六自由度压电驱动装置及其激励方法制造方法及图纸

六自由度压电驱动装置及其激励方法，涉及压电驱动领域。本发明专利技术是为了解决现有的多自由度压电驱动装置结构复杂、成本高、实现小型化困难、行程小的问题。本发明专利技术的六由度压电驱动装置，包括四组完全相同的压电振子、基体以及工作台；压电振子结构包括水平弯曲压电陶瓷组、竖直弯曲压电陶瓷组和前端盖；水平弯曲压电陶瓷组施加电压激励信号时沿水平方向弯曲；竖直弯曲陶瓷组施加电压激励时沿竖直方向弯曲，通过设计四组压电振子的电压激励信号，协调它们的水平和竖直弯曲运动的时序，在驱动足处形成空间多边形的运动轨迹，进一步利用摩擦力作为驱动力，实现六自由度驱动。用于实现压电驱动装置的六自由度运动。

Six degree of freedom piezoelectric actuator and excitation method thereof

The invention relates to a piezoelectric drive device with six degrees of freedom and an excitation method thereof, which relates to the field of piezoelectric driving. The present invention aims to solve the problems of complicated structure, high cost, difficulty in realizing miniaturization and small stroke in the existing multi freedom piezoelectric drive device. The invention of the six degree by the piezoelectric driving device includes four identical piezoelectric vibrator, matrix and worktable; piezoelectric vibrator structure including horizontal bending piezoelectric ceramics group, vertical bending piezoelectric ceramics group and the front cover; the horizontal bending piezoelectric ceramics group applied voltage excitation signal along the horizontal direction. Vertical bending; bending ceramic group applied voltage excitation along the vertical direction by bending, voltage design four groups of piezoelectric vibrator excitation signal timing, coordinate their horizontal and vertical bending motion, forming trajectory space polygon in driving feet, further use of frictional force as the driving force, to achieve six degrees of freedom drive. A six degree of freedom motion for piezoelectric actuation.

【技术实现步骤摘要】
六自由度压电驱动装置及其激励方法
本专利技术涉及六自由度压电驱动装置及其激励方法。属于压电驱动

技术介绍
近年来，压电驱动装置被视为一种有效实用的精密驱动装置，它们具有结构简单、体积小、功率密度大、精度高、响应快等优点，这使它们可以工作在工作空间狭小，精度要求高的领域。多自由度压电驱动装置，具有多方向驱动能力，在工作中可以实现多种功能，具有体积小、功能多等优点。基于这些特点，多自由度压电驱动装置在生物医疗，MEMS加工，机器人，航天等高精度领域有着广阔的应用前景。现有多自由度压电驱动装置大部分采用多个压电叠堆并联机械机构的形式实现多自由驱动，但是利用多个叠堆和并联机构组合，其结构复杂，对加工装配要求极高；利用多个压电叠堆驱动，成本较高；而且压电叠堆的输出行程很小，使得此类多自由度压电驱动装置输出的位移也很小，这些特点严重影响了它们的应用范围。此外，还有一部分利用单自由度压电驱动装置串联而成的多自由度压电驱动装置，此类驱动装置虽然扩大了行程，但是结构复杂，装配精度要求高，大大的影响了其生产与应用。
技术实现思路
本专利技术是为了解决现有的多自由度压电驱动装置结构复杂、成本高、实现小型化困难、行程小的问题。现提供六自由度压电驱动装置及其激励方法。六自由度压电驱动装置，它包括四组压电振子、基体和工作台，四组压电振子的结构均相同，每组压电振子包括水平弯曲压电陶瓷组、竖直弯曲压电陶瓷组和前端盖，水平弯曲压电陶瓷组和竖直弯曲压电陶瓷组组成的陶瓷组的首端与基体的四个侧面固定连接，水平弯曲压电陶瓷组和竖直弯曲压电陶瓷组组成的陶瓷组的末端连接有前端盖，前端盖末端设置有驱动足，且驱动足侧壁与工作台接触；第一组压电振子与第三组压电振子同轴，第二组压电振子与第四组压电振子同轴，第一组压电振子与第二组压电振子轴向垂直；水平弯曲陶瓷组包括m片水平弯曲陶瓷，竖直弯曲陶瓷组包括n片竖直弯曲陶瓷，其中，m、n均为大于等于2的偶数；相邻两个水平弯曲陶瓷之间设置有电极片，相邻两个竖直弯曲陶瓷之间设置有电极片，对水平弯曲压电陶瓷组中的电极片施加电压激励信号时水平弯曲压电陶瓷组沿水平方向弯曲，对竖直弯曲压电陶瓷组中的电极片施加电压激励信号时竖直弯曲压电陶瓷组沿竖直方向弯曲，第一组压电振子和第三组压电振子的水平弯曲压电陶瓷组施加正向电压激励信号时沿X轴正向弯曲，施加负向电压激励信号时沿X轴负向弯曲，第二振子和第四振子的水平弯曲压电陶瓷组施加正向电压激励信号时沿Y轴正向弯曲，施加负向电压激励信号时沿Y轴负向弯曲；四组压电振子的竖直弯曲陶瓷组施加正向电压激励信号时沿Z轴正向弯曲，施加负向电压激励信号时沿Z轴负向弯曲。六自由度压电驱动装置的激励方法，该方法是基于六自由度压电驱动装置实现的，该激励方法能够激励六自由度压电驱动装置实现六自由度运动，六个自由度包括沿X、Y和Z轴的移动，绕X、Y和Z轴的转动；以沿X轴正向移动为例来说明六自由度压电驱动装置沿X轴正向或负向移动的激励方法：步骤一一、第一组压电振子和第三组压电振子的竖直弯曲陶瓷组施加正电压，它们沿Z轴正向弯曲，带动第一组压电振子和第三组压电振子的驱动足离开工作台，此时第二组压电振子和第四组压电振子处于初始位置；步骤一二、第一组压电振子和第三组压电振子的水平弯曲陶瓷组施加正电压，第一组压电振子和第三组压电振子沿X轴正向弯曲。步骤一三、第一组压电振子和第三组压电振子的竖直弯曲陶瓷组施加电压降为0，它们沿Z轴负向运动，带动第一组压电振子和第三组压电振子的驱动足压在工作台上；步骤一四、第二组压电振子和第四组压电振子的竖直弯曲陶瓷组施加正电压，它们沿Z轴正向弯曲，带动第二组压电振子和第四组压电振子的驱动足离开工作台；步骤一五、第一组压电振子和第三组压电振子的水平弯曲陶瓷组施加电压降为0，它们沿X轴负向运动，返回到初始位置，由于驱动足和工作台之间的静摩擦力，六自由度压电驱动装置沿X轴正向移动一步；步骤一六、第二组压电振子和第四组压电振子的竖直弯曲陶瓷组施加电压降为0，它们沿Z轴负向运动，带动第二组压电振子和第四组压电振子的驱动足压在工作台上；步骤一七、重复步骤一一到步骤一六，实现对六自由度压电驱动装置在工作台上的连续驱动，实现沿X轴正向持续移动；以沿Y轴正向移动为例来说明六自由度压电驱动装置沿Y轴正向或负向移动的激励方法：步骤二一、第二组压电振子和第四组压电振子的竖直弯曲陶瓷组施加正电压，它们沿Z轴正向弯曲，带动第二组压电振子和第四组压电振子的驱动足离开工作台，此时第一组压电振子和第三组压电振子处于初始位置；步骤二二、第二组压电振子和第四组压电振子的水平弯曲陶瓷组施加正电压，第二组压电振子和第四组压电振子沿Y轴正向弯曲。步骤二三、第二组压电振子和第四组压电振子的竖直弯曲陶瓷组施加电压降为0，它们沿Z轴负向运动，带动第二组压电振子和第四组压电振子的驱动足压在工作台上；步骤二四、第一组压电振子和第三组压电振子的竖直弯曲陶瓷组施加正电压，它们沿Z轴正向弯曲，带动第一组压电振子和第三组压电振子的驱动足离开工作台；步骤二五、第二组压电振子和第四组压电振子的水平弯曲陶瓷组施加电压降为0，它们沿Y轴负向运动，返回初始位置，由于驱动足和工作台之间的静摩擦力，六自由度压电驱动装置沿Y轴正向移动一步；步骤二六、第一组压电振子和第三组压电振子的竖直弯曲陶瓷组施加电压降为0，它们沿Z轴负向运动，带动第一组压电振子和第三组压电振子的驱动足压在工作台上；步骤二七、重复步骤二一到步骤二六，实现对六自由度压电驱动装置在工作台上的连续驱动，实现沿Y轴正向持续移动；以绕Z轴顺时针转动为例来说明六自由度压电驱动装置绕Z轴顺时针转动或逆时针转动的激励方法：步骤三一、第一组压电振子和第三组压电振子的竖直弯曲陶瓷组施加正电压，它们沿Z轴正向弯曲，带动第一组压电振子和第三组压电振子的驱动足离开工作台，此时第二组压电振子和第四组压电振子处于初始位置；步骤三二、第一组压电振子的水平弯曲陶瓷组施加负电压，第三组压电振子的水平弯曲陶瓷组施加正电压，第一组压电振子沿X轴负向弯曲，第三组压电振子沿X轴正向弯曲；步骤三三、第一组压电振子和第三组压电振子的竖直弯曲陶瓷组施加电压降为0，它们沿Z轴负向运动，带动第一组压电振子和第三组压电振子的驱动足压在工作台上；步骤三四、第二组压电振子和第四组压电振子的竖直弯曲陶瓷组施加正电压，它们沿Z轴正向弯曲，带动第二组压电振子和第四组压电振子的驱动足离开工作台；步骤三五、第二组压电振子的水平弯曲陶瓷组施加负电压，第四组压电振子的水平弯曲陶瓷组施加正电压，第二组压电振子沿Y轴负向弯曲，第四组压电振子沿Y轴正向弯曲；步骤三六、第一组压电振子和第三组压电振子的水平弯曲陶瓷组施加电压降为0，第一组压电振子沿X轴正向运动，第三组压电振子沿X轴负向运动，返回其初始位置，由于驱动足和工作台之间的静摩擦力，六自由度压电驱动装置沿Z轴顺时针旋转一个角度；步骤三七、第二组压电振子和第四组压电振子的竖直弯曲陶瓷组施加电压降为0，它们沿Z轴负向运动，带动第二组压电振子和第四组压电振子的驱动足压在工作台上；步骤三八、第一组压电振子和第三组压电振子的竖直弯曲陶瓷组施加正电压，它们沿Z轴正向弯曲，带动第一组压电振子和第三组压电振子的驱动足离开工作台；本文档来自技高网...

【技术保护点】
六自由度压电驱动装置，其特征在于，它包括四组压电振子(1)、基体(2)和工作台(3)，四组压电振子(1)的结构均相同，每组压电振子(1)包括水平弯曲压电陶瓷组(1‑1)、竖直弯曲压电陶瓷组(1‑2)和前端盖(1‑3)，水平弯曲压电陶瓷组(1‑1)和竖直弯曲压电陶瓷组(1‑2)组成的陶瓷组的首端与基体(2)的四个侧面固定连接，水平弯曲压电陶瓷组(1‑1)和竖直弯曲压电陶瓷组(1‑2)组成的陶瓷组的末端连接有前端盖(1‑3)，前端盖(1‑3)末端设置有驱动足(1‑5)，且驱动足(1‑5)侧壁与工作台(3)接触；第一组压电振子(1‑6)与第三组压电振子(1‑8)同轴，第二组压电振子(1‑7)与第四组压电振子(1‑9)同轴，第一组压电振子(1‑6)与第二组压电振子(1‑7)轴向垂直；水平弯曲陶瓷组(1‑1)包括m片水平弯曲陶瓷(1‑1‑1)，竖直弯曲陶瓷组(1‑2)包括n片竖直弯曲陶瓷(1‑2‑1)，其中，m、n均为大于等于2的偶数；相邻两个水平弯曲陶瓷(1‑1‑1)之间设置有电极片(1‑4)，相邻两个竖直弯曲陶瓷(1‑2‑1)之间设置有电极片(1‑4)，对水平弯曲压电陶瓷组(1‑1)中的电极片(1‑4)施加电压激励信号时水平弯曲压电陶瓷组(1‑1)沿水平方向弯曲，对竖直弯曲压电陶瓷组(1‑2)中的电极片(1‑4)施加电压激励信号时竖直弯曲压电陶瓷组(1‑2)沿竖直方向弯曲，第一组压电振子(1‑6)和第三组压电振子(1‑8)的水平弯曲压电陶瓷组(1‑1)施加正向电压激励信号时沿X轴正向弯曲，施加负向电压激励信号时沿X轴负向弯曲，第二振子(1‑7)和第四振子(1‑9)的水平弯曲压电陶瓷组(1‑1)施加正向电压激励信号时沿Y轴正向弯曲，施加负向电压激励信号时沿Y轴负向弯曲；四组压电振子(1)的竖直弯曲陶瓷组(1‑2)施加正向电压激励信号时沿Z轴正向弯曲，施加负向电压激励信号时沿Z轴负向弯曲。...

【技术特征摘要】
1.六自由度压电驱动装置，其特征在于，它包括四组压电振子(1)、基体(2)和工作台(3)，四组压电振子(1)的结构均相同，每组压电振子(1)包括水平弯曲压电陶瓷组(1-1)、竖直弯曲压电陶瓷组(1-2)和前端盖(1-3)，水平弯曲压电陶瓷组(1-1)和竖直弯曲压电陶瓷组(1-2)组成的陶瓷组的首端与基体(2)的四个侧面固定连接，水平弯曲压电陶瓷组(1-1)和竖直弯曲压电陶瓷组(1-2)组成的陶瓷组的末端连接有前端盖(1-3)，前端盖(1-3)末端设置有驱动足(1-5)，且驱动足(1-5)侧壁与工作台(3)接触；第一组压电振子(1-6)与第三组压电振子(1-8)同轴，第二组压电振子(1-7)与第四组压电振子(1-9)同轴，第一组压电振子(1-6)与第二组压电振子(1-7)轴向垂直；水平弯曲陶瓷组(1-1)包括m片水平弯曲陶瓷(1-1-1)，竖直弯曲陶瓷组(1-2)包括n片竖直弯曲陶瓷(1-2-1)，其中，m、n均为大于等于2的偶数；相邻两个水平弯曲陶瓷(1-1-1)之间设置有电极片(1-4)，相邻两个竖直弯曲陶瓷(1-2-1)之间设置有电极片(1-4)，对水平弯曲压电陶瓷组(1-1)中的电极片(1-4)施加电压激励信号时水平弯曲压电陶瓷组(1-1)沿水平方向弯曲，对竖直弯曲压电陶瓷组(1-2)中的电极片(1-4)施加电压激励信号时竖直弯曲压电陶瓷组(1-2)沿竖直方向弯曲，第一组压电振子(1-6)和第三组压电振子(1-8)的水平弯曲压电陶瓷组(1-1)施加正向电压激励信号时沿X轴正向弯曲，施加负向电压激励信号时沿X轴负向弯曲，第二振子(1-7)和第四振子(1-9)的水平弯曲压电陶瓷组(1-1)施加正向电压激励信号时沿Y轴正向弯曲，施加负向电压激励信号时沿Y轴负向弯曲；四组压电振子(1)的竖直弯曲陶瓷组(1-2)施加正向电压激励信号时沿Z轴正向弯曲，施加负向电压激励信号时沿Z轴负向弯曲。2.根据权利要求1所述的六自由度压电驱动装置，其特征在于，竖直弯曲陶瓷组(1-2)与基体(2)的四个侧面固定连接或者水平弯曲陶瓷组(1-1)与基体(2)的四个侧面固定连接。3.根据权利要求1所述的六自由度压电驱动装置，其特征在于，所述的四组压电振子(1)在驱动过程中，驱动足(1-5)末端质点的空间运动轨迹为任意的闭合多边形。4.六自由度压电驱动装置的激励方法，该方法是基于权利要求1所述的六自由度压电驱动装置实现的，其特征在于，该激励方法能够激励六自由度压电驱动装置实现六自由度运动，六个自由度包括沿X、Y和Z轴的移动，绕X、Y和Z轴的转动；以沿X轴正向移动为例来说明六自由度压电驱动装置沿X轴正向或负向移动的激励方法：步骤一一、第一组压电振子(1-6)和第三组压电振子(1-8)的竖直弯曲陶瓷组(1-2)施加正电压，它们沿Z轴正向弯曲，带动第一组压电振子(1-6)和第三组压电振子(1-8)的驱动足(1-5)离开工作台(3)，此时第二组压电振子(1-7)和第四组压电振子(1-9)处于初始位置；步骤一二、第一组压电振子(1-6)和第三组压电振子(1-8)的水平弯曲陶瓷组(1-1)施加正电压，第一组压电振子(1-6)和第三组压电振子(1-8)沿X轴正向弯曲。步骤一三、第一组压电振子(1-6)和第三组压电振子(1-8)的竖直弯曲陶瓷组(1-2)施加电压降为0，它们沿Z轴负向运动，带动第一组压电振子(1-6)和第三组压电振子(1-8)的驱动足(1-5)压在工作台(3)上；步骤一四、第二组压电振子(1-7)和第四组压电振子(1-9)的竖直弯曲陶瓷组(1-2)施加正电压，它们沿Z轴正向弯曲，带动第二组压电振子(1-7)和第四组压电振子(1-9)的驱动足(1-5)离开工作台(3)；步骤一五、第一组压电振子(1-6)和第三组压电振子(1-8)的水平弯曲陶瓷组(1-1)施加电压降为0，它们沿X轴负向运动，返回到初始位置，由于驱动足(1-5)和工作台(3)之间的静摩擦力，六自由度压电驱动装置沿X轴正向移动一步；步骤一六、第二组压电振子(1-7)和第四组压电振子(1-9)的竖直弯曲陶瓷组(1-2)施加电压降为0，它们沿Z轴负向运动，带动第二组压电振子(1-7)和第四组压电振子(1-9)的驱动足(1-5)压在工作台(3)上；步骤一七、重复步骤一一到步骤一六，实现对六自由度压电驱动装置在工作台上的连续驱动，实现沿X轴正向持续移动；以沿Y轴正向移动为例来说明六自由度压电驱动装置沿Y轴正向或负向移动的激励方法：步骤二一、第二组压电振子(1-7)和第四组压电振子(1-9)的竖直弯曲陶瓷组(1-2)施加正电压，它们沿Z轴正向弯曲，带动第二组压电振子(1-7)和第四组压电振子(1-9)的驱动足(1-5)离开工作台(3)，此时第一组压电振子(1-6)和第三组压电振子(1-8)处于初始位置；步骤二二、第二组压电振子(1-7)和第四组压电振子(1-9)的水平弯曲陶瓷组(1-1)施加正电压，第二组压电振子(1-7)和第四组压电振子(1-9)沿Y轴正向弯曲。步骤二三、第二组压电振子(1-7)和第四组压电振子(1-9)的竖直弯曲陶瓷组(1-2)施加电压降为0，它们沿Z轴负向运动，带动第二组压电振子(1-7)和第四组压电振子(1-9)的驱动足(1-5)压在工作台(3)上；步骤二四、第一组压电振子(1-6)和第三组压电振子(1-8)的竖直弯曲陶瓷组(1-2)施加正电压，它们沿Z轴正向弯曲，带动第一组压电振子(1-6)和第三组压电振子(1-8)的驱动足(1-5)离开工作台(3)；步骤二五、第二组压电振子(1-7)和第四组压电振子(1-9)的水平弯曲陶瓷组(1-1)施加电压降为0，它们沿Y轴负向运动，返回初始位置，由于驱动足(1-5)和工作台(3)之间的静摩擦力，六自由度压电驱动装置沿Y轴正向移动一步；步骤二六、第一组压电振子(1-6)和第三组压电振子(1-8)的竖直弯曲陶瓷组(1-2)施加电压降为0，它们沿Z轴负向运动，带动第一组压电振子(1-6)和第三组压电振子(1-8)的驱动足(1-5)压在工作台(3)上；步骤二七、重复步骤二一到步骤二六，实现对六自由度压电驱动装置在工作台上的连续驱动，实现沿Y轴正向持续移动；以绕Z轴顺时针转动为例来说明六自由度压电驱动装置绕Z轴顺时针转动或逆时针转动的激励方法：步骤三一、第一组压电振子(1-6)和第三组压电振子(1-8)的竖直弯曲陶瓷组(1-2)施加正电压，它们沿Z轴正向弯曲，带动第一组压电振子(1-6)和第三组压电振子(1-8)的...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘英想，邓杰，石胜君，陈维山，冯培连，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23