CN110829881A - 一种伞型爬行式压电驱动平台 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种伞型爬行式压电驱动平台，包括两组相同的压电驱动单元，动子和底座。每组压电单元包括压电叠堆、伞型柔性铰链机构、预紧螺钉、预紧楔块、螺旋测微头。压电叠堆在电压信号驱动下可伸长和恢复，伞型柔性铰链机构可实现寄生惯性运动；预紧螺钉和螺旋测微头可调节伞型柔性铰链机构和动子间的初始预紧力；底座支撑其他零件。两组压电驱动单元交替工作，通过伞型柔性铰链机构的寄生惯性运动可实现爬行式运动。该平台可应用于精密超精密机械加工、微机电系统、微操作机器人、大规模集成电路制造、生物技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及精密超精密加工、微纳操作机器人、微机电系统程领域，特别涉及一种伞型爬行式压电驱动平台。
背景技术
具有微/纳米级定位精度的精密驱动技术是超精密加工与测量、光学工程、现代医疗、航空航天科技等高尖端科学技术领域中的关键技术。为实现微/纳米级的输出精度，现代精密驱动技术的应用对驱动平台的精度提出了更高要求。传统的驱动平台输出精度低，整体尺寸大，无法满足现代先进科技技术中精密系统对微/纳米级高精度和驱动平台尺寸微小的要求。压电驱动平台具有体积尺寸小、位移分辨率高、输出负载大、能量转换率高等优点，能实现微/纳米级的输出精度，已经越来越多地被应用到微定位和精密超精密加工中，但其工作行程由于受制于单个压电元件的逆压电效应十分有限，大大限制了其应用。因此，有必要设计一种能达到微/纳米定位精度的同时，能实现更大工作行程的的压电精密驱动平台。
发明内容
本发明的目的在于提供一种伞型爬行式压电驱动平台，解决现有技术存在的上述问题。本发明具有结构简单紧凑，输出精度高，输出刚度和输出负载大，输出频率高的特点，同时能实现大行程的爬行式直线运动输出功能。
本发明通过两组压电驱动单元交替工作，利用伞型柔性铰链机构的寄生惯性运动实现微纳米级爬行式直线驱动，最终实现动子的直线运动。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种伞型爬行式压电驱动平台，主要包括两组相同的压电驱动单元，动子和底座。每组压电单元包括压电叠堆、伞型柔性铰链机构、预紧螺钉、预紧楔块、螺旋测微头，所述驱动平台通过两组压电驱动单元交替工作，利用伞型柔性铰链机构的寄生惯性原理实现微纳米级爬行式直线驱动。动子采用带有滑块的高精度直线导轨，导轨通过螺钉固定在底座上，可实现高精度的往返直线运动；伞型柔性铰链机构通过螺钉安装在底座上；压电叠堆安装于伞型柔性铰链机构内，可通过预紧楔块进行预紧；预紧螺钉和螺旋测微头可调节伞型柔性铰链机构与动子间的初始预紧力。
所述的驱动平台通过两组压电驱动单元交替工作实现爬行式运动。
所述的伞型柔性铰链机构刚度输出性能好，伞型柔性铰链机构上端可承受较大的预紧力，运动稳定高效，压电叠堆得电通过伞型柔性铰链机构的寄生惯性运动，同时提供驱动力和预紧力，驱动动子移动。
所述的压电叠堆，采用形体可控面型的压电陶瓷叠堆PZT，寄生惯性运动通过对压电叠堆的电压控制来实现。
所述的伞型柔性铰链机构可采用弹簧钢、高强度铝合金等材料制造，通过薄壁式柔性铰链连接成伞型。
所述的伞型柔性铰链机构上端与动子接触部分为弧形结构。
所述的动子可采用滚珠直线导轨、滚柱直线导轨、V型槽直线导轨、燕尾槽直线导轨等可实现往返直线运动的机构。
所述的压电信号采用锯齿波或三角波形式控制压电叠堆，使压电叠堆缓慢伸长，推动伞型柔性铰链机构作寄生惯性运动，从而实现动子直线移动。
本发明的主要优势在于：采用两组压电驱动单元交替工作，利用伞型柔性铰链机构的寄生惯性运动，同时提供驱动力和预紧力，推动动子做爬行式直线运动。该平台具有驱动可靠性高、平稳性好、工作效率高等优势。可应用于精密超精密加工、微操作机器人、微机电系统、大规模集成电路制造、生物技术等重要科学工程领域，大大提升微机电系统的微动精度，同时改善传统驱动器的结构复杂偏大以及性能不可靠等劣势，应用前景广阔。
附图说明
此处附图说明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是本发明的等轴测视示意图；
图2是本发明的正视示意图；
图3是本发明的伞型柔性铰链机构示意图。
图中：
1.动子； 2.伞型柔性铰链机构； 3.压电叠堆I；
4.预紧楔块； 5.预紧螺钉； 6.螺旋测微头；
7.压电叠堆II； 8.压电叠堆III； 9.压电叠堆IV；
10.底座； 11.压电驱动单元I； 12.压电驱动单元II。
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至图3所示，一种伞型爬行式压电驱动平台，主要包括压电驱动单元I(11)、压电驱动单元II(12)、动子(1)和底座(10)。其中压电驱动单元I(11)包括压电叠堆I(3)、压电叠堆II(7)、预紧楔块(4)、预紧螺钉(5)、螺旋测微头(6)、伞型柔性铰链机构(2)，压电驱动单元II(12)与压电驱动单元I(11)的组成结构完全相同。动子(1)采用带有滑块的高精度直线导轨，导轨通过螺钉固定在底座(10)上；伞型柔性铰链机构(2)通过螺钉安装在底座(10)上；压电叠堆I(3)和压电叠堆II(7)安装于伞型柔性铰链机构(2)内；预紧楔块(4)布置在压电叠堆I(3)、压电叠堆II(7)和伞型柔性铰链机构(2)之间，可通过预紧楔块(4)进行预紧；预紧螺钉(5)紧固在底座(10)上，与伞型柔性铰链机构(2)下端接触，通过预紧螺钉(5)和螺旋测微头(6)可调节伞型柔性铰链机构(2)与动子(1)之间的初始预紧力；伞型柔性铰链机构(2)上端弧形结构与动子(1)接触；底座(10)起支撑和安装固定其他零件作用，动子(1)和伞型柔性铰链机构(2)通过螺钉安装在底座(10)上。
所述的伞型柔性铰链机构(2)刚度输出性能好，伞型柔性铰链机构(2)上端可承受较大的预紧力，运动稳定高效，通过伞型柔性铰链机构(2)的寄生惯性运动，同时提供驱动力和预紧力，驱动动子(1)做爬行式直线运动。
所述的压电叠堆I(3)、压电叠堆II(7)、压电叠堆III(8)和压电叠堆IV(9)，采用形体可控面型的压电陶瓷叠堆PZT，寄生惯性运动通过对压电叠堆I(3)、压电叠堆II(7)、压电叠堆III(8)和压电叠堆IV(9)的电压控制来实现。
所述的伞型柔性铰链机构(2)可采用弹簧钢、高强度铝合金等材料制造，通过薄壁式柔性铰链连接成伞型。
所述的伞型柔性铰链机构(2)上端与动子(1)接触部分为弧形结构。
所述的动子(1)可采用滚珠直线导轨、滚柱直线导轨、V型槽直线导轨、燕尾槽直线导轨等可实现往返直线运动的机构。
所述的压电信号采用锯齿波或三角波形式分别控制压电叠堆I(3)、压电叠堆II(7)、压电叠堆III(8)和压电叠堆IV(9)，使压电叠堆I(3)、压电叠堆II(7)、压电叠堆III(8)和压电叠堆IV(9)分别缓慢伸长，推动伞型柔性铰链机构(2)作寄生惯性运动，从而实现动子(1)直线移动。
参见图1至图3所示，本发明的具体工作过程如下：
动子(1)爬行式直线运动的实现，初始状态：调节预紧螺钉(5)和螺旋测微头(6)来调节伞型柔性铰链机构(2)与动子(1)间的接触距离，即寄生运动过程中的初始预紧力。采用两组锯齿波或三角波形式的压电信号分别控制压电驱动单元I(11)、压电驱动单元II(12)中的压电叠堆I(3)和压电叠堆III(8)。压电叠堆I(3)和压电叠堆III(8)不带电，系统处于自由状态；当压电叠堆I(3)通电后，通过逆压电效应伸长，驱动伞型柔性铰链机构(2)做寄生惯性运动，同时提供驱动力和预紧力，伞型柔性铰链机构(2)压紧动子(1)，同时在与动子(1)间静摩擦力的作用下，带动动子(1)移动；当压电叠堆I(3)开始失电时，压电叠堆III(8)通电。压电叠堆I(3)失电后，伞型柔性铰链机构(2)回复初始状态，动子(1)在惯性力的作用下仍然保持在移动后的位置；压电叠堆III(8)通电后，压电驱动单元II(12)重复上述压电驱动单元I(11)的动作。当压电叠堆III(8)开始失电时，压电叠堆I(3)通电，开始下一个周期循环。重复上述步骤，压电驱动单元I(11)和压电驱动单元II(12)交替得电工作，该驱动平台可实现沿某一方向的爬行式直线运动，获得较大的输出位移。在压电驱动单元I(11)、压电驱动单元II(12)中的压电叠堆II(7)和压电叠堆IV(9)上分别加载同样电压，重复上述步骤，可以实现沿相反方向的爬行式大行程直线运动。
本发明涉及的一种伞型爬行式压电驱动平台，采用了压电叠堆作为驱动源及伞型柔性铰链机构作为动力传递元件，具有发热小、驱动平稳、可靠、高效的特点，并能实现爬行式大行程往返直线精密驱动。
Claims (6)
1.一种伞型爬行式压电驱动平台，包括两组相同的压电驱动单元，动子和底座。每组压电单元包括压电叠堆、伞型柔性铰链机构、预紧螺钉、预紧楔块、螺旋测微头，其特征在于：所述驱动平台通过两组压电驱动单元交替工作，利用伞型柔性铰链机构的寄生惯性原理实现微纳米级爬行式直线驱动。动子采用带有滑块的高精度直线导轨，导轨通过螺钉固定在底座上，可实现高精度的往返直线运动；伞型柔性铰链机构通过螺钉安装在底座上；压电叠堆安装于伞型柔性铰链机构内，可通过预紧楔块进行预紧；预紧螺钉和螺旋测微头可调节伞型柔性铰链机构与动子间的初始预紧力；所述精密驱动平台通过两组压电驱动单元交替工作，控制压电叠堆驱动伞型柔性铰链机构实现寄生惯性运动，进而驱动动子实现爬行式直线精密运动。
2.根据权利要求1所述的伞型爬行式压电驱动平台，其特征在于驱动平台通过两组压电驱动单元交替工作，利用伞型柔性铰链机构的寄生惯性运动实现爬行式直线驱动。
3.根据权利要求1所述的伞型爬行式压电驱动平台，其特征在于两组伞型柔性铰链机构可采用弹簧钢、高强度铝合金等材料制造，通过薄壁式柔性铰链连接成伞型。
4.根据权利要求1所述的伞型爬行式压电驱动平台，其特征在于动子可采用滚珠直线导轨、滚柱直线导轨、V型槽直线导轨、燕尾槽直线导轨等可实现往返直线运动的机构。
5.根据权利要求1所述的伞型爬行式压电驱动平台，其特征在于利用伞型柔性铰链机构的寄生惯性驱动原理，压电叠堆得电推动伞型柔性铰链机构做寄生惯性运动，产生两个方向的复合力，一个方向的力作为驱动力推动动子做直线运动；另一个方向的力作为预紧力使伞型柔性铰链机构顶紧动子，即伞型柔性铰链机构同时提供驱动力和预紧力。
6.根据权利要求1所述的伞型爬行式压电驱动平台，其特征在于采用两组锯齿波或三角波形式的压电信号控制压电叠堆，使压电叠堆缓慢伸长，推动伞型柔性铰链机构作寄生惯性运动，从而实现动子爬行式直线移动。
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