CN110611453A - 高负载容量精密压电旋转平台及其驱动定位方法 - Google Patents
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Abstract
一种高负载容量精密压电旋转平台及其驱动定位方法，旨在解决现有压电旋转平台结构复杂、旋转范围小、负载容量低等技术问题。本发明由旋转台、上封盖、预紧单元、驱动单元和固定螺栓组成，预紧单元上端部穿过上封盖与旋转台相连接，预紧单元通过预紧方式与驱动单元相接触，上封盖通过固定螺栓与驱动单元连接固定。本发明通过预紧单元与止推轴承过盈配合，将驱动平台的轴向承载力全部转移到基座上，增大旋转平台的负载容量，通过混合激励电信号激励驱动单元，增强旋转平台驱动效果，减少位移回退，提高旋转平台输出效率。本发明具有结构简单、旋转范围大、负载容量高、定位精度高等特点，在精密驱动与定位领域中具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种高负载容量精密压电旋转平台及其驱动定位方法，属于微纳精密驱动与定位技术领域。
背景技术
随着科学技术的发展，国内外尖端技术领域对微/纳米级驱动定位技术的需求越来越迫切。压电驱动技术作为微/纳米级驱动定位领域的重要技术之一，因其具有体积小、定位精度高、行程大、无电磁干扰等特点，在微加工技术、材料科学、半导体加工、生物工程等领域展现出了重要的科学意义和广泛的应用前景。
压电旋转平台是利用压电驱动技术驱动、且能产生微/纳米级运动分辨率的精密驱动定位平台，它可应用于超精密加工、大规模集成电路制造、扫描探针显微镜等技术领域，现有的压电旋转平台主要采用柔性铰链结构与压电堆叠结合的方式以实现压电微动旋转，其存在结构复杂、旋转范围小、负载容量低等缺陷，严重制约了压电旋转平台在精密驱动与定位技术领域的推广与应用。
鉴于上述缺陷，创设一种结构简单、旋转范围大、负载容量高的压电旋转平台是至关重要的。
发明内容
为解决已有压电旋转平台结构复杂、旋转范围小、负载容量低等技术问题，本发明公开了一种高负载容量精密压电旋转平台及其驱动定位方法。
本发明所采用的技术方案：
为达到上述目的，本发明提供一种高负载容量精密压电旋转平台，该高负载容量精密压电旋转平台由旋转台、上封盖、预紧单元、驱动单元和固定螺栓组成；其中，所述预紧单元上端部穿过上封盖与旋转台相连接，所述预紧单元与上封盖通过轴承连接，所述预紧单元通过预紧方式与驱动单元相接触，所述上封盖通过固定螺栓与驱动单元连接固定。
所述旋转台包括键槽和旋转台安装孔；所述键槽与配合键配合，对配合键起限位作用；所述旋转台安装孔与预紧单元的预紧底座间隙配合。
所述上封盖包括上封盖沉头孔、旋转台安装槽、上封盖通孔和轴承安装槽；所述上封盖四周均布设置有4个上封盖沉头孔，通过固定螺栓将上封盖与驱动单元连接固定；所述旋转台安装槽内放置有旋转台；所述上封盖通孔内穿过预紧单元的预紧底座；所述轴承安装槽与预紧单元的轴承过盈配合。
所述预紧单元包括轴承、预紧圆台、预紧底座、预紧弹簧、预紧螺栓和配合键；其中，所述轴承设有轴承内圈下端面、轴承外圈和轴承内孔；所述轴承内圈下端面与预紧底座的轴肩端面接触；所述轴承外圈与轴承安装槽过盈配合；所述轴承内孔与预紧底座的传动轴过盈配合；所述预紧圆台设有圆台通孔、预紧螺栓安装沉头孔、预紧弹簧上限位孔和圆台下端面；所述圆台通孔内穿过预紧底座上部的传动轴；所述预紧螺栓安装沉头孔在预紧圆台上对称分布，通过预紧螺栓将预紧圆台与预紧底座连接；所述预紧弹簧上限位孔内放置预紧弹簧；所述圆台下端面与驱动单元的摩擦杆接触；所述预紧底座设有传动轴键槽、传动轴、轴肩端面、预紧弹簧下限位孔、预紧螺纹孔、预紧斜面、底座连接轴和底座下端面；所述传动轴键槽内放置配合键；所述传动轴与轴承内孔过盈配合；所述轴肩端面与轴承内圈下端面接触，所述预紧弹簧下限位孔内放置预紧弹簧，所述预紧螺纹孔与预紧螺栓螺纹连接，所述预紧斜面与驱动单元的摩擦杆接触；所述底座连接轴与止推轴承过盈配合，所述底座下端面与止推轴承接触；所述预紧弹簧放置在预紧圆台与预紧底座之间，且穿过预紧螺栓，所述预紧螺栓穿过预紧圆台和预紧弹簧后，与预紧底座螺纹连接。
一种利用d33压电堆叠驱动的高负载容量精密压电旋转平台，所述驱动单元利用d33压电堆叠进行驱动，所述驱动单元包括基座、摩擦杆、d33压电堆叠、直线轴承和止推轴承；其中，所述基座设有上封盖安装螺纹孔、堆叠安装槽底面、止推轴承安装轴、直线轴承安装孔和支撑轴肩端面，所述上封盖安装螺纹孔与穿过上封盖沉头孔的固定螺栓螺纹连接；所述基座中心对称设置有两个堆叠安装槽底面，所述堆叠安装槽底面安装固定d33压电堆叠；所述止推轴承安装轴与止推轴承过盈配合；所述基座中心对称设置有两个直线轴承安装孔，所述直线轴承安装孔内安装固定直线轴承；所述支撑轴肩端面与止推轴承接触；所述摩擦杆可采用碳纤维棒，其一端设有摩擦杆端面，所述摩擦杆端面与d33压电堆叠胶粘连接；所述d33压电堆叠设有d33压电堆叠连接面和d33压电堆叠安装面，所述d33压电堆叠连接面与摩擦杆端面胶粘连接；所述d33压电堆叠安装面与堆叠安装槽底面胶粘连接；所述直线轴承设有直线轴承外表面和轴套孔，所述直线轴承外表面通过胶粘安装固定在直线轴承安装孔内；所述轴套孔与摩擦杆间隙配合；所述止推轴承设有止推轴承上圈内孔、止推轴承上端面、止推轴承下圈内孔和止推轴承下端面，所述止推轴承上圈内孔与底座连接轴过盈配合；所述止推轴承上端面与底座下端面接触；所述止推轴承下圈内孔与止推轴承安装轴过盈配合；所述止推轴承下端面与支撑轴肩端面接触。
或为一种利用d15压电堆叠驱动的高负载容量精密压电旋转平台，所述驱动单元利用d15压电堆叠进行驱动，所述驱动单元包括基座、摩擦杆、直线轴承、止推轴承、连接块和d15压电堆叠；其中，所述基座设有上封盖安装螺纹孔、堆叠安装槽底面、止推轴承安装轴、直线轴承安装孔和支撑轴肩端面，所述上封盖安装螺纹孔与穿过上封盖沉头孔的固定螺栓螺纹连接；所述基座中心对称设置有两个堆叠安装槽底面，所述堆叠安装槽底面安装固定d15压电堆叠；所述止推轴承安装轴与止推轴承过盈配合；所述基座两侧对称设置有四个直线轴承安装孔，所述直线轴承安装孔内安装固定直线轴承；所述支撑轴肩端面与止推轴承接触；所述摩擦杆可采用碳纤维棒，其一端设有摩擦杆端面，所述摩擦杆端面与连接块胶粘连接；所述直线轴承设有直线轴承外表面和轴套孔，所述直线轴承外表面通过胶粘安装固定在直线轴承安装孔内；所述轴套孔与连接块及摩擦杆间隙配合；所述止推轴承设有止推轴承上圈内孔、止推轴承上端面、止推轴承下圈内孔和止推轴承下端面，所述止推轴承上圈内孔与底座连接轴过盈配合；所述止推轴承上端面与底座下端面接触；所述止推轴承下圈内孔与止推轴承安装轴过盈配合；所述止推轴承下端面与支撑轴肩端面接触；所述连接块设有滑动轴、堆叠连接面和摩擦杆连接面，所述滑动轴与直线轴承的轴套孔间隙配合，所述堆叠连接面与d15压电堆叠胶粘连接，所述摩擦杆连接面与摩擦杆端面胶粘连接；所述d15压电堆叠设有d15压电堆叠连接面和d15压电堆叠安装面，所述d15压电堆叠连接面与堆叠连接面胶粘连接；所述d15压电堆叠安装面与堆叠安装槽底面胶粘连接。
另外，为了达到上述目的，本发明提供了一种高负载容量精密压电旋转平台驱动定位方法，该驱动定位方法基于所述一种高负载容量精密压电旋转平台实现；优选，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基波与调控波组成，该调控波可叠加至基波的任意阶段，所述调控波为正弦波，所述基波为具有上升沿和下降沿的激励电信号，其中，基波周期为T1，激励电压幅值为V1，调控波周期为T2，激励电压幅值为V2，基波与调控波的周期比为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：
本发明采用压电堆叠与摩擦杆结合的驱动方式，相比于结合柔性铰链的驱动方式，降低了旋转平台结构设计的复杂性，减小了旋转平台的体积，同时增大了旋转平台的旋转范围；通过预紧单元与止推轴承过盈配合，将旋转平台的轴向承载力全部转移到基座上，增大了旋转平台的负载容量；并且通过预紧螺栓与预紧弹簧的配合调节以实现预紧单元对摩擦杆预紧力的调控，同时，预紧斜面的设计提高了预紧力调节精度，在不同工况下，平台可实现对驱动元件正压力大小的精确调节，有效的提升了旋转台的输出精度及环境适应性；本发明采用混合激励电信号驱动，增强旋转平台正向驱动效果，减少位移回退并降低驱动条件，提高旋转平台的输出效率。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利用d33压电堆叠驱动的高负载容量精密压电旋转平台的结构示意图；
图2所示为本发明提出的一种高负载容量精密压电旋转平台的旋转台结构示意图；
图3所示为本发明提出的一种高负载容量精密压电旋转平台的上封盖结构示意图Ⅰ；
图4所示为本发明提出的一种高负载容量精密压电旋转平台的上封盖结构示意图Ⅱ；
图5所示为本发明提出的一种高负载容量精密压电旋转平台的预紧单元结构示意图；
图6所示为本发明提出的一种高负载容量精密压电旋转平台的轴承结构示意图；
图7所示为本发明提出的一种高负载容量精密压电旋转平台的预紧圆台结构示意图Ⅰ；
图8所示为本发明提出的一种高负载容量精密压电旋转平台的预紧圆台结构示意图Ⅱ；
图9所示为本发明提出的一种高负载容量精密压电旋转平台的预紧底座结构示意图Ⅰ；
图10所示为本发明提出的一种高负载容量精密压电旋转平台的预紧底座结构示意图Ⅱ；
图11所示为本发明提出的一种利用d33压电堆叠驱动的高负载容量精密压电旋转平台的驱动单元结构示意图；
图12所示为本发明提出的一种利用d33压电堆叠驱动的高负载容量精密压电旋转平台的基座结构示意图；
图13所示为本发明提出的一种高负载容量精密压电旋转平台的摩擦杆结构示意图；
图14所示为本发明提出的一种利用d33压电堆叠驱动的高负载容量精密压电旋转平台的d33压电堆叠结构示意图Ⅰ；
图15所示为本发明提出的一种利用d33压电堆叠驱动的高负载容量精密压电旋转平台的d33压电堆叠结构示意图Ⅱ；
图16所示为本发明提出的一种高负载容量精密压电旋转平台的直线轴承结构示意图；
图17所示为本发明提出的一种高负载容量精密压电旋转平台的止推轴承结构示意图Ⅰ；
图18所示为本发明提出的一种高负载容量精密压电旋转平台的止推轴承结构示意图Ⅱ；
图19所示为本发明提出的一种利用d15压电堆叠驱动的高负载容量精密压电旋转平台的结构示意图；
图20所示为本发明提出的一种利用d15压电堆叠驱动的高负载容量精密压电旋转平台的驱动单元结构示意图；
图21所示为本发明提出的一种利用d15压电堆叠驱动的高负载容量精密压电旋转平台的基座结构示意图；
图22所示为本发明提出的一种利用d15压电堆叠驱动的高负载容量精密压电旋转平台的连接块结构示意图Ⅰ；
图23所示为本发明提出的一种利用d15压电堆叠驱动的高负载容量精密压电旋转平台的连接块结构示意图Ⅱ；
图24所示为本发明提出的一种利用d15压电堆叠驱动的高负载容量精密压电旋转平台的d15压电堆叠结构示意图Ⅰ；
图25所示为本发明提出的一种利用d15压电堆叠驱动的高负载容量精密压电旋转平台的d15压电堆叠结构示意图Ⅱ；
图26所示为本发明提出的一种高负载容量精密压电旋转平台的混合激励电信号波形示意图Ⅰ；
图27所示为本发明提出的一种高负载容量精密压电旋转平台的混合激励电信号波形示意图Ⅱ；
图28所示为本发明提出的一种高负载容量精密压电旋转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18说明本实施方式，本实施方式提供了一种利用d33压电堆叠驱动的高负载容量精密压电旋转平台的具体实施方式，所述一种高负载容量精密压电旋转平台的具体实施方式表述如下：
所述一种高负载容量精密压电旋转平台主要由旋转台1、上封盖2、预紧单元3、驱动单元4和固定螺栓5组成；其中，所述预紧单元3上端部穿过上封盖2与旋转台1相连接，所述预紧单元3与上封盖2通过轴承3-1连接，所述预紧单元3通过预紧方式与驱动单元4相接触，所述上封盖2通过固定螺栓5与驱动单元4连接固定。
所述旋转台1包括键槽1-1和旋转台安装孔1-2；所述键槽1-1与配合键3-6配合，对配合键3-6起限位作用；所述旋转台安装孔1-2与预紧单元3的预紧底座3-3间隙配合。
所述上封盖2包括上封盖沉头孔2-1、旋转台安装槽2-2、上封盖通孔2-3和轴承安装槽2-4；所述上封盖2四周均布设置有4个上封盖沉头孔2-1，通过固定螺栓5将上封盖2与驱动单元4连接固定；所述旋转台安装槽2-2内放置有旋转台1；所述上封盖通孔2-3内穿过预紧单元3的预紧底座3-3；所述轴承安装槽2-4与预紧单元3的轴承3-1过盈配合，并对预紧单元3上端部起支撑限位作用。
所述预紧单元3包括轴承3-1、预紧圆台3-2、预紧底座3-3、预紧弹簧3-4、预紧螺栓3-5和配合键3-6；其中，所述轴承3-1设有轴承内圈下端面3-1-1、轴承外圈3-1-2和轴承内孔3-1-3；所述轴承内圈下端面3-1-1与预紧底座3-3的轴肩端面3-3-3接触；所述轴承外圈3-1-2与轴承安装槽2-4过盈配合；所述轴承内孔3-1-3与预紧底座3-3的传动轴3-3-2过盈配合；所述预紧圆台3-2设有圆台通孔3-2-1、预紧螺栓安装沉头孔3-2-2、预紧弹簧上限位孔3-2-3和圆台下端面3-2-4；所述圆台通孔3-2-1内穿过预紧底座3-3上部的传动轴3-3-2，并使得预紧圆台3-2可在传动轴3-3-2上滑动；所述预紧螺栓安装沉头孔3-2-2在预紧圆台3-2上对称分布，通过预紧螺栓3-5将预紧圆台3-2与预紧底座3-3连接；所述预紧弹簧上限位孔3-2-3内放置预紧弹簧3-4，用于限位预紧弹簧3-4上端部；所述圆台下端面3-2-4与驱动单元4的摩擦杆4-2接触；所述预紧底座3-3设有传动轴键槽3-3-1、传动轴3-3-2、轴肩端面3-3-3、预紧弹簧下限位孔3-3-4、预紧螺纹孔3-3-5、预紧斜面3-3-6、底座连接轴3-3-7和底座下端面3-3-8；所述传动轴键槽3-3-1内放置配合键3-6，用于限制预紧单元3与旋转台1的相对转动，使得预紧单元3与旋转台1同步转动；所述传动轴3-3-2与轴承内孔3-1-3过盈配合，并用于传递输出扭矩；所述轴肩端面3-3-3与轴承内圈下端面3-1-1接触，对轴承3-1起支撑限位作用，所述预紧弹簧下限位孔3-3-4内放置预紧弹簧3-4，对预紧弹簧3-4下端部起支撑限位作用，所述预紧螺纹孔3-3-5与预紧螺栓3-5螺纹连接，所述预紧斜面3-3-6与驱动单元4的摩擦杆4-2接触，同圆台下端面3-2-4一起通过预紧螺栓3-5的连接对驱动单元4的摩擦杆4-2进行预紧，其中，所述预紧斜面3-3-6的斜面角度为a，a的取值范围为5°~10°，提高预紧力调节精度，本实施方式中a=6°；所述底座连接轴3-3-7与止推轴承4-5过盈配合，所述底座下端面3-3-8与止推轴承4-5接触；所述预紧弹簧3-4放置在预紧圆台3-2与预紧底座3-3之间，且穿过预紧螺栓3-5，所述预紧螺栓3-5穿过预紧圆台3-2和预紧弹簧3-4后，与预紧底座3-3螺纹连接。
所述驱动单元4利用d33压电堆叠4-3进行驱动，所述驱动单元4包括基座4-1、摩擦杆4-2、d33压电堆叠4-3、直线轴承4-4和止推轴承4-5；其中，所述基座4-1设有上封盖安装螺纹孔4-1-1、堆叠安装槽底面4-1-2、止推轴承安装轴4-1-3、直线轴承安装孔4-1-4和支撑轴肩端面4-1-5，所述上封盖安装螺纹孔4-1-1与穿过上封盖沉头孔2-1的固定螺栓5螺纹连接，用于安装固定上封盖2；所述基座4-1中心对称设置有两个堆叠安装槽底面4-1-2，所述堆叠安装槽底面4-1-2安装固定d33压电堆叠4-3；所述止推轴承安装轴4-1-3与止推轴承4-5过盈配合，对止推轴承4-5起径向限位作用；所述基座4-1中心对称设置有两个直线轴承安装孔4-1-4，所述直线轴承安装孔4-1-4内安装固定直线轴承4-4；所述支撑轴肩端面4-1-5与止推轴承4-5接触，对止推轴承4-5起轴向限位支撑作用；所述摩擦杆4-2可采用碳纤维棒，其一端设有摩擦杆端面4-2-1，所述摩擦杆端面4-2-1与d33压电堆叠4-3胶粘连接；所述d33压电堆叠4-3设有d33压电堆叠连接面4-3-1和d33压电堆叠安装面4-3-2，所述d33压电堆叠连接面4-3-1与摩擦杆端面4-2-1胶粘连接；所述d33压电堆叠安装面4-3-2与堆叠安装槽底面4-1-2胶粘连接；所述直线轴承4-4设有直线轴承外表面4-4-1和轴套孔4-4-2，所述直线轴承外表面4-4-1通过胶粘安装固定在直线轴承安装孔4-1-4内；所述轴套孔4-4-2与摩擦杆4-2间隙配合，对摩擦杆4-2起支撑限位作用，并减少摩擦杆4-2与直线轴承4-4在轴向的摩擦阻力；所述止推轴承4-5设有止推轴承上圈内孔4-5-1、止推轴承上端面4-5-2、止推轴承下圈内孔4-5-3和止推轴承下端面4-5-4，所述止推轴承上圈内孔4-5-1与底座连接轴3-3-7过盈配合，对预紧单元3起径向限位作用；所述止推轴承上端面4-5-2与底座下端面3-3-8接触，对预紧单元3起轴向支撑限位作用；所述止推轴承下圈内孔4-5-3与止推轴承安装轴4-1-3过盈配合；所述止推轴承下端面4-5-4与支撑轴肩端面4-1-5接触。
具体实施方式二：结合图3，13，16~25说明本实施方式，本实施方式提供了一种利用d15压电堆叠驱动的高负载容量精密压电旋转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，区别在于其驱动单元4的具体结构组成不同。
所述驱动单元4利用d15压电堆叠4-7进行驱动，所述驱动单元4包括基座4-1、摩擦杆4-2、直线轴承4-4、止推轴承4-5 、连接块4-6和d15压电堆叠4-7；其中，所述基座4-1设有上封盖安装螺纹孔4-1-1、堆叠安装槽底面4-1-2、止推轴承安装轴4-1-3、直线轴承安装孔4-1-4和支撑轴肩端面4-1-5，所述上封盖安装螺纹孔4-1-1与穿过上封盖沉头孔2-1的固定螺栓5螺纹连接，用于安装固定上封盖2；所述基座4-1中心对称设置有两个堆叠安装槽底面4-1-2，所述堆叠安装槽底面4-1-2安装固定d15压电堆叠4-7；所述止推轴承安装轴4-1-3与止推轴承4-5过盈配合，对止推轴承4-5起径向限位作用；所述基座4-1两侧对称设置有四个直线轴承安装孔4-1-4，所述直线轴承安装孔4-1-4内安装固定直线轴承4-4；所述支撑轴肩端面4-1-5与止推轴承4-5接触，对止推轴承4-5起轴向限位支撑作用；所述摩擦杆4-2可采用碳纤维棒，其一端设有摩擦杆端面4-2-1，所述摩擦杆端面4-2-1与连接块4-6胶粘连接；所述直线轴承4-4设有直线轴承外表面4-4-1和轴套孔4-4-2，所述直线轴承外表面4-4-1通过胶粘安装固定在直线轴承安装孔4-1-4内；所述轴套孔4-4-2与连接块4-6及摩擦杆4-2间隙配合，起支撑限位作用，并减少连接块4-6与直线轴承4-4和摩擦杆4-2与直线轴承4-4在轴向的摩擦阻力；所述止推轴承4-5设有止推轴承上圈内孔4-5-1、止推轴承上端面4-5-2、止推轴承下圈内孔4-5-3和止推轴承下端面4-5-4，所述止推轴承上圈内孔4-5-1与底座连接轴3-3-7过盈配合，对预紧单元3起径向限位作用；所述止推轴承上端面4-5-2与底座下端面3-3-8接触，对预紧单元3起轴向支撑限位作用；所述止推轴承下圈内孔4-5-3与止推轴承安装轴4-1-3过盈配合；所述止推轴承下端面4-5-4与支撑轴肩端面4-1-5接触；所述连接块4-6设有滑动轴4-6-1、堆叠连接面4-6-2和摩擦杆连接面4-6-3，所述滑动轴4-6-1与直线轴承4-4的轴套孔4-4-2间隙配合，所述堆叠连接面4-6-2与d15压电堆叠4-7胶粘连接，所述摩擦杆连接面4-6-3与摩擦杆端面4-2-1胶粘连接；所述d15压电堆叠4-7设有d15压电堆叠连接面4-7-1和d15压电堆叠安装面4-7-2，所述d15压电堆叠连接面4-7-1与堆叠连接面4-6-2胶粘连接；所述d15压电堆叠安装面4-3-2与堆叠安装槽底面4-1-2胶粘连接。
具体实施方式三：结合图26~28说明本实施方式，本实施方式提出了一种高负载容量精密压电旋转平台驱动定位方法的具体实施方式，所述一种高负载容量精密压电旋转平台驱动定位方法表述如下：
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基波与调控波组成，该调控波可叠加至基波的任意阶段，所述调控波为正弦波，所述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，基波周期为T1，激励电压幅值为V1，调控波周期为T2，激励电压幅值为V2，基波与调控波的周期比为T1/T2=5~500000，激励电压幅值比为V1/V2大于1.5。具体地，基波在上升沿与调控波进行耦合对压电堆叠进行激励，微幅振动调控波在基波上升沿具有增强正向驱动力的效果，可增加压电旋转平台的输出速度；基波在下降沿与调控波进行耦合对压电堆叠进行激励，不仅微幅振动调控波在基波下降沿具有增强正向驱动力的效果，而且利用高频调控波减小摩擦杆与预紧单元之间的摩擦力，可有效抑制压电旋转平台的位移回退，提高步效率，进而提高平台驱动速度；基波在上升沿和下降沿均与调控波进行耦合对压电堆叠进行激励，微幅振动调控波在基波上升沿和下降沿均具有增强正向驱动力的效果，且利用微幅高频调控波以减小摩擦杆与预紧单元之间的摩擦力，可有效抑制压电旋转平台的位移回退，提高步效率，进而提高旋转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旋转平台的最小启动电压，进而降低驱动条件，可有效减少功耗，提高压电旋转平台的输出效率。
工作原理：
所述一种高负载容量精密压电旋转平台采用压电堆叠和摩擦杆结合的驱动方式，其中，压电堆叠可采用d33模式的压电堆叠和d15模式的压电堆叠，d33模式的压电堆叠产生轴向伸缩变形，d15模式的压电堆叠产生剪切变形，当压电堆叠通入混合激励电信号后产生相应变形，带动摩擦杆在轴向实现快速微运动，利用惯性粘滑原理带动预紧单元旋转，通过传动轴将扭矩传递给旋转台，使摩擦杆的直线运动转换为旋转台所需的旋转运动以实现驱动定位。其中，在压电堆叠带动摩擦杆缓慢前进阶段，摩擦杆和预紧单元在静摩擦力作用下产生缓慢的“粘”运动，此时摩擦杆和预紧单元一起向前运动一大步；在压电堆叠带动摩擦杆快速恢复阶段，摩擦杆和预紧单元在动摩擦力作用下产生快速的“滑”运动，此时摩擦杆恢复原始位置状态，而预紧单元仅向后回退一小步，重复上述步骤达到摩擦杆驱动预紧单元连续旋转步进运动的目的。
综合上述内容，本发明采用压电堆叠与摩擦杆结合的驱动方式，相比于结合柔性铰链的驱动方式，降低了旋转平台结构设计的复杂性，减小了旋转平台的体积，同时增大了旋转平台的旋转范围；通过预紧单元与止推轴承过盈配合，将旋转平台的轴向承载力全部转移到基座上，增大了旋转平台的负载容量；并且通过预紧螺栓与预紧弹簧的配合调节以实现预紧单元对摩擦杆预紧力的调控，同时，预紧斜面的设计提高了预紧力调节精度，在不同工况下，平台可实现对驱动元件正压力大小的精确调节，有效的提升了旋转台的输出精度及环境适应性；本发明采用混合激励电信号驱动，增强旋转平台正向驱动效果，减少位移回退并降低驱动条件，提高旋转平台的输出效率。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)
1.一种高负载容量精密压电旋转平台，其特征在于，该高负载容量精密压电旋转平台由旋转台（1）、上封盖（2）、预紧单元（3）、驱动单元（4）和固定螺栓（5）组成；其中，所述预紧单元（3）上端部穿过上封盖（2）与旋转台（1）相连接，所述预紧单元（3）与上封盖（2）通过轴承（3-1）连接，所述预紧单元（3）通过预紧方式与驱动单元（4）相接触，所述上封盖（2）通过固定螺栓（5）与驱动单元（4）连接固定。
2.根据权利要求1所述一种高负载容量精密压电旋转平台，其特征在于，所述旋转台（1）包括键槽（1-1）和旋转台安装孔（1-2）；所述键槽（1-1）与配合键（3-6）配合；所述旋转台安装孔（1-2）与预紧单元（3）的预紧底座（3-3）间隙配合。
3.根据权利要求1所述一种高负载容量精密压电旋转平台，其特征在于，所述上封盖（2）包括上封盖沉头孔（2-1）、旋转台安装槽（2-2）、上封盖通孔（2-3）和轴承安装槽（2-4）；所述上封盖（2）四周均布设置有4个上封盖沉头孔(2-1)，通过固定螺栓（5）将上封盖（2）与驱动单元（4）连接固定；所述旋转台安装槽（2-2）内放置有旋转台（1）；所述上封盖通孔（2-3）内穿过预紧单元（3）的预紧底座（3-3）；所述轴承安装槽（2-4）与预紧单元（3）的轴承（3-1）过盈配合。
4.根据权利要求1所述一种高负载容量精密压电旋转平台，其特征在于，所述预紧单元（3）包括轴承（3-1）、预紧圆台（3-2）、预紧底座（3-3）、预紧弹簧（3-4）、预紧螺栓（3-5）和配合键（3-6）；其中，所述轴承（3-1）设有轴承内圈下端面（3-1-1）、轴承外圈（3-1-2）和轴承内孔（3-1-3）；所述轴承内圈下端面（3-1-1）与预紧底座（3-3）的轴肩端面（3-3-3）接触；所述轴承外圈（3-1-2）与轴承安装槽（2-4）过盈配合；所述轴承内孔（3-1-3）与预紧底座（3-3）的传动轴（3-3-2）过盈配合；所述预紧圆台（3-2）设有圆台通孔（3-2-1）、预紧螺栓安装沉头孔（3-2-2）、预紧弹簧上限位孔（3-2-3）和圆台下端面（3-2-4）；所述圆台通孔（3-2-1）内穿过预紧底座（3-3）上部的传动轴（3-3-2）；所述预紧螺栓安装沉头孔（3-2-2）在预紧圆台（3-2）上对称分布，通过预紧螺栓（3-5）将预紧圆台（3-2）与预紧底座（3-3）连接；所述预紧弹簧上限位孔（3-2-3）内放置预紧弹簧（3-4）；所述圆台下端面（3-2-4）与驱动单元（4）的摩擦杆（4-2）接触；所述预紧底座（3-3）设有传动轴键槽（3-3-1）、传动轴（3-3-2）、轴肩端面（3-3-3）、预紧弹簧下限位孔（3-3-4）、预紧螺纹孔（3-3-5）、预紧斜面（3-3-6）、底座连接轴（3-3-7）和底座下端面（3-3-8）；所述传动轴键槽（3-3-1）内放置配合键（3-6）；所述传动轴（3-3-2）与轴承内孔（3-1-3）过盈配合；所述轴肩端面（3-3-3）与轴承内圈下端面（3-1-1）接触，所述预紧弹簧下限位孔（3-3-4）内放置预紧弹簧（3-4），所述预紧螺纹孔（3-3-5）与预紧螺栓（3-5）螺纹连接，所述预紧斜面（3-3-6）与驱动单元（4）的摩擦杆（4-2）接触；所述底座连接轴（3-3-7）与止推轴承（4-5）过盈配合，所述底座下端面（3-3-8）与止推轴承（4-5）接触；所述预紧弹簧（3-4）放置在预紧圆台（3-2）与预紧底座（3-3）之间，且穿过预紧螺栓（3-5），所述预紧螺栓（3-5）穿过预紧圆台（3-2）和预紧弹簧（3-4）后，与预紧底座（3-3）螺纹连接。
5.根据权利要求1所述一种高负载容量精密压电旋转平台，其特征在于，为一种利用d33压电堆叠驱动的高负载容量精密压电旋转平台，所述驱动单元（4）利用d33压电堆叠（4-3）进行驱动，所述驱动单元（4）包括基座（4-1）、摩擦杆（4-2）、d33压电堆叠（4-3）、直线轴承（4-4）和止推轴承（4-5）；其中，所述基座（4-1）设有上封盖安装螺纹孔（4-1-1）、堆叠安装槽底面（4-1-2）、止推轴承安装轴（4-1-3）、直线轴承安装孔（4-1-4）和支撑轴肩端面（4-1-5），所述上封盖安装螺纹孔（4-1-1）与穿过上封盖沉头孔（2-1）的固定螺栓（5）螺纹连接；所述基座（4-1）中心对称设置有两个堆叠安装槽底面（4-1-2），所述堆叠安装槽底面（4-1-2）安装固定d33压电堆叠（4-3）；所述止推轴承安装轴（4-1-3）与止推轴承（4-5）过盈配合；所述基座（4-1）中心对称设置有两个直线轴承安装孔（4-1-4），所述直线轴承安装孔（4-1-4）内安装固定直线轴承（4-4）；所述支撑轴肩端面（4-1-5）与止推轴承（4-5）接触；所述摩擦杆（4-2）可采用碳纤维棒，其一端设有摩擦杆端面（4-2-1），所述摩擦杆端面（4-2-1）与d33压电堆叠（4-3）胶粘连接；所述d33压电堆叠（4-3）设有d33压电堆叠连接面（4-3-1）和d33压电堆叠安装面（4-3-2），所述堆叠连接面（4-3-1）与摩擦杆端面（4-2-1）胶粘连接；所述堆叠安装面（4-3-2）与堆叠安装槽底面（4-1-2）胶粘连接；所述直线轴承（4-4）设有直线轴承外表面（4-4-1）和轴套孔（4-4-2），所述直线轴承外表面（4-4-1）通过胶粘安装固定在直线轴承安装孔（4-1-4）内；所述轴套孔（4-4-2）与摩擦杆（4-2）间隙配合；所述止推轴承（4-5）设有止推轴承上圈内孔（4-5-1）、止推轴承上端面（4-5-2）、止推轴承下圈内孔（4-5-3）和止推轴承下端面（4-5-4），所述止推轴承上圈内孔（4-5-1）与底座连接轴（3-3-7）过盈配合；所述止推轴承上端面（4-5-2）与底座下端面（3-3-8）接触；所述止推轴承下圈内孔（4-5-3）与止推轴承安装轴（4-1-3）过盈配合；所述止推轴承下端面（4-5-4）与支撑轴肩端面（4-1-5）接触。
6.根据权利要求1所述一种高负载容量精密压电旋转平台，其特征在于，为一种利用d15压电堆叠驱动的高负载容量精密压电旋转平台，所述驱动单元（4）利用d15压电堆叠（4-7）进行驱动，所述驱动单元（4）包括基座（4-1）、摩擦杆（4-2）、直线轴承（4-4）、止推轴承（4-5）、连接块（4-6）和d15压电堆叠（4-7）；其中，所述基座（4-1）设有上封盖安装螺纹孔（4-1-1）、堆叠安装槽底面（4-1-2）、止推轴承安装轴（4-1-3）、直线轴承安装孔（4-1-4）和支撑轴肩端面（4-1-5），所述上封盖安装螺纹孔（4-1-1）与穿过上封盖沉头孔（2-1）的固定螺栓（5）螺纹连接；所述基座（4-1）中心对称设置有两个堆叠安装槽底面（4-1-2），所述堆叠安装槽底面（4-1-2）安装固定d15压电堆叠（4-7）；所述止推轴承安装轴（4-1-3）与止推轴承（4-5）过盈配合；所述基座（4-1）两侧对称设置有四个直线轴承安装孔（4-1-4），所述直线轴承安装孔（4-1-4）内安装固定直线轴承（4-4）；所述支撑轴肩端面（4-1-5）与止推轴承（4-5）接触；所述摩擦杆（4-2）可采用碳纤维棒，其一端设有摩擦杆端面（4-2-1），所述摩擦杆端面（4-2-1）与连接块（4-6）胶粘连接；所述直线轴承（4-4）设有直线轴承外表面（4-4-1）和轴套孔（4-4-2），所述直线轴承外表面（4-4-1）通过胶粘安装固定在直线轴承安装孔（4-1-4）内；所述轴套孔（4-4-2）与连接块（4-6）及摩擦杆（4-2）间隙配合；所述止推轴承（4-5）设有止推轴承上圈内孔（4-5-1）、止推轴承上端面（4-5-2）、止推轴承下圈内孔（4-5-3）和止推轴承下端面（4-5-4），所述止推轴承上圈内孔（4-5-1）与底座连接轴（3-3-7）过盈配合；所述止推轴承上端面（4-5-2）与底座下端面（3-3-8）接触；所述止推轴承下圈内孔（4-5-3）与止推轴承安装轴（4-1-3）过盈配合；所述止推轴承下端面（4-5-4）与支撑轴肩端面（4-1-5）接触；所述连接块（4-6）设有滑动轴（4-6-1）、堆叠连接面（4-6-2）和摩擦杆连接面（4-6-3），所述滑动轴（4-6-1）与直线轴承（4-4）的轴套孔（4-4-2）间隙配合，所述堆叠连接面（4-6-2）与d15压电堆叠（4-7）胶粘连接，所述摩擦杆连接面（4-6-3）与摩擦杆端面（4-2-1）胶粘连接；所述d15压电堆叠（4-7）设有d15压电堆叠连接面（4-7-1）和d15压电堆叠安装面（4-7-2），所述d15压电堆叠连接面（4-7-1）与堆叠连接面（4-6-2）胶粘连接；所述d15压电堆叠安装面（4-3-2）与堆叠安装槽底面（4-1-2）胶粘连接。
7.一种高负载容量精密压电旋转平台驱动定位方法，该驱动定位方法基于权利要求1所述的一种高负载容量精密压电旋转平台实现；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基波与调控波组成，该调控波可叠加至基波的任意阶段，所述调控波为正弦波，所述基波为具有上升沿和下降沿的激励电信号，其中，基波周期为T1，激励电压幅值为V1，调控波周期为T2，激励电压幅值为V2，基波与调控波的周期比为T1/T2=5~500000，激励电压幅值比为V1/V2大于1.5。
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