压电-电磁混合驱动式多自由度精密定位装置及控制方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种压电‑电磁混合驱动式多自由度精密定位装置及控制方法，属于精密机械与精密工程领域。压电惯性式旋转定位组件固定安装在连接套筒中，并保证断电时与输出轴间隙配合；压电双晶片式旋转定位组件与输出轴过盈配合安装，输出轴由固定安装在连接套筒中的轴承I、II支撑导向，保证输出轴末端连接组件的轴线与输出轴线同轴；钳位机构通过连接螺栓固连在机体的凸缘上，并利用半球形接触件与连接套筒紧密接触实现自锁，通过机体端部与外部宏观调整定位平台相固连。优点在于：结构紧凑，具有轴向大行程线性定位和宏微混合旋转定位的优势，可实现多自由度运动输出，在精密光学、显微操作、航空航天和精密仪器等领域具有良好的应用前景。

Piezoelectric-Electromagnetic Hybrid Drive Multi-Degree of Freedom Precision Positioning Device and Control Method

【技术实现步骤摘要】
压电-电磁混合驱动式多自由度精密定位装置及控制方法
本专利技术涉及精密机械与精密工程领域，特别涉及一种压电-电磁混合驱动式多自由度精密定位装置及控制方法，可用于精密光学、精密与超精密加工、显微操作、微夹持、航空航天和精密仪器等领域实现精密定位。
技术介绍
精密线性和旋转定位装置在科学研究和工业生产有广泛的应用和需求，尤其在精密与超精密加工、微小机器人等领域，传统机械驱动与传动装置如伺服电机、齿轮传动、滚珠丝杆传动等方式已不能满足纳米精度要求，而其中对于定位装置的要求越来越高。各研究机构对大行程、高精度的多自由度精密定位装置进行设计研究，主要集中在步进压电式/压电电机、音圈电机、磁致伸缩式、柔性结构放大式、压电惯性式和压电尺蠖仿生式等精密定位装置。然而，目前大多数定位装置仅单独针对精密线性定位或旋转定位设计的，仅有少部分可实现大行程、高精度、多自由度精密定位，如中国专利（CN106601307A）中所涉及的二维纳米柔性运动平台是将压电元件置于串并联柔顺机构中，具有误差小、精度高等优点，但是仅能够实现平面二自由度精密定位；中国专利（CN108092545A）涉及一种多自由度压电粘滑微纳米定位平台，利用多组压电元件实现X向和Y向直线移动和绕Z轴的旋转定位，具有更大行程、高精度和控制简便等优点；中国专利（CN108092545A）涉及一种多自由度混合驱动式定位装置，利用冲击式压电双晶片惯性力矩推动并通过控制双层钳位机构动作时序，可实现精密旋转和步进式线性定位两自由度的任意组合运动。但是，仅利用压电元件驱动无法实现高精度、轴向大行程直线运动，并且不能很好地兼顾实现宏微混合连续旋转定位等功能，限制了其实际应用范围。综上，可以看出，研制具有结构紧凑、高精度且行程大、宏微混合驱动能力等实用性指标的多自由度精密定位装置依然是一个难点，也是急迫需要的。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种压电-电磁混合驱动式多自由度精密定位装置及控制方法，解决了现有多自由度定位装置存在的上述不足。本专利技术采用模块化设计思路，结构紧凑，并具有轴向大行程线性定位和宏微混合连续旋转定位的优势，为大行程、高精度、多自由度精密定位提供一种可用方案。本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现：压电-电磁混合驱动式多自由度精密定位装置，包括机体1、轴向大行程定位组件、钳位机构2、压电惯性式旋转定位组件3、压电双晶片式旋转定位组件4、连接套筒4A、输出轴5、输出轴末端连接组件6、轴承I10和轴承II13，所述压电惯性式旋转定位组件3固定安装在连接套筒4A中，并保证断电时与输出轴5间隙配合；所述压电双晶片式旋转定位组件4与输出轴5过盈配合安装，其中输出轴5由固定安装在连接套筒4A中的轴承I10和轴承II13支撑导向，保证输出轴末端连接组件6的轴线与输出轴线7同轴；所述钳位机构2通过连接螺栓固连在机体1的凸缘上，并利用半球形接触件与连接套筒4A紧密接触实现自锁，其中通过机体1端部可与外部宏观调整定位平台相固连。所述的轴向大行程定位组件是：线圈12固连在机体1上，作为磁钢移动型电磁驱动单元的定子，永磁体11与连接套筒4A固连作为动子，形成封闭的磁通路径15，实现输出轴5轴向大行程线性定位，其中为保证连接套筒4A位移行程不超出机体1长度限制，通过压板8固定在机体1端部的挠性轴承9进行轴向限位；线圈导线14经机体1端部通孔与线圈12相连，并可与冷却系统连接热管进行替换，实现强制对流改善线圈12的散热条件。所述的压电惯性式旋转定位组件3是：四组柔性铰链I36通过紧定螺钉31均匀分布固定在连接套筒4A的方形孔内，柔性铰链I36设计有腰形孔34用于位置调整；柔性铰链I36末端凹槽中粘贴压电驱动组件，压电驱动组件由粘接在一起的压电叠堆II33、压电陶瓷剪切叠堆32和接触端35组成；压电叠堆II33通电时，接触端35与输出轴5紧密接触实现预紧，通过调节压电叠堆II33驱动电压幅值改变预紧力大小；压电陶瓷剪切叠堆32通电时，带动接触端35横向移动，实现输出轴5双向连续精密旋转定位。所述的压电双晶片式旋转定位组件4是由质量块41、压电双晶片42、螺钉43、连接轴套44以及辐板45组成，其中两组辐板45通过螺钉43对称固连在连接轴套44上；连接轴套44过盈配合在连接套筒4A外端输出轴5上；四片压电双晶片42分别粘接在辐板45上，同时四块质量块41分别粘贴在辐板45端部，增加惯性驱动力矩。所述的钳位机构2包括四组柔性铰链II22，四组压电叠堆I21放置在柔性铰链II22的安装凹槽内，并利用厚度可调的预紧垫片23实现预紧；压电叠堆I21断电时，保证柔性铰链II22端部半球形接触件与连接套筒4A紧密接触实现连接套筒4A轴向自锁，进而实现与输出轴5相连的输出轴末端连接组件6轴向精确定位；压电叠堆I21通电时，柔性铰链II22端部半球形接触件与连接套筒4A分离，通过信号时序控制实现输出轴5多自由度宏微混合定位。所述的输出轴末端连接组件6为终端执行器，所述冬端执行器为光学元件安装架或显微夹持单元等，可根据实际应用更换不同的安装组件，并通过螺纹与输出轴5相连便于功能替换；作为优选，连接螺纹均采用精密细牙螺纹。本专利技术的另一目的在于提供一种压电-电磁混合驱动式多自由度精密定位装置的控制方法，包括以下步骤：A）选择预紧垫片23对压电叠堆I21进行预紧，并保证压电惯性式旋转定位组件3中的接触端35与输出轴5间隙配合，以及压电双晶片式旋转定位组件4中辐板45端部的质量块41与连接套筒4A内侧筒壁间隙配合；B）给钳位机构2中的压电叠堆I21施加矩形波驱动电压，压电叠堆I21在逆压电效应的作用下，缓慢伸长，在这个过程中，柔性铰链II22发生弹性变形，从而使其上的半球形接触件与连接套筒4A分离取消自锁，在断电过程中，柔性铰链II22弹性变形恢复，使半球形接触件与连接套筒4A紧密接触实现自锁；C）当钳位机构2通电的同时，对磁钢移动型电磁驱动单元中的定子线圈12通电，由于位于连接套筒4A端部的永磁体11受到安培力作用，带动输出轴5轴向大行程线性移动，并通过机体1端部挠性轴承9限制连接套筒4A行程范围；D）当输出轴末端连接组件6轴向位置锁定后，给压电双晶片式旋转定位组件4中的压电双晶片42施加锯齿波驱动电压，压电双晶片42在缓慢弯曲变形后迅速反向振动，带动其辐板45端部的质量块41运动并产生惯性力，进而形成使输出轴5大范围宏动旋转定位的惯性力矩，并且通过改变驱动电信号电压波形方向，实现输出轴5旋转方向的改变；E）在输出轴5大范围宏动旋转定位后，通过对压电惯性式旋转定位组件3中压电驱动组件时序控制，可实现输出轴5微小角度旋转定位，此时先给压电叠堆II33施加矩形波驱动电压，压电叠堆II33在逆压电效应的作用下，缓慢伸长，在这个过程中压电陶瓷剪切叠堆32带动输出端35与输出轴5紧密接触预紧，接下来给压电陶瓷剪切叠堆32施加锯齿波形驱动电压，基于压电剪切效应接触端35带动输出轴5顺时针旋转，在电压快速下降的过程中，由于运动惯性，输出轴5仅有微小的回退运动；同理，改变驱动电压波形方向，实现输出轴5逆时针旋转；F）调节各元件的驱动电压/电流幅值和频率，可实现对输出轴5轴向移动速度和角度偏转速度的调控。本专利技术的有益效果在于：本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种压电‑电磁混合驱动式多自由度精密定位装置，其特征在于：包括机体（1）、轴向大行程定位组件、钳位机构（2）、压电惯性式旋转定位组件（3）、压电双晶片式旋转定位组件（4）、连接套筒（4A）、输出轴（5）、输出轴末端连接组件（6）、轴承I（10）和轴承II（13），所述压电惯性式旋转定位组件（3）固定安装在连接套筒（4A）中，并保证断电时与输出轴（5）间隙配合；所述压电双晶片式旋转定位组件（4）与输出轴（5）过盈配合安装，其中输出轴（5）由固定安装在连接套筒（4A）中的轴承I（10）和轴承II（13）支撑导向，保证输出轴末端连接组件（6）的轴线与输出轴线（7）同轴；所述钳位机构（2）通过连接螺栓固连在机体（1）的凸缘上，并利用半球形接触件与连接套筒（4A）紧密接触实现自锁，其中通过机体（1）端部与外部宏观调整定位平台相固连。

【技术特征摘要】
1.一种压电-电磁混合驱动式多自由度精密定位装置，其特征在于：包括机体（1）、轴向大行程定位组件、钳位机构（2）、压电惯性式旋转定位组件（3）、压电双晶片式旋转定位组件（4）、连接套筒（4A）、输出轴（5）、输出轴末端连接组件（6）、轴承I（10）和轴承II（13），所述压电惯性式旋转定位组件（3）固定安装在连接套筒（4A）中，并保证断电时与输出轴（5）间隙配合；所述压电双晶片式旋转定位组件（4）与输出轴（5）过盈配合安装，其中输出轴（5）由固定安装在连接套筒（4A）中的轴承I（10）和轴承II（13）支撑导向，保证输出轴末端连接组件（6）的轴线与输出轴线（7）同轴；所述钳位机构（2）通过连接螺栓固连在机体（1）的凸缘上，并利用半球形接触件与连接套筒（4A）紧密接触实现自锁，其中通过机体（1）端部与外部宏观调整定位平台相固连。2.根据权利要求1所述的压电-电磁混合驱动式多自由度精密定位装置，其特征在于：所述的轴向大行程定位组件是：线圈（12）固连在机体（1）上，作为磁钢移动型电磁驱动单元的定子，永磁体（11）与连接套筒（4A）固连作为动子，形成封闭的磁通路径（15），实现输出轴（5）轴向大行程线性定位，其中为保证连接套筒（4A）位移行程不超出机体（1）长度限制，通过压板（8）固定在机体（1）端部的挠性轴承（9）进行轴向限位；线圈导线（14）经机体（1）端部通孔与线圈（12）相连，并可与冷却系统连接热管进行替换，实现强制对流改善线圈（12）的散热条件。3.根据权利要求1所述的压电-电磁混合驱动式多自由度精密定位装置，其特征在于：所述的压电惯性式旋转定位组件（3）是：四组柔性铰链I（36）通过紧定螺钉（31）均匀分布固定在连接套筒（4A）的方形孔内，柔性铰链I（36）设计有腰形孔（34）用于位置调整；柔性铰链I（36）末端凹槽中粘贴压电驱动组件，压电驱动组件由粘接在一起的压电叠堆II（33）、压电陶瓷剪切叠堆（32）和接触端（35）组成；压电叠堆II（33）通电时，接触端（35）与输出轴（5）紧密接触实现预紧，通过调节压电叠堆II（33）驱动电压幅值改变预紧力大小；压电陶瓷剪切叠堆（32）通电时，带动接触端（35）横向移动，实现输出轴（5）双向连续精密旋转定位。4.根据权利要求1所述的压电-电磁混合驱动式多自由度精密定位装置，其特征在于：所述的压电双晶片式旋转定位组件（4）是由质量块（41）、压电双晶片（42）、螺钉（43）、连接轴套（44）以及辐板（45）组成，其中两组辐板（45）通过螺钉（43）对称固连在连接轴套（44）上；连接轴套（44）过盈配合在连接套筒（4A）外端输出轴（5）上；四片压电双晶片（42）分别粘接在辐板（45）上，同时四块质量块（41）分别粘贴在辐板（45）端部，增加惯性驱动力矩。5.根据权利要求1所述的压电-电磁混合驱动式多自由度精密定位装置，其特征在于：所述的钳位机构（2）包括四组柔性铰链II（22），四组压电叠堆I...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵宏伟，王赵鑫，王吉如，李聪，张萌，周水龙，王顺博，王文阳，李莉佳，王军炎，刘思含，常枭，赵泽睿，伍键，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22