CN110299866B - 方框结构驱动的精密压电直线移动平台及工作模态 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种方框结构驱动的精密压电直线移动平台及工作模态，方框结构振子基体内侧中间位置设置有凸起的驱动足，在方框结构振子基体与驱动足相对的外侧均粘贴有面内弯振激励陶瓷，与面内弯振激励陶瓷和驱动足相应的方框结构振子基体两侧分别粘贴有面外弯振激励陶瓷，基座上面导轨与凹槽相互交叉垂直；方框结构振子基体内安装有移动台，移动台的框边与方框结构振子基体内侧的驱动足对应接触，移动台的下框边与导轨相对应。振子组件的面内弯振模态和面外弯振模态的共振效应驱使驱动足耦合形成椭圆运动轨迹，从而交替推动移动台移动。本发明的直线移动平台采用多个驱动足推动移动台，能成倍增大出力密度、速度并使其运行更稳定。

Description

方框结构驱动的精密压电直线移动平台及工作模态

技术领域

本发明属于压电精密驱动技术，特别涉及一种方框结构驱动的精密压电直线移动平台及工作模态。

技术背景

超声电机（压电电机）作为一种直接驱动装置，其工作原理与传统电磁电机不同，它利用压电材料的逆压电效应，将电能转化为弹性体振动的机械能，使弹性体表面质点产生周期性的轨迹运动，并通过定子与动子之间的摩擦耦合，将微观振动转换成动子的宏观运动；此外，超声电机靠定子表面质点的微米级振动来驱动动子，可达到亚微米级的定位精度。因此在航空航天、武器装备、高精密仪器等有特殊要求的高精度场合具有比传统电磁电机更加广泛的应用。从 20 世纪 80 年代开始，许多国内外学者开始致力于超声电机这种新型微特电机的研究与开发工作，使得超声电机以其自身独特的优势在全球得到了快速的发展，受到许多科研机构和相关行业的重视。按动子的运动形式可将超声电机分为直线型和旋转型，其中旋转型超声电机技术已日渐成熟，相反，直线式超声电机由于其内部机械特性受到多种外部因素的耦合作用而使其技术冲突激增，设计复杂，从而发展较为缓慢。尽管如此，考虑到直线式超声电机具有较强的环境兼容性，更适用于对直线运动提出高要求的机器人技术、生物医学工程、微机电***等领域。因此，深入开展直线式超声电机研究就变得很有必要。国外研究方面，世界上第一款直线超声电机是 1982 年日本学者指田年生提出的行波型直线超声电机，其后日本一直处于超声电机技术研究与应用前列。1989 年，学者Tomikawa研制出一台驻波直线型超声电机，成为首台把 LUSM引入驻波领域；1998 年，Kurosawa 利用两个互成 θ 角度的兰杰文振子的面外模态，研制出一种 V 形结构定子的超声电机，在 V 形结构顶点合成出椭圆运动轨迹，从而驱动滑条做水平直线运动；2000 年以色列 Kyoccra 公司将一种驻波型直线超声电机成功用于驱动二维精密运动平台，其超低速型号产品定位精度达 10nm，位置分辨率超过 1nm，最低速度达 10nm/s；德国 PI 公司Vyshnevskyy，于 2005 年提出了单相驱动直线超声电机，并成功的商品化，其中 M-661 型直线移动平台的定子仅有 10g 的重量，最大速度达 600mm/s，推力可达 1.5N。在国内，2009 年，国内最早研究超声电机驱动技术的南京航空航天大学赵淳生等人研制出一种贴片式直线超声电机，通过动力学计算推导了该电机定子的空间运动轨迹方程，其输出推力达 5.2N，空载速度达7mm/s；哈工大刘英想博士等人在 2012 年提出基于纵振复合模态的一种双足驱动直线超声电机，利用一个水平压电换能结构连接两个竖直放置的压电换能器，结构采用硬铝合金一体化形式，试验结果表明在频率 25.3KHz、电压幅值 200V 的电激励信号下，电机双驱动足端可输出最大速度 610mm/s，推力32N。总体来看，现已推出的直线式超声电机的结构形式还极其有限，直线式超声电机的性能还有很大的提升。

发明内容

本发明的目的在于提出一种方框结构驱动的精密压电直线移动平台及工作模态，使该直线移动平台的运动位置分辨率能达微米级，具有毫秒级响应速度，产生较高运行速度和输出较大推力。

鉴于上述目的，本发明采用以下技术方案：基于方框结构驱动的精密压电直线移动平台，包括振子组件、移动台和基座，所述振子组件包括方框结构振子基体、面内弯振激励陶瓷、面外弯振激励陶瓷；所述方框结构振子基体由上杆体、下杆体、左杆体和右杆体围成，上、下、左、右杆体均呈长方体且内侧中间位置设置有凸起的驱动足；方框结构振子基体四角设置有连接端，连接端的厚度略薄于杆体的厚度并设置有通孔；在方框结构振子基体与驱动足相对的外侧均粘贴有面内弯振激励陶瓷，与所述面内弯振激励陶瓷与驱动足相应的方框结构振子基体两侧分别粘贴有面外弯振激励陶瓷，所述面内弯振激励陶瓷两端的方框结构振子基体上设有螺孔；

所述移动台呈“十”字长条结构，包括L型板，弹性垫片，调节螺钉；所述L型板由相互垂直的框板与实体结构的水平板构成， L型板的两框板相对并通过调节螺钉相互连接，两水平结构板相对并通过调节螺钉相互连接，L型板相互连接间装有弹性垫片；

所述基座包括矩形板，矩形板上面纵向中线设有导轨，横向中线设有凹槽，导轨与凹槽相互交叉垂直且凹槽面低于导轨；凹槽底面装有弹性垫圈，矩形板的四个边角下方安装有固定螺栓；

所述振子组件的下杆体通过螺栓固定安装于基座的凹槽内；方框结构振子基体内安装有移动台，移动台的框边与方框结构振子基体内侧的驱动足对应接触，移动台的下框边与导轨相对应。

一种基于方框结构驱动的精密压电直线移动平台的工作模态，其特征在于：包括振子组件的面内弯振模态和面外弯振模态，

所述面内弯振模态为上杆体、下杆体、左杆体和右杆体基于方框结构振子基体平面往面中心或背离中心的弯曲振动，所述面内弯振模态由逆压电效应激发，通过对面内弯振激励陶瓷施加简谐激励电压，激励上杆体、下杆体、左杆体和右杆体按照面内弯振模态的振型做往复振动；上杆体与下杆体振动状态一致，往方框结构振子基体平面中心或背离中心进行往复振动；左杆体与右杆体振动状态一致，往方框结构振子基体平面中心或背离中心进行往复振动，且上杆体和下杆体的振动状态与左杆体和右杆体的振动状态对称相反，使得上杆体和下杆体的驱动足与左杆体和右杆体的驱动***替的保持与移动台的接触或分离；

所述面外弯振模态为上杆体、下杆体、左杆体和右杆体基于方框结构振子基体平面沿垂直于方框结构振子基体平面的正反方向弯曲振动；所述面外弯振模态由逆压电效应激发，通过对面外弯振激励陶瓷施加简谐激励电压，激励上杆体、下杆体、左杆体和右杆体按照面外弯振模态的振型做往复振动；上杆体和下杆体振动状态一致，沿垂直于方框结构振子基体平面的正反方向进行往复振动；左杆体和右杆体振动状态一致，沿垂直于方框结构振子基体平面的正反方向进行往复振动；且上杆体和下杆体的振动状态与左杆体和右杆体的振动状态对称相反；使得上杆体和下杆体的驱动足与左杆体和右杆体的驱动***替的推动移动台运动；

以方框结构振子基体中心为坐标原点，方框结构振子基体所在面为xoy面，方框结构振子基体所在面法向方向为z方向，通过激发所述面内弯振模态和所述面外弯振模态的共振效应，使得上杆体和下杆体的驱动足在xoz面耦合形成椭圆运动轨迹；左杆体和右杆体的驱动足在yoz面耦合形成椭圆运动轨迹，从而交替推动移动台沿z向移动。

本发明的技术效果在于：1、采用方框结构驱动的精密压电直线移动平台，可实现精密运动，其重复定位精度可达到微米、亚微米级。2、采用方框结构振子基体直接推动移动台，可提高直线移动平台的响应速度及效率。3、采用多个驱动足推动移动台，能成倍增大出力密度、速度并使其运行更稳定。在工业精密定位、微小型伺服执行机构精密驱动等应用中存在广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为本发明中振子组件1的平面结构示意图；

图3为本发明中移动台2的立体结构示意图；

图4为本发明中L型板21的立体结构示意图；

图5为本发明中基座3的立体结构示意图；

图6为本发明中振子组件1的面内弯振模态的平面示意图；

图7为本发明中振子组件1的面外弯振模态的立体示意图；

图8为本发明中振子组件1的压电陶瓷位置布置及其压电极化与供电配置平面示意图；

图9a为方框结构振子基体11在一个振动周期内推动移动台做直线运动第一步的平面示意图；图9b为图9a的侧视图；图9c为图9a的俯视图；

图10a为方框结构振子基体11在一个振动周期内推动移动台做直线运动第二步的平面示意图；图10b为图10a的侧视图；图10c为图10a的俯视图；

图11a为方框结构振子基体11在一个振动周期内推动移动台做直线运动第三步的平面示意图；图11b为图11a的侧视图；图11c为图11a的俯视图；

图12a为方框结构振子基体11在一个振动周期内推动移动台做直线运动第四步的平面示意图；图12b为图12a的侧视图；图12c为图12a的俯视图;

图中：1-振子组件，11-方框结构振子基体，111-上杆体，112-下杆体，113-左杆体，114-右杆体，115-驱动足，116-连接端，12-面内弯振激励陶瓷，13-面外弯振激励陶瓷；

2-移动台，21-L型板，211-框板，212-水平板，22-弹性垫片，23-调节螺钉；

3-基座，31-矩形板，311-导轨，312-凹槽，32-弹性垫圈，33-固定螺栓。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1至图5所示，方框结构驱动的精密压电直线移动平台，包括振子组件1、移动台2和基座3。所述振子组件1由方框结构振子基体11、面内弯振激励陶瓷12和面外弯振激励陶瓷13构成；所述方框结构振子基体11由上杆体111、下杆体112、左杆体113和右杆体114围成，上、下、左、右杆体均呈长方体且内侧中间位置设置有凸起的驱动足115；方框结构振子基体11四角设置有连接端116，连接端116的厚度略薄于杆体的厚度并设置有通孔用以减小杆体的刚度及增大工作模态的振幅；所述面内弯振激励陶瓷12包含4片压电陶瓷片，且分别粘贴在方框结构振子基体11与驱动足115相对的外侧，所述面外弯振激励陶瓷13包含8片压电陶瓷片，且分别对称粘贴于所述面内弯振激励陶瓷12与驱动足115相应的方框结构振子基体11的两侧；所述面内弯振激励陶瓷12两端的方框结构振子基体11上设有螺孔用以振子组件1与基座3的固定连接；

所述移动台2由L型板21，弹性垫片22，调节螺钉23构成，整体呈“十”字形结构，其四个框边与方框结构振子基体11内侧的驱动足115对应接触；所述L型板21由相互垂直的框板211与实体结构的水平板212构成，L型板21的两框板211相对并通过调节螺钉23相互连接，两水平结构板212相对并通过调节螺钉23相互连接，L型板21相互连接间装有弹性垫片22，利用弹性垫片22和调节螺钉23可调整L型板之间的距离，从而达到调节振子组件1和移动台2之间预压力的目的；

所述基座3由矩形板31、弹性垫圈32、固定螺栓33构成，矩形板31上面纵向中线设有导轨311，横向中线设有凹槽312，导轨311与凹槽312相互交叉垂直且凹槽面低于导轨311，移动台2的下框边与导轨311相对应；凹槽312横向中线两端设有螺孔，振子组件1的下杆体112通过螺栓固定安装于凹槽312内，振子组件1的下杆体112与凹槽312连接间装有弹性垫圈32用以避免两者直接接触并提供预紧力；矩形板31的四个边角下方安装有固定螺栓33。

如图6至图7所示，基于方框结构驱动的精密压电直线移动平台的工作模态，包括振子组件1的面内弯振模态和面外弯振模态：

所述面内弯振模态为上杆体111、下杆体112、左杆体113和右杆体114基于方框结构振子基体11平面往面中心或背离中心的弯曲振动，所述面内弯振模态由逆压电效应激发，通过对面内弯振激励陶瓷12施加余弦激励电压，激励上杆体111、下杆体112、左杆体113和右杆体114按照面内弯振模态的振型做往复振动；上杆体111与下杆体112振动状态一致，往方框结构振子基体11平面中心或背离中心进行往复振动；左杆体113与右杆体114振动状态一致，往方框结构振子基体11平面中心或背离中心进行往复振动，且由于动量守恒定理，上杆体111和下杆体112的振动状态与左杆体113和右杆体114的振动状态对称相反，使得上杆体111和下杆体112的驱动足115与左杆体113和右杆体114的驱动足115交替的保持与移动台2的接触或分离；

所述面外弯振模态为上杆体111、下杆体112、左杆体113和右杆体114基于方框结构振子基体11平面沿垂直于方框结构振子基体11平面的正反方向弯曲振动；所述面外弯振模态由逆压电效应激发，通过对面外弯振激励陶瓷13施加正弦激励电压，激励上杆体111、下杆体112、左杆体113和右杆体114按照面外弯振模态的振型做往复振动；上杆体111和下杆体112振动状态一致，沿垂直于方框结构振子基体11平面的正反方向进行往复振动；左杆体113和右杆体114振动状态一致，沿垂直于方框结构振子基体11平面的正反方向进行往复振动；且由于动量守恒定理，上杆体111和下杆体112的振动状态与左杆体113和右杆体114的振动状态对称相反；使得上杆体111和下杆体112的驱动足115与左杆体113和右杆体114的驱动足115交替的推动移动台2运动；

以方框结构振子基体11中心为坐标原点，方框结构振子基体11所在面为xoy面，方框结构振子基体11所在面法向方向为z方向，本发明直线移动平台工作时通过激发出面内弯振模态、面外弯振模态并利用振动耦合，使得上杆体111、下杆体112的驱动足115在xoz面耦合形成椭圆运动轨迹，左杆体113、右杆体114的驱动足115在yoz面耦合形成椭圆运动轨迹，从而交替推动移动台2沿z向运动。

实施例：本发明方框结构驱动的精密压电直线移动平台，包括振子组件1、移动台2和基座3，参见图1至图5。移动台2安装于振子组件1之内，通过四个框边与方框结构振子基体11内侧的驱动足115对应接触；同时，移动台2的下框边位于基座3的导轨311上，振子组件1的下杆体112通过螺栓固定安装于基座3的凹槽312内。

如图2所示，所述振子组件1包括方框结构振子基体11、面内弯振激励陶瓷12和面外弯振激励陶瓷13。所述方框结构振子基体11由上下对称的上杆体111、下杆体112和左右对称的左杆体113、右杆体114围成，且方框结构振子基体11的四角设置有连接端116，连接端116的厚度略薄于杆体的厚度并设置有通孔用以减小杆体的刚度及增大工作模态的振幅。上、下、左、右杆体均呈长方体且内侧中间位置设置有凸起的驱动足115。所述面内弯振激励陶瓷12包含4片压电陶瓷片，且分别粘贴在方框结构振子基体11与驱动足115相对的外侧，所述面外弯振激励陶瓷13包含8片压电陶瓷片，且分别对称粘贴在所述面内弯振激励陶瓷12与驱动足115相应的方框结构振子基体11的两侧。驱动足115的厚度大于压电陶瓷片的厚度，驱动足115与面内弯振激励陶瓷12平行的表面涂覆有大摩擦系数耐磨材料以增大驱动足115与移动台2之间的摩擦驱动力、直线移动平台的推力及使用寿命。所述面内弯振激励陶瓷12两端的方框结构振子基体11上设有螺孔用以振子组件1与基座3的固定连接。

如图1、图3和图4所示，所述移动台2包括L型板21，弹性垫片22，调节螺钉23，整体呈“十”字形结构，其四个框边与方框结构振子基体11内侧的驱动足115直接接触；所述L型板21水平方向为实体板212，右端两边角处设有螺孔；垂直方向为框板211，上端两边角处设有螺孔；L型板21的两框板211相对并通过调节螺钉23相互连接，两水平结构板212相对并通过调节螺钉23相互连接；L型板21相互连接间装有弹性垫片22，所述弹性垫片22为8片；通过弹性垫片22和调节螺钉23可调整L型板之间的距离，进而达到调节振子组件1和移动台2之间预压力的目的。

如图1和图5所示，所述基座3包括矩形板31、弹性垫圈32、固定螺栓33，矩形板31上面纵向中线设有导轨311，横向中线设有凹槽312，导轨311与凹槽312相互交叉垂直且凹槽面低于导轨311，移动台2的下框边与导轨311相对应，凹槽312横向中线两端设有螺孔，振子组件1的下杆体112通过螺栓固定安装于凹槽312内，方框结构振子基体11的下杆体112与凹槽312连接间装有弹性垫圈32，用以避免两者直接接触并提供预紧力。所述弹性垫圈32为2个。矩形板31的四个边角下方安装有固定螺栓33，用以将基座3固定安装在其他机构上。

如图6和图7所示，本发明的直线移动平台的工作模态包括振子组件1上下对称的上杆体111、下杆体112和左右对称的左杆体113、右杆体114在xoy平面朝坐标原点或背离坐标原点的面内弯振模态，及沿z向往复振动的面外弯振模态，其中面内弯振模态实现驱动足115与移动台2之间的动态接触或分离，面外弯振模态实现驱动足115交替推动移动台2沿z向运动。

利用面内弯振激励陶瓷12、面外弯振激励陶瓷13激发杆体两相工作模态的共振或近共振，驱使置于上杆体111、下杆体112内侧的驱动足115在xoz面作椭圆运动；左杆体113、右杆体114内侧的驱动足115在yoz面作椭圆运动，进而借助驱动足115与移动台2之间的摩擦耦合作用，推动移动台2沿z向作直线运动。

为了使上杆体111、下杆体112和左杆体113、右杆体114内侧的驱动足115分别在xoz、yoz面耦合形成椭圆运动轨迹，要求杆体的两相工作模态的固有频率尽可能接近或相等。而且为防止直线移动平台工作时产生过大机械噪声，特别是为了使直线移动平台能够输出较大速度，需要通过合理地配置振子组件1的结构尺寸而使两相模态频率趋于一致并处于超声频域。

如图2、图6和图7所示，所述面内弯振激励陶瓷12包含4片高性能PZT8压电陶瓷片，这些陶瓷片分别位于方框结构振子基体11与驱动足115相对的外侧且分别粘贴在杆体面内弯振模态振型的波峰和波谷处。

如图2、图6和图7所示，所述面外弯振激励陶瓷13包括 8片高性能PZT8压电陶瓷片，这些陶瓷片分别位于面内弯振激励陶瓷12与驱动足115相应的方框结构振子基体11的两侧且分别粘贴在杆体面外弯振模态振型的波峰和波谷处。

如图8所示，为了有效，正确的激发出面内弯振模态，需对面内弯振激励陶瓷12进行合理极化与供电配置，面内弯振激励陶瓷12可按对称性分成两组，上杆体111和下杆体112表面的面内弯振激励陶瓷12为一组，左杆体113和右杆体114表面的面内弯振激励陶瓷12为一组，同组内的压电陶瓷片采用相同极化方向。如图8，以“+”表示压电极化方向垂直于粘贴表面且与法线方向相同背向方框结构振子基体11，以“-”表示压电极化方向垂直于粘贴表面且与法线方向相反指向方框结构振子基体11。为此要求：粘贴在上杆体111和下杆体112表面的面内弯振激励陶瓷12均垂直于粘贴表面且与法线方向相同背向方框结构振子基体11方向极化；粘贴在左杆体113和右杆体114表面的面内弯振激励陶瓷12则垂直于粘贴表面且与法线方向相反指向方框结构振子基体11方向极化；所有面内弯振激励陶瓷12的表面均通入同频余弦激励电压。同时要求面内弯振激励陶瓷12与方框结构振子基体11的粘贴面均接地接入零激励电压。

如图8所示，为了有效、正确的激发出面外弯振模态，需对面外弯振激励陶瓷13进行合理极化与供电配置，面外弯振激励陶瓷13可按对称性分成两组，上杆体111和下杆体112表面的面外弯振激励陶瓷13为一组，左杆体113和右杆体114表面的面外弯振激励陶瓷13为一组。为此要求：粘贴在上杆体111和下杆体112正面的面外弯振激励陶瓷13均垂直于粘贴表面且与法线方向相同背向方框结构振子基体11方向极化；粘贴在上杆体111和下杆体112反面的面外弯振激励陶瓷13则垂直于粘贴表面，且与法线方向相反指向方框结构振子基体11方向极化。粘贴在左杆体113和右杆体114正面的面外弯振激励陶瓷13均垂直于粘贴表面，且与法线方向相反指向方框结构振子基体11方向极化。粘贴在左杆体113和右杆体114反面的面外弯振激励陶瓷13则垂直于粘贴表面，且与法线方向相同背向方框结构振子基体11方向极化。所有面外弯振激励陶瓷13的表面均通入同频正弦激励电压 ，同时要求面外弯振激励陶瓷13与方框结构振子基体11的粘贴面均接地接入零激励电压。

如图9a~图12c所示，所述驱动足115在xoz、yoz面的椭圆运动轨迹，是通过面外弯振模态分别与上杆体111、下杆体112和左杆体113、右杆体114面内弯振模态的振动耦合而形成的。若将方框结构振子基体11的一个振动周期T均分为四阶段，且假设方框结构振子基体11的初始状态为：上杆体111处于面内最大上弯状、下杆体112处于面内最大下弯状，左杆体113处于面内最大右弯状、右杆体114处于面内最大左弯状；各杆体均处于面外零弯状，则椭圆运动轨迹形成经过了以下四个阶段：

如图9a~图9c所示（Step 1），在0~T/4时段内，面内弯振模态使左杆体113由面内最大右弯状恢复成面内零弯状、右杆体114由面内最大左弯状恢复成面内零弯状，面外弯振模态使左杆体113和右杆体114由面外零弯状弯成面外最大前弯状，致使左杆体113和右杆体114内侧的驱动足115与移动台2接触且左杆体113内侧的驱动足115由A1行至A2，右杆体114内侧的驱动足115由B1行至B2，推动移动台2沿z轴正方向移进一步；与此同时，面内弯振模态使上杆体111由面内最大上弯状恢复成面内零弯状、下杆体112由面内最大下弯状恢复成面内零弯状，面外弯振模态使上杆体111和下杆体112由面外零弯状弯成面外最大后弯状，致使上杆体111和下杆体112内侧的驱动足115与移动台2脱离且上杆体111内侧的驱动足115由C1行至C2，下杆体112内侧的驱动足115由D1行至D2。

如图10a~图10c所示（Step 2），在T/4~T/2时段内，面内弯振模态使左杆体113由面内零弯状弯成面内最大左弯状、右杆体114由面内零弯状弯成面内最大右弯状，面外弯振模态使左杆体113和右杆体114由面外最大前弯状恢复成面外零弯状，致使左杆体113和右杆体114内侧的驱动足115与移动台2脱离且左杆体113内侧的驱动足115由A2行至A3，右杆体114内侧的驱动足115由B2行至B3；与此同时，面内弯振模态使上杆体111由面内零弯状弯成面内最大下弯状、下杆体111由面内零弯状弯成面内最大上弯状，面外弯振模态使上杆体111和下杆体112由面外最大后弯状恢复成面外零弯状，致使上杆体111和下杆体112内侧的驱动足115与移动台2接触且上杆体111内侧的驱动足115由C2行至C3，下杆体112内侧的驱动足115由D2行至D3，推动移动台2沿z轴正方向移进一步。

如图11a~图11c所示（Step 3），在T/2~3T/4时段内，面内弯振模态使左杆体113由面内最大左弯状恢复成面内零弯状、右杆体114由面内最大右弯状恢复成面内零弯状，面外弯振模态使左杆体113和右杆体114由面外零弯状弯成面外最大后弯状，致使左杆体113和右杆体114内侧的驱动足115与移动台2脱离且左杆体113内侧的驱动足115由A3行至A4，右杆体114内侧的驱动足115由B3行至B4；与此同时，面内弯振模态使上杆体111由面内最大下弯状恢复成面内零弯状、下杆体111由面内最大上弯状恢复成面内零弯状，面外弯振模态使上杆体111和下杆体112由面外零弯状弯成面外最大前弯状，致使上杆体111和下杆体112上的驱动足115与移动台2接触且上杆体111内侧的驱动足115由C3行至C4，下杆体112内侧的驱动足115由D3行至D4，推动移动台2沿z轴正方向移进一步。

如图12a~图12c所示（Step4），在3T/4~T时段内，面内弯振模态使左杆体113由面内零弯状弯成面内最大右弯状、右杆体114由面内零弯状弯成面内最大左弯状。面外弯振模态使左杆体113和右杆体114由面外最大后弯状恢复成面外零弯状。致使左杆体113和右杆体114内侧的驱动足115与移动台2接触，且左杆体113内侧的驱动足113由A4行至A1，右杆体114内侧的驱动足115由B4行至B1，推动移动台2沿z轴正方向移进一步。与此同时，面内弯振模态使上杆体111由面内零弯状弯成面内最大上弯状、下杆体111由面内零弯状弯成面内最大下弯状，面外弯振使上杆体111和下杆体112由面外最大前弯状恢复成面外零弯状，致使上杆体111和下杆体112内侧的驱动足115与移动台2脱离且上杆体111内侧的驱动足115由C4行至C1，下杆体112内侧的驱动足115由D4行至D1。

如图9a~图12c所示，方框结构振子基体11每完成一个上述振动周期T，在yoz平面，左杆体113内侧的驱动足115将完成经由A1-A2-A3-A4-A1的椭圆运动轨迹，右杆体114内侧的驱动足115将完成经由B1-B2-B3-B4-B1的椭圆运动轨迹；在xoz平面，上杆体111内侧的驱动足115将完成经由C1-C2-C3-C4-C1的椭圆运动轨迹，下杆体112内侧的的驱动足115将完成经由D1-D2-D3-D4-D1的椭圆运动轨迹，进而交替推动移动台2沿z轴正方向移进四步。当方框结构振子基体11不断重复上述振动循环时，将推动移动台2不断沿z轴正方向前移，如果逆转面内弯振激励陶瓷12与面外弯振激励陶瓷13的驱动电压的超前滞后相位关系，则移动台2的运动方向将发生逆转。

Claims (2)

1.基于方框结构驱动的精密压电直线移动平台，包括振子组件、移动台和基座，其特征在于，所述振子组件包括方框结构振子基体、面内弯振激励陶瓷、面外弯振激励陶瓷；所述方框结构振子基体由上杆体、下杆体、左杆体和右杆体围成，上、下、左、右杆体均呈长方体且内侧中间位置设置有凸起的驱动足；方框结构振子基体四角设置有连接端，连接端的厚度略薄于杆体的厚度并设置有通孔；在方框结构振子基体与驱动足相对的外侧均粘贴有面内弯振激励陶瓷，与所述面内弯振激励陶瓷与驱动足相应的方框结构振子基体两侧分别粘贴有面外弯振激励陶瓷，所述面内弯振激励陶瓷两端的方框结构振子基体上设有螺孔；

所述移动台呈“十”字长条结构，包括L型板，弹性垫片，调节螺钉；所述L型板由相互垂直的框板与实体结构的水平板构成， L型板的两框板相对并通过调节螺钉相互连接，两水平结构板相对并通过调节螺钉相互连接，L型板相互连接间装有弹性垫片；

所述基座包括矩形板，矩形板上面纵向中线设有导轨，横向中线设有凹槽，导轨与凹槽相互交叉垂直且凹槽面低于导轨；凹槽底面装有弹性垫圈，矩形板的四个边角下方安装有固定螺栓；

所述振子组件的下杆体通过螺栓固定安装于基座的凹槽内；方框结构振子基体内安装有移动台，移动台的框边与方框结构振子基体内侧的驱动足对应接触，移动台的下框边与导轨相对应。

2.一种基于权利要求1所述的移动平台的工作方法，其特征在于：包括振子组件的面内弯振模态和面外弯振模态，

所述面内弯振模态为上杆体、下杆体、左杆体和右杆体基于方框结构振子基体平面往面中心或背离中心的弯曲振动，所述面内弯振模态由逆压电效应激发，通过对面内弯振激励陶瓷施加简谐激励电压，激励上杆体、下杆体、左杆体和右杆体按照面内弯振模态的振型做往复振动；上杆体与下杆体振动状态一致，往方框结构振子基体平面中心或背离中心进行往复振动；左杆体与右杆体振动状态一致，往方框结构振子基体平面中心或背离中心进行往复振动，且上杆体和下杆体的振动状态与左杆体和右杆体的振动状态对称相反，使得上杆体和下杆体的驱动足与左杆体和右杆体的驱动***替的保持与移动台的接触或分离；

所述面外弯振模态为上杆体、下杆体、左杆体和右杆体基于方框结构振子基体平面沿垂直于方框结构振子基体平面的正反方向弯曲振动；所述面外弯振模态由逆压电效应激发，通过对面外弯振激励陶瓷施加简谐激励电压，激励上杆体、下杆体、左杆体和右杆体按照面外弯振模态的振型做往复振动；上杆体和下杆体振动状态一致，沿垂直于方框结构振子基体平面的正反方向进行往复振动；左杆体和右杆体振动状态一致，沿垂直于方框结构振子基体平面的正反方向进行往复振动；且上杆体和下杆体的振动状态与左杆体和右杆体的振动状态对称相反；使得上杆体和下杆体的驱动足与左杆体和右杆体的驱动***替的推动移动台运动；

以方框结构振子基体中心为坐标原点，方框结构振子基体所在面为xoy面，方框结构振子基体所在面法向方向为z方向，通过激发所述面内弯振模态和所述面外弯振模态的共振效应，使得上杆体和下杆体的驱动足在xoz面耦合形成椭圆运动轨迹；左杆体和右杆体的驱动足在yoz面耦合形成椭圆运动轨迹，从而交替推动移动台沿z向移动。