二自由度重力辅助式压电惯性平顺位移台及驱动方法技术

本发明专利技术公开了一种二自由度重力辅助式压电惯性平顺位移台及驱动方法；本发明专利技术的压电惯性平顺位移台利用重力辅助通过单个激励源实现了压电角位移微动平台在单一自由度的双向平顺驱动；利用压电堆叠和柔性铰链机构的接触装配特性使单个方向实现位移激增运动，之后通过重力辅助单元的自重结合电压偏置使定子组件产生寄生运动，进而实现摩擦半球头与运动导轨之间的锁定力调节来平衡正向位移激增和反向位移回退，实现双向平顺驱动

【技术实现步骤摘要】
二自由度重力辅助式压电惯性平顺位移台及驱动方法


[0001]本专利技术涉及精密定位领域，具体涉及一种二自由度重力辅助式压电惯性平顺位移台及驱动方法
。

技术介绍

[0002]精密定位作为一项关键技术，已成为先进工业领域的研究热点
。
作为精密定位平台的主要驱动机构之一，压电驱动器具有高精度
、
快速响应和极强的环境适应性，已广泛应用于航空航天
、
生物工程
、
医疗设备
、
材料科学
、
光学工程等领域
。
与其他压电步进型驱动器相比，如尺蠖和行波驱动器，压电惯性驱动器更易于集成和控制，因为它们仅通过一个激励源即可实现运动
。
通常，压电惯性驱动器通过周期性步进运动实现长行程和高分辨力
。
然而，滑阶段的摩擦将会导致不希望的位移回退运动
。
这一问题导致驱动器稳定性降低，并限制了其在细胞微操作工程
、
光学工程等方面的应用
。
因此，关于解决位移回退运动的研究已经陆续进行
。
相关研究通常分为三个方面：摩擦材料改性
、
驱动波形优化和驱动机构改进
。
目前，通过上述三种方式的研究均无法仅通过激励单个压电元件实现压电惯性驱动器单自由度的双向平顺驱动
。
[0003]关于解决压电惯性驱动器位移回退的技术主要分为三大类：摩擦材料改性
、
驱动波形优化和驱动机构改进
。
目前通过摩擦材料改性的方式主要为化学微加工处理和激光纹理加工，这两种方式都可以使材料表面具备各向异性，这些特殊处理提高了一个方向的输出性能，却劣化了另一个方向
。
驱动波形优化方面可以同时改善正反双向的输出性能，但是却无法完全消除位移回退运动
。
目前，现有的通过驱动机构改进的技术方案通过多个激励源实现了压电惯性驱动器单自由度的双向平滑驱动，但仍然无法通过单个激励源实现
。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对传统压电惯性驱动平台的位移回退问题，提供了一种二自由度重力辅助式压电惯性平顺位移台及驱动方法
。
[0005]本专利技术的技术方案如下
:
[0006]本专利技术提供了一种二自由度重力辅助式压电惯性平顺位移台，包括底部安装基座
、
结构完全相同的两个自由度位移台
、
以及结构完全相同的两个自由度重力辅助组件；所述两个自由度位移台分别为
X
自由度位移台和
Y
自由度位移台；所述两个自由度重力辅助组件分别为
X
自由度重力辅助组件和
Y
自由度重力辅助组件；所述
Y
自由度位移台安装于底部安装基座之上，所述
X
自由度位移台安装于
Y
自由度位移台之上形成二自由位移台的主体，
X
自由度位移台与
Y
自由度位移台的位移方向互相垂直；
[0007]所述自由度位移台包括半球头压电堆叠
、
复合式柔性铰链机构
、
基米螺钉
、
自由度预紧板
、
自由度平台机架
、
摩擦半球头
、
导轨组件以及自由度平台装配板；所述导轨组件包括固定导轨
、
十字交叉滚柱支架以及运动导轨；固定导轨以及运动导轨与十字交叉滚柱支架通过型槽装配；所述固定导轨固定于自由度平台机架之上；所述基米螺钉将半球头压电
堆叠固定于复合式柔性铰链机构之中，通过基米螺钉调节半球头压电堆叠与复合式柔性铰链机构之间的预紧力，摩擦半球头与复合式柔性铰链机构胶粘连接，所述自由度预紧板装配在自由度平台机架上并使摩擦半球头与运动导轨顶紧，复合式柔性铰链机构固定于自由度平台机架上；所述自由度平台装配板固定于运动导轨之上，并随运动导轨的运动产生位移
。
[0008]作为本专利技术的优选方案，所述自由度重力辅助组件包括定滑轮支架
、
定滑轮固定销
、
定滑轮
、
软绳
、
重物以及重力辅助支架杆组成；所述重力辅助支架杆设有轴承避让槽
、
轴承安装槽
、
支架横杆以及支架竖杆；所述转动轴承外圈与轴承安装槽之间过盈配合，轴承避让槽的开设用于避免轴承内圈转动时与定滑轮支架产生干涉；所述定滑轮固定销采用过盈配合将定滑轮固定于定滑轮支架上，所述定滑轮支架与转动轴承内圈过盈配合；软绳的一端通过定滑轮与重物连接，另一端与自由度平台装配板连接；将重力辅助支架杆底部固定
。
[0009]作为本专利技术的优选方案，所述复合式柔性铰链机构包括柔性铰链梁
、
圆型柔性铰链以及柔性铰链底部凸台；四个柔性铰链梁与两个圆型柔性铰链组成具有空腔的多边形结构，多边形结构内安装有所述半球头压电堆叠，多边形结构一侧设置有柔性铰链底部凸台，正对的另一侧连接有运动导轨
。
所述四个柔性铰链梁具体为柔性铰链前梁
、
柔性铰链左侧梁
、
柔性铰链后梁以及柔性铰链右侧梁；柔性铰链前梁上开设有摩擦半球头安装槽，摩擦半球头嵌入摩擦半球头安装槽内；两个圆型柔性铰链开设于柔性铰链左侧梁的前端，柔性铰链右侧梁采用弯折型设置；柔性铰链侧凸台上设有用于固定复合式柔性铰链机构的柔性铰链固定沉头孔；所述基米螺钉拧入柔性铰链后梁之上的基米螺钉安装螺纹孔将半球头压电堆叠固定于复合式柔性铰链机构中；柔性铰链底部凸台的用于避免半球头压电堆叠驱动复合式柔性铰链机构振动时与自由度平台机架产生干涉
。
[0010]作为本专利技术的优选方案，所述自由度平台机架设有固定导轨安装槽
、
预紧板安装面
、
柔性铰链安装孔
、
预紧板调节导向槽
、
封装侧板
、
平台固定孔和运动导轨避让槽；所述自由度预紧板包括预紧板外表面
、
预紧板内表面
、
预紧板导向块以及预紧板避让槽；所述固定导轨安装于固定导轨安装槽内，复合式柔性铰链机构通过柔性铰链安装孔安装在自由度平台机架上；预紧板安装面上设有一组对称布置的预紧板调节螺纹孔，所述预紧板导向块型槽与预紧板调节导向槽采用型槽配合，自由度预紧板上开设有预紧板安装沉头孔，螺钉穿过预紧板安装沉头孔拧入预紧板调节螺纹孔使预紧板避让槽顶住柔性铰链后梁进而调节摩擦半球头与运动导轨之间的锁紧力；之后采用螺钉穿过柔性铰链固定沉头孔并拧入柔性铰链安装孔将复合式柔性铰链机构固定于自由度平台机架上；封装侧板设于自由度平台两侧用于封装
。
[0011]作为本专利技术的优选方案，所述自由度平台装配板包括运动导轨固定沉头孔
、
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种二自由度重力辅助式压电惯性平顺位移台，其特征在于，包括底部安装基座
(5)、
结构完全相同的两个自由度位移台
、
以及结构完全相同的两个自由度重力辅助组件；所述两个自由度位移台分别为
X
自由度位移台
(1)
和
Y
自由度位移台
(3)
；所述两个自由度重力辅助组件分别为
X
自由度重力辅助组件
(2)
和
Y
自由度重力辅助组件
(4)
；所述
Y
自由度位移台
(3)
安装于底部安装基座
(5)
之上，所述
X
自由度位移台
(1)
安装于
Y
自由度位移台
(3)
之上形成二自由位移台的主体，
X
自由度位移台
(1)
与
Y
自由度位移台
(3)
的位移方向互相垂直；所述自由度位移台包括半球头压电堆叠
(1
‑
1)、
复合式柔性铰链机构
(1
‑
2)、
基米螺钉
(1
‑
3)、
自由度预紧板
(1
‑
4)、
自由度平台机架
(1
‑
5)、
摩擦半球头
(1
‑
6)、
导轨组件
(1
‑
7)
以及自由度平台装配板
(1
‑
8)
；所述导轨组件
(1
‑
7)
包括固定导轨
(1
‑7‑
1)、
十字交叉滚柱支架
(1
‑7‑
2)
以及运动导轨
(1
‑7‑
3)
；固定导轨
(1
‑7‑
1)
以及运动导轨
(1
‑7‑
3)
与十字交叉滚柱支架
(1
‑7‑
2)
通过型槽装配；所述固定导轨
(1
‑7‑
1)
固定于自由度平台机架
(1
‑
5)
之上；所述基米螺钉
(1
‑
3)
将半球头压电堆叠
(1
‑
1)
固定于复合式柔性铰链机构
(1
‑
2)
之中，通过基米螺钉
(1
‑
3)
调节半球头压电堆叠
(1
‑
1)
与复合式柔性铰链机构
(1
‑
2)
之间的预紧力，摩擦半球头
(1
‑
6)
与复合式柔性铰链机构
(1
‑
2)
胶粘连接，所述自由度预紧板
(1
‑
4)
装配在自由度平台机架
(1
‑
5)
上并使摩擦半球头
(1
‑
6)
与运动导轨
(1
‑7‑
3)
顶紧，复合式柔性铰链机构
(1
‑
2)
固定于自由度平台机架
(1
‑
5)
上；所述自由度平台装配板
(1
‑
8)
固定于运动导轨
(1
‑7‑
3)
之上，并随运动导轨
(1
‑7‑
3)
的运动产生位移
。2.
根据权利要求1所述的二自由度重力辅助式压电惯性平顺位移台，其特征在于，所述自由度重力辅助组件包括定滑轮支架
(2
‑
1)、
定滑轮固定销
(2
‑
2)、
定滑轮
(2
‑
3)、
软绳
(2
‑
4)、
重物
(2
‑
5)
以及重力辅助支架杆
(2
‑
6)
组成；所述重力辅助支架杆
(2
‑
6)
设有轴承避让槽
(2
‑6‑
1)、
轴承安装槽
(2
‑6‑
2)、
支架横杆
(2
‑6‑
3)
以及支架竖杆
(2
‑6‑
4)
；所述转动轴承
(2
‑
7)
外圈与轴承安装槽
(2
‑6‑
2)
之间过盈配合，轴承避让槽
(2
‑6‑
1)
的开设用于避免轴承内圈转动时与定滑轮支架
(2
‑
1)
产生干涉；所述定滑轮固定销
(2
‑
2)
采用过盈配合将定滑轮
(2
‑
3)
固定于定滑轮支架
(2
‑
1)
上，所述定滑轮支架
(2
‑
1)
与转动轴承
(2
‑
7)
内圈过盈配合；软绳
(2
‑
4)
的一端通过定滑轮
(2
‑
3)
与重物
(2
‑
5)
连接，另一端与自由度平台装配板
(1
‑
8)
连接；将重力辅助支架杆
(2
‑
6)
底部固定
。3.
根据权利要求1所述的二自由度重力辅助式压电惯性平顺位移台，其特征在于，所述复合式柔性铰链机构
(1
‑
2)
包括柔性铰链梁
、
圆型柔性铰链
(1
‑2‑
3)
以及柔性铰链底部凸台
(1
‑2‑
10)
；四个柔性铰链梁与两个圆型柔性铰链
(1
‑2‑
3)
组成具有空腔的多边形结构，多边形结构内安装有所述半球头压电堆叠
(1
‑
1)
，多边形结构一侧设置有柔性铰链底部凸台
(1
‑2‑
10)
，正对的另一侧连接有运动导轨
(1
‑7‑
3)。4.
据权利要求3所述的二自由度重力辅助式压电惯性平顺位移台，其特征在于，所述四个柔性铰链梁具体为柔性铰链前梁
(1
‑2‑
1)、
柔性铰链左侧梁
(1
‑2‑
4)、
柔性铰链后梁
(1
‑2‑
7)
以及柔性铰链右侧梁
(1
‑2‑
9)
；柔性铰链前梁
(1
‑2‑
1)
上开设有摩擦半球头安装槽
(1
‑2‑
2)
，摩擦半球头
(1
‑
6)
嵌入摩擦半球头安装槽
(1
‑2‑
2)
内；两个圆型柔性铰链
(1
‑2‑
3)
开设于柔性铰链左侧梁
(1
‑2‑
4)
的前端，柔性铰链右侧梁
(1
‑2‑
9)
采用弯折型设置；柔性铰链侧凸台
(1
‑2‑
6)
上设有用于固定
复合式柔性铰链机构
(1
‑
2)
的柔性铰链固定沉头孔
(1
‑2‑
5)
；所述基米螺钉
(1
‑
3)
拧入柔性铰链后梁
(1
‑2‑
7)
之上的基米螺钉安装螺纹孔
(1
‑2‑
8)
将半球头压电堆叠
(1
‑
1)
固定于复合式柔性铰链机构
(1
‑
2)
中；柔性铰链底部凸台
(1
‑2‑
10)
的用于避免半球头压电堆叠
(1
‑
1)
驱动复合式柔性铰链机构
(1
‑
2)
振动时与自由度平台机架
(1
‑
5)
产生干涉
。5.
根据权利要求1所述的二自由度重力辅助式压电惯性平顺位移台，其特征在于，所述自由度平台机架
(1
‑
5)
设有固定导轨安装槽
(1
‑5‑
1)、
预紧板安装面
(1
‑5‑
3)、
柔性铰链安装孔
(1
‑5‑
5)、
预紧板调节导向槽
(1
‑5‑
6)、
封装侧板
(1
‑5‑
7)、
平台固定孔
(1
‑5‑
8)
和运动导轨避让槽
(1
‑5‑
9)
；所述自由度预紧板
(1
‑
4)
包括预紧板外表面
(1
‑4‑
2)、
预紧板内表面
(1
‑4‑
3)、
预紧板导向块
(1
‑4‑
4)
以及预紧板避让槽
(1
‑4‑
5)
；所述固定导轨
(1
‑4‑
1)
安装于固定导轨安装槽

【专利技术属性】
技术研发人员：韩冬，乔广达，江宇宁，卓逸夫，龚国芳，杨华勇，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：