紧凑型精密压电粘滑升降平台及其驱动方法技术

一种紧凑型精密压电粘滑升降平台，以解决当前电磁电机式驱动平台存在的定位精度较低、工作环境要求苛刻以及当前的压电驱动平台存在的行程小、磨损严重、控制复杂和摩擦力综合调控困难等问题。本发明专利技术涉及的升降平台包括限位台、位移台、双列交叉滚柱导轨、固定基座、驱动定子、螺纹副、端盖、端盖安装螺钉、定子安装螺钉、限位台螺钉、位移台螺钉和导轨安装螺栓。所提出的紧凑型精密压电粘滑升降平台具有结构简单紧凑、定位精度高、行程大和控制方便等优点，此外，本发明专利技术实现了对精密压电粘滑驱动平台整个驱动过程的摩擦力综合调控，提升了平台的机械输出特性，开环条件下定位精度可达纳米级，被广泛应用于精密驱动与定位技术领域。

【技术实现步骤摘要】
紧凑型精密压电粘滑升降平台及其驱动方法
本专利技术涉及一种紧凑型精密压电粘滑升降平台及其驱动方法，属于精密驱动与定位

技术介绍
压电驱动技术是一种利用压电材料的逆压电效应将电能转化为机械能的新型驱动方式，与传统的电磁驱动方式相比，具有低速大转矩（推力）、力矩密度高、设计灵活、结构紧凑、定位精度高、响应速度快、断电自锁、无电磁干扰且不受电磁干扰以及可不使用轴承和润滑等优点，在机器人关节驱动、精密仪器仪表、超精密加工、航空航天以及生命科学等领域均具有广泛的应用前景，是近年来精密特种驱动
研究的热点之一。精密驱动平台广泛应用于空间机构、生命科学、光学精密仪器和超精加工等高端
精密驱动平台按照驱动方式主要可分为电磁电机驱动的精密驱动平台和压电驱动的精密驱动平台。目前多数采用的是电磁电机的驱动方式，虽然平台可实现较大的行程，但是普遍存在定位精度较低且工作环境要求苛刻等问题；为了满足上述高端
对高精度驱动装置的需求，使得压电驱动技术得到了迅速发展。当前基于压电驱动的精密平台主要包括直动式压电驱动平台、尺蠖式压电驱动平台以及粘滑式压电驱动平台等，直动式压电驱动平台由于运动行程小的缺陷影响了其在微纳精密驱动
的应用，尺蠖式压电驱动平台存在控制复杂且动子与定子间磨损严重等问题，而压电粘滑驱动平台因具有结构简单紧凑、定位精度高、行程大和控制方便等优点，被广泛应用于精密驱动与定位
此外，当前的驱动平台还存在摩擦力调控困难等问题，很难使其维持高效的运动输出。因此，为了克服直动式压电驱动平台和尺蠖式压电驱动平台存在的技术问题以及平台存在的摩擦力调控困难等问题，基于粘滑驱动原理设计一种可实现高精度、易微型化以及寿命长的精密驱动平台显得尤为迫切和需要。
技术实现思路
为解决已有的驱动平台存在的工作行程受限、定位精度低、摩擦磨损严重、工作环境要求苛刻、难于微型化以及控制复杂等问题，本专利技术公开一种紧凑型精密压电粘滑升降平台。本专利技术所采用的技术方案是：所述一种双堆叠单驱动足定子组件实现方式的紧凑型精密压电粘滑升降平台包括限位台、位移台、双列交叉滚柱导轨、固定基座、驱动定子、螺纹副、端盖、端盖安装螺钉、定子安装螺钉、限位台螺钉、位移台螺钉和导轨安装螺栓；所述限位台通过限位台螺钉安装在固定基座上，位移台通过位移台螺钉安装固定在双列交叉滚柱导轨上，双列交叉滚柱导轨通过导轨安装螺栓安装在固定基座上，驱动定子通过定子安装螺钉固定在固定基座上，螺纹副胶粘固定安装在固定基座上，端盖通过端盖安装螺钉安装在固定基座上。所述限位台设置有限位方形孔和限位台安装孔；所述位移台设置有上位移台、滚珠导轨和下位移台，所述限位方形孔与上位移台滑动接触配合，所述限位台安装孔与限位台螺钉将限位台安装在固定基座上，所述上位移台和下位移台材料为铝合金，所述下位移台设置有下位移台安装孔和滑移平面，下位移台安装孔与位移台螺钉将下位移台安装在固定基座上，滑移平面通过滚珠导轨与上位移台滚动接触配合。所述双列交叉滚柱导轨包括固定导轨、导轨限位螺栓、连接孔、活动导轨、双列交叉滚柱导轨保持架；所述固定导轨通过导轨安装螺栓固定，固定导轨和活动导轨中间设置有双列交叉滚柱导轨保持架，所述活动导轨端面涂有陶瓷类或玻璃纤维类摩擦材料，所述导轨限位螺栓安装在固定导轨和活动导轨的两端进行限位，所述连接孔通过位移台螺钉将下位移台固定在活动导轨上。所述固定基座采用“L”字型结构，所述固定基座设置有限位台安装平面、限位台螺纹安装孔、导轨安装平面、导轨螺纹安装孔、固定基座安装孔、定子安装螺纹孔、端盖安装螺纹孔和螺纹副安装孔；所述限位台螺纹安装孔通过与限位台螺钉进行螺纹连接将限位台固定在限位台安装平面上，导轨螺纹安装孔通过与导轨安装螺栓进行螺纹连接可将双列交叉滚柱导轨固定在导轨安装平面上，固定基座通过固定基座安装孔与其它外围装置进行固定连接，定子安装螺纹孔与定子安装螺钉可固定驱动定子，端盖安装螺纹孔与端盖安装螺钉进行螺纹连接将端盖固定，螺纹副安装孔与螺纹副通过胶粘连接固定。所述驱动定子包括柔性铰链机构、叠堆型压电陶瓷、调整垫片和基米螺钉；所述叠堆型压电陶瓷通过调整垫片和基米螺钉固定在柔性铰链机构内。所述柔性铰链机构设置有驱动足、横梁、定子安装孔、基米螺钉安装孔、刚性直梁、直圆型铰链Ⅰ、刚性横梁、直圆型铰链Ⅱ、直圆型铰链Ⅲ、直圆型铰链Ⅳ、直圆型铰链Ⅴ和直圆型铰链Ⅵ；所述驱动足位于横梁的中间位置，驱动足与活动导轨线接触，驱动足的表面涂有摩擦材料，所述定子安装孔通过定子安装螺钉将驱动定子固定在固定基座的定子安装螺纹孔上，所述基米螺钉安装孔与基米螺钉螺纹连接将叠堆型压电陶瓷预紧，通过调节基米螺钉的旋合圈数来调节叠堆型压电陶瓷的预紧力，所述直圆型铰链Ⅰ和直圆型铰链Ⅳ通过刚性横梁刚性连接，所述直圆型铰链Ⅱ和直圆型铰链Ⅲ通过刚性直梁刚性连接，所述直圆型铰链Ⅴ和直圆型铰链Ⅵ通过刚性直梁刚性连接。所述螺纹副包括螺母基体、锁紧螺母和螺栓；所述螺母基体通过胶粘固定在螺纹副安装孔上，所述锁紧螺母与螺栓螺纹配合连接，通过改变锁紧螺母与螺栓的相对位置可调节双列交叉滚柱导轨和驱动定子间的预紧力。所述端盖为铝合金材料，端盖包括端盖安装孔和通线孔；所述端盖安装孔通过端盖安装螺钉将端盖固定在固定基座的端盖安装螺纹孔上。所述驱动定子的直圆型铰链Ⅱ、直圆型铰链Ⅲ、直圆型铰链Ⅴ和直圆型铰链Ⅵ具有相同的圆角半径为R1，所述直圆型铰链Ⅰ和直圆型铰链Ⅳ具有相同的圆角半径为R2，R1和R2的比值为D，D的取值范围为1.5~4.5。或为一种菱形定子组件实现方式的紧凑型精密压电粘滑升降平台，所述菱形定子组件的柔性铰链机构采用非对称菱形结构铰链，所述柔性铰链机构设置有驱动足、端部横梁、定子安装孔、基米螺钉安装孔、刚性折梁Ⅰ、刚性折梁Ⅱ、刚性折梁Ⅲ、刚性折梁Ⅳ、直圆型铰链Ⅷ、直圆型铰链Ⅶ、直圆型铰链Ⅹ和直圆型铰链Ⅸ；所述驱动足位于端部横梁的中间位置，驱动足与活动导轨线接触；所述柔性铰链机构通过定子安装孔固定在固定基座的定子安装螺纹孔上；所述刚性折梁Ⅰ与刚性折梁Ⅱ通过直圆型铰链Ⅶ刚性连接，所述刚性折梁Ⅲ与刚性折梁Ⅳ通过直圆型铰链Ⅸ刚性连接，所述直圆型铰链Ⅷ和直圆型铰链Ⅶ通过刚性折梁Ⅰ刚性连接，所述直圆型铰链Ⅹ和直圆型铰链Ⅸ通过刚性折梁Ⅲ刚性连接；所述直圆型铰链Ⅷ、直圆型铰链Ⅶ和直圆型铰链Ⅸ具有相同的圆角半径值R3，直圆型铰链Ⅹ具有圆角半径值R4，R3与R4的比值为2~5。或为一种斜梯型定子组件实现方式的紧凑型精密压电粘滑升降平台，所述一种斜梯型定子组件的柔性铰链机构采用斜梯式框型结构的柔性铰链，所述柔性铰链机构设置有定子安装孔，通过定子安装螺钉将柔性铰链机构与固定基座固定；所述柔性铰链机构设置有刚性直梁Ⅴ和刚性直梁Ⅵ，所述柔性铰链机构设置有直圆型铰链Ⅱ、直圆型铰链Ⅲ、直圆型铰链Ⅴ和直圆型铰链Ⅵ，所述直圆型铰链Ⅱ和直圆型铰链Ⅲ通过刚性直梁Ⅵ刚性连接，所述直圆型铰链Ⅴ和直圆型铰链Ⅵ通过刚性直梁Ⅴ刚性连接；所述刚性直梁Ⅴ和刚性直梁Ⅵ之间的距离为H，所述直圆型铰链Ⅱ、直圆型铰链Ⅲ、直圆型铰链Ⅴ和直圆型铰链Ⅵ具有相同的圆角半径值R8，其中R8/H的取值范围0.017~0.09；所述柔性铰链机构设置有斜梯型梁，斜梯型梁的长度为I，其中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种紧凑型精密压电粘滑升降平台，其特征在于：为一种双堆叠单驱动足定子组件实现方式的紧凑型精密压电粘滑升降平台；该升降平台包括限位台（1）、位移台（2）、双列交叉滚柱导轨（3）、固定基座（4）、驱动定子（5）、螺纹副（6）、端盖（7）、端盖安装螺钉（8）、定子安装螺钉（9）、限位台螺钉（10）、位移台螺钉（11）和导轨安装螺栓（12）；所述限位台（1）通过限位台螺钉（10）安装在固定基座（4）上，位移台（2）通过位移台螺钉（11）安装固定在双列交叉滚柱导轨（3）上，双列交叉滚柱导轨（3）通过导轨安装螺栓（12）安装在固定基座（4）上，驱动定子（5）通过定子安装螺钉（9）固定在固定基座（4）上，螺纹副（6）胶粘固定安装在固定基座（4）上，端盖（7）通过端盖安装螺钉（8）安装在固定基座（4）上。

【技术特征摘要】
1.一种紧凑型精密压电粘滑升降平台，其特征在于：为一种双堆叠单驱动足定子组件实现方式的紧凑型精密压电粘滑升降平台；该升降平台包括限位台（1）、位移台（2）、双列交叉滚柱导轨（3）、固定基座（4）、驱动定子（5）、螺纹副（6）、端盖（7）、端盖安装螺钉（8）、定子安装螺钉（9）、限位台螺钉（10）、位移台螺钉（11）和导轨安装螺栓（12）；所述限位台（1）通过限位台螺钉（10）安装在固定基座（4）上，位移台（2）通过位移台螺钉（11）安装固定在双列交叉滚柱导轨（3）上，双列交叉滚柱导轨（3）通过导轨安装螺栓（12）安装在固定基座（4）上，驱动定子（5）通过定子安装螺钉（9）固定在固定基座（4）上，螺纹副（6）胶粘固定安装在固定基座（4）上，端盖（7）通过端盖安装螺钉（8）安装在固定基座（4）上。2.根据权利要求1所述的一种紧凑型精密压电粘滑升降平台，其特征在于：所述限位台（1）设置有限位方形孔（1-1）和限位台安装孔（1-2）；所述位移台（2）设置有上位移台（2-1）、滚珠导轨（2-2）和下位移台（2-3），所述限位方形孔（1-1）与上位移台（2-1）滑动接触配合，所述限位台安装孔（1-2）与限位台螺钉（10）将限位台（1）安装在固定基座（4）上，所述上位移台（2-1）和下位移台（2-3）材料为铝合金，所述下位移台（2-3）设置有下位移台安装孔（2-3-1）和滑移平面（2-3-2），下位移台安装孔（2-3-1）与位移台螺钉（11）将下位移台（2-3）安装在活动导轨（3-4）上，滑移平面（2-3-2）通过滚珠导轨（2-2）与上位移台（2-1）滚动接触配合；所述双列交叉滚柱导轨（3）包括固定导轨（3-1）、导轨限位螺栓（3-2）、连接孔（3-3）、活动导轨（3-4）、双列交叉滚柱导轨保持架（3-5）；所述固定导轨（3-1）通过导轨安装螺栓（12）固定，固定导轨（3-1）和活动导轨（3-4）中间设置有双列交叉滚柱导轨保持架（3-5），所述活动导轨（3-4）端面涂有陶瓷类或玻璃纤维类摩擦材料，所述导轨限位螺栓（3-2）安装在固定导轨（3-1）和活动导轨（3-4）的两端，所述连接孔（3-3）通过位移台螺钉（11）将下位移台（2-3）固定在活动导轨（3-4）上。3.根据权利要求1所述的一种紧凑型精密压电粘滑升降平台，其特征在于：所述固定基座（4）采用“L”字型结构，所述固定基座（4）设置有限位台安装平面（4-1）、限位台螺纹安装孔（4-2）、导轨安装平面（4-3）、导轨螺纹安装孔（4-4）、固定基座安装孔（4-5）、定子安装螺纹孔（4-6）、端盖安装螺纹孔（4-7）和螺纹副安装孔（4-8）；所述限位台螺纹安装孔（4-2）通过与限位台螺钉（10）进行螺纹连接将限位台（1）固定在限位台安装平面（4-1）上，导轨螺纹安装孔（4-4）通过与导轨安装螺栓（12）进行螺纹连接可将双列交叉滚柱导轨（3）固定在导轨安装平面（4-3）上，固定基座（4）通过固定基座安装孔（4-5）与其它外围装置进行固定连接，定子安装螺纹孔（4-6）与定子安装螺钉（9）可固定驱动定子（5），端盖安装螺纹孔（4-7）与端盖安装螺钉（8）进行螺纹连接将端盖（7）固定，螺纹副安装孔（4-8）与螺纹副（6）通过胶粘连接固定。4.根据权利要求1所述的一种紧凑型精密压电粘滑升降平台，其特征在于：所述驱动定子（5）包括柔性铰链机构（5-1）、叠堆型压电陶瓷（5-2）、调整垫片（5-3）和基米螺钉（5-4）；所述叠堆型压电陶瓷（5-2）通过调整垫片（5-3）和基米螺钉（5-4）固定在柔性铰链机构（5-1）内；所述柔性铰链机构（5-1）设置有驱动足（5-1-1）、横梁（5-1-2）、定子安装孔（5-1-4）、基米螺钉安装孔（5-1-6）、刚性直梁（5-1-8）、直圆型铰链Ⅰ（5-1-9）、刚性横梁（5-1-10）、直圆型铰链Ⅱ（5-1-13）、直圆型铰链Ⅲ（5-1-14）、直圆型铰链Ⅳ（5-1-15）、直圆型铰链Ⅴ（5-1-16）和直圆型铰链Ⅵ（5-1-17）；所述驱动足（5-1-1）位于横梁（5-1-2）的中间位置，驱动足（5-1-1）与活动导轨（3-4）线接触，驱动足（5-1-1）的表面涂有摩擦材料，所述定子安装孔（5-1-4）通过定子安装螺钉（9）将驱动定子（5）固定在固定基座（4）的定子安装螺纹孔（4-6）上，所述基米螺钉安装孔（5-1-6）与基米螺钉（5-4）螺纹连接对叠堆型压电陶瓷（5-2）预紧，通过调节基米螺钉（5-4）的旋合圈数来调节叠堆型压电陶瓷（5-2）的预紧力，所述直圆型铰链Ⅰ（5-1-9）和直圆型铰链Ⅳ（5-1-15）通过刚性横梁（5-1-10）刚性连接，所述直圆型铰链Ⅱ（5-1-13）和直圆型铰链Ⅲ（5-1-14）通过刚性直梁（5-1-8）刚性连接，所述直圆型铰链Ⅴ（5-1-16）和直圆型铰链Ⅵ（5-1-17）通过刚性直梁（5-1-8）刚性连接；所述驱动定子（5）的直圆型铰链Ⅱ（5-1-13）、直圆型铰链Ⅲ（5-1-14）、直圆型铰链Ⅴ（5-1-16）和直圆型铰链Ⅵ（5-1-17）具有相同的圆角半径为R1，所述直圆型铰链Ⅰ（5-1-9）和直圆型铰链Ⅳ（5-1-15）具有相同的圆角半径为R2，R1和R2的比值为D，D的取值范围为1.5~4.5；所述螺纹副（6）包括螺母基体（6-1）、锁紧螺母（6-2）和螺栓（6-3）；所述螺母基体（6-1）通过胶粘固定在螺纹副安装孔（4-8）内，所述锁紧螺母（6-2）与螺栓（6-3）螺纹配合连接，通过改变锁紧螺母（6-2）与螺栓（6-3）的相对位置可调节双列交叉滚柱导轨（3）和驱动定子（5）间的预紧力；所述端盖（7）为铝合金材料，端盖（7）包括端盖安装孔（7-1）和通线孔（7-2）；所述端盖安装孔（7-1）通过端盖安装螺钉（8）将端盖（7）固定在固定基座（4）的端盖安装螺纹孔（4-7）上。5.根据权利要求1所述的一种紧凑型精密压电粘滑升降平台，其特征在于：为一种菱形定子组件实现方式的紧凑型精密压电粘滑升降平台，所述驱动定子（5）的柔性铰链机构（5-1）采用非对称菱形结构铰链，所述柔性铰链机构（5-1）设置有驱动足（5-1-1）、端部横梁（5-1-3）、定子安装孔（5-1-4）、基米螺钉安装孔（5-1-6）、刚性折梁Ⅰ（5-1-20）、刚性折梁Ⅱ（5-1-21）、刚性折梁Ⅲ（5-1-22）、刚性折梁Ⅳ（5-1-23）、直圆型铰链Ⅷ（5-1-24）、直圆型铰链Ⅶ（5-1-25）、直圆型铰链Ⅹ（5-1-26）和直圆型铰链Ⅸ（5-1-27）；所述驱动足（5-1-1）位于端部横梁（5-1-3）的中间位置，驱动足（5-1-1）与活动导轨（3-4）线接触；所述柔性铰链机构（5-1）通过定子安装孔（5-1-4）固定在固定基座（4）的定子安装螺纹孔（4-6）上；所述刚性折梁Ⅰ（5-1-20）与刚性折梁Ⅱ（5-1-21）通过直圆型铰链Ⅶ（5-1-25）刚性连接，所述刚性折梁Ⅲ（5-1-22）与刚性折梁Ⅳ（5-1-23）通过直圆型铰链Ⅸ（5-1-27）刚性连接，所述直圆型铰链Ⅷ（5-1-24）和直圆型铰链Ⅶ（5-1-25）通过刚性折梁Ⅰ（5-1-20）刚性连接，所述直圆型铰链Ⅹ（5-1-26）和直圆型铰链Ⅸ（5-1-27）通过刚性折梁Ⅲ（5-1-22）刚性连接；所述直圆型铰链Ⅷ（5-1-24）、直圆型铰链Ⅶ（5-1-25）和直圆型铰链Ⅸ（5-1-27）具有相同的圆角半径值R3，直圆型铰链Ⅹ（5-1-26）具有圆角半径值R4，R3与R4的比值为2~5。6.根据权利要求1所述的一种紧凑型精密压电粘滑升降平台，其特征在于：为一种斜梯型定子组件实现方式的紧凑型精密压电粘滑升降平台，所述驱动定子（5）的柔性铰链机构（5-1）采用斜梯式框型结构的柔性铰链，所述柔性铰链机构（5-1）设置有定子安装孔（5-1...

【专利技术属性】
技术研发人员：程廷海，李义康，卢晓晖，何猛，高琪，陈鹏飞，
申请(专利权)人：长春工业大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22