CN111964647A - 一种基于模态驱动方法的调平装置及其调平方法 - Google Patents

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刘欢
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Abstract

本发明设计了一种基于模态驱动方法的调平装置，主要包括驱动模块、调平模块、支撑结构。驱动模块主要由蜂窝形压电驱动器103和压电陶瓷403组成。调平模块主要由超声电机202、调平杆301、导杆203和无线倾角传感器105组成；支撑结构104用做对蜂窝形压电驱动器及超声电机进行固定。本发明所设计的调平装置使用压电驱动器驱动，驱动原理采用压电陶瓷的逆压电效应；调平装置的精度高达纳米级，具有工作状态噪音小、基本无误差的优点，适用于微纳米芯片的装配平台。

Description

一种基于模态驱动方法的调平装置及其调平方法
技术领域
本发明涉及一种基于模态驱动方法的调平装置。
背景技术
调平装置是自动调平系统调平特性,在机械中起到调节平衡作用的机械结构。随着科技的发展，对工作设备精度的要求越来越高，因此，各种调整测量水平的仪器应用也越来越广泛，在桥梁架设、铁路铺设迁木工程、石油钻井、航空航海、工业自动化、智能平台和机械加工等重要领域成为了一种不可或缺的工具。大部分的调平装置采用的电机驱动。在进行微纳芯片装配的平台上可能达不到精度要求。
微流控芯片是指在一块几平方厘米的芯片上采用微加工技术制作微沟道、微泵、微阀、微混合腔室和微反应分析腔室等单元集成的微器件。在进行装配时需要对其零部件准确地操纵、定位、组装，因此对其操作平台的精度要求就特别高。本发明设计了一种使用模态驱动方法的微纳芯片装配平台的调平装置，其精度能达到纳米级别，具有工作状态噪音小、基本无误差的优点。
发明内容
本发明设计了一种基于模态驱动方法的调平装置，其精度能达到纳米级别，具有工作状态噪音小、基本无误差的优点。
实现上述目的，该发明设计了如下结构；主要包括驱动模块、调平模块、支撑结构。驱动模块主要包括蜂窝结构压电驱动器、压电陶瓷等；调平模块主要包括调平杆、纵弯组合超声电机、导杆等。驱动模块的五片压电陶瓷通过使用粘结剂设置在蜂窝形压电驱动器的五个孔的内壁上。调平模块的导杆由纵弯组合超声电机驱动。
在驱动器的中心均匀分布五个螺孔，与支撑结构中的五根支撑杆采用螺纹结构连接；在驱动器的五个六边形孔径内部贴近驱动器中心的那一侧分别放置一片压电陶瓷；五个导轨为半圆形导轨，分别开在每两个六边形孔径的中间薄壁上。
当激励电压为A伏时，301、303调平杆会产生Z方向的位移；当激励电压为B伏时，302、304调平杆会产生Z方向的位移；当激励电压为C伏时，301、305调平杆会产生Z方向的位移；使得五个调平杆产生Z方向的位移；再根据实际情况，调节导杆的位置以调节调平杆在Z方向的位移。
调平模块主要由导杆、调平杆、纵弯组合的超声电机组成，导杆放置在驱动模块的导轨中，通过超声电机的驱动使其在导轨内滑动；将调平杆安装到导杆的靠近蜂窝型压电驱动器外侧的位置，超声电机由支撑结构的支撑杆固定，超声电机位于导杆初始位置的末端，超声电机的驱动足位于导杆的正上方且与导杆相切。
当调平装置进行工作时，工作步骤如下：
首先，根据实际情况对驱动模块中的蜂窝型压电驱动其进行对应的模态驱动。使其带动对应的调平杆进行一个Z方向的位移。
其次，通过无线倾角传感器确定被调平的工作平台在该方向的位移偏差。
最后，使用超声电机对导杆位置进行调整以调整该方向的位移。
附图说明
图1位调平装置整体结构图，其中：被调平的平台101、调平杆102、蜂窝结构压电驱动器103、支撑架104、无线倾角传感器105.
图2为调平装置的内部结构图，其中：蜂窝型压电驱动器固定孔201、超声电机202、导杆203、超声电机固定机构204.
图3为五根调平杆的位置图。
图4为蜂窝型压电驱动器结构图，其中：导轨401、固定孔402、压电陶瓷403.
图5为配平装置工作流程图。
图6为调平模块位置变化示意图。其中：A为蜂窝型压电驱动器的初始位置，B为蜂窝型压电驱动器被激励后的位置，C为支撑板，D为支撑杆，E为导杆的初始位置，F为调平完成后导杆的位置；a0为导杆的长度，a1为导杆的末端到导轨的尖端的距离；l0为蜂窝形压电驱动器初始位置到支撑板的距离，l1为蜂窝型压电驱动器被激励后的位置到支撑板得到距离；α为某一方向的导轨在水平位置与其偏离水平位置时的夹角；d为需要调整的方向位移。
具体实施方式
本发明主要包括驱动模块、调平模块、支撑结构。驱动模块主要包括蜂窝结构压电驱动器、压电陶瓷等；调平模块主要包括调平杆、纵弯组合超声电机、导杆等。驱动模块的五片压电陶瓷通过使用粘结剂设置在蜂窝形压电驱动器的五个孔的内壁上。调平模块的导杆由纵弯组合超声电机驱动。
通过工作平台上的无线倾角传感器测得需要调整的角度，角度由五根调平杆在Z方向的位移进行调整。
首先，通过五个无线倾角传感器测得五个方向的角度α，α为某一方向的导轨在水平位置与其偏离水平位置时的夹角，导轨的长度为L，那么在该方向需要调整的Z方向位移
Figure BDA0002654924970000031
蜂窝形压电驱动器由五根支撑杆固定，采用螺纹连接结构，在驱动器的中心均匀分布五个螺孔，分别与五根支撑杆的外螺纹连接；在驱动器的五个六边形孔径内部贴近驱动器中心的那一侧分别放置一片压电陶瓷；五个导轨为半圆形导轨，分别开在每两个六边形孔径的中间薄壁上。
通过对压电陶瓷施加不同的激励电压，激励其固有模态，当激励电压为A伏时，调平杆301、303会产生Z方向的位移；当激励电压为B伏时，调平杆302、304会产生Z方向的位移；当激励电压为C伏时，调平杆301、305会产生Z方向的位移；使得五个调平杆产生Z方向的位移；再根据实际情况，调节导杆的位置以调节调平杆在Z方向的位移。
其次，对压电陶瓷施加交流电信号，其在五根导轨方向的最大位移为s。
在驱动器上有五条半圆形截面的导轨，导杆放置在驱动模块的导轨中，通过超声电机的驱动使其在导轨内滑动；将调平杆安装到导杆的靠近蜂窝型压电驱动器外侧的位置，超声电机由支撑结构的支撑杆固定，超声电机位于导杆初始位置的末端，超声电机的驱动足位于导杆的正上方且与导杆相切。
再次，根据第一步就算所得d，得出导杆在导轨中需要移动的距离为
Figure BDA0002654924970000041
将第一步所得d带入
Figure BDA0002654924970000042
通过改变调平杆在压电驱动器上的位置获得在Z方向上相应的位移。
最后，对超声电机施加电信号使其对导杆进行驱动，到达指定位置时，通过传感器监测，若任一方向的α＝180，则调平成功。

Claims (5)

1.一种基于模态驱动方法的调平装置及其调平方法，其特征在于：主要包括驱动模块、调平模块、支撑结构。驱动模块主要包括蜂窝结构压电驱动器103、压电陶瓷403等；调平模块主要包括调平杆301、纵弯组合超声电机202、导杆203和无线倾角传感器105等。驱动模块的五片压电陶瓷通过使用粘结剂设置在蜂窝形压电驱动器的五个孔的内壁上。调平模块的导杆由纵弯组合超声电机驱动。
2.根据权利要求1所述的一种基于模态驱动方法的调平装置的驱动模块，其特征在于：在驱动器的中心均匀分布五个螺孔，与支撑结构中的五根支撑杆采用螺纹结构连接；在驱动器的五个六边形孔径内部贴近驱动器中心的那一侧分别放置一片压电陶瓷；五个导轨为半圆形导轨，分别开在每两个六边形孔径的中间薄壁上。
3.根据权利要求1所述的一种基于模态驱动方法的调平装置的调平模块，其特征在于：主要由导杆、调平杆、纵弯组合的超声电机组成，导杆放置在驱动模块的导轨401中，通过超声电机的驱动使其在导轨内滑动；将调平杆安装到导杆的靠近蜂窝型压电驱动器外侧的位置，超声电机由支撑结构的支撑杆固定在导杆初始位置的末端，超声电机的驱动足位于导杆的正上方且与导杆相切。
4.根据权利要求2所述的驱动模块，其特征在于:压电驱动器的原理是逆压电效应，将电能转化为机械能；当激励电压为A伏时，301、303调平杆会产生Z方向的位移；当激励电压为B伏时，302、304调平杆会产生Z方向的位移；当激励电压为C伏时，301、305调平杆会产生Z方向的位移；使得五个调平杆产生Z方向的位移；再根据实际情况，调节导杆的位置以调节调平杆在Z方向的位移。
5.一种基于模态驱动方法的调平方法，其步骤如下：
第一步，通过五个无线倾角传感器测得五个方向的角度α，α为某一方向的导轨在水平位置与其偏离水平位置时的夹角，那么在该方向需要调整的Z方向位移
Figure FDA0002654924960000011
其中d为需要调整的方向位移，L为导轨长度。
第二步，对压电陶瓷施加交流电信号，其在五根导轨方向的最大位移为S。
S＝l1-l0
其中l0为蜂窝型压电驱动器初始位置到支撑板的距离，l1为蜂窝型压电驱动器被激励后到支撑板的距离。
第三步，根据第一步就算所得d，得出导杆在导轨中需要移动的距离为
Figure FDA0002654924960000021
将第一步所得d带入
Figure FDA0002654924960000022
其中：S为导轨最大位移，l杆为导杆需要在导轨中滑动的距离，d为需要调整的方向位移，L为导轨长度，α为某一方向的导轨在水平位置与其偏离水平位置时的夹角。
第四步，对超声电机施加电信号使其对导杆进行驱动，到达指定位置时，通过传感器监测，若任一方向的α＝180，则调平成功。
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