阅读说明：本技术 一种直线型压电精密驱动平台 (Linear piezoelectric precision driving platform ) 是由 万嫩 李建平 温建明 于 2019-04-08 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种直线型压电精密驱动平台,主要包括压电叠堆、非对称薄壁式柔性铰链机构和动子。压电叠堆安装在非对称薄壁式柔性铰链机构内,通过非对称薄壁式柔性铰链机构的寄生惯性运动,实现动子的直线移动；预紧旋钮调节非对称薄壁式柔性铰链机构与动子间的初始预紧力；固定底座支撑和安装固定其他零件。本发明压电叠堆主输出方向与动子运动方向垂直设计,使压电叠堆主输出方向的刚度得到充分利用；非对称薄壁式柔性铰链机构刚度高,能承受较大的负载,同时产生驱动力和预紧力,提高了驱动平台的输出负载。该平台可应用于精密超精密机械加工、微机电系统、微操作机器人领域,具有结构简单,工作稳定,输出效益高的优点。(The invention relates to a linear piezoelectric precision driving platform which mainly comprises a piezoelectric stack, an asymmetric thin-wall flexible hinge mechanism and a rotor. The piezoelectric stack is arranged in the asymmetric thin-wall flexible hinge mechanism, and the linear movement of the rotor is realized through the parasitic inertia motion of the asymmetric thin-wall flexible hinge mechanism; the pre-tightening knob adjusts the initial pre-tightening force between the asymmetric thin-wall flexible hinge mechanism and the rotor; the fixed base supports and mounts other parts. The main output direction of the piezoelectric stack is perpendicular to the motion direction of the rotor, so that the rigidity of the main output direction of the piezoelectric stack is fully utilized; the asymmetric thin-wall flexible hinge mechanism has high rigidity, can bear larger load, simultaneously generates driving force and pretightening force, and improves the output load of the driving platform. The platform can be applied to the fields of precision ultra-precision machining, micro electro mechanical systems and micro operation robots, and has the advantages of simple structure, stable work and high output benefit.)

一种直线型压电精密驱动平台

技术领域

本发明涉及精密超精密加工、微纳操作机器人、微机电系统程领域，特别涉及一种直线型压电精密驱动平台。

背景技术

具有微/纳米级定位精度的精密驱动技术是超精密加工与测量、光学工程、现代医疗、航空航天科技等高尖端科学技术领域中的关键技术。为实现微/纳米级的输出精度，现代精密驱动技术的应用对驱动平台的精度提出了更高要求。传统的驱动平台输出精度低，整体尺寸大，无法满足现代先进科技技术中精密系统对微/纳米级高精度和驱动平台尺寸微小的要求。压电陶瓷驱动器具有体积尺寸小、位移分辨率高、输出负载大、能量转换率高等优点，能实现微/纳米级的输出精度，已经越来越多地被应用到微定位和精密超精密加工中。现有的压电惯性驱动平台通常将压电元件和动子质量块平行放置于其运动方向，预紧力垂直于压电元件的主输出方向，整体平台的输出负载主要依赖于预紧力产生的摩擦力。然而压电元件如压电叠堆，通常采用d33的工作模式，其在垂直于主输出方向的截面上刚度较小，产生的预紧力较小，导致整体平台的输出负载大大降低，压电元件在主输出方向的较大刚度没有得到充分的利用；运动中的回退现象进一步降低输出性能。因此，有必要设计一种充分利用压电叠堆主输出方向的刚度和非对称薄壁式柔性铰链机构的寄生惯性运动，进一步提高输出负载的新型压电精密驱动平台。

发明内容

本发明的目的在于提供一种直线型压电精密驱动平台，解决了现有技术存在的上述问题。本发明具有结构简单紧凑，输出精度高，输出刚度和输出负载大，输出频率高的特点，同时能实现直线运动输出功能。

本发明采用压电叠堆的主输出方向与动子运动方向垂直布置，采用由八个薄壁式柔性铰链连接的非对称柔性铰链机构，由压电叠堆驱动非对称薄壁式柔性铰链机构实现寄生惯性运动，大大提高平台的输出性能，实现动子沿某一方向的直线运动。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种直线型压电精密驱动平台，包括压电叠堆(3)、非对称薄壁式柔性铰链机构(4)、动子(5)、预紧楔块(2)、预紧旋钮(1)、预紧旋钮(7)、底座(6)，所述精密驱动平台利用寄生惯性原理实现微纳米级步进式精密直线驱动。动子(5)采用带有滑块的高精度直线导轨，导轨通过螺钉固定在底座(6)上；非对称薄壁式柔性铰链机构(4)通过螺钉安装在底座(6)上；预紧楔块(2)布置在压电叠堆(3)和非对称薄壁式柔性铰链机构(4)之间，压电叠堆(3)可通过预紧楔块(2)进行预紧；预紧旋钮(1)和预紧旋钮(7)紧固在底座上(6)，与非对称薄壁式铰链机构(4)下端接触；非对称薄壁式铰链机构(4)由八个薄壁式柔性铰链连接，组成非对称形式，其上端弧形结构与动子(5)接触；底座(6)起支撑和安装固定其他零件作用；压电叠堆(3)设置在非对称薄壁式柔性铰链机构(4)内，驱动压电叠堆(3)驱动非对称薄壁式柔性铰链机构(4)伸长，通过控制驱动压电叠堆(3)实现非对称薄壁式柔性铰链机构(4)和动子(5)之间的步进式运动，进而驱动动子(5)直线精密运动。

所述的非对称薄壁式柔性铰链机构(4)与动子(5)之间的初始预紧力通过预紧旋钮(1)和预紧旋钮(7)调节。

本发明的主要优势在于：利用寄生惯性运动原理，将压电叠堆的主输出方向与动子运动方向垂直布置；采用由八个薄壁式柔性铰链连接的非对称柔性铰链机构，在压电叠堆的驱动下，非对称薄壁式柔性铰链机构做寄生惯性运动。本发明可以大大提高平台的输出性能，实现动子沿某一方向的直线运动，具有驱动可靠性高、平稳性好、工作效率高等优势，可应用于精密超精密加工、微操作机器人、微机电系统、大规模集成电路制造、生物技术等重要科学工程领域。本发明结构简单、布置紧凑、运动稳定，具有效率高、投资少、效益高等优势，应用前景较为广阔。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的主视示意图；

图3是本发明的左视示意图；

图4是本发明的非对称薄壁式柔性铰链机构示意图。

图中：

1.预紧旋钮； 2.预紧楔块； 3.压电叠堆；

4.非对称薄壁式柔性铰链机构； 5.动子； 6.底座；

7.预紧旋钮。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

参见图1至图4所示，一种直线型压电精密驱动平台，主要包括压电叠堆(3)、非对称薄壁式柔性铰链机构(4)、动子(5)、预紧楔块(2)、预紧旋钮(1)、预紧旋钮(7)、底座(6)，所述精密驱动平台通过寄生惯性原理实现压电直线精密驱动。动子(5)采用带有滑块的高精度直线导轨，导轨通过螺钉固定在底座上；非对称薄壁式柔性铰链机构(4)通过螺钉安装在底座上；压电叠堆(3)安装于非对称薄壁式柔性铰链机构(4)内，其主输出方向与动子(5)运动方向垂直布置；预紧楔块(2)布置在压电叠堆(3)和非对称薄壁式柔性铰链机构(4)之间，可通过预紧楔块(2)进行预紧；预紧旋钮(1)和预紧旋钮(7)紧固在底座(6)上，与非对称薄壁式铰链机构(4)下端接触，非对称薄壁式柔性铰链机构(4)为非对称薄壁式，其上端弧形结构与动子(5)接触；底座(6)起支撑和安装固定其他零件作用，动子(5)和非对称薄壁式柔性铰链机构(4)(6)通过螺钉安装在底座(6)上。

所述的压电叠堆(3)的主输出方向与动子(5)运动方向垂直布置，将压电叠堆(3)主输出方向的较大刚度充分利用；所述的非对称薄壁式柔性铰链机构(4)刚度输出性能好，非对称薄壁式柔性铰链机构(4)上端可承受较大的预紧力，运动稳定高效，压电叠堆(3)得电通过非对称薄壁式柔性铰链机构(4)传递动子(5)直线运动的驱动力和非对称薄壁式柔性铰链机构(4)与动子(5)之间的预紧力，从而大大提高压电驱动平台的输出负载，实现沿某一方向的直线运动。

所述的非对称薄壁式柔性铰链机构(4)与动子(5)之间的初始预紧力通过预紧旋钮(1)和预紧旋钮(7)调节。

所述的压电叠堆(3)，采用形体可控面型的压电陶瓷叠堆PZT，寄生惯性运动是通过对压电叠堆(3)的电压控制来实现。

参见图1至图4所示，本发明的具体工作过程如下：

动子直线运动的实现，初始状态：调节预紧旋钮(1)和预紧旋钮(7)来调节非对称薄壁式柔性铰链机构(4)与动子(5)间的接触距离，即寄生运动过程中的初始预紧力；采用锯齿波或三角波形式的压电信号控制压电叠堆(3)；压电叠堆(3)不带电，系统处于自由状态；当压电叠堆(3)通电后，通过逆压电效应伸长，推动非对称薄壁式柔性铰链机构(4)变形，非对称薄壁式柔性铰链机构(4)压紧动子(5)，非对称薄壁式柔性铰链机构(4)在与动子(5)间静摩擦力的作用下，带动动子(5)移动；当压电叠堆(3)失电迅速回退至初始位置时，非对称薄壁式柔性铰链机构(4)也回复初始状态，动子(5)在惯性力的作用下仍然保持在移动后的位置。重复上述步骤，该驱动平台可实现在所需方向的直线运动，获得较大的输出位移。

本发明涉及的一种直线型压电精密驱动平台，由于采用了压电叠堆作为驱动源及非对称薄壁式柔性铰链机构作为动力传递元件，具有发热小、驱动平稳、可靠、高效的特点，并能实现直线精密运动等功能。