滑动导轨连接支架3-1上；所述导向柱限位通孔3-1-2用于预调节活动翻盖导向柱3-2的限位；所述活动翻盖限位台阶3-1-3安装预调节活动翻盖3-5；所述活动翻盖限位面3-1-4对预调节活动翻盖3-5进行限位；所述预调节矩形槽3-1-5便于通过螺丝刀调节滑块预紧调节螺钉2-4进而实现对预紧力的摩擦调控；所述滑动导轨连接支架上表面3-1-6与上盖4接触；所述滑块耦合U型板3-1-7与下预压板2-6贴合，进行驱动力的传递；所述滑块耦合U型板内表面3-1-8与下预压板侧面2-6-3胶粘连接，可有效避免由于装配间隙导致正反向运动时产生的定位误差；所述U型槽3-1-9为碳纤维棒安装的预留空间；所述滑动导轨连接支架侧面3-1-10与滑动导轨侧面Ⅰ3-3-2接触；所述滑动导轨3-3包括滑动导轨端面螺纹孔3-3-1、滑动导轨侧面Ⅰ3-3-2、滑动导轨沉头孔3-3-3、滑动导轨V型槽3-3-4；所述滑动导轨端面螺纹孔3-3-1与活动导轨端面连接螺钉4-1螺纹连接；所述滑动导轨侧面Ⅰ3-3-2与滑动导轨连接支架侧面3-1-10接触；所述滑动导轨沉头孔3-3-3放置滑动导轨固定螺钉3-4以实现对滑动导轨3-3和滑动导轨连接支架3-1进行固定；滑动导轨V型槽3-3-4与十字交叉滚柱导轨支架1-3配合安装；所述预调节活动翻盖3-5包括翻盖导向孔3-5-1、翻盖楔形端面3-5-2、翻盖半圆形端面3-5-3；所述翻盖导向孔3-5-1与预调节活动翻盖导向柱3-2间隙配合；所述翻盖楔形端面3-5-2在预调节活动翻盖闭合时与活动翻盖限位面3-1-4接触；翻盖半圆端面3-5-3避免预调节活动翻盖3-5在进行翻转时出现干涉。
上盖4包括活动导轨端面连接螺钉4-1、大负载平台上盖4-2；所述大负载平台上盖4-2通过活动导轨端面连接螺钉4-1与承载单元3固定连接；所述大负载平台上盖4-2包括上盖上表面4-2-1、滑动导轨端面限位孔4-2-2、承载单元限位槽4-2-3、上盖内表面4-2-4；所述上盖上表面4-2-1与承载物直接接触；所述滑动导轨端面限位孔4-2-2用于活动导轨端面连接螺钉4-1将大负载平台上盖4-2和承载单元3固定连接；所述承载单元限位槽4-2-3与承载单元3进行安装；所述上盖内表面4-2-4与滑动导轨连接支架上表面3-1-6接触。
具体实施方式二：结合图25~27说明本实施方式，本实施方式提出了一种大负载高精度压电粘滑直线定位平台的摩擦调控驱动方法的具体实施方式，所述一种大负载高精度压电粘滑直线定位平台的摩擦调控驱动方法表述如下：
所述摩擦调控驱动方法中采用混合激励电信号，所述混合激励电信号由驱动小波与驱动基波组成，该驱动小波可叠加至驱动基波的任意阶段，所述驱动小波为正弦波，所述驱动基波为具有上升沿和下降沿的激励电信号，本具体实施方式中驱动基波选用锯齿波电信号、幂指数波电信号和梯形波电信号进行具体说明， 其中，驱动基波周期为T1，激励电压幅值为V1，驱动小波周期为T2，激励电压幅值为V2，驱动基波与驱动小波的周期比为T1/T2=5~500000，激励电压幅值比为V1/V2大于1.5。具体地，驱动基波在上升沿与驱动小波进行耦合对压电堆叠进行激励，对压电粘滑直线定位平台具有正向驱动效果，可增加压电粘滑直线定位平台的输出速度，减小平台的最小启动电压；驱动基波在下降沿与驱动小波进行耦合对压电堆叠进行激励，不仅对压电粘滑直线定位平台具有正向驱动效果，而且利用高频驱动小波减小碳纤维棒与驱动单元之间的摩擦力，可有效抑制压电粘滑直线定位平台的位移回退，提高步效率，进而提高平台驱动速度；驱动基波在上升沿和下降沿均与驱动小波进行耦合对压电堆叠进行激励，微幅振动小波在锯齿波上升沿和下降沿都具有正向驱动的效果，且利用微幅高频驱动小波以减小碳纤维棒与驱动单元之间的摩擦力，可有效抑制压电粘滑直线定位平台的位移回退，提高步效率，进而提高压电粘滑直线定位平台驱动速度同时使得样机实现快速稳定输出。上述驱动方法均可减小压电粘滑直线定位平台的最小启动电压，进而降低驱动条件，可有效减少功耗，提高压电粘滑直线平台的输出效率。
工作原理：
所述一种大负载高精度压电粘滑直线定位平台引入承载单元，并对运动单元和承载单元进行解耦。采用压电堆叠和碳纤维棒结合的驱动方式，压电堆叠通入混合激励电信号使其轴向伸缩，带动碳纤维棒在轴向实现快速微运动，利用惯性粘滑原理带动运动单元进给，通过运动单元将驱动力传递给承载单元，使碳纤维棒的直线运动转换为平台大负载、高精度、长行程的直线运动以实现驱动定位。其中，在压电堆叠带动碳纤维棒缓慢前进阶段，碳纤维棒和运动单元在静摩擦力作用下产生缓慢的“粘”运动，此时碳纤维棒带动运动单元和承载单元一起向前运动一大步，由于运动单元与承载单元进行耦合，带动平台向前运动一大步；在压电堆叠带动碳纤维棒快速恢复阶段，碳纤维棒和运动单元在动摩擦力作用下产生快速的“滑”运动，此时碳纤维棒恢复原始位置状态，而运动单元和承载单元由于自身的惯性仅向后回退一小步，重复上述步骤达到碳纤维棒带动运动单元和承载单元连续向前运动，平台实现连续驱动。
综合上述内容，本发明提供一种大负载高精度压电粘滑直线定位平台及摩擦调控驱动方法。引入承载单元，并对运动单元和承载单元进行解耦。通过上述设计，运动单元和承载单元之间的摩擦力几乎可以在各种载荷下保持恒定输出。同时，该压电粘滑直线定位平台的输出特性（速度、有效位移）与驱动电压和频率之间具有良好的线性关系。与普通压电粘滑驱动平台不同，所设计的大负载高精度压电粘滑直线定位平台具有以下特点：本发明由驱动单元、运动单元和承载单元组成，运动单元和承载单元进行解耦，随着负载增加，平台性能仍然保持稳定输出；运动单元由压电堆叠直接驱动，而不是用柔性铰链来放大或减小压电堆叠的位移，有利于在驱动时实现对直线定位平台的摩擦调控。以解决当前压电粘滑直线定位平台负载容量小和在负载不平衡或负载变化时运动单元和承载单元之间的突变摩擦力对驱动器输出性能产生严重影响等问题；并且过预紧螺钉与预紧弹簧的配合调节以实现运动单元和碳纤维棒之间预紧力的调控，同时，上预压板和下预压板的设计提高了预紧力调节精度，本发明采用混合激励电信号驱动，增强直线定位平台正向驱动效果，减少位移回退并降低驱动条件，提高直线定位平台的输出效率。在光学精密仪器和半导体加工等微纳精密驱动与定位领域中具有很好的应用前景。
Claims (7)
1.一种大负载高精度压电粘滑直线定位平台，其特征在于：该压电粘滑直线定位平台包括基座组件（1）、运动单元（2）、承载单元（3）、上盖（4）；所述运动单元（2）固定安装在基座组件（1）上，所述承载单元（3）与运动单元（2）固定连接并与基座组件（1）连接，所述上盖（4）与承载单元（3）连接。
2.根据权利要求1所述的一种大负载高精度压电粘滑直线定位平台，其特征在于：所述基座组件（1）包括基座（1-1）、固定导轨（1-2）、十字交叉滚柱导轨支架（1-3）和固定导轨定位螺钉（1-4），所述固定导轨（1-2）固定连接在基座（1-1）上，所述十字交叉滚柱导轨支架（1-3）安装在固定导轨（1-2）上；所述基座（1-1）可采用不锈钢材料，所述基座（1-1）包括固定导轨安装槽（1-1-1）、固定导轨安装槽定位底面（1-1-2）、碳纤维棒支撑梁（1-1-3）、碳纤维棒安装孔Ⅱ（1-1-4）、压电堆叠定位槽（1-1-5）、压电堆叠定位平面（1-1-6）、固定导轨定位孔（1-1-7）、碳纤维棒安装孔Ⅰ（1-1-8）；所述固定导轨安装槽（1-1-1）安装固定导轨（1-2）；所述固定导轨安装槽定位底面（1-1-2）与固定导轨背面（1-2-3）接触；所述碳纤维棒支撑梁（1-1-3）支撑碳纤维棒（2-2）；所述碳纤维棒安装孔（1-1-4）安装碳纤维棒（2-2）；所述压电堆叠定位槽（1-1-5）安装压电堆叠（2-1），所述压电堆叠定位平面（1-1-6）与压电堆叠端面Ⅰ（2-1-1）接触，所述固定导轨定位孔（1-1-7）通过与固定导轨定位螺钉（1-4）将固定导轨（1-2）安装在固定导轨安装槽（1-1-1）中；所述碳纤维棒安装孔Ⅰ（1-1-8）安装碳纤维棒（2-2）；所述固定导轨（1-2）包括固定导轨端面螺纹孔（1-2-1）、固定导轨V型槽（1-2-2）、固定导轨背面（1-2-3）；所述固定导轨端面螺纹孔（1-2-1）通过固定导轨定位螺钉（1-4）穿过固定导轨定位孔（1-1-7）螺纹连接；所述固定导轨V型槽（1-2-2）安装十字交叉滚柱导轨支架（1-3）；所述固定导轨背面（1-2-3）与固定导轨安装槽定位底面（1-1-2）接触。
3.根据权利要求1所述的一种大负载高精度压电粘滑直线定位平台，其特征在于：所述运动单元（2）包括压电堆叠（2-1）、碳纤维棒（2-2）、上预压板（2-3）、滑块预紧调节螺钉（2-4）、滑块预紧调节弹簧（2-5）、下预压板（2-6）；所述压电堆叠（2-1）与碳纤维棒（2-2）通过胶粘连接；所述上预压板（2-3）通过滑块预紧调节螺钉（2-4）、滑块预紧调节弹簧（2-5）与下预压板（2-6）连接，将碳纤维棒（2-2）夹紧；所述压电堆叠（2-1）包括压电堆叠端面Ⅰ（2-1-1）、压电堆叠端面Ⅱ（2-1-2）；所述压电堆叠端面Ⅰ（2-1-1）与压电堆叠定位平面（1-1-6）接触，通过胶粘连接；所述压电堆叠端面Ⅱ（2-1-2）与碳纤维棒端面Ⅰ（2-2-1）接触，通过胶粘连接；碳纤维棒（2-2）包括碳纤维棒端面Ⅰ（2-2-1），所述碳纤维棒端面Ⅰ（2-2-1）与压电堆叠端面Ⅱ（2-1-2）接触，通过胶粘连接；上预压板（2-3）包括上预压板圆弧凹槽（2-3-1）、上预压板预紧调节螺钉安装通孔（2-3-2）、弹簧限位槽（2-3-3）；所述上预压板圆弧凹槽（2-3-1）与碳纤维棒（2-2）接触；所述上预压板预紧调节螺钉安装通孔（2-3-2）安装滑块预紧调节螺钉（2-4）；所述弹簧限位槽（2-3-3）安装滑块预紧调节弹簧（2-5）；所述下预压板（2-6）包括下预压板圆弧凹槽（2-6-1）、下预压板预紧调节螺钉安装螺纹孔（2-6-2）、下预压板侧面（2-6-3）；所述下预压板圆弧凹槽（2-6-1）与碳纤维棒（2-2）接触；所述下预压板预紧调节螺钉安装螺纹孔（2-6-2）与滑块预紧调节螺钉（2-4）螺纹配合连接；所述下预压板侧面（2-6-3）与承载单元（3）胶粘连接。
4.根据权利要求1所述的一种大负载高精度压电粘滑直线定位平台，其特征在于：所述承载单元（3）包括滑动导轨连接支架（3-1）、预调节活动翻盖导向柱（3-2）、滑动导轨（3-3）、滑动导轨固定螺钉（3-4）、预调节活动翻盖（3-5）；所述滑动导轨连接支架（3-1）与下预压板（2-6）胶粘连接，所述预调节活动翻盖导向柱（3-2）穿过导向柱限位通孔（3-1-2）将预调节活动翻盖（3-5）连接在滑动导轨连接支架（3-1）上；所述滑动导轨（3-3）通过滑动导轨固定螺钉（3-4）固定在滑动导轨连接支架（3-1）上。
5.根据权利要求4所述的一种大负载高精度压电粘滑直线定位平台，其特征在于：所述滑动导轨支架（3-1）包括滑动导轨定位螺纹孔（3-1-1）、导向柱限位通孔（3-1-2）、活动翻盖限位台阶（3-1-3）、活动翻盖限位面（3-1-4）、预调节矩形槽（3-1-5）、滑动导轨连接支架上表面（3-1-6）、滑块耦合U型板（3-1-7）、滑块耦合U型板内表面（3-1-8）、U型槽（3-1-9）、滑动导轨连接支架侧面（3-1-10）；所述滑动导轨定位螺纹孔（3-1-1）与滑动导轨固定螺钉（3-4）螺纹配合，将滑动导轨（3-3）固定在滑动导轨连接支架（3-1）上；所述导向柱限位通孔（3-1-2）对预调节活动翻盖导向柱（3-2）进行限位；所述活动翻盖限位台阶（3-1-3）安装预调节活动翻盖（3-5）；所述活动翻盖限位面（3-1-4）对预调节活动翻盖（3-5）进行限位；所述预调节矩形槽（3-1-5）便于通过螺丝刀调节滑块预紧调节螺钉（2-4）；所述滑动导轨连接支架上表面（3-1-6）与上盖（4）接触；所述滑块耦合U型板（3-1-7）与下预压板（2-6）贴合；所述滑块耦合U型板内表面（3-1-8）与下预压板侧面（2-6-3）胶粘连接；所述U型槽（3-1-9）为碳纤维棒安装的预留空间；所述滑动导轨连接支架侧面（3-1-10）与滑动导轨侧面Ⅰ（3-3-2）接触；所述滑动导轨（3-3）包括滑动导轨端面螺纹孔（3-3-1）、滑动导轨侧面Ⅰ（3-3-2）、滑动导轨沉头孔（3-3-3）、滑动导轨V型槽（3-3-4）；所述滑动导轨端面螺纹孔（3-3-1）与活动导轨端面连接螺钉（4-1）螺纹连接；所述滑动导轨侧面Ⅰ（3-3-2）与滑动导轨连接支架侧面（3-1-10）接触；所述滑动导轨沉头孔（3-3-3）放置滑动导轨固定螺钉（3-4）以实现对滑动导轨（3-3）和滑动导轨连接支架（3-1）进行固定；滑动导轨V型槽（3-3-4）与十字交叉滚柱导轨支架（1-3）配合安装；所述预调节活动翻盖（3-5）包括翻盖导向孔（3-5-1）、翻盖楔形端面（3-5-2）、翻盖半圆形端面（3-5-3）；所述翻盖导向孔（3-5-1）与预调节活动翻盖导向柱（3-2）间隙配合；所述翻盖楔形端面（3-5-2）在预调节活动翻盖闭合时与活动翻盖限位面（3-1-4）接触；翻盖半圆端面（3-5-3）避免预调节活动翻盖（3-5）在进行翻转时出现干涉。
6.根据权利要求1所述的一种大负载高精度压电粘滑直线定位平台，其特征在于：上盖（4）包括活动导轨端面连接螺钉（4-1）、大负载平台上盖（4-2）；所述大负载平台上盖（4-2）通过活动导轨端面连接螺钉（4-1）与承载单元（3）固定连接；所述大负载平台上盖（4-2）包括上盖上表面（4-2-1）、滑动导轨端面限位孔（4-2-2）、承载单元限位槽（4-2-3）、上盖内表面（4-2-4）；所述上盖上表面（4-2-1）与承载物直接接触；所述滑动导轨端面限位孔（4-2-2）活动导轨端面连接螺钉（4-1）将大负载平台上盖（4-2）和承载单元（3）固定连接；所述承载单元限位槽（4-2-3）与承载单元（3）进行安装；所述上盖内表面（4-2-4）与滑动导轨连接支架上表面（3-1-6）接触。
7.一种大负载高精度压电粘滑直线定位平台的摩擦调控驱动方法，该驱动定位方法基于权利要求1所述的一种大负载高精度压电粘滑直线定位平台实现；所述驱动定位方法的特征在于：所述驱动定位方法中采用混合激励电信号，所述混合激励电信号由驱动小波与驱动基波组成，该驱动小波可叠加至驱动基波的任意阶段，所述驱动小波为正弦波，所述驱动基波为具有上升沿和下降沿的激励电信号，其中，驱动基波周期为T1，激励电压幅值为V1，驱动小波周期为T2，激励电压幅值为V2，驱动基波与驱动小波的周期比为T1/T2=5~500000，激励电压幅值比为V1/V2大于1.5。
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