CN107786120A - 具有宏微混合运动特性的压电旋转定位平台与控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有宏微混合运动特性的压电旋转定位平台与控制方法，属于精密机械领域。该平台包括基础单元、驱动单元和动子单元。两组驱动单元安装在基础单元底座的左右两侧，且其安装位置可在不同的螺纹孔位置间进行调节。动子单元通过过盈配合安装在基础单元的轴承内。动子单元的转盘与驱动单元的半球形接触件之间的间隙通过预紧螺钉实现微调节。该平台的控制方法通过连续锯齿驱动波形实现连续旋转运动；通过线性驱动波形实现小范围精密运动；通过二者耦合驱动实现大行程、高精度宏微混合旋转定位。优点在于：结构简单、紧凑，加工、装配方便，在精密光学、精密加工、显微操作、微夹持、微观力学性能测试等领域具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及精密机械领域，特别涉及一种具有宏微混合运动特性的压电旋转定位平台与控制方法，可用于精密光学、精密加工、显微操作、微夹持、微观力学性能测试等领域实现宏微混合精密定位。
背景技术
精密线性和旋转定位平台在科学界和工业界有广泛的应用和需求，如原子力显微镜、精密/超精密加工、光学校准/校直、微夹持、微纳米力学测试等。在逆压电效应的作用下，压电元件在驱动电压作用下会伸长输出微小位移。基于该效应，研究人员利用压电驱动元件设计了不同原理和结构的定位平台，典型的有压电直驱式、柔性结构放大式、惯性式、粘滑式和尺蠖仿生式等定位平台。然而，目前大多数压电精密定位平台是针对直线运动设计的，仅有少部分可实现一定的旋转运动。如文献（Sensors and Actuators A: Physical,2013, 194: 269-276）中，利用尺蠖仿生原理设计了一款压电旋转定位平台，然而，其结构、加工、装配和控制均十分复杂，限制了其实际应用。文献（Review of ScientificInstruments, 2013, 84: 096105）利用单一压电元件基于寄生运动原理设计了一款压电旋转定位平台，虽然其结构相比尺蠖式的简单许多，但是存在较为显著的回退运动，需进一步改进设计。文献（Sensors and Actuators A: Physical, 2016, 251: 179-187）报道了一款惯性式压电旋转定位平台，但是其回退运动较大，且承载能力有限。综上，可以看出，研制具有结构和控制简单、宏微混合驱动能力、承载能力大等实用性能指标的压电旋转定位平台依然是一个难点，也是急迫需要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有宏微混合运动特性的压电旋转定位平台与控制方法，解决了现有技术存在的上述问题。本发明的具有宏微混合运动特性的压电旋转定位平台结构简单，而且通过调节驱动单元的安装位置可方便地实现输出性能调节；此外，其控制亦简单，通过锯齿驱动波形可方便地实现连续旋转运动，用于大行程定位，耦合线性驱动波形可实现小范围精密定位，为大行程、高精度宏微混合旋转定位提供一种可用方案。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
具有宏微混合运动特性的压电旋转定位平台，包括基础单元、驱动单元和动子单元三部分，所述驱动单元通过螺钉8与基础单元的底座1连接，动子单元通过过盈配合与基础单元的轴承2连接。
所述的基础单元由底座1和轴承2组成；所述轴承2通过过盈配合安装在底座1的中心孔内；所述底座1上分布有多排螺纹孔，驱动单元安装在不同的螺纹孔位置实现输出性能调节。
所述的驱动单元包含结构相同的x正向驱动单元和x负向驱动单元两组，分别通过螺钉安装在基础单元的底座1左右两侧，且在底座1上的安装位置可在不同的螺纹孔位置间进行调节；所述x正向驱动单元由半球形接触件4、x正向压电叠堆5、楔块6、x正向柔性铰链7和x正向预紧螺钉10组成；所述半球形接触件4通过固体胶粘贴在x正向柔性铰链7的输出端上；所述x正向压电叠堆5通过楔块6安装在x正向柔性铰链7的凹槽内；所述x正向预紧螺钉10通过改变其拧入底座1的长度，来微动调节x正向柔性铰链7沿着z向的变形，进而实现半球形接触件4与动子单元中转盘9的间隙调节。
所述的动子单元包含过渡连接杆3和转盘9，所述转盘9通过螺纹与过渡连接杆3连接。
本发明的另一目的在于提供一种具有宏微混合运动特性的压电旋转定位平台的控制方法，包括以下步骤：
a）微调节x正向预紧螺钉10使半球形接触件4与转盘9实现间隙配合；
b）给x正向驱动单元中的x正向压电叠堆5施加锯齿形驱动电压，压电叠堆5在逆压电效应的作用下，先缓慢伸长，在这个过程中，x正向柔性铰链7上的柔性结构会发生相应的弹性变形，从而引起其输出端上的半球形接触件4产生沿x正向的位移，推动转盘9实现正向运动，在电压快速下降的过程中，由于运动惯性，转盘9仅有微小的回退运动，从而转盘9在一个运动周期整体上实现正向运动，重复该过程可实现连续的正向运动；同理，控制x负向驱动单元可实现负向运动；
c）调节压电叠堆5的驱动电压幅值和频率，可实现对转盘9速度的调控；
d）通过先连续锯齿波再线性波形复合控制，可以实现转盘9先宏动调整，再微动调整，进而实现转盘9的宏微混合运动。
本发明的有益效果在于：本发明提供的压电驱动旋转定位平台，结构简单、紧凑，加工、装配、控制方便，通过设置多种驱动单元安装位置，实现输出性能的机械式调整；通过改变驱动电压和频率，实现输出性能的电气控制调整；通过连续锯齿驱动波形和线性驱动波形的耦合控制，实现大行程、高精度宏微混合精密旋转定位。基于本发明提出的结构和控制方法，可根据具体需要进行结构尺寸和参数的优化，可方便地获取不同结构参数和输出性能的压电旋转定位平台，可用于精密光学、精密加工、显微操作、微夹持、微观力学性能测试等领域实现宏微混合精密定位。适用范围广，实用性强。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的具有宏微混合运动特性的压电旋转定位平台的立体结构示意图；
图2为本发明的左视图；
图3为本发明的后视图；
图4为本发明的仰视图；
图5为本发明的驱动单元结构（不含预紧螺钉）示意图；
图6为本发明的驱动单元的柔性铰链结构（含半球形接触件）示意图；
图7为本发明的驱动单元的柔性铰链结构（含半球形接触件）在预紧螺钉作用下实现预紧调节的示意图；
图8为本发明的驱动单元的柔性铰链结构（含半球形接触件）在压电叠堆位移输出作用下的变形示意图；
图9为本发明的时序控制图。
图中：1、底座；2、轴承；3、过渡连接杆；4、半球形接触件；5、x正向压电叠堆；6、楔块；7、x正向柔性铰链；8、螺钉；9、转盘；10、x正向预紧螺钉。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1至图4所示，本发明的具有宏微混合运动特性的压电旋转定位平台，包括基础单元、驱动单元和动子单元三部分，所述驱动单元通过螺钉8与基础单元的底座1连接，动子单元通过过盈配合与基础单元的轴承2连接。
参见图1及图4所示，所述的基础单元由底座1和轴承2组成；所述轴承2通过过盈配合安装在底座1的中心孔内；所述底座1上分布有多排螺纹孔，驱动单元安装在不同的螺纹孔位置实现输出性能调节。
参见图1至图7所示，所述的驱动单元包含x正向驱动单元和x负向驱动单元两组，两组驱动单元结构相同，分别通过螺钉安装在基础单元的底座1左右两侧，且其在底座1上的安装位置可在不同的螺纹孔位置间进行调节（图4所示）；所述x正向驱动单元由半球形接触件4、x正向压电叠堆5、楔块6、x正向柔性铰链7和x正向预紧螺钉10组成；所述半球形接触件4通过高粘结强度的固体胶粘贴在x正向柔性铰链7的输出端上（图5和图6所示）；所述x正向压电叠堆5通过楔块6安装在x正向柔性铰链7的凹槽内（图5所示）；所述x正向预紧螺钉10通过改变其拧入底座1的长度，来微动调节x正向柔性铰链7沿着z向的变形，进而实现半球形接触件4与动子单元中转盘9的间隙调节（图7所示）。
参见图1及图3所示，所述的动子单元包含过渡连接杆3和转盘9，所述转盘9通过螺纹与过渡连接杆3连接。
下面，以x正向驱动单元为例，具体说明具有宏微混合运动特性的压电旋转定位平台的控制方法，主要包括以下步骤：
a）微调节x正向预紧螺钉10使半球形接触件4与转盘9实现间隙配合；
b）给x正向驱动单元中的x正向压电叠堆5施加锯齿形驱动电压（图9所示），压电叠堆5在逆压电效应的作用下，先缓慢伸长，在这个过程中，x正向柔性铰链7上的柔性结构会发生相应的弹性变形，从而引起其输出端上的半球形接触件4产生沿x正向的位移（图8所示），推动转盘9实现正向运动，在电压快速下降的过程中，由于运动惯性等因素，转盘9仅有微小的回退运动，从而转盘9在一个运动周期整体上实现正向运动，重复该过程可实现连续的正向运动；同理，控制x负向驱动单元可实现负向运动；
c）调节压电叠堆5的驱动电压幅值和频率，可实现对转盘9速度的调控；
d）通过先连续锯齿波再线性波形复合控制（图9所示），可以实现转盘9先大范围宏动调整，再微动调整，进而实现转盘9的宏微混合运动。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，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。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种具有宏微混合运动特性的压电旋转定位平台，其特征在于：包括基础单元、驱动单元和动子单元三部分，所述驱动单元通过螺钉（8）与基础单元的底座（1）连接，动子单元通过过盈配合与基础单元的轴承（2）连接。
2.根据权利要求1所述的具有宏微混合运动特性的压电旋转定位平台，其特征在于：所述的基础单元由底座（1）和轴承（2）组成；所述轴承（2）通过过盈配合安装在底座（1）的中心孔内；所述底座（1）上分布有多排螺纹孔，驱动单元安装在不同的螺纹孔位置实现输出性能调节。
3.根据权利要求1所述的具有宏微混合运动特性的压电旋转定位平台，其特征在于：所述的驱动单元包含结构相同的x正向驱动单元和x负向驱动单元两组，分别通过螺钉安装在基础单元的底座（1）左右两侧，且在底座（1）上的安装位置可在不同的螺纹孔位置间进行调节；所述x正向驱动单元由半球形接触件（4）、x正向压电叠堆（5）、楔块（6）、x正向柔性铰链（7）和x正向预紧螺钉（10）组成；所述半球形接触件（4）通过固体胶粘贴在x正向柔性铰链（7）的输出端上；所述x正向压电叠堆（5）通过楔块（6）安装在x正向柔性铰链（7）的凹槽内；所述x正向预紧螺钉（10）通过改变其拧入底座（1）的长度，来微动调节x正向柔性铰链（7）沿着z向的变形，进而实现半球形接触件（4）与动子单元中转盘（9）的间隙调节。
4.根据权利要求1所述的具有宏微混合运动特性的压电旋转定位平台，其特征在于：所述的动子单元包含过渡连接杆（3）和转盘（9），所述转盘（9）通过螺纹与过渡连接杆（3）连接。
5.一种具有宏微混合运动特性的压电旋转定位平台的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
a）微调节x正向预紧螺钉（10）使半球形接触件（4）与转盘（9）实现间隙配合；
b）给x正向驱动单元中的x正向压电叠堆（5）施加锯齿形驱动电压，压电叠堆（5）在逆压电效应的作用下，先缓慢伸长，在这个过程中，x正向柔性铰链（7）上的柔性结构会发生相应的弹性变形，从而引起其输出端上的半球形接触件（4）产生沿x正向的位移，推动转盘（9）实现正向运动，在电压快速下降的过程中，由于运动惯性，转盘（9）仅有微小的回退运动，从而转盘（9）在一个运动周期整体上实现正向运动，重复该过程可实现连续的正向运动；同理，控制x负向驱动单元可实现负向运动；
c）调节压电叠堆（5）的驱动电压幅值和频率，可实现对转盘（9）速度的调控；
d）通过先连续锯齿波再线性波形复合控制，可以实现转盘（9）先宏动调整，再微动调整，进而实现转盘（9）的宏微混合运动。
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