CN111130379A - 一种跨尺度压电驱动方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种跨尺度压电驱动方法与装置，装置包括两个柔性机构驱动单元、柔性机构运动单元和基体，所述柔性机构运动单元包括运动平台与两组直板式平行导向机构，所述运动平台的两侧端部分别与两组直板式平行导向机构的一端连接，两组直板式平行导向机构的另一端与基体固定连接，所述两个柔性机构驱动单元分别布置于所述运动平台的两侧。本发明以粘滑驱动实现大行程运动定位，同时以钳位驱动实现运动单元的小行程快速运动响应，在不改变结构构成的情况下，可同时实现大行程粘滑运动定位与小行程快速运动响应且运动精度高、稳定性好。
Description
技术领域
本发明属于精密工程技术领域，具体涉及一种跨尺度压电驱动方法与装置。
背景技术
随着精密测量、精密操纵等领域的发展，具有纳米级分辨率和毫米级行程的高精度纳米定位系统的应用需求逐渐增多。目前，主流的设计方式主要有：(1)压电驱动柔性导向机构，借助柔性放大机构以实现大行程的运动；(2)电磁力驱动柔性机构或静压导轨；(3)基于粘滑机制的尺蠖型驱动系统。
对于压电驱动柔性导向机构，得益于压电驱动器的独特性质，易于获得纳米甚至亚纳米运动分辨率，且通过合理设计结构的参数可获得数百甚至数千的工作频率。其缺点在于：常用压电的驱动行程较小，需采用多级放大机构来实现大行程运动；多级放大机构就带来了结构复杂，运动带宽低等固有缺点。电磁驱动可获得大行程的近似线性精密定位，但电磁系统的驱动力密度较低，难以实现高频运动。尺蠖型驱动借助于驱动单元与运动单元间的间歇性摩擦运动，实现驱动力的传递，可获得大行程精密定位能力，但是间歇性粘滑难以获得平滑运动，同时该驱动方式也使得系统难以实现高频快速运动。
为获得大行程的同时兼具快速纳米定位能力，一类复合宏微运动的驱动系统被提出，通常在大行程低频驱动单元上叠加压电驱动小行程高频响应驱动系统。但该类系统由于采用多个驱动及传感系统实现不同的功能，因而结构一般较复杂，且成本较高。同时，两级驱动系统存在着动力学耦合，容易引起系统的不稳定振动。
发明内容
本发明的目的在于提供一种兼具大行程、低频运动定位及小行程、高频运动响应的跨尺度压电驱动方法与装置。
本发明所采用的技术方案是：
一种跨尺度压电驱动装置，包括两个柔性机构驱动单元、柔性机构运动单元和基体，所述柔性机构运动单元包括运动平台与两组直板式平行导向机构，所述运动平台的两侧端部分别与两组直板式平行导向机构的一端连接，两组直板式平行导向机构的另一端与基体固定连接，所述两个柔性机构驱动单元分别布置于所述运动平台的两侧。
优选地，每个柔性机构驱动单元包括压电驱动器、双平行导向机构、斜式柔性驱动单元和柔性机构驱动单元本体，所述双平行导向机构包括驱动块和多个直圆铰链，所述多个直圆铰链分为上下两组，每组包括数量相同的至少一个直圆铰链，每个直圆铰链的一端与柔性机构驱动单元本体连接、另一端与驱动块连接，压电驱动器位于驱动块的后部且二者具有一定间隙a，驱动块的前端与斜式柔性驱动单元的后端下侧连接，斜式柔性驱动单元的前端上侧与所述运动平台的侧部相对设置且斜式柔性驱动单元的前端上侧与运动平台的侧部具有一间隙b，所述间隙b小于柔性机构驱动单元的行程。
优选地，所述直圆铰链的数量为四个，上下两组直圆铰链分别包括两个直圆铰链。
优选地，两个柔性机构驱动单元对称布置于所述运动平台的两侧。
根据上述所述的跨尺度压电驱动装置的驱动方法，所述柔性机构驱动单元包括多个运动周期，设第一个柔性机构驱动单元的压电驱动器为第一压电驱动器，另一个柔性机构驱动单元的压电驱动器为第二压电驱动器，其中第k个运动周期tk，tk+，分为以下四步：
步骤1:tk，0-tk，1时间段，第一压电驱动器的驱动电压逐渐减小，对运动平台的驱动力逐渐降低，第二压电驱动器的驱动电压逐渐增大，对运动平台的驱动力逐渐增大，tk，0-tk，1时间段是第一压电驱动器实现运动平台的驱动运动，推动运动平台向前运动一个小位移Δx1，第二压电驱动器弥补与运动平台的间隙后对运动平台缓慢施加驱动力，在tk，1时刻，两个压电驱动器的驱动电压相等；
步骤2:tk，1-tk，2时间段，第一压电驱动器的驱动电压继续逐渐减小，对运动平台的驱动力继续降低，第二压电驱动器的驱动电压继续逐渐增大，对运动平台的驱动力逐渐增大，这个时间段是第二压电驱动器实现运动平台的驱动运动，推动运动平台向前运动一个小位移Δx2，第一压电驱动器对运动平台的驱动力减小至消除并恢复与运动平台的间隙，在tk，2时刻，第一压电驱动器与运动平台间的间隙最大且第二压电驱动器对运动平台的驱动力最大；
步骤3:tk，2-tk，3时间段，第二压电驱动器的驱动电压逐渐减小，对运动平台的驱动力逐渐降低，第一压电驱动器的驱动电压逐渐增大，对运动平台的驱动力逐渐增大，这个时间段是第二压电驱动器实现运动平台的驱动运动，推动运动平台向前运动一个小位移Δx3，第一压电驱动器弥补与运动平台的间隙后对运动平台缓慢施加驱动力，在tk，3时刻，两个压电驱动器的驱动电压相等；
步骤4:tk，3-tk+1，0时间段，第二压电驱动器的驱动电压继续逐渐减小，对运动平台的驱动力继续降低，第一压电驱动器的驱动电压继续逐渐增大，对运动平台的驱动力逐渐增大，这个时间段是第一压电驱动器实现运动平台的驱动运动，推动运动平台向前运动一个小位移Δx4，第二压电驱动器对运动平台的驱动力减小至消除并恢复与运动平台的间隙，在tk+1，0时刻，第二压电驱动器与运动平台间的间隙最大且第一压电驱动器对运动平台的驱动力最大，第k个运动周期对运动平台的驱动位移为Δx1+Δx2+Δx3+Δx4；
重复步骤1至步骤4，完成多个运动周期的驱动，运动平台的总前进位移由多个运动周期对运动平台的驱动位移之和。
相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)在不改变结构构成的情况下，可同时实现大行程粘滑运动定位与小行程快速运动响应且运动精度高、稳定性好；(2)本发明装置结构设计简单紧凑，成本低。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
图1是跨尺度压电驱动装置的结构示意图。
图2是柔性机构驱动单元示意图。
图3是柔性机构运动单元示意图。
图4是大行程粘滑运动压电驱动器驱动电压示意图。
图5是斜式柔性驱动单元变形示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
结合图1-3，一种跨尺度压电驱动装置，包括两个柔性机构驱动单元2、柔性机构运动单元3和基体4，所述柔性机构运动单元3包括运动平台8与两组直板式平行导向机构7，所述运动平台8的两侧端部分别与两组直板式平行导向机构7的一端连接，两组直板式平行导向机构7的另一端与基体4固定连接，所述两个柔性机构驱动单元2分别布置于所述运动平台8的两侧。
结合图2-3，每个柔性机构驱动单元2包括压电驱动器1、双平行导向机构5、斜式柔性驱动单元6和柔性机构驱动单元本体，所述双平行导向机构5包括驱动块5-1和多个直圆铰链5-2，所述多个直圆铰链5-2分为上下两组，每组包括数量相同的至少一个直圆铰链5-2，每个直圆铰链5-2的一端与柔性机构驱动单元本体连接、另一端与驱动块5-1连接，压电驱动器1位于驱动块5-1的后部且二者具有一定间隙a，驱动块5-1的前端与斜式柔性驱动单元6的后端下侧连接，斜式柔性驱动单元6(如图5所示)的前端上侧与所述运动平台8的侧部相对设置且斜式柔性驱动单元6的前端上侧与运动平台8的侧部具有一间隙b，所述间隙b小于柔性机构驱动单元2的行程。
优选地，所述直圆铰链5-2的数量为四个，上下两组直圆铰链5-2分别包括两个直圆铰链5-2。
优选地，两个柔性机构驱动单元2对称布置于所述运动平台8的两侧。
无论是对于低频、大行程或高频、小行程运动，所述的柔性机构运动单元的运动平台能够在运动方向上进行往复运动。对于低频、大行程运动，柔性机构驱动单元在压电伸长到某一点过程中，柔性机构驱动单元末端与柔性机构运动单元运动平台接触，在斜式柔性驱动单元作用下在末端产生沿平台运动方向的驱动力，进而靠摩擦力驱动平台沿垂直于压电伸长方向的运动。在撤除压电驱动之后，运动平台在其直板式双平行导向机构的支撑与导向作用下可回复至初始位置。
结合图4驱动电压示意图，大行程、低频运动控制过程如下：
柔性机构驱动单元驱动的第k个运动周期(tk，0-tk+1，0)可分为以下四步：
步骤1:tk，0-tk，1时间段，柔性机构驱动单元的压电驱动器1(PEA1)的驱动电压逐渐减小，对运动平台的驱动力逐渐降低，压电驱动器2(PEA2)的驱动电压逐渐增大，对运动平台的驱动力逐渐增大，这个时间段是PEA1实现运动平台的驱动运动，推动运动平台向前运动一个小位移Δx1，PEA2弥补与运动平台的间隙后对运动平台缓慢施加驱动力，在tk，1时刻，两个压电驱动器的驱动电压相等。
步骤2:tk，1-tk，2时间段，柔性机构驱动单元的压电驱动器1(PEA1)的驱动电压继续逐渐减小，对运动平台的驱动力继续降低，压电驱动器2(PEA2)的驱动电压继续逐渐增大，对运动平台的驱动力逐渐增大，这个时间段是PEA2实现运动平台的驱动运动，推动运动平台向前运动一个小位移Δx2，PEA1对运动平台的驱动力减小至消除并恢复与运动平台的间隙，在tk，2时刻，PEA1与运动平台间的间隙最大且PEA2对运动平台的驱动力最大。
步骤3:tk，2-tk，3时间段，柔性机构驱动单元的压电驱动器2(PEA2)的驱动电压逐渐减小，对运动平台的驱动力逐渐降低，压电驱动器1(PEA1)的驱动电压逐渐增大，对运动平台的驱动力逐渐增大，这个时间段是PEA2实现运动平台的驱动运动，推动运动平台向前运动一个小位移Δx3，PEA1弥补与运动平台的间隙后对运动平台缓慢施加驱动力，在tk，3时刻，两个压电驱动器的驱动电压相等。
步骤4:tk，3-tk+1，0时间段，柔性机构驱动单元的压电驱动器2(PEA2)的驱动电压继续逐渐减小，对运动平台的驱动力继续降低，压电驱动器1(PEA1)的驱动电压继续逐渐增大，对运动平台的驱动力逐渐增大，这个时间段是PEA1实现运动平台的驱动运动，推动运动平台向前运动一个小位移Δx4，PEA2对运动平台的驱动力减小至消除并恢复与运动平台的间隙，在tk+1，0时刻，PEA2与运动平台间的间隙最大且PEA1对运动平台的驱动力最大，第k个运动周期对运动平台8的驱动位移为Δx1+Δx2+Δx3+Δx4。
从理论上讲，通过重复步骤1至步骤4，所提出的微/纳米定位系统可以有无限的行程，但它受限制于运动平台的长度与直板式双平行导向机构的柔度。运动平台的总前进位移由多个运动周期对运动平台的驱动位移之和。
在两侧压电驱动器都撤去驱动力后，运动平台在直板式双平行导向机构作用下会回到运动平台的原始位置。为了控制回程运动平缓，PEA1和PEA2得到一个比向前运动小一点的驱动力(防止斜式柔性驱动单元的变形),所以斜式柔性驱动单元不能向前推动运动平台,而是与运动平台保持贴合以获得一个预期可控的回程运动。
小行程、高频运动控制过程如下：
该过程中，两个柔性机构驱动单元同步驱动夹紧运动平台，在斜式柔性驱动单元作用下产生沿平台运动方向的驱动力驱动平台运动。此时，柔性机构驱动单元与柔性机构运动单元可以看成是一个整体，进而实现与传统压电驱动柔性机构相似的高频运动。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种跨尺度压电驱动装置，其特征在于，包括两个柔性机构驱动单元(2)、柔性机构运动单元(3)和基体(4)，所述柔性机构运动单元(3)包括运动平台(8)与两组直板式平行导向机构(7)，所述运动平台(8)的两侧端部分别与两组直板式平行导向机构(7)的一端连接，两组直板式平行导向机构(7)的另一端与基体(4)固定连接，所述两个柔性机构驱动单元(2)分别布置于所述运动平台(8)的两侧。
2.根据权利要求1所述的跨尺度压电驱动装置，其特征在于，每个柔性机构驱动单元(2)包括压电驱动器(1)、双平行导向机构(5)、斜式柔性驱动单元(6)和柔性机构驱动单元本体，所述双平行导向机构(5)包括驱动块(5-1)和多个直圆铰链(5-2)，所述多个直圆铰链(5-2)分为上下两组，每组包括数量相同的至少一个直圆铰链(5-2)，每个直圆铰链(5-2)的一端与柔性机构驱动单元本体连接、另一端与驱动块(5-1)连接，压电驱动器(1)位于驱动块(5-1)的后部且二者具有一定间隙a，驱动块(5-1)的前端与斜式柔性驱动单元(6)的后端下侧连接，斜式柔性驱动单元(6)的前端上侧与所述运动平台(8)的侧部相对设置且斜式柔性驱动单元(6)的前端上侧与运动平台(8)的侧部具有一间隙b，所述间隙b小于柔性机构驱动单元(2)的行程。
3.根据权利要求2所述的跨尺度压电驱动装置，其特征在于，所述直圆铰链(5-2)的数量为四个，上下两组直圆铰链(5-2)分别包括两个直圆铰链(5-2)。
4.根据权利要求2所述的跨尺度压电驱动装置，其特征在于，两个柔性机构驱动单元(2)对称布置于所述运动平台(8)的两侧。
5.根据权利要求2-4任一项所述的跨尺度压电驱动装置的驱动方法，其特征在于，所述柔性机构驱动单元(2)包括多个运动周期，设第一个柔性机构驱动单元(2)的压电驱动器(1)为第一压电驱动器，另一个柔性机构驱动单元(2)的压电驱动器(1)为第二压电驱动器，其中第k个运动周期(tk，0-tk+1，0)分为以下四步：
步骤1:tk，0-tk，1时间段，第一压电驱动器的驱动电压逐渐减小，对运动平台(8)的驱动力逐渐降低，第二压电驱动器的驱动电压逐渐增大，对运动平台(8)的驱动力逐渐增大，tk，0-tk，1时间段是第一压电驱动器实现运动平台(8)的驱动运动，推动运动平台(8)向前运动一个小位移Δx1，第二压电驱动器弥补与运动平台(8)的间隙后对运动平台(8)缓慢施加驱动力，在tk，1时刻，两个压电驱动器的驱动电压相等；
步骤2:tk，1-tk，2时间段，第一压电驱动器的驱动电压继续逐渐减小，对运动平台(8)的驱动力继续降低，第二压电驱动器的驱动电压继续逐渐增大，对运动平台(8)的驱动力逐渐增大，这个时间段是第二压电驱动器实现运动平台(8)的驱动运动，推动运动平台(8)向前运动一个小位移Δx2，第一压电驱动器对运动平台(8)的驱动力减小至消除并恢复与运动平台(8)的间隙，在tk，2时刻，第一压电驱动器与运动平台(8)间的间隙最大且第二压电驱动器对运动平台(8)的驱动力最大；
步骤3:tk，2-tk，3时间段，第二压电驱动器的驱动电压逐渐减小，对运动平台(8)的驱动力逐渐降低，第一压电驱动器的驱动电压逐渐增大，对运动平台(8)的驱动力逐渐增大，这个时间段是第二压电驱动器实现运动平台(8)的驱动运动，推动运动平台(8)向前运动一个小位移Δx3，第一压电驱动器弥补与运动平台(8)的间隙后对运动平台(8)缓慢施加驱动力，在tk，3时刻，两个压电驱动器的驱动电压相等；
步骤4:tk，3-tk+1，0时间段，第二压电驱动器的驱动电压继续逐渐减小，对运动平台(8)的驱动力继续降低，第一压电驱动器的驱动电压继续逐渐增大，对运动平台(8)的驱动力逐渐增大，这个时间段是第一压电驱动器实现运动平台(8)的驱动运动，推动运动平台(8)向前运动一个小位移Δx4，第二压电驱动器对运动平台(8)的驱动力减小至消除并恢复与运动平台(8)的间隙，在tk+1，0时刻，第二压电驱动器与运动平台(8)间的间隙最大且第一压电驱动器对运动平台(8)的驱动力最大，第k个运动周期对运动平台(8)的驱动位移为Δx1+Δx2+Δx3+Δx4；
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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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