压电驱动的进给调姿装置及其激励方法制造方法及图纸

本发明专利技术是压电驱动的超精密进给调姿装置及其激励方法。本发明专利技术解决了已有的多数调姿机构难以实现进给运动以及结构繁琐、负载能力较差的技术问题。本发明专利技术的进给调姿装置由动子(1)、驱动单元(2)、螺母(3)、丝杠(4)以及基座(5)组成其中驱动单元(2)为主要驱动元件，用以产生弯曲变形和扭转变形并通过驱动足或丝杠螺母驱动动子的三自由度旋转运动和单自由度直线运动。基于本发明专利技术中的激励方法，所述进给调姿装置可以实现大尺度的运动。本发明专利技术中的进给调姿装置结构紧凑、负载能力强，激励方法简单可靠，适合应用于需要对操作对象进行精密调姿和进给的技术领域。

Ultra-Precision Feed Attitude Adjustment Device Driven by Piezoelectric and Its Excitation Method

The invention relates to an ultra-precision five-degree-of-freedom piezoelectric motion platform and an excitation method thereof. The invention solves the technical problems that most of the existing ultra-precision posture adjusting mechanisms are difficult to realize feed motion, complicated structure and poor load capacity. The feed attitude adjusting device of the present invention consists of a mover (1), a driving unit (2), a nut (3), a screw (4) and a base (5), in which the driving unit (2) is the main driving element to generate bending and torsional deformation and to drive the three-degree-of-freedom rotational motion and one-degree-of-freedom linear motion of the mover by driving the foot or the screw nut. Based on the excitation method in the invention, the feed attitude adjustment device can realize large-scale ultra-precision motion. The feed attitude adjusting device of the invention has compact structure, strong load capacity, simple and reliable excitation method, and is suitable for the technical field requiring precise attitude adjusting and feeding of the operating object.

【技术实现步骤摘要】
压电驱动的超精密进给调姿装置及其激励方法
本专利技术涉及压电驱动
，是一种压电驱动的超精密进给调姿装置及其激励方法。
技术介绍
压电驱动技术作为一种较为新颖的可以实现超精密驱动与定位的技术手段，其致动机理主要是利用压电材料的逆压电效应实现输入电能向输出机械能的转换。由于其结构设计灵活多样、分辨力高、响应速度快，近年来受到十分广泛的关注，并且在精密仪器、生物医疗、航空航天等领域得到了成功的应用。作为一种具有较大机械输出能力的压电元件，压电叠堆包括可以输出直线运动、弯曲运动以及旋转运动的多种类型，利用压电叠堆实现精密驱动的压电驱动装置也已经受到了广泛的关注和长足的发展。但是纵观众多类型的精密压电驱动器，它们可以实现的运动自由度数仍然难以满足应用需求，专利技术一种结构简单紧凑、激励方法可靠易行，且具有较大负载能力的精密压电驱动器是超精密加工、纳米科学与技术、细胞科学等相关
进一步发展所必需面对的问题。
技术实现思路
本专利技术为解决现有存在的问题，提供了一种压电驱动的超精密进给调姿装置及其激励方法，本专利技术提供了以下技术方案：一种压电驱动的超精密进给调姿装置，所述进给调姿装置包括动子1、驱动单元2、螺母3、丝杠4以及基座5；所述驱动单元2包括驱动足2-1、双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2、绝缘块2-3、上侧层叠式扭转型压电驱动器2-4、中间夹板2-5以及下侧层叠式扭转型压电驱动器2-6；所述基座5保持固定，所述动子1输出四自由度超精密运动；所述驱动足2-1、双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2、绝缘块2-3、上侧层叠式扭转型压电驱动器2-4、中间夹板2-5以及下侧层叠式扭转型压电驱动器2-6沿驱动单元2的轴线方向分布且保持固定连接，丝杠4的轴线方向与驱动单元2的轴线方向重合且与基座5之间保持固定连接；所述动子1压紧在驱动足2-1的上表面，所述下侧层叠式扭转型压电驱动器2-6压紧在螺母3的上表面。优选地，所述双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2由多片压电陶瓷沿驱动单元2的轴线方向固定连接而成，每片压电陶瓷包含四个极化分区，所述双向层叠式弯曲型压电驱动器2-2在激励电压信号的作用下发生偏离驱动单元2的轴线方向的弯曲变形，进而带动驱动足2-1沿与驱动单元2的轴线方向垂直的两个正交方向的摆动运动；所述上侧层叠式扭转型压电驱动器2-4以及下侧层叠式扭转型压电驱动器2-6由多片压电陶瓷绕驱动单元2的轴线方向固定连接而成，每片压电陶瓷包括一个极化分区，所述上侧层叠式扭转型压电驱动器2-4以及下侧层叠式扭转型压电驱动器2-6在激励电压信号的作用下发生绕驱动单元2的轴线方向的扭转变形，所述上侧层叠式扭转型压电驱动器2-4以及下侧层叠式扭转型压电驱动器2-6上下两个表面产生相对转动运动，进而分别带动驱动足2-1以及螺母3绕驱动单元2的轴线方向的转动运动。优选地，所述驱动足2-1上表面设置有定位孔，所述动子1通过定位孔压紧在驱动足2-1上以实现自动定心并跟随驱动足2-1做超精密运动；所述动子1与驱动足2-1之间在压紧装置的作用下保持接触，所述压紧装置包括球轴承压紧、电磁力压紧、流体动压力压紧、流体静压力压紧。优选地，所述丝杠4与所述螺母3配合，所述丝杠4保持固定，所述螺母3绕驱动单元2的轴线方向转动，进而产生沿驱动单元2的轴线方向的直线运动；所述中间夹板2-5设置有沿驱动单元2的轴线方向的直线导轨，所述直线导轨引导驱动单元2沿自身轴线方向的直线运动，而限制除沿驱动单元2自身轴线方向作直线运动外所有方向上的直线或旋转运动。一种压电驱动的超精密进给调姿装置的激励方法，通过以下激励方法实现动子1的大尺度四自由度超精密运动，包括如下步骤：步骤一：动子1沿驱动单元2的轴线方向做双向直线运动；步骤二：动子1绕驱动单元2的轴线方向做双向旋转运动；步骤三：动子1绕与驱动单元2的轴线方向正交的水平方向做双向旋转运动；步骤四：动子1绕与驱动单元2的轴线方向正交的纵深方向做双向旋转运动；以上四个步骤的顺序根据需要自行调整。优选地，所述步骤一具体为：第一步：将下侧层叠式扭转型压电驱动器2-6的底面压紧在螺母3的顶面上，并调整二者之间的预压力，将动子1压紧在驱动足2-1上，并调整二者之间的预压力；第二步：对下侧层叠式扭转型压电驱动器2-6施加幅值缓慢上升的激励电压信号，其顶面保持固定而底面缓慢转动至极限位置，在下侧层叠式扭转型压电驱动器2-6与螺母3之间静摩擦力的作用下，螺母3绕驱动单元2的轴线方向产生正方向旋转位移，由于丝杠4保持固定，螺母3沿驱动单元2的轴线方向产生正方向直线位移，进而推动驱动单元2以及动子1沿此方向的直线位移输出；第三步：对下侧层叠式扭转型压电驱动器2-6施加幅值快速下降的激励电压信号，其顶面保持固定而底面快速转动至初始位置，在螺母3的惯性的作用下，螺母3和下侧层叠式扭转型压电驱动器2-6之间发生相对滑动而保持静止，进而驱动单元2以及动子1也保持静止；第四步：重复第二步至第三步，实现动子1沿驱动单元2的轴线方向连续的正方向直线运动，通过改变激励电压信号的幅值和时间，实现该方向上的超精密运动；第五步：将下侧层叠式扭转型压电驱动器2-6的底面压紧在螺母3的顶面上，并调整二者之间的预压力，将动子1压紧在驱动足2-1上，并调整二者之间的预压力；第六步：对下侧层叠式扭转型压电驱动器2-6施加幅值缓慢下降的激励电压信号，其顶面保持固定而底面缓慢转动至极限位置，在下侧层叠式扭转型压电驱动器2-6与螺母3之间静摩擦力的作用下，螺母3绕驱动单元2的轴线方向产生反方向旋转位移，由于丝杠4保持固定，螺母3沿驱动单元2的轴线方向产生反方向直线位移，进而推动驱动单元2以及动子1沿此方向的直线位移输出；第七步：对下侧层叠式扭转型压电驱动器2-6施加幅值快速上升的激励电压信号，其顶面保持固定而底面快速转动至初始位置，在螺母3的惯性的作用下，螺母3和下侧层叠式扭转型压电驱动器2-6之间发生相对滑动而保持静止，进而驱动单元2以及动子1也保持静止；第八步：重复第六步至第七步，实现动子1沿驱动单元2的轴线方向连续的反方向直线运动，通过改变激励电压信号的幅值和时间，实现该方向上的超精密运动。优选地，所述步骤二具体为：第一步：将下侧层叠式扭转型压电驱动器2-6的底面压紧在螺母3的顶面上，并调整二者之间的预压力，将动子1压紧在驱动足2-1上，并调整二者之间的预压力；第二步：对上侧层叠式扭转型压电驱动器2-4施加幅值缓慢上升的激励电压信号，其底面保持固定而顶面带动驱动足2-1缓慢转动至极限位置，在驱动足2-1与动子1之间静摩擦力的作用下，动子1绕驱动单元2的轴线方向产生正方向旋转位移输出；第三步：对上侧层叠式扭转型压电驱动器2-4施加幅值快速下降的激励电压信号，其底面保持固定而顶面带动驱动足2-1快速转动至初始位置，在动子1的惯性的作用下，动子1和驱动足2-1之间发生相对滑动而保持静止；第四步：重复第二步至第三步，实现动子1绕驱动单元2的轴线方向连续的正方向旋转运动，通过改变激励电压信号的幅值和时间，实现该方向上的超精密运动；第五步：将下侧层叠式扭转型压电驱动器2-6的底面压紧在螺母3的顶面上，并调整二者之间的预压力，将动子1压紧在驱动足2-1上，并调整二者之间的预压力；第六步本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种压电驱动的超精密进给调姿装置，其特征是：所述进给调姿装置包括动子(1)、驱动单元(2)、螺母(3)、丝杠(4)以及基座(5)；所述驱动单元(2)包括驱动足(2‑1)、双向层叠式弯曲型压电驱动器(2‑2)、绝缘块(2‑3)、上侧层叠式扭转型压电驱动器(2‑4)、中间夹板(2‑5)以及下侧层叠式扭转型压电驱动器(2‑6)；所述基座(5)保持固定，所述动子(1)输出四自由度超精密运动；所述驱动足(2‑1)、双向层叠式弯曲型压电驱动器(2‑2)、绝缘块(2‑3)、上侧层叠式扭转型压电驱动器(2‑4)、中间夹板(2‑5)以及下侧层叠式扭转型压电驱动器(2‑6)沿驱动单元(2)的轴线方向分布且保持固定连接，丝杠(4)的轴线方向与驱动单元(2)的轴线方向重合且与基座(5)之间保持固定连接；所述动子(1)压紧在驱动足(2‑1)的上表面，所述下侧层叠式扭转型压电驱动器(2‑6)压紧在螺母(3)的上表面。

【技术特征摘要】
1.一种压电驱动的超精密进给调姿装置，其特征是：所述进给调姿装置包括动子(1)、驱动单元(2)、螺母(3)、丝杠(4)以及基座(5)；所述驱动单元(2)包括驱动足(2-1)、双向层叠式弯曲型压电驱动器(2-2)、绝缘块(2-3)、上侧层叠式扭转型压电驱动器(2-4)、中间夹板(2-5)以及下侧层叠式扭转型压电驱动器(2-6)；所述基座(5)保持固定，所述动子(1)输出四自由度超精密运动；所述驱动足(2-1)、双向层叠式弯曲型压电驱动器(2-2)、绝缘块(2-3)、上侧层叠式扭转型压电驱动器(2-4)、中间夹板(2-5)以及下侧层叠式扭转型压电驱动器(2-6)沿驱动单元(2)的轴线方向分布且保持固定连接，丝杠(4)的轴线方向与驱动单元(2)的轴线方向重合且与基座(5)之间保持固定连接；所述动子(1)压紧在驱动足(2-1)的上表面，所述下侧层叠式扭转型压电驱动器(2-6)压紧在螺母(3)的上表面。2.根据权利要求1所述的一种压电驱动的超精密进给调姿装置，其特征是：所述双向层叠式弯曲型压电驱动器(2-2)由多片压电陶瓷沿驱动单元(2)的轴线方向固定连接而成，每片压电陶瓷包含四个极化分区，所述双向层叠式弯曲型压电驱动器(2-2)在激励电压信号的作用下发生偏离驱动单元(2)的轴线方向的弯曲变形，进而带动驱动足(2-1)沿与驱动单元(2)的轴线方向垂直的两个正交方向的摆动运动；所述上侧层叠式扭转型压电驱动器(2-4)以及下侧层叠式扭转型压电驱动器(2-6)由多片压电陶瓷绕驱动单元(2)的轴线方向固定连接而成，每片压电陶瓷包括一个极化分区，所述上侧层叠式扭转型压电驱动器(2-4)以及下侧层叠式扭转型压电驱动器(2-6)在激励电压信号的作用下发生绕驱动单元(2)的轴线方向的扭转变形，所述上侧层叠式扭转型压电驱动器(2-4)以及下侧层叠式扭转型压电驱动器(2-6)上下两个表面产生相对转动运动，进而分别带动驱动足(2-1)以及螺母(3)绕驱动单元(2)的轴线方向的转动运动。3.根据权利要求1所述的一种压电驱动的超精密进给调姿装置，其特征是：所述驱动足(2-1)上表面设置有定位孔，所述动子(1)通过定位孔压紧在驱动足(2-1)上以实现自动定心并跟随驱动足(2-1)做超精密运动；所述动子(1)与驱动足(2-1)之间在压紧装置的作用下保持接触，所述压紧装置包括球轴承压紧、电磁力压紧、流体动压力压紧、流体静压力压紧。4.根据权利要求1所述的一种压电驱动的超精密进给调姿装置，其特征是：所述丝杠(4)与所述螺母(3)配合，所述丝杠(4)保持固定，所述螺母(3)绕驱动单元(2)的轴线方向转动，进而产生沿驱动单元(2)的轴线方向的直线运动；所述中间夹板(2-5)设置有沿驱动单元(2)的轴线方向的直线导轨，所述直线导轨引导驱动单元(2)沿自身轴线方向的直线运动，而限制除沿驱动单元(2)自身轴线方向做直线运动外所有方向上的直线或旋转运动。5.一种如权利要求1所述的压电驱动的超精密进给调姿装置的激励方法，其特征是：通过以下激励方法实现动子(1)的大尺度四自由度超精密运动，包括如下步骤：步骤一：动子(1)沿驱动单元(2)的轴线方向做双向直线运动；步骤二：动子(1)绕驱动单元(2)的轴线方向做双向旋转运动；步骤三：动子(1)绕与驱动单元(2)的轴线方向正交的水平方向做双向旋转运动；步骤四：动子(1)绕与驱动单元(2)的轴线方向正交的纵深方向做双向旋转运动。6.根据权利要求5所述的一种压电驱动的超精密进给调姿装置的激励方法，其特征是：所述步骤一具体为：第一步：将下侧层叠式扭转型压电驱动器(2-6)的底面压紧在螺母(3)的顶面上，并调整二者之间的预压力，将动子(1)压紧在驱动足(2-1)上，并调整二者之间的预压力；第二步：对下侧层叠式扭转型压电驱动器(2-6)施加幅值缓慢上升的激励电压信号，其顶面保持固定而底面缓慢转动至极限位置，在下侧层叠式扭转型压电驱动器(2-6)与螺母(3)之间静摩擦力的作用下，螺母(3)绕驱动单元(2)的轴线方向产生正方向旋转位移，由于丝杠(4)保持固定，螺母(3)沿驱动单元(2)的轴线方向产生正方向直线位移，进而推动驱动单元(2)以及动子(1)沿此方向的直线位移输出；第三步：对下侧层叠式扭转型压电驱动器(2-6)施加幅值快速下降的激励电压信号，其顶面保持固定而底面快速转动至初始位置，在螺母(3)的惯性的作用下，螺母(3)和下侧层叠式扭转型压电驱动器(2-6)之间发生相对滑动而保持静止，进而驱动单元(2)以及动子(1)也保持静止；第四步：重复第二步至第三步，实现动子(1)沿驱动单元(2)的轴线方向连续的正方向直线运动，通过改变激励电压信号的幅值和时间，实现该方向上的超精密运动；第五步：将下侧层叠式扭转型压电驱动器(2-6)的底面压紧在螺母(3)的顶面上，并调整二者之间的预压力，将动子(1)压紧在驱动足(2-1)上，并调整二者之间的预压力；第六步：对下侧层叠式扭转型压电驱动器(2-6)施加幅值缓慢下降的激励电压信号，其顶面保持固定而底面缓慢转动至极限位置，在下侧层叠式扭转型压电驱动器(2-6)与螺母(3)之间静摩擦力的作用下，螺母(3)绕驱动单元(2)的轴线方向产生反方向旋转位移，由于丝杠(4)保持固定，螺母(3)沿驱动单元(2)的轴线方向产生反方向直线位移，进而推动驱动单元(2)以及动子(1)沿此方向的直线位移输出；第七步：对下侧层叠式扭转型压电驱动器(2-6)施加幅值快速上升的激励电压信号，其顶面保持固定而底面快速转动至初始位置，在螺母(3)的惯性的作用下，螺母(3)和下侧层叠式扭转型压电驱动器(2-6)之间发生相对滑动而保持静止，进而驱动单元(2)以及动子(1)也保持静止；第八步：重复第六步至第七步，实现动子(1)沿驱动单元(2)的轴线方向连续的反方向直线运动，通过改变激励电压信号的幅值和时间，实现该方向上的超精密运动。7.根据权利要求5所述的一种压电驱动的超精密进给调姿装置的激励方法，其特征是：所述步...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘英想，于洪鹏，陈维山，刘军考，
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