CN204539001U - 压电驱动/锁紧式往复步进驱动平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种压电驱动/锁紧式往复步进驱动平台，属于精密驱动技术领域。主要由精密驱动与锁紧单元Ⅰ、Ⅱ，往复步进单元和支撑座构成。其中，精密驱动与锁紧单元Ⅰ、Ⅱ分别由驱动压电叠堆、锁紧压电叠堆和组合柔性铰链等构成，利用压电叠堆的逆压电效应，通过锁紧压电叠堆，实现组合柔性铰链与运动平台的锁紧，通过驱动压电叠堆和组合柔性铰链，实现运动平台的跨尺度精密步进运动；往复步进单元由运动平台与两个精密滚动导轨构成，以保证平台的平稳运动和承载能力。本实用新型能够实现跨尺度精密步进运动与锁紧，具有三种工作模式，且结构简单、元器件少、便于加工和装配，可用于材料原位力学性能测试、精密光学和微小机器人等领域。

Description

压电驱动/锁紧式往复步进驱动平台

技术领域

本实用新型涉及精密驱动技术领域，特别涉及一种压电驱动/锁紧式往复步进驱动平台。本实用新型能够实现跨尺度双向精密步进运动与锁紧，具有三种工作模式，可用于高精密驱动、材料原位力学性能测试、精密光学和微小机器人等领域的微定位、微操作等。

背景技术

近年来，纳米定位技术受到了研究人员的广泛关注，已取得了长足的发展，并广泛应用于精密光学、生物医学工程、材料原位力学性能测试、航空航天等重要工程领域。随着纳米操作技术需求的不断增大，具有纳米级运动精度和毫米级运动行程的跨尺度定位技术，成为了成为纳米定位技术领域的研究热门。

目前，跨尺度定位主要采用宏微混合式驱动、压电超声马达驱动、粘滑式驱动和压电尺蠖式驱动这四种方式。其中，宏微混合式驱动的回程误差和整体尺寸较大，不便于集成，且整体定位时控制较复杂；压电超声马达驱动驱动力较小，尺寸较大，结构不够紧凑；粘滑式驱动受压电驱动机理的制约工作中存在无法克服的后冲现象，严重影响了平台的运动精度和可靠性；压电尺蠖式驱动具有行程大，驱动方式稳定，驱动力大等优点，同时也存在机构复杂、尺寸较大、整体刚度差、加工困难、成本过高等缺点，严重限制了其在生产实际中的应用。因此，设计一种结构简单紧凑、便于加工、承载能力高的跨尺度超精密驱动平台显得尤为必要和迫切。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种压电驱动/锁紧式往复步进驱动平台，在压电叠堆的时序控制下，具有三种工作模式，可实现双向精密步进运动，进行跨尺度定位和锁紧，解决现有技术中存在的机构复杂、尺寸较大、整体刚度差、加工困难、成本过高等问题。

本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现：

压电驱动/锁紧式往复步进驱动平台，包括精密驱动与锁紧单元Ⅰ、Ⅱ，往复步进单元和支撑座10，所述精密驱动与锁紧单元Ⅰ、Ⅱ与支撑座10通过螺纹连接固定，所述往复步进单元安装在支撑座10上；通过锁紧压电叠堆Ⅰ、Ⅱ5、13，将组合柔性铰链Ⅰ、Ⅱ7、1与运动平台4锁紧；并通过驱动压电叠堆Ⅰ、Ⅱ8、2和组合柔性铰链Ⅰ、Ⅱ7、1，实现运动平台4的正、反向跨尺度精密步进运动。

所述的精密驱动与锁紧单元Ⅰ由组合柔性铰链Ⅰ7、锁紧压电叠堆Ⅰ5、驱动压电叠堆Ⅰ8、预紧螺钉Ⅰa、Ⅰb9、6组成，所述的精密驱动与锁紧单元Ⅱ由组合柔性铰链Ⅱ1、锁紧压电叠堆Ⅱ13、驱动压电叠堆Ⅱ2、预紧螺钉Ⅱa、Ⅱb14、3组成，通过预紧螺钉Ⅰa、Ⅰb、Ⅱa、Ⅱb9、6、14、3分别对驱动压电叠堆Ⅰ8、锁紧压电叠堆Ⅰ5、驱动压电叠堆Ⅱ2、锁紧压电叠堆Ⅱ13进行初始预紧；通过锁紧压电叠堆Ⅰ5或锁紧压电叠堆Ⅱ13驱动组合柔性铰链Ⅰ7或组合柔性铰链Ⅱ1伸长，并与运动平台4接触，实现运动平台4的锁紧；通过驱动压电叠堆Ⅰ8或驱动压电叠堆Ⅱ2的伸长与缩短，驱动组合柔性铰链Ⅰ7或组合柔性铰链Ⅱ1，带动运动平台4作步进式精密运动。

所述的往复步进单元安装于支撑座10上，呈对称的凸字形布置，由运动平台4、精密滚动导轨Ⅰ11、精密滚动导轨Ⅱ12组成，运动平台4通过精密滚动导轨Ⅰ、Ⅱ11、12安装在支撑座10上，通过精密滚动导轨Ⅰ、Ⅱ11、12做导向支撑，具有较高的承载能力和稳定性。

所述的支撑座10为中心对称的凹型结构，为其它单元提供安装支撑；其上的条形凸台为精密滚动导轨Ⅰ、Ⅱ11、12的安装提供定位基准。

所述的精密驱动与锁紧单元Ⅰ、Ⅱ采用中心对称布置，集锁紧与驱动于一体，运动平台4的运动行程由精密滚动导轨Ⅰ、Ⅱ11、12的长度决定，通过适当选择导轨长度，可获得跨尺度精密运动。

所述的组合柔性铰链Ⅰ、Ⅱ7、1均为一体式柔性铰链，包含驱动铰链a和锁紧铰链b；驱动铰链a用以步进驱动，为三排直角柔性铰链，具有较高的运动灵敏度和足够的刚度，以保证运动精度；锁紧铰链b为单排直角柔性铰链，用以实现与运动平台4的锁紧。

所述的锁紧压电叠堆Ⅰ、Ⅱ5、13、驱动压电叠堆Ⅰ、Ⅱ8、2通过对时序电压控制实现锁紧与步进驱动。

本实用新型的有益效果在于：结构简单，加工件少，并且加工方便；集成度高，总体尺寸较小；利用两个相同结构、不同布置形式的精密驱动与锁紧单元，通过采用不同的时序控制方式，可以获得三种工作模式，实现双向跨尺度步进运动与锁紧，且安装方便、美观；采用两支精密滚动导轨进行支撑导向，运动平稳、可靠，刚度高，承载能力强。本实用新型克服了传统跨尺度运动平台结构复杂、尺寸较大、整体刚度差、加工困难、成本过高等问题，可用于高精密驱动、材料原位力学性能测试、精密光学和微小机器人等领域的微定位、微操作等，投资少，收益高，具有广阔的应用前景。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。

图1为本实用新型的轴测图；

图2为本实用新型的主视图；

图3为本实用新型的俯视图；

图4为本实用新型的左视图；

图5为本实用新型的精密驱动与锁紧单元的轴测图；

图6为本实用新型的精密驱动与锁紧单元的示意图；

图7为图6的A-A剖视示意图；

图8为本实用新型的支撑平台的轴测图；

图9为控制时序一；

图10为控制时序二；

图11为控制时序三；

图12为控制时序四；

图13为工作模式一的工作原理图；

图14为工作模式二的工作原理图（以正、反向运动Ⅰ为例）；

图15为工作模式三的工作原理图。

图中：1.组合柔性铰链Ⅱ；2.驱动压电叠堆Ⅱ；3.预紧螺钉Ⅱb；4.运动平台；5.锁紧压电叠堆Ⅰ；6.预紧螺钉Ⅰb；7.组合柔性铰链Ⅰ；8.驱动压电叠堆Ⅰ；9.预紧螺钉Ⅰa；10.支撑座；11.精密滚动导轨Ⅰ；12.精密滚动导轨Ⅱ；13.锁紧压电叠堆Ⅱ；14.预紧螺钉Ⅱa。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本实用新型的详细内容及其具体实施方式。

参见图1至图8所示，本实用新型的压电驱动/锁紧式往复步进驱动平台，主要由精密驱动与锁紧单元Ⅰ、Ⅱ，往复步进单元和支撑座10构成；通过锁紧压电叠堆Ⅰ、Ⅱ5、13，将组合柔性铰链Ⅰ、Ⅱ7、1与运动平台4锁紧；并通过驱动压电叠堆Ⅰ、Ⅱ8、2和组合柔性铰链Ⅰ、Ⅱ7、1，实现运动平台4的正、反向跨尺度精密步进运动。

参见图1、图5至图7所示，所述的精密驱动与锁紧单元Ⅰ由组合柔性铰链Ⅰ7、锁紧压电叠堆Ⅰ5、驱动压电叠堆Ⅰ8、预紧螺钉Ⅰa、Ⅰb 9、6组成。该单元通过螺纹连接与支撑座10固定；其中预紧螺钉Ⅰa、Ⅰb 9、6分别用于对驱动压电叠堆Ⅰ8、锁紧压电叠堆Ⅰ5进行初始预紧；组合柔性铰链Ⅰ7为一体式柔性铰链，包含驱动铰链a和锁紧铰链b，驱动铰链a用以步进驱动，为三排直角柔性铰链，具有较高的运动灵敏度和足够的刚度，以保证运动精度；锁紧铰链b为单排直角柔性铰链，用以实现与运动平台4的锁紧。该单元通过对锁紧压电叠堆Ⅰ、Ⅱ5、13、驱动压电叠堆Ⅰ、Ⅱ8、2的时序电压控制实现锁紧与步进驱动。通过锁紧压电叠堆Ⅰ5驱动组合柔性铰链Ⅰ7伸长，并与运动平台4接触，实现运动平台4的锁紧；通过驱动压电叠堆Ⅰ8的伸长与缩短，驱动组合柔性铰链Ⅰ7，带动运动平台4运动，按照相应的时序控制算法，即可实现平台的双向精密步进运动，并可实现平台运动到指定位置的锁紧。该单元集锁紧与驱动于一体，精密驱动与锁紧单元Ⅰ、Ⅱ采用中心对称布置。

所述的精密驱动与锁紧单元Ⅱ由组合柔性铰链Ⅱ1、锁紧压电叠堆Ⅱ13、驱动压电叠堆Ⅱ2、预紧螺钉Ⅱa、Ⅱb 14、3组成。该单元的结构和运动方式与精密驱动与锁紧单元Ⅰ相同。

参见图1、图2所示，所述的往复步进单元由运动平台4、精密滚动导轨Ⅰ11、精密滚动导轨Ⅱ12组成。该单元安装于支撑座10上，呈对称的凸字形布置，采用两支精密滚动导轨做导向支撑，具有较高的承载能力和稳定性。其中，运动平台4的运动行程由导轨长度决定，通过适当选择导轨长度，可获得跨尺度精密运动。

参见图8所示，所述的支撑座10为中心对称的凹型结构，为其它单元提供安装支撑；其上的条形凸台为精密滚动导轨Ⅰ、Ⅱ11、12的安装提供定位基准。

本实用新型所述的压电驱动/锁紧式往复步进驱动方法，按照不同的时序控制算法，具有三种工作模式，实现双向精密步进运动，并实现平台运动到指定位置的锁紧。其中，工作模式一的正向、反向步进运动采用相同的时序控制方式，由两个精密驱动与锁紧单元分别实现，实现简单，并可实现模块化；工作模式二的正向、反向步进运动采用不同的时序控制方式，任一精密驱动与锁紧单元均可独立实现正向、反向步进运动，可靠性较高；工作模式三的正向、反向步进运动采用不同的时序控制方式，每个运动均由两个精密驱动与锁紧单元共同完成，避免了输出运动产生偏摆，同时，具有较高的驱动能力，稳定性较好。

参见图1至图15所示，本实用新型采用不同的时序控制算法，可以获得三种不同的工作模式，以梯形时序信号为例，具体工作过程如下：

初始状态：驱动压电叠堆Ⅰ、Ⅱ8、2，锁紧压电叠堆Ⅰ、Ⅱ5、13均不带电，系统处于自由状态，此时运动平台4处于游动状态。

模式一：正、反向步进采用相同的时序控制方式，由两个精密驱动与锁紧单元分别完成。

正向运动（控制时序一，参见图9、图13）：当t1时刻到来时，锁紧压电叠堆Ⅰ5通电，由于逆压电效应而伸长，驱动并将组合柔性铰链Ⅰ7与运动平台4锁紧；锁紧完毕后，t2时刻到来，驱动压电叠堆Ⅰ8通电伸长，驱动组合柔性铰链Ⅰ7伸长，由于铰链与运动平台4已达到锁紧状态，故铰链的伸长会带动运动平台4一起运动一个步距；之后，t3时刻到来，锁紧压电叠堆Ⅰ5电压逐渐减小并缩短，组合柔性铰链Ⅰ7与运动平台4脱离接触，将其释放；待完全释放后，在t4时刻，驱动压电叠堆Ⅰ8电压逐渐减小，组合柔性铰链Ⅰ7由于弹性而回弹，并回复到初始位置；至t5时刻，便完成了一个步进周期。如此连续时序通电，便可实现运动平台4的正向精密步进。

反向运动（控制时序一，参见图9、图13）：将上述正向运动中的锁紧压电叠堆Ⅰ5、驱动压电叠堆Ⅰ8、组合柔性铰链Ⅰ7替换成锁紧压电叠堆Ⅱ13、驱动压电叠堆Ⅱ2、组合柔性铰链Ⅱ1，仍按照相同的时序通电控制，即可获得运动平台4的反向精密步进。

模式二：正、反向步进采用不同的时序控制方式，任一精密驱动与锁紧单元均可完成。

正向运动Ⅰ（控制时序一，参见图9、图14）：由精密驱动与锁紧单元Ⅰ实现，其控制过程与模式一中正向运动的控制过程相同，不再赘述。

反向运动Ⅰ（控制时序二，参见图10、图14）：由精密驱动与锁紧单元Ⅰ实现：当t1时刻到来时，驱动压电叠堆Ⅰ8通电伸长，驱动组合柔性铰链Ⅰ7伸长；之后，t2时刻到来，锁紧压电叠堆Ⅰ5通电，由于逆压电效应而伸长，驱动并将组合柔性铰链Ⅰ7与运动平台4锁紧；锁紧完毕后，t3时刻到来，驱动压电叠堆Ⅰ8电压逐渐减小，组合柔性铰链Ⅰ7由于弹性而回弹，由于铰链与运动平台4已达到锁紧状态，故铰链的伸长会带动运动平台4一起运动一个步距；此时，t4时刻到来，锁紧压电叠堆Ⅰ5电压逐渐减小并缩短，组合柔性铰链Ⅰ7与运动平台4脱离接触，将其释放；待完全释放后，至t5时刻，便完成了一个步进周期。如此连续时序通电，便可实现运动平台4的反向精密步进。

正向运动Ⅱ（控制时序二，参见图10）：由精密驱动与锁紧单元Ⅱ实现，参考模式二中反向运动Ⅰ的控制过程，只需将锁紧压电叠堆Ⅰ5、驱动压电叠堆Ⅰ8、组合柔性铰链Ⅰ7替换成锁紧压电叠堆Ⅱ13、驱动压电叠堆Ⅱ2、组合柔性铰链Ⅱ1，仍按照相同的时序通电控制即可实现。

反向运动Ⅱ（控制时序一，参见图9）：由精密驱动与锁紧单元Ⅱ实现，其控制过程与模式一中反向运动的控制过程相同，不再赘述。

模式三：正、反向步进采用不同的时序控制方式，由两个精密驱动与锁紧单元共同完成。

正向运动（控制时序三，参见图11、图15）：当t1时刻到来时，驱动压电叠堆Ⅱ2通电伸长，驱动组合柔性铰链Ⅱ1伸长；之后，t2时刻到来，锁紧压电叠堆Ⅰ、Ⅱ5、13通电，由于逆压电效应而伸长，驱动并将组合柔性铰链Ⅰ、Ⅱ7、1同时与运动平台4锁紧；锁紧完毕后，t3时刻到来，驱动压电叠堆Ⅰ8通电伸长，驱动组合柔性铰链Ⅰ7伸长，与此同时，驱动压电叠堆Ⅱ2电压逐渐减小，组合柔性铰链Ⅱ1由于弹性而回弹，由于组合柔性铰链Ⅰ、Ⅱ7、1与运动平台4都已达到锁紧状态，故二者会共同带动运动平台4一起运动一个步距；之后，t4时刻到来，锁紧压电叠堆Ⅰ、Ⅱ5、13电压逐渐减小并缩短，组合柔性铰链Ⅰ、Ⅱ7、1与运动平台4脱离接触，将其释放；待完全释放后，在t5时刻，驱动压电叠堆Ⅰ8电压逐渐减小，组合柔性铰链Ⅰ7由于弹性而回弹，并回复到初始位置；至t6时刻，便完成了一个步进周期。如此连续时序通电，便可实现运动平台4的正向精密步进。

反向运动（控制时序四，参见图11、图14）：其控制过程与正向运动的控制过程相似，当t1时刻到来时，驱动压电叠堆Ⅰ8通电伸长，驱动组合柔性铰链Ⅰ7伸长；之后，t2时刻到来，锁紧压电叠堆Ⅰ、Ⅱ5、13通电，由于逆压电效应而伸长，驱动并将组合柔性铰链Ⅰ、Ⅱ7、1同时与运动平台4锁紧；锁紧完毕后，t3时刻到来，驱动压电叠堆Ⅱ2通电伸长，驱动组合柔性铰链Ⅱ1伸长，与此同时，驱动压电叠堆Ⅰ8电压逐渐减小，组合柔性铰链Ⅰ7由于弹性而回弹，由于组合柔性铰链Ⅰ、Ⅱ7、1与运动平台4都已达到锁紧状态，故二者会共同带动运动平台4一起运动一个步距；之后，t4时刻到来，锁紧压电叠堆Ⅰ、Ⅱ5、13电压逐渐减小并缩短，组合柔性铰链Ⅰ、Ⅱ7、1与运动平台4脱离接触，将其释放；待完全释放后，在t5时刻，驱动压电叠堆Ⅱ2电压逐渐减小，组合柔性铰链Ⅱ1由于弹性而回弹，并回复到初始位置；至t6时刻，便完成了一个步进周期。如此连续时序通电，便可实现运动平台4的反向精密步进。

锁紧：当运动平台4运动到指定位置时，锁紧压电叠堆Ⅰ5、锁紧压电叠堆Ⅱ13同时通电伸长，即可实现可靠的锁紧。

相比而言，模式一采用一种时序控制算法进行控制，实现正、反向精密步进，较为简便，并且正、向精密步进由两个精密驱动与锁紧单元分别完成，能够实现模块化；模式二采用两种时序控制算法进行控制，实现正、反向精密步进，任一精密驱动与锁紧单元均可完成正向和反向精密步进工作，可靠性较高；模式三采用两种不同的时序控制方式，由两个精密驱动与锁紧单元共同完成正、反向精密步进，避免了输出运动产生偏摆，同时，具有较高的驱动能力，稳定性较好。

以上所述仅为本实用新型的优选实例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡对本实用新型所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种压电驱动/锁紧式往复步进驱动平台，其特征在于：包括精密驱动与锁紧单元Ⅰ、Ⅱ，往复步进单元和支撑座（10），所述精密驱动与锁紧单元Ⅰ、Ⅱ与支撑座（10）通过螺纹连接固定，所述往复步进单元安装在支撑座（10）上；通过锁紧压电叠堆Ⅰ、Ⅱ（5、13），将组合柔性铰链Ⅰ、Ⅱ（7、1）与运动平台（4）锁紧；并通过驱动压电叠堆Ⅰ、Ⅱ（8、2）和组合柔性铰链Ⅰ、Ⅱ（7、1），实现运动平台（4）的正、反向跨尺度精密步进运动。

2.根据权利要求1所述的压电驱动/锁紧式往复步进驱动平台，其特征在于：所述的精密驱动与锁紧单元Ⅰ由组合柔性铰链Ⅰ（7）、锁紧压电叠堆Ⅰ（5）、驱动压电叠堆Ⅰ（8）、预紧螺钉Ⅰa、Ⅰb（9、6）组成，所述的精密驱动与锁紧单元Ⅱ由组合柔性铰链Ⅱ（1）、锁紧压电叠堆Ⅱ（13）、驱动压电叠堆Ⅱ（2）、预紧螺钉Ⅱa、Ⅱb（14、3）组成，通过预紧螺钉Ⅰa、Ⅰb、Ⅱa、Ⅱb（9、6、14、3）分别对驱动压电叠堆Ⅰ（8）、锁紧压电叠堆Ⅰ（5）、驱动压电叠堆Ⅱ（2）、锁紧压电叠堆Ⅱ（13）进行初始预紧；通过锁紧压电叠堆Ⅰ（5）或锁紧压电叠堆Ⅱ（13）驱动组合柔性铰链Ⅰ（7）或组合柔性铰链Ⅱ（1）伸长，并与运动平台（4）接触，实现运动平台（4）的锁紧；通过驱动压电叠堆Ⅰ（8）或驱动压电叠堆Ⅱ（2）的伸长与缩短，驱动组合柔性铰链Ⅰ（7）或组合柔性铰链Ⅱ（1），带动运动平台（4）作步进式精密运动。

3.根据权利要求1所述的压电驱动/锁紧式往复步进驱动平台，其特征在于：所述的往复步进单元安装于支撑座（10）上，呈对称的凸字形布置，由运动平台（4）、精密滚动导轨Ⅰ（11）、精密滚动导轨Ⅱ（12）组成，运动平台（4）通过精密滚动导轨Ⅰ、Ⅱ（11、12）安装在支撑座（10）上，通过精密滚动导轨Ⅰ、Ⅱ（11、12）做导向支撑，具有较高的承载能力和稳定性。

4.根据权利要求1或3所述的压电驱动/锁紧式往复步进驱动平台，其特征在于：所述的支撑座（10）为中心对称的凹型结构；其上的条形凸台为精密滚动导轨Ⅰ、Ⅱ（11、12）的安装提供定位基准。

5.根据权利要求1所述的压电驱动/锁紧式往复步进驱动平台，其特征在于：所述的精密驱动与锁紧单元Ⅰ、Ⅱ采用中心对称布置，集锁紧与驱动于一体，运动平台（4）的运动行程由精密滚动导轨Ⅰ、Ⅱ（11、12）的长度决定。

6.根据权利要求1所述的压电驱动/锁紧式往复步进驱动平台，其特征在于：所述的组合柔性铰链Ⅰ、Ⅱ（7、1）均为一体式柔性铰链，包含驱动铰链（a）和锁紧铰链（b）；驱动铰链（a）用以步进驱动，为三排直角柔性铰链；锁紧铰链（b）为单排直角柔性铰链，用以实现与运动平台（4）的锁紧。

7.根据权利要求1所述的压电驱动/锁紧式往复步进驱动平台，其特征在于：所述的锁紧压电叠堆Ⅰ、Ⅱ（5、13）、驱动压电叠堆Ⅰ、Ⅱ（8、2）通过对时序电压控制实现锁紧与步进驱动。