CN111490700B - 一种多模式混合驱动二维并联运动平台及其控制方法 - Google Patents

一种多模式混合驱动二维并联运动平台及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多模式混合驱动二维并联运动平台及其控制方法，包括偏转台，用于约束偏转台径向运动的周向柔性约束结构，沿偏转台轴向运动的4个具有相同结构的多模式压电作动器。所述多模式压电作动器由第一断电箝位机构，第二断电箝位机构，压电线性推进组组成，位移输出杆组成。所述第一断电箝位机构由第一箝位压电堆及第一箝位簧片组成，由第二箝位压电堆及箝位簧片组成。所述线性推进组由线性推进压电堆及弹性回复簧片组成。该二维平台通过结构设计与控制方式分别实现线性及步进两种工作模式，从而赋予二维平台工作行程大，指向精度高，并可实现断电箝位等特点，有望满足未来二维平台应用需求。

Description

一种多模式混合驱动二维并联运动平台及其控制方法
技术领域
本发明涉及二维并联运动平台的技术领域，具体涉及一种多模式混合驱动二维并联运动平台及其控制方法。
背景技术
二维并联运动平台是光学***中必不可少的一部分，通过采用反射镜面在光源和接收器之间精确控制光束方向，既可以用来在自适应光学***中校正光路中的倾斜误差，也可以用来稳定光束线的指向。随着大型复杂光学***逐步迈出实验室走向各种复杂应用场景，如今的应用场景对二维平台工作范围，指向精度，环境适应性等技术要求不断提升，而基于传统线性作动器(Linear actuators)的二维并联运动平台虽然具有较高的响应带宽，但是受制于传感器极限分辨率及组成二维平台的作动器行程，目前的二维并联运动平台难以同时满足大工作行程及高指向精度两项技术要求，压电步进原理是依据蠕虫的仿生学形态对作动器进行设计，通过微位移累积从而赋予作动器较大工作范围的一种步进作动器(Stepping actuators)，将该技术用于未来复杂光学***中的二维平台设计中，可有效解决二维平台大工作行程与指向精度间的矛盾。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种多模式混合驱动二维并联运动平台，该二维平台通过结构设计与控制方式分别实现线性及步进两种工作模式，从而赋予二维平台工作行程大，指向精度高，并可实现断电箝位(Power off clamping)等特点，有望满足未来二维平台应用需求。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：一种多模式混合驱动二维并联运动平台，包括偏转台1，用于约束偏转台径向运动的周向柔性约束结构2，沿偏转台1轴向运动的4个具有相同结构的多模式压电作动器，分别为第一多模式压电作动器3，第二多模式压电作动器4，第三多模式压电作动器5及第四多模式压电作动器6。
所述多模式压电作动器由第一断电箝位机构3-1，第二断电箝位机构3-2，压电线性推进组3-3组成，位移输出杆3-4组成。所述第一断电箝位机构3-1由第一箝位压电堆3-1-1及第一箝位簧片3-1-2组成，第二断电箝位机构3-2与第一断电箝位机构3-1具有相同结构，由第二箝位压电堆3-2-1及箝位簧片3-2-2组成。所述线性推进组3-3由线性推进压电堆3-3-1及弹性回复簧片3-3-2组成。
该二维平台由于采用混合驱动方式，因此具有三如下种工作模式：
工作模式一：当二维平台需要小范围快速高精度偏转时，进入线性工作模式：此时对第二断电箝位机构3-2通电，同时第二箝位压电堆3-2-1通电伸长，顶起第二箝位簧片3-2-2使其解除箝位状态。而此时第一断电箝位机构3-1仍然处于断电箝位状态，因此多模式压电作动器此时仅通过线性推进组3-3通过位移输出杆3-4驱动偏转台实现偏转。此时线性推进组3-3的作用相当于线性作动器，虽然工作范围较小，但可赋予二维平台较高指向精度。
工作模式二：当二维平台偏转姿态需要持续稳定在某一特定角度时，所述4个具有相同结构的多模式压电作动器均通过所述第一断电箝位机构3-1及第二断电箝位机构3-2处于断电箝位状态而保持其位置不变，从而使二维平台在断电时可保持其偏转姿态。
工作模式三：当二维平台需要大范围工作时，进入步进工作模式，通过所述4个多模式压电作动器的多模式蠕动进行运动累积从而实现二维平台的大范围偏转，所述4个多模式压电作动器的多模式运动累积方式如下：
初始状态下，多模式压电作动器处于断电箝位状态。开始运动后，按如下六步完成一次运动累积：
第一步：对第二断电箝位机构3-2通电，同时第二箝位压电堆3-2-1通电伸长，顶起箝位簧片3-2-2使其解除箝位状态。
第二步：对线性推进组3-3通电，线性推进压电堆3-3-1通电伸长，推动位移输出杆前部向前一步输出位移。
第三步：对第二断电箝位机构3-2断电，同时第二箝位压电堆3-2-1断电缩短，使箝位簧片3-2-2回到箝位状态。
第四步：对第一断电箝位机构3-1通电，同时第一箝位压电堆3-1-1通电伸长，顶起箝位簧片3-1-2使其解除箝位状态。
第五步：对线性推进组3-3断电，线性推进压电堆3-3-1断电缩短，在弹性回复簧片3-3-2的作用下拉动位移输出杆后步向前运动一步。
第六步：对第二断电箝位机构3-2断电，同时第二箝位压电堆3-2-1断电缩短，使箝位簧片3-2-2回到箝位状态。多模式压电作动器重新回到初始状态。
通过上述六步的不断循环重复，从而积累线性推进组3-3的输出位移形成大位移输出。
二维平台进行低速大范围角度偏转时，有同一轴内的两个压电多模式作动器按照相反的运动时序进行运动，从而形成大角度偏转。
本发明和现有技术相比，具有如下优点：
(1)多模式压电作动器工作原理与目前二维平台常用的线性作动器具有本质不同，是通过蠕虫式运动实现运动累积，从而大大增加了压电作动器工作行程，为驱动大口径二维平台实现大角度工作提供了前提条件。
(2)本发明多模式自变位二维并联运动平台具有双工作模式切换能力，可利用断电箝位机构改变其初始工作位置，然后利用压电线性推进组驱动二维平台实现高频响应。
(3)本发明多模式压电作动器由包含两个断电箝位机构，从而可以在断电时维持二维平台当前偏转角度，该特点相比目前二维平台大大降低了所需功耗。
(4)本发明将多模式压电作动器的工作特点与二维并联运动平台的应用特点相结合，根据二维并联运动平台的应用需求，对多模式压电作动器工作模式进行设计，从而大幅提升目前二维并联运动平台工作性能，并解决其大工作行程与指向精度间的矛盾。
附图说明
图1为本发明一种多模式混合驱动二维并联运动平台结构图；
图2为本发明多模式压电作动器原理图；
图3为工作模式一原理示意图；
图4位工作模式三原理示意图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
如图1所示，一种多模式混合驱动二维并联运动平台,包括偏转台1，用于约束偏转台径向运动的周向柔性约束结构2，沿偏转台1轴向运动的4个具有相同结构的多模式压电作动器，分别为第一多模式压电作动器3，第二多模式压电作动器4，第三多模式压电作动器5及第四多模式压电作动器6。
如图2-4所示，所述多模式压电作动器由第一断电箝位机构3-1，第二断电箝位机构3-2，压电线性推进组3-3组成，位移输出杆3-4组成。所述第一断电箝位机构3-1由第一箝位压电堆3-1-1及第一箝位簧片3-1-2组成，第二断电箝位机构3-2与第一断电箝位机构3-1具有相同结构，由第二箝位压电堆3-2-1及箝位簧片3-2-2组成。所述线性推进组3-3由线性推进压电堆3-3-1及弹性回复簧片3-3-2组成。该二维平台由于采用混合驱动方式，因此具有三种工作模式：
工作模式一：当二维平台需要小范围快速高精度偏转时，进入线性工作模式：此时对第二断电箝位机构3-2通电，同时第二箝位压电堆3-2-1通电伸长，顶起第二箝位簧片3-2-2使其解除箝位状态。而此时第一断电箝位机构3-1仍然处于断电箝位状态，因此多模式压电作动器此时仅通过线性推进组3-3通过位移输出杆3-4驱动偏转台实现偏转。此时线性推进组3-3的作用相当于线性作动器，虽然工作范围较小，但可赋予二维平台较高指向精度。
工作模式二：当二维平台偏转姿态需要持续稳定在某一特定角度时，所述4个具有相同结构的多模式压电作动器均通过所述第一断电箝位机构3-1及第二断电箝位机构3-2处于断电箝位状态而保持其位置不变，从而使二维平台在断电时可保持其偏转姿态。
工作模式三：当二维平台需要大范围工作时，进入步进工作模式，通过所述4个多模式压电作动器的多模式蠕动进行运动累积从而实现二维平台的大范围偏转，所述4个多模式压电作动器的多模式运动累积方式如下：
初始状态下，多模式压电作动器处于断电箝位状态。开始运动后，按如下6步完成一次运动累积：
第一步：对第二断电箝位机构3-2通电，同时第二箝位压电堆3-2-1通电伸长，顶起箝位簧片3-2-2使其解除箝位状态。
第二步：对线性推进组3-3通电，线性推进压电堆3-3-1通电伸长，推动位移输出杆前部向前一步输出位移。
第三步：对第二断电箝位机构3-2断电，同时第二箝位压电堆3-2-1断电缩短，使箝位簧片3-2-2回到箝位状态。
第四步：对第一断电箝位机构3-1通电，同时第一箝位压电堆3-1-1通电伸长，顶起箝位簧片3-1-2使其解除箝位状态。
第五步：对线性推进组3-3断电，线性推进压电堆3-3-1断电缩短，在弹性回复簧片3-3-2的作用下拉动位移输出杆后步向前运动一步。
第六步：对第二断电箝位机构3-2断电，同时第二箝位压电堆3-2-1断电缩短，使箝位簧片3-2-2回到箝位状态。多模式压电作动器重新回到初始状态。
通过上述6步的不断循环重复，从而积累线性推进组3-3的输出位移形成大位移输出。
二维平台进行低速大范围角度偏转时，有同一轴内的两个压电多模式作动器按照相反的运动时序进行运动，从而形成大角度偏转。

Claims (1)

1.一种多模式混合驱动二维并联运动平台的控制方法，该方法基于一种多模式混合驱动二维并联运动平台，该多模式混合驱动二维并联运动平台包括偏转台（1），用于约束偏转台径向运动的周向柔性约束结构（2），沿偏转台（1）轴向运动的4个具有相同结构的多模式压电作动器，分别为第一多模式压电作动器（3），第二多模式压电作动器（4），第三多模式压电作动器（5）及第四多模式压电作动器（6），第一多模式压电作动器（3）由第一断电箝位机构（3-1），第二断电箝位机构（3-2），压电线性推进组（3-3），位移输出杆（3-4）组成，所述第一断电箝位机构（3-1）由第一箝位压电堆（3-1-1）及第一箝位簧片（3-1-2）组成，第二断电箝位机构（3-2）与第一断电箝位机构（3-1）具有相同结构，由第二箝位压电堆（3-2-1）及第二箝位簧片（3-2-2）组成，所述压电线性推进组（3-3）由线性推进压电堆（3-3-1）及弹性回复簧片（3-3-2）组成，其特征在于，该二维并联运动平台采用混合驱动方式，具有如下三种工作模式：
工作模式一：当二维平台需要小范围快速高精度偏转时，进入线性工作模式：此时对第二断电箝位机构（3-2）通电，同时第二箝位压电堆（3-2-1）通电伸长，顶起第二箝位簧片（3-2-2）使其解除箝位状态；而此时第一断电箝位机构（3-1）仍然处于断电箝位状态，因此多模式压电作动器此时仅通过压电线性推进组（3-3）通过位移输出杆（3-4）驱动偏转台实现偏转；此时压电线性推进组（3-3）的作用相当于线性作动器，虽然工作范围较小，但可赋予二维平台较高指向精度；
工作模式二：当二维平台偏转姿态需要持续稳定在某一特定角度时，所述4个具有相同结构的多模式压电作动器均通过所述第一断电箝位机构（3-1）及第二断电箝位机构（3-2）处于断电箝位状态而保持其位置不变，从而使二维平台在断电时可保持其偏转姿态；
工作模式三：当二维平台需要大范围工作时，进入步进工作模式，通过所述4个多模式压电作动器的多模式蠕动进行运动累积从而实现二维平台的大范围偏转，所述4个多模式压电作动器的多模式运动累积方式如下：
初始状态下，多模式压电作动器处于断电箝位状态，开始运动后，按如下六步完成一次运动累积：
第一步：对第二断电箝位机构（3-2）通电，同时第二箝位压电堆（3-2-1）通电伸长，顶起第二箝位簧片（3-2-2）使其解除箝位状态；
第二步：对压电线性推进组（3-3）通电，线性推进压电堆（3-3-1）通电伸长，推动位移输出杆前部向前一步输出位移；
第三步：对第二断电箝位机构（3-2）断电，同时第二箝位压电堆（3-2-1）断电缩短，使第二箝位簧片（3-2-2）回到箝位状态；
第四步：对第一断电箝位机构（3-1）通电，同时第一箝位压电堆（3-1-1）通电伸长，顶起第一箝位簧片（3-1-2）使其解除箝位状态；
第五步：对压电线性推进组（3-3）断电，线性推进压电堆（3-3-1）断电缩短，在弹性回复簧片（3-3-2）的作用下拉动位移输出杆后步向前运动一步；
第六步：对第一断电箝位机构（3-1）断电，同时第一箝位压电堆（3-1-1）断电缩短，使第一箝位簧片（3-1-2）回到箝位状态，多模式压电作动器重新回到初始状态；
通过上述六步的不断循环重复，从而积累压电线性推进组（3-3）的输出位移形成大位移输出；
二维平台进行低速大范围角度偏转时，有同一轴内的两个多模式压电作动器按照相反的运动时序进行运动，从而形成大角度偏转。
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