CN104742099A - 一种自行式平面三自由度压电驱动平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自行式平面三自由度压电驱动平台，包括驱动元件、动平台和静平台。所述驱动元件包括4个直线运动压电驱动器，每个驱动器在其对称中心均设有通孔；所述动平台为侧面中心设置有螺纹孔的正方形平板，4个联接螺栓通过螺纹孔配合将4个直线运动压电驱动器分别联接在动平台的四个侧面；所述静平台依据驱动器的性能参数制定，作为驱动器的工作平面。对直线运动压电驱动器施加特定的激励信号可实现双向直线运动；通过组合4个压电叠堆驱动器的直线运动，可实现平台在平面内的二自由度直线运动和绕轴线的旋转运动。本发明构建的平面三自由度驱动平台，具有结构简单、精度高、行程大、负载高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种驱动定位装置，属于压电精密驱动技术领域，具体是一种自行式平面三自由度压电驱动平台。
背景技术
随着精密工程的迅速发展，现代制造领域对精密运动平台的精度、速度和行程提出了越来越高的要求，其定位精度和行程范围直接影响到生产加工的精度和广度。传统的运动平台主要由电磁型旋转电机驱动，这种驱动方式技术工艺成熟、性能稳定,但是不可避免地存在着较多的中间运动转换环节和弹性变形,使得平台的实时性较差，可实现的直线运动的定位精度或速度较低。另外,由于电机本身基于电磁效应的工作原理,不可避免的会对工作环境带来电磁干扰。压电驱动器从定位精度、响应速度等方面而言均具有明显的优势，基于压电驱动器开发的多自由度定位平台研究已成为近年来的热点,然而依据不同压电驱动器构建的运动平台目前仍然存在许多不足：以超声电机为代表的共振式压电驱动器对电压频率、定子结构尺寸非常敏感，批量化生产难以保证平台性能和稳定性的一致性；传统尺蠖型等非共振式压电驱动器精度在很大程度上依赖于导向机构的加工精度，此外驱动器的结构设计比较复杂，难以构建多自由度运动平台；压电微位移平台虽然具有机构简单，可控性好，精度高的优点，但其行程一般在 以下，很难实现大行程。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，是针对前述背景技术的缺陷和不足，设计一种自行式平面三自由度压电驱动平台，实现平面三自由度大行程高精度的定位要求。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种自行式平面三自由度压电驱动平台，包括驱动元件、动平台8以及静平台7；所述驱动元件包括若干个直线运动压电驱动器9，直线运动压电驱动器9放置在静平台7上，且所述直线运动压电驱动器9成对对称设置；所述动平台8固定连接在直线运动压电驱动器9的中间位置，静平台7依据驱动器的性能参数制定，作为直线运动压驱动器9的工作平面。
每个直线运动压电驱动器9在其中心处均设有通孔，所述动平台8为带侧面且侧面中心设置有螺纹孔的平板，直线运动压电驱动器9通过连接螺栓10连接在动平台8的侧面。
所述驱动元件包括四个直线运动压电驱动器9，所述动平台8为矩形带侧面的平板，每个侧面上对应设有一个直线运动压电驱动器9，直线运动压电驱动器9两两对称。
所述直线运动压电驱动器9包括弹性元件1、导向棒2、压电叠堆5、预紧楔块、预紧螺栓6；
所述弹性元件1包括一根水平梁，该水平梁连接五根齿柱，其中，有两根齿柱位于水平梁的上侧，三根齿柱位于水平梁下侧作为该直线运动压电驱动器9的运动足作用在静平台7上；
每两根齿柱与水平梁形成一个空槽，该空槽中设置压电叠堆5、预紧装置及导向棒2；所述压电叠堆5设置在两组预紧装置之间；
所述预紧装置包括两组相向设置的预紧楔块，每组预紧楔块包括通过预紧螺栓6连接的上楔块和下楔块，通过所述预紧螺栓6调节施加在压电叠堆5上的预紧力；两组预紧楔块相对的面上设有矩形槽，用于夹装压电叠堆5，上、下楔块间通过斜面配合；
在所述预紧装置和弹性元件1接触面的对应位置开有凹槽，所述导向棒2装配在凹槽中，在预紧时自动调整接触面的角度，避免在驱动过程中因两接触面不平行而产生剪切力破坏压电叠堆5。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明具有以下特点：本发明的驱动元件是一种新型的仿生式压电驱动器，该驱动器利用压电叠堆激励的非共振振动模式产生弹性元件运动足的有序运动来实现驱动器的双向直线运动，舍弃了传统尺蠖型压电驱动器的箝位机构及导向机构，既能保持非共振式压电驱动器的优点，又消除了传统尺蠖型压电驱动器因箝位机构及导向机构带来的缺陷，使得本发明的平面三自由度驱动平台，具有结构简单、精度高、行程大、负载高等优点，可实现三自由度大行程高精度的定位目标。
对直线运动压电驱动器内压电叠堆施加有序的激励信号，使弹性元件的三个运动足产生类似毛虫行走的有序运动，从而实现驱动器在静平台上的双向直线运动；通过组合对边两个压电驱动器的同步同向直线运动可以实现平台在平面内的二自由度直线运动；组合对边两个压电驱动器的同步反向直线运动可以实现平台在平面内绕轴线的旋转运动；四个压电驱动器的同步直线运动方向构成逆时针或顺时针可以实现平台在平面内绕轴线的旋转运动。
附图说明
图1是本发明所述平面三自由度压电驱动平台的结构示意图；
图2是本发明所述直线运动压电驱动器的结构示意图；
图3是本发明所述弹性元件的结构示意图；
图4是本发明所述预紧楔块与所述预紧螺栓的连接示意图；
图5是本发明所述预紧楔块的预紧原理图；
图6是本发明所述直线运动压电驱动器的步进原理图；
图7是本发明所述直线运动压电驱动器的信号图；
图8是本发明所述平面三自由度压电驱动平台实现平移运动工作示意图；
图9是本发明所述平面三自由度压电驱动平台实现旋转运动工作示意图；
其中：1-弹性元件，2-导向棒，3-下楔块，4-上楔块，5-压电叠堆，6-预紧螺栓，7-静平台，8-动平台，9-直线运动压电驱动器，10-联接螺栓。
具体实施方式
本发明提供一种自行式平面三自由度压电驱动平台，为使本发明的目的，技术方案及效果更加清楚，明确，以及参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：
如图1所示，本发明的一种自行式平面三自由度压电驱动平台，包括驱动元件、动平台以及静平台。其特征在于：所述驱动元件包括4个直线运动压电驱动器，每个直线运动压电驱动器在其对称中心均设有通孔；所述动平台为一四侧面中心具有螺纹孔的正方形平板，4个螺栓通过孔配合将4个直线运动压电驱动器分别联接安装在动平台的四个侧面；所述静平台依据驱动器的性能参数制定，作为驱动器的工作平面。
如图2-5所示，所述直线运动压电驱动器包括弹性元件、导向棒、压电叠堆、预紧楔块、预紧螺栓；所述弹性元件具有五根齿柱和一根水平梁，五根齿柱形成的三个空槽各设置一个压电叠堆、预紧装置及导向棒，水平梁下方的齿柱作为运动足作用在静平台上；所述压电叠堆设置在两组预紧楔块之间，并通过预紧螺栓调节施加在压电叠堆上的预紧力；所述预紧楔块由具有螺纹孔的上楔块和具有槽的下楔块通过斜面配合组成；所述预紧楔块由具有螺纹孔的上楔块和具有槽的下楔块通过斜面配合组成，所述预紧螺栓联接上楔块和下楔块进行配合，通过调节预紧螺栓以调节预紧楔块的相对位置来提供压电叠堆所需的预压力；所述导向棒装配在预紧装置和弹性元件凹槽之间，可在预紧时自动调整接触面的角度，避免在驱动过程中因两接触面不平行而产生剪切力破坏压电叠堆。
如图6、图7所示，是本发明所述直线运动压电驱动器的一种可行信号图及其步进原理图。本发明旨在仿照毛虫运动的特点设计一种直线运动压电驱动器，一般毛虫具有多对足，但其运动都具有相似性：总是有一对足作为运动足在做竖直和水平方向的运动，而其他足作为支撑足始终接触地面，并借与地面的静摩擦力使得自身在运动过程中不打滑从而出现回程现象。本发明正是基于毛虫这些运动特点设计的，根据驱动器在一个周期内的步进运动特点，设计了三个压电叠堆的激励信号。如图6所示，一个信号周期T被分为5t，对应于驱动器在一个周期内的五个工作过程，每段时间t内均对应驱动器的一个工作过程。现结合图6仅以驱动器的一个步进运动周期来说明本发明的步进原理。一个完整的步进运动周期如下：在第一个t内，激励右侧压电叠堆处于伸长状态，其余压电叠堆处于不工作状态，从而驱动弹性元件右侧的运动足作竖直向上和水平向右的运动；在第二个t内，保持右侧压电叠堆伸长状态不变，激励中间压电叠堆处于伸长状态，左侧压电叠堆处于不工作状态，从而驱动弹性元件中间运动足作竖直向上的运动，同时通过重力作用使弹性元件右侧运动足作竖直向下的运动；在第三个t内，保持中间压电叠堆伸长状态不变，激励左侧压电叠堆伸长的同时使右侧压电叠堆缩短至不工作状态，从而驱动弹性元件中间运动足作水平向右的运动；在第四个t内，保持左侧压电叠堆伸长状态不变，卸载中间压电叠堆激励信号使中间压电叠堆和右侧压电叠堆处于不工作状态，从而驱动弹性元件中间运动足作竖直向下的运动，同时通过重力作用使弹性元件做侧运动足做竖直向上的运动；在第五个t内，卸载左侧压电叠堆激励信号，使所有压电叠堆均处于不工作状态，从而驱动弹性元件左侧运动足作竖直向下和水平向右的运动。综合以上工作过程，弹性元件三个运动足从右到左有序的作了水平向右的运动，这段位移量即为驱动器的步距。同理可得，通过改变激励三个压电叠堆的时序关系，可以使得弹性元件三个运动足从左到右有序的作水平向左的运动。
如图8所示，是本发明所述平面三自由度压电驱动平台实现平移运动的工作方式示意图。通过组合对边两个直线运动压电驱动器的同步同向运动可以实现驱动平台的平移运动，结合图8，仅以平行于x轴的两个驱动器的组合运动加以说明：两个驱动器同步沿x轴正方向运动，则驱动平台整体向x轴正方向作平移运动；两个驱动器同步沿x轴负方向运动，则驱动平台整体向x轴负方向作平移运动。同理平行于y轴的两个驱动器同步同向的组合运动可以使得驱动平台整体向y轴作平移运动。
如图9所示，是本发明所述平面三自由度压电驱动平台实现旋转运动的工作方式示意图。通过组合对边两个直线运动压电驱动器的同步反向运动可以实现驱动平台的平移运动，结合图9，仅以平行于x轴的两个驱动器的组合运动加以说明：两个驱动器同步沿x轴方向运动且二者运动方向成顺时针，则驱动平台整体绕z轴在xoy平面内作顺时针转动；两个驱动器同步沿x轴方向运动且二者运动方向成逆时针，则驱动平台整体绕z轴在xoy平面内作逆时针转动。同理平行于y轴的两个驱动器同步反向的组合运动可以使得驱动平台整体绕z轴作旋转运动。此外，当四个压电驱动器的同步直线运动方向构成逆时针或顺时针也可以实现平台在平面内绕z轴的旋转运动。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (4)
1.一种自行式平面三自由度压电驱动平台，其特征在于：包括驱动元件、动平台（8）以及静平台（7）；所述驱动元件包括若干个直线运动压电驱动器（9），直线运动压电驱动器（9）放置在静平台（7）上，且所述直线运动压电驱动器（9）成对对称设置；所述动平台（8）固定连接在直线运动压电驱动器（9）的中间位置，静平台（7）依据驱动器的性能参数制定，作为直线运动压驱动器（9）的工作平面。
2.根据权利要求1所述的一种自行式平面三自由度压电驱动平台，其特征在于：每个直线运动压电驱动器（9）在其中心处均设有通孔，所述动平台（8）为带侧面且侧面中心设置有螺纹孔的平板，直线运动压电驱动器（9通过连接螺栓（10）连接在动平台（8）的侧面。
3.根据权利要求2所述的一种自行式平面三自由度压电驱动平台，其特征在于：所述驱动元件包括四个直线运动压电驱动器（9），所述动平台（8）为矩形带侧面的平板，每个侧面上对应设有一个直线运动压电驱动器（9），直线运动压电驱动器（9）两两对称。
4.根据权利要求1至3所述的任意一种自行式平面三自由度压电驱动平台，其特征在于：所述直线运动压电驱动器（9）包括弹性元件（1）、导向棒（2）、压电叠堆（5）、预紧楔块、预紧螺栓（6）；
所述弹性元件（1）包括一根水平梁，该水平梁连接五根齿柱，其中，有两根齿柱位于水平梁的上侧，三根齿柱位于水平梁下侧作为该直线运动压电驱动器（9）的运动足作用在静平台（7）上；
每两根齿柱与水平梁形成一个空槽，该空槽中设置压电叠堆（5）、预紧装置及导向棒（2）；所述压电叠堆（5）设置在两组预紧装置之间；
所述预紧装置包括两组相向设置的预紧楔块，每组预紧楔块包括通过预紧螺栓（6）连接的上楔块和下楔块，通过所述预紧螺栓（6）调节施加在压电叠堆（5）上的预紧力；两组预紧楔块相对的面上设有矩形槽，用于夹装压电叠堆（5），上、下楔块间通过斜面配合；
在所述预紧装置和弹性元件（1）接触面的对应位置开有凹槽，所述导向棒（2）装配在凹槽中，在预紧时自动调整接触面的角度，避免在驱动过程中因两接触面不平行而产生剪切力破坏压电叠堆（5）。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |