CN116667696A - 一种二维并联仿生压电驱动器及其激励方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于压电驱动技术领域，具体涉及一种二维并联仿生压电驱动器及其激励方法，包括底座导轨机构以及设置在所述底座导轨机构上的驱动机构和夹持机构；其中，所述夹持机构包括相互垂直的第一方向夹持子机构和第二方向夹持子机构；柔性反菱形零件和以及沿所述第二方向放置在所述柔性反菱形零件的驱动压电堆叠；所述第一方向夹持子机构内置第一方向夹持压电堆叠，所述第二方向夹持子机构内置第二方向夹持压电堆叠。本发明通过底座导轨机构、驱动机构和夹持机构的结构设计，控制作用于三个压电堆叠的激励电压信号的幅值和相位，使得二维并联仿生压电驱动器能够在平面的任意方向移动。

Description

一种二维并联仿生压电驱动器及其激励方法

技术领域

本发明属于压电驱动技术领域，具体涉及一种二维并联仿生压电驱动器及其激励方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

随着科学技术的发展，微纳米技术在微/纳操作、精密光学、生物医学、超精密加工制造、航空航天等诸多高尖端技术领域，微/纳米级别的定位驱动技术对驱动系统的行程、精度、负载等有着越来越高的要求。面向这些需求，具有精密驱动定位功能的各式各样新型驱动器被研制开发出来，相比于传统驱动器和其他类型的新式驱动器而言，压电驱动器具有结构紧凑、精度高、功耗低、噪声小、响应迅速、驱动力大和工作频率宽等诸多优点，这些优点使其十分适合在上述众多领域应用。

压电驱动器包括超声驱动器、惯性步进驱动器、尺蠖驱动器等等。超声驱动器作为一种新型驱动器，利用了压电陶瓷元件的逆压电效应，使弹性体产生超声波振动转化成电机输出的直线运动或旋转运动，可以达到很高的速度，但要使输出力和速度都很高仍是难点。惯性步进驱动器是利用动量定理，具有结构简单，响应速度快等优点，但此类压电驱动器的驱动力小，稳定性、精度和行程都相对不高。尺蠖驱动器，是从自然界尺蠖虫的运动方式中获得启发而开发的，在驱动机构和钳位机构的互相配合下输出连续的精密位移。与其他驱动器相比较，尺蠖驱动器有较大运动行程、响应快、定位精度高、承载能力强等优点；但是，大多数的尺蠖驱动器均是一维线性的，当需要多方向的运动时就需要将多个驱动器串联，造成成本过高、整体结构复杂、运动误差难以弥补等缺陷。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种二维并联仿生压电驱动器及其激励方法，通过底座导轨机构、驱动机构和夹持机构的结构设计，控制作用于三个压电堆叠的激励电压信号的幅值和相位，使得二维并联仿生压电驱动器能够在平面的任意方向移动。

根据一些实施例，本发明的第一方案提供了一种二维并联仿生压电驱动器，采用如下技术方案：

一种二维并联仿生压电驱动器，包括底座导轨机构以及设置在所述底座导轨机构上的驱动机构和夹持机构；其中，所述夹持机构包括相互垂直的第一方向夹持子机构和第二方向夹持子机构；柔性反菱形零件和以及沿所述第二方向放置在所述柔性反菱形零件的驱动压电堆叠；所述第一方向夹持子机构内置第一方向夹持压电堆叠，所述第二方向夹持子机构内置第二方向夹持压电堆叠。

作为进一步的技术限定，二维并联仿生压电驱动器还包括用于放置所述驱动机构和夹持机构的底座导轨机构，所述底座导轨机构包括基础底座以及设置在所述基础底座上的导轨和滑块。

进一步的，所述第一方向夹持子机构还包括第一方向安装板、第一方向夹持主动体、第一方向夹持被动体、辅助安装块、第一楔形块、第一预紧螺杆和开槽圆柱头螺钉；其中，所述第一方向安装板上开设有与所述开槽圆柱头螺钉相匹配的螺纹，通过开槽圆柱头螺钉固定在设置在第一方向上的滑块上；所述第一方向夹持主动体与第一方向夹持被动体分别通过开槽圆柱头螺钉固定在所述第一方向安装板的两侧。

进一步的，第二方向夹持子机构还包括第二方向安装板、第二方向夹持主动体、第二方向夹持被动体、第二方向夹持压电堆叠、第二楔形块、第二方向预紧螺杆和开槽圆柱头螺钉；其中，所述第二方向安装板上开设有与开槽圆柱头螺钉相匹配的螺纹，通过开槽圆柱头螺钉固定在设置在第二方向上的滑块上；所述第二方向夹持主动体与所述第二方向夹持被动分别通过开槽圆柱头螺钉固定在所述第二方向安装板的两侧。

作为进一步的技术限定，所述驱动机构还包括四个夹持块和开槽圆柱头螺钉；其中，两个所述夹持块在所述第一方向上通过螺钉固定在所述柔性反菱形零件的上方，两个所述夹持块在所述第二方向上通过螺钉固定在所述柔性反菱形零件的下方。

作为进一步的技术限定，所述驱动压电堆叠、所述第一方向夹持压电堆叠和所述第二方向夹持压电堆叠均未通电时，所述第一方向夹持子机构的一端处于常开状态，另一端处于常闭状态，使得驱动机构不能在所述第二方向上产生位移；所述第二方向夹持子机构的一端处于常开状态，另一端处于常闭状态，使得驱动机构不能在所述第一方向上产生位移。

根据一些实施例，本发明的第二方案提供了一种二维并联仿生压电驱动器的激励方法，采用了第一方案中所提供的二维并联仿生压电驱动器，采用如下技术方案：

一种二维并联仿生压电驱动器的激励方法，包括：

对所述驱动压电堆叠、所述第一方向夹持压电堆叠和所述第二方向夹持压电堆叠均施加低激励信号，第一方向上的第一钳位夹紧、第二钳位松开，第二方向上的第一钳位夹紧、第二钳位松开；

对第一方向夹持压电堆叠施加高激励电压信号，第二方向上的第一钳位夹紧、第二钳位松开；

保持第一方向夹持压电堆叠施加高激励电压信号，对驱动压电堆叠施加高激励电压信号，驱动压电堆叠伸长，驱动单元向下伸长，带动第一方向安装板沿导轨向下移动；

保持驱动压电堆叠施加高激励电压信号，对第一方向夹持压电堆叠施加低激励电压信号，第一方向夹持压电堆叠回缩，在第一方向上的第一钳位夹紧，第二钳位松开；

保持第一方向夹持压电堆叠施加低激励电压信号，即钳位不动，对驱动压电堆叠施加低激励电压信号，驱动压电堆叠缩短，驱动单元向下回缩，带动第一方向安装板沿导轨向下移动；

重复上述步骤，实现在第二方向向下运动的工作循环。

需要说明的是，在本实施例中，第一方向上的第一钳位为第一方向上左边的钳位位置，第二钳位为第一方向上右边的钳位位置；第二方向上的第一钳位为第二方向上上方的钳位位置，第二钳位为第二方向上下方的钳位位置。

作为进一步的技术限定，对第二方向夹持压电堆叠施加高激励电压信号，驱动压电堆叠伸长，第二方向上的第一钳位夹紧、第二钳位松开；保持第二方向夹持压电堆叠施加高激励电压信号，即钳位不动，对驱动压电堆叠施加高激励电压信号，驱动压电堆叠伸长，驱动单元伸长，带动第二方向安装板沿导轨向右移动。

作为进一步的技术限定，保持驱动压电堆叠施加高激励电压信号，对第二方向压电堆叠施加低激励电压信号，驱动压电堆叠回缩，第二方向上的第一钳位松开、第二钳位夹紧。

作为进一步的技术限定，保持第二方向压电堆叠施加低激励电压信号，即钳位不动，对驱动压电堆叠施加低激励电压信号，驱动压电堆叠缩短，驱动单元向右回缩，带动第二方向安装板沿导轨向右移动。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明整体采用零件装配的方式，零件便于加工制造，如有损坏可及时替换修复；具体的，采用三个压电堆叠即可实现两个自由度的并联运动，相比惯性驱动器，钳位装置能够保证大负载，累积微小步进的运动方式可以保证同时满足大行程和高精度条件；理论上能实现在平面任意方向的联合运动，填补了现有并联尺蠖驱动的研究空白；能够作为光学调姿装置、精密加工制造定位装置、微纳操作调控装置等。

附图说明

构成本实施例的一部分的说明书附图用来提供对本实施例的进一步理解，本实施例的示意性实施例及其说明用于解释本实施例，并不构成对本实施例的不当限定。

图1为本发明实施例一中的二维并联仿生压电驱动器的整体结构示意图；

图2为本发明实施例一中的二维并联仿生压电驱动器的驱动机构的机构示意图；

图3为本发明实施例一中的二维并联仿生压电驱动器的第一方向夹持子机构的结构示意图；

图4为本发明实施例一中的二维并联仿生压电驱动器的第二方向夹持子机构的结构示意图；

图5为本发明实施例一中的二维并联仿生压电驱动器的底座导轨机构的结构示意图；

图6为本发明实施例一中的二维并联仿生压电驱动器的驱动原理示意图；

图7为本发明实施例二中的二维并联仿生压电驱动器的激励信号示意图；

其中，1、驱动机构，101、驱动压电堆叠，102、柔性反菱形零件，103、夹持块，2、开槽圆柱头螺钉，3、第一方向夹持子机构，301、第一楔形块，302、第一预紧螺杆，303、辅助安装块，304、第一方向夹持主动体，305、第一方向夹持压电堆叠，306、第一方向安装板，307、第一方向夹持被动体，4、第二方向夹持子机构，401、第二楔形块，402、第二预紧螺杆，403、第二方向夹持被动体，404、第二方向夹持压电堆叠，405、第二方向安装板，406、第二方向夹持主动体，5、底座导轨机构，501、导轨，502、滑块，503、基础底座。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本实发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

本发明实施例一介绍了一种二维并联仿生压电驱动器。

如图1、图2、图3、图4和图5所示的二维并联仿生压电驱动器，包括底座导轨机构5、驱动机构1和夹持机构；其中，夹持机构包括相互垂直的第一方向夹持子机构3和第二方向夹持子机构4；在本实施例中，规定沿基础底座503的长边方向为第一方向。

下面，分别针对本实施例中的二维并联仿生压电驱动器的具体结构设置展开详细介绍。

在基础底座503的中心位置处，沿第一方向设置突出，沿第二方向设置凹槽，用于安装导轨501；沿着所设置的突出和凹槽，开设轴向螺纹孔，在所开设的轴向螺纹孔中，通过开槽圆柱头螺钉2安装导轨501，滑块502设置在导轨501上，且导轨501与滑块502在位置和尺寸上均相匹配。

本实施例中的底座导轨机构5包括一个基础底座503以及设置在基础底座503上的四个导轨、四个滑块502和十二个开槽圆柱头螺钉2。

在底座导轨机构5的中心位置处，设置有驱动机构1；具体的，驱动机构1包括一个柔性反菱形零件102、一个驱动压电堆叠101、四个夹持块103和八个开槽圆柱头螺钉2；其中，驱动压电堆叠101沿着第二方向放置在柔性反菱形零件102中，两个夹持块103在第一方向上通过螺钉固定在柔性反菱形零件102的上方，两个夹持块103在第二方向上通过螺钉固定在柔性反菱形零件102的下方。

夹持机构包括相互垂直的第一方向夹持子机构3和第二方向夹持子机构4；在本实施例中，规定沿基础底座503的长边方向为第一方向。

第一方向夹持子机构3包括一个第一方向安装板306、一个第一方向夹持主动体304、一个第一方向夹持被动体307、四个辅助安装块303、一个第一方向夹持压电堆叠305、四个第一楔形块301、两个第一预紧螺杆302和二十五个开槽圆柱头螺钉2；第一方向安装板306上切割有柔性结构，用于增加钳位的开合范围，并开有与开槽圆柱头螺钉2相匹配的螺纹，通过八个开槽圆柱头螺钉2固定在设置在第一方向上的滑块502上，第一方向夹持主动体304与第一方向夹持被动体307配合辅助安装块303分别通过开槽圆柱头螺钉2固定在第一方向安装板306的两侧，中间空隙与驱动机构1上方的夹持块103相配合。

第二方向夹持子机构4包括一个第二方向安装板405、一个第二方向夹持主动体406、一个第二方向夹持被动体403、一个第二方向夹持压电堆叠404、四个第二楔形块401、两个第二方向预紧螺杆402和十八个开槽圆柱头螺钉2；第二方向安装板405上切割有柔性结构，用于增加钳位的开合范围，并开有与开槽圆柱头螺钉2相匹配的螺纹，用八个开槽圆柱头螺钉2固定在设置在第二方向上的滑块502上，第二方向夹持主动体406与第二方向夹持被动体403分别用开槽圆柱头螺钉2固定在第二方向安装板405的两侧，中间空隙与驱动机构1下方的夹持块133相配合；第二方向夹持结构4中具体的安装方式与第一方向夹持子机构3相似。

在本实施例中，在驱动压电堆叠101、第一方向夹持压电堆叠305和第二方向夹持压电堆叠404均未通电的情况下，第一方向夹持子机构3的上端处于常开状态，其下端处于常闭状态，使得驱动机构1不能在第二方向上产生位移；第二方向夹持子机构4的右端处于常开状态，其左端处于常闭状态，使得驱动机构1不能在第一方向上产生位移。

如图6所示，本实施例对所述种二维并联仿生压电驱动器的驱动原理方案进行说明，通过箝位-驱动-箝位的原理，使驱动部分在一个工作循环内产生一个步进位移，进而实现连续位移。

驱动机构1通过所产生的驱动压电堆叠101产生第一方向和第二方向两个方向上的位移，配合第一方向夹持子机构3和第二方向夹持子机构4实现并联运动。在使用的过程中，基于一路激励电压信号，通过控制驱动机构1的驱动压电堆叠101控制驱动部分分别在第一方向和第二方向产生微小位移；利用第二路激励电压信号，通过控制第一方向上的第一方向夹持压电堆叠305控制第二方向上下两端的钳位开合；再利用第三路激励电压信号，通过控制第二方向上的第二方向夹持压电堆叠404控制第一方向左右两端的钳位开合；改变施加在驱动器驱动部分的两个压电堆叠的激励电压的大小，改变压电堆叠在激励电压作用下的伸长量，从而实现调整驱动结构1在一个工作循环的步进位移大小。

本发明整体采用零件装配的方式，零件便于加工制造，如有损坏可及时替换修复；具体的，采用三个压电堆叠即可实现两个自由度的并联运动，相比惯性驱动器，钳位装置能够保证大负载，累积微小步进的运动方式可以保证同时满足大行程和高精度条件。

实施例二

本发明实施例二基于实施例一所介绍的二维并联仿生压电驱动器的基础上，介绍了一种二维并联仿生压电驱动器的激励方法。

如图7所示的二维并联仿生压电驱动器的激励信号设计，包括：

对三个压电堆叠都施加低激励信号，此时：在第一方向上的第一钳位夹紧、第二钳位松开，在第二方向上的第一钳位夹紧、第二钳位松开；

对第一方向夹持压电堆叠施加高激励电压信号，压电堆叠伸长，经过桥式放大机构和杠杆放大机构将位移放大，第二方向上的第一钳位夹紧，第二钳位松开；

保持第一方向夹持压电堆叠施加高激励电压信号，即钳位不动，对驱动单元的压电堆叠施加高激励电压信号，压电堆叠伸长，驱动单元向下伸长，并带动第一方向的安装板沿导轨向下移动伸长量的1/2；

保持驱动压电堆叠施加高激励电压信号，对第一方向加持压电堆叠施加低激励电压信号，驱动压电堆叠回缩，在第一方向上的第一钳位夹紧，第二钳位松开；

保持第一方向夹持压电堆叠施加低激励电压信号，即钳位不动，对驱动压电堆叠施加低激励电压信号，驱动压电堆叠缩短，驱动单元向下回缩，并带动第一方向的安装板沿导轨向下移动伸长量的1/2；

重复上述步骤，实现在第二方向向下运动的一个工作循环。

作为一种或多种实施方式，对第二方向夹持压电堆叠施加高激励电压信号，压电堆叠伸长，经过桥式放大机构和杠杆放大机构将位移放大，第二方向上的第一钳位夹紧，第二钳位松开。

作为一种或多种实施方式，保持第二方向夹持压电堆叠施加高激励电压信号，即钳位不动，对驱动压电堆叠施加高激励电压信号，压电堆叠伸长，驱动单元向右伸长，并带动第二方向的安装板沿导轨向右移动伸长量的1/2。

作为一种或多种实施方式，保持驱动压电堆叠施加高激励电压信号，对第二方向夹持压电堆叠施加低激励电压信号，压电堆叠回缩，在第二方向上的第一钳位松开，第二钳位夹紧。

作为一种或多种实施方式，保持第二方向夹持压电堆叠施加低激励电压信号，即钳位不动，对驱动单元的压电堆叠施加低激励电压信号，压电堆叠缩短，驱动单元向右回缩，并带动第二方向的安装板沿导轨向右移动伸长量的1/2。

以上所述仅为本实施例的优选实施例而已，并不用于限制本实施例，对于本领域的技术人员来说，本实施例可以有各种更改和变化。凡在本实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实施例的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种二维并联仿生压电驱动器，其特征在于，包括底座导轨机构以及设置在所述底座导轨机构上的驱动机构和夹持机构；其中，所述夹持机构包括相互垂直的第一方向夹持子机构和第二方向夹持子机构；柔性反菱形零件和以及沿所述第二方向放置在所述柔性反菱形零件的驱动压电堆叠；所述第一方向夹持子机构内置第一方向夹持压电堆叠，所述第二方向夹持子机构内置第二方向夹持压电堆叠。

2.如权利要求1中所述的一种二维并联仿生压电驱动器，其特征在于，还包括用于放置所述驱动机构和夹持机构的底座导轨机构，所述底座导轨机构包括基础底座以及设置在所述基础底座上的导轨和滑块。

3.如权利要求2中所述的一种二维并联仿生压电驱动器，其特征在于，所述第一方向夹持子机构还包括第一方向安装板、第一方向夹持主动体、第一方向夹持被动体、辅助安装块、第一楔形块、第一预紧螺杆和开槽圆柱头螺钉；其中，所述第一方向安装板上开设有与所述开槽圆柱头螺钉相匹配的螺纹，通过开槽圆柱头螺钉固定在设置在第一方向上的滑块上；所述第一方向夹持主动体与第一方向夹持被动体分别通过开槽圆柱头螺钉固定在所述第一方向安装板的两侧。

4.如权利要求2中所述的一种二维并联仿生压电驱动器，其特征在于，第二方向夹持子机构还包括第二方向安装板、第二方向夹持主动体、第二方向夹持被动体、第二方向夹持压电堆叠、第二楔形块、第二方向预紧螺杆和开槽圆柱头螺钉；其中，所述第二方向安装板上开设有与开槽圆柱头螺钉相匹配的螺纹，通过开槽圆柱头螺钉固定在设置在第二方向上的滑块上；所述第二方向夹持主动体与所述第二方向夹持被动分别通过开槽圆柱头螺钉固定在所述第二方向安装板的两侧。

5.如权利要求1中所述的一种二维并联仿生压电驱动器，其特征在于，所述驱动机构还包括四个夹持块和开槽圆柱头螺钉；其中，两个所述夹持块在所述第一方向上通过螺钉固定在所述柔性反菱形零件的上方，两个所述夹持块在所述第二方向上通过螺钉固定在所述柔性反菱形零件的下方。

6.如权利要求1中所述的一种二维并联仿生压电驱动器，其特征在于，所述驱动压电堆叠、所述第一方向夹持压电堆叠和所述第二方向夹持压电堆叠均未通电时，所述第一方向夹持子机构的一端处于常开状态，另一端处于常闭状态，使得驱动机构不能在所述第二方向上产生位移；所述第二方向夹持子机构的一端处于常开状态，另一端处于常闭状态，使得驱动机构不能在所述第一方向上产生位移。

7.一种二维并联仿生压电驱动器的激励方法，采用了如权利要求1-6中任一项所述的二维并联仿生压电驱动器，其特征在于，包括：

对所述驱动压电堆叠、所述第一方向夹持压电堆叠和所述第二方向夹持压电堆叠均施加低激励信号，第一方向上的第一钳位夹紧、第二钳位松开，第二方向上的第一钳位夹紧、第二钳位松开；

对第一方向夹持压电堆叠施加高激励电压信号，第二方向上的第一钳位夹紧、第二钳位松开；

保持第一方向夹持压电堆叠施加高激励电压信号，对驱动压电堆叠施加高激励电压信号，驱动压电堆叠伸长，驱动单元向下伸长，带动第一方向安装板沿导轨向下移动；

保持驱动压电堆叠施加高激励电压信号，对第一方向夹持压电堆叠施加低激励电压信号，第一方向夹持压电堆叠回缩，在第一方向上的第一钳位夹紧，第二钳位松开；

保持第一方向夹持压电堆叠施加低激励电压信号，即钳位不动，对驱动压电堆叠施加低激励电压信号，驱动压电堆叠缩短，驱动单元向下回缩，带动第一方向安装板沿导轨向下移动；

重复上述步骤，实现在第二方向向下运动的工作循环。

8.如权利要求7中所述的一种二维并联仿生压电驱动器的激励方法，其特征在于，对第二方向夹持压电堆叠施加高激励电压信号，驱动压电堆叠伸长，第二方向上的第一钳位夹紧、第二钳位松开；保持第二方向夹持压电堆叠施加高激励电压信号，即钳位不动，对驱动压电堆叠施加高激励电压信号，驱动压电堆叠伸长，驱动单元伸长，带动第二方向安装板沿导轨向右移动。

9.如权利要求7中所述的一种二维并联仿生压电驱动器的激励方法，其特征在于，保持驱动压电堆叠施加高激励电压信号，对第二方向压电堆叠施加低激励电压信号，驱动压电堆叠回缩，第二方向上的第一钳位松开、第二钳位夹紧。

10.如权利要求7中所述的一种二维并联仿生压电驱动器的激励方法，其特征在于，保持第二方向压电堆叠施加低激励电压信号，即钳位不动，对驱动压电堆叠施加低激励电压信号，驱动压电堆叠缩短，驱动单元向右回缩，带动第二方向安装板沿导轨向右移动。