一种大行程二维压电定位台
阅读说明：本技术 一种大行程二维压电定位台 (Large-stroke two-dimensional piezoelectric positioning table ) 是由 潘巧生 汪权 陈立蔚 李英豪 黄梓良 李瑞君 张连生 黄强先 于 2021-08-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种大行程和大有效行程面积比的二维压电定位台,属于压电驱动技术领域。包括底板、压电定位台、载物平台和预紧机构；预紧机构包括第一预紧机构和第二预紧机构,分别设于与两个位移放大机构的压电定位台对应侧边的底板上；压电定位台包括载物平台框架、第一位移放大机构、第一解耦机构、第二位移放大机构和第二解耦机构；第一位移放大机构和第一解耦机构为一组实现所述压电定位台在Y方向的位移输出,第二位移放大机构和第二解耦机构为一组实现压电定位台在X方向的位移输出。本发明通过两个位移放大机构的结构设计,使整体放大比达到14.4；通过调整两个解耦机构的机械机构参数,使压电定位台在X方向和Y方向的耦合误差降低至0.35%。(The invention discloses a two-dimensional piezoelectric positioning table with a large stroke and a large effective stroke area ratio, and belongs to the technical field of piezoelectric driving. The device comprises a bottom plate, a piezoelectric positioning table, an object carrying platform and a pre-tightening mechanism; the pre-tightening mechanisms comprise a first pre-tightening mechanism and a second pre-tightening mechanism which are respectively arranged on the bottom plates on the sides corresponding to the piezoelectric positioning tables of the two displacement amplification mechanisms; the piezoelectric positioning table comprises an object platform frame, a first displacement amplification mechanism, a first decoupling mechanism, a second displacement amplification mechanism and a second decoupling mechanism; the first displacement amplification mechanism and the first decoupling mechanism are a group for realizing displacement output of the piezoelectric positioning table in the Y direction, and the second displacement amplification mechanism and the second decoupling mechanism are a group for realizing displacement output of the piezoelectric positioning table in the X direction. The invention makes the integral amplification ratio reach 14.4 through the structural design of two displacement amplification mechanisms; the coupling error of the piezoelectric positioning table in the X direction and the Y direction is reduced to 0.35% by adjusting the mechanical mechanism parameters of the two decoupling mechanisms.)
技术领域
本发明属于压电驱动技术领域，具体涉及一种大行程二维压电定位台。
背景技术
压电定位台是一种利用压电驱动技术实现精密定位的机械结构。利用压电陶瓷的逆压电效应，使得压电陶瓷通电激励后产生微小位移，从而实现精密定位。
目前的压电定位台按照自由度分类可分为单自由度和多自由度两种，按照有无位移放大机构分类可分为直驱型和放大型。由于压电陶瓷的电致伸缩变形通常为陶瓷厚度的千分之一，因此直驱型压电定位台常常受限于压电驱动器的微米级输出位移而无法实现大行程输出，但直驱型压电定位台通常具有很高的谐振频率，被广泛应用于高频扫描定位领域。放大型压电定位台通过合理地设计位移放大机构将压电驱动器的位移进行放大输出，从而实现大行程位移输出，以满足不同定位行程的需求。
一种压电驱动大行程无耦合二维精密定位平台，通过X方向菱形放大机构增大了输出的位移行程，带动嵌套在X方向平台上的整个内层基板实现工作台横向即X向的运动；同时，通过相互串联的两个菱形放大机构带动中央工作台实现Y方向即竖向的运动，内外平台的运动位移均是压电陶瓷驱动器经过菱形放大机构放大后的位移。
但是，与上述压电驱动定位台类似的传统压电定位平台的行程通常小于200微米，无法适用于大行程精密定位的应用场合；载物面积比（载物平台面积/定位台面积）通常小于1/3，很难适用于体积稍大的目标物实现精密定位；有效行程面积比（定位台行程（单位：微米）/定位台面积（单位：毫米））通常小于1，即在同样的尺寸空间下，无法有效地利用机械结构输出更大的位移，有效行程面积比越大，越有利于定位台在有限的空间内实现大行程位移输出；同时，传统压电定位平台X方向与Y方向的输出位移串扰较大，即耦合误差较大，难以实现较高的定位精度。
发明内容
为了解决上述传统压电定位平台存在的行程小、载物面积小、有效行程面积比较小、耦合误差较大的问题，本发明提供了一种大行程二维压电定位台。
一种大行程二维压电定位台包括底板1、压电定位台2、载物平台3和预紧机构；所述压电定位台2固定设于底板1上，所述载物平台3固定设于压电定位台2的顶面上；所述预紧机构包括第一预紧机构和第二预紧机构，分别设于与两个位移放大机构对应的压电定位台2两侧边的底板1上；
所述压电定位台2包括矩形的载物平台框架27、第一位移放大机构23、第一解耦机构25、第二位移放大机构24、第二解耦机构26；
所述载物平台框架27为矩形框架；
所述第一位移放大机构23和第一解耦机构25为一组，水平平行设于载物平台框架27内中部；
所述第二位移放大机构24和第二解耦机构26为一组，分别垂直设于载物平台框架27内两侧；
所述第一位移放大机构23和第二位移放大机构24结构相同，第一位移放大机构23内均设有压电叠堆；所述第一解耦机构25和第二解耦机构26结构相同；
所述第一位移放大机构23和第一解耦机构25实现所述压电定位台在Y方向的位移输出；第二位移放大机构24和第二解耦机构26实现所述压电定位台在X方向的位移输出；实现在相同的电压激励下，X方向和Y方向的输出位移相等。
进一步的具体技术方案如下：
所述第一位移放大机构23包括第一菱形体231、第一压电叠堆21、一对第一杠杆233、一对第一直梁型柔性铰链236；所述第一菱形体231的短对角线两端的外部分别设有凸台，一处凸台上开设有第一辅助支点孔237，另一处凸台上开设有第一支点孔238；所述第一压电叠堆21位于第一菱形体231的长对角线上，两端分别连接着第一菱形体231；所述一对第一杠杆233对称位于第一辅助支点孔237所在凸台的两侧，一对第一杠杆233的一端分别通过第一柔性铰链232连接着第一辅助支点孔237两侧的第一菱形体231，一对第一杠杆233的另一端分别连接着一对第一直梁型柔性铰链236的一端，第一杠杆233和第一直梁型柔性铰链236呈直角连接，一对第一直梁型柔性铰链236的另一端连接着载物平台框架27的长边边框；与第一柔性铰链232相邻的第一杠杆233通过第二柔性铰链234连接第一支点块235，第一支点块235上开设有第一通孔239；第一菱形体231和一对第一杠杆233的串联实现了复合型多级位移放大。
所述第二位移放大机构24包括第二菱形体241、第二压电叠堆22、一对第二杠杆243、一对第二直梁型柔性铰链246；所述第二菱形体241的短对角线两端的外部分别设有凸台，一处凸台上开设有第二辅助支点孔247，另一处凸台上开设有第二支点孔248；所述第二压电叠堆22位于第二菱形体241的长对角线上，两端分别连接着第二菱形体241；所述一对第二杠杆243对称位于第二辅助支点孔247所在凸台的两侧，一对第二杠杆243的一端分别通过第二柔性铰链242连接着第二辅助支点孔247两侧的第二菱形体241，一对第二杠杆233的另一端分别连接着一对第二直梁型柔性铰链246的一端，第二杠杆243和第二直梁型柔性铰链246呈直角连接，一对第二直梁型柔性铰链246的另一端连接着载物平台框架27的短边边框；与第二柔性铰链242相邻的第二杠杆243通过第二解耦柔性铰链244连接第二支点块245，第二支点块245上开设有第二通孔249；第二菱形体241和一对第二杠杆243的串联实现了复合型多级位移放大。
所述第一解耦机构25包括一对第一L型解耦梁251，一对第一L型解耦梁251的一端分别连接着载物平台框架27的长边边框，一对第一L型解耦梁251的另一端连接着解耦支点块252，使一对第一L型解耦梁251和载物平台框架27的长边边框构成一个空心矩形；所述第一解耦支点块252上开设有第一解耦通孔253。
所述第二解耦机构26包括一对第二L型解耦梁261，一对第二L型解耦梁261的一端分别连接着载物平台框架27的短边边框，一对第二L型解耦梁261的另一端连接着第二解耦支点块262，使一对第二L型解耦梁261和载物平台框架27的短边边框构成一个空心矩形；所述第二解耦支点块262上开设有第二解耦通孔263。
所述第一预紧机构和第二预紧机构结构相同；所述第一预紧机构包括第一固定块41和第一预紧螺栓42；所述第一固定块41固定在与第一位移放大机构23对应的载物平台框架27的长边边框外部；所述第一预紧螺栓42与第一固定块41螺纹配合，第一预紧螺栓42的工作端穿过载物平台框架27长边上的长边通孔271与第一菱形体231接触；所述第二预紧机构包括第二固定块51和第二预紧螺栓52；第二预紧螺栓52的工作端穿过载物平台框架27短边上的短边通孔272与第二菱形体241接触。
所述载物平台框架27的四个角处分别开设有安装孔，与第一菱形体231对应的载物平台框架27的长边边框上开设有长边通孔271，与第二菱形体241对应的载物平台框架27的短边边框上开设有短边通孔272。
所述第一L型解耦梁251和第二L型解耦梁261结构相同，宽度均为0.2mm～1mm。
所述第一菱形体231和第二菱形体241的长对角线方向上的夹角为5°～30°。
本发明至少具有以下几点有益技术效果：
1.本发明二维压电定位台的行程为488微米×488微米，通过将所有的位移放大机构和解耦机构均置于载物平台框架的内部，增大载物平台的面积，载物平台面积等于压电定位台的面积（173.5mm×93mm），载物面积比为1（载物平台面积/定位台面积），有效行程面积比为14.76（定位台行程（单位：微米）/定位台面积（单位：毫米）），大大提高了压电定位台的可用载物面积，空间结构更加紧凑。
2.本发明的位移放大机构为对称性结构，通过菱形体和杠杆机械串联的方法，增大了该位移放大机构的放大比。菱形体采用了三角放大的原理，通过压电叠堆的伸张作用推动菱形体的长对角线端，带动短对角线端向靠近压电叠堆的方向收缩，由于短对角线一端被固定，因此另一端的位移为单边位移的两倍，菱形体的可活动端与杠杆相连接，通过杠杆的放大作用，对输出位移进一步放大。该位移放大机构的整体放大比为14.4。
3.本发明的解耦机构采用两个L型解耦梁机械并联的方式，通过调整L型解耦梁的机械机构参数，使得第一解耦机构沿X方向的弯曲刚度或第二解耦机构沿Y方向的弯曲刚度与位移放大机构中直梁型柔性铰链的弯曲刚度近似相等，从而实现刚度平衡，减小了该压电定位台X方向和Y方向的耦合误差，理论耦合误差为0.35%。
附图说明
图1为本发明大行程二维压电定位台的整体结构示意图。
图2为压电定位台的等轴测结构示意图。
图3为压电定位台的俯视图。
图4(a)为第一位移放大机构的结构示意图。
图4(b)为第二位移放大机构的结构示意图。
图5(a)为第一解耦机构的结构示意图。
图5(b)为第二解耦机构的结构示意图。
图6(a)为L型解耦梁的第一种受力分析示意图。
图6(b)为L型解耦梁的第二种受力分析示意图。
图7为压电定位台X方向位移输出时的结构变形示意图。
图8为压电定位台Y方向位移输出时的结构变形示意图。
上图1-6中序号：底板1、压电定位台2、载物平台3、第一压电叠堆21、第二压电叠堆22、第一位移放大机构23、第二位移放大机构24、第一解耦机构25、第二解耦机构26、载物平台框架27、第一菱形体231、第一柔性铰链232、第一杠杆233、第一解耦柔性铰链234、第一支点块235、第一直梁型柔性铰链236、第一辅助支点孔237、第一支点孔238、第一通孔239、第二菱形体241、第二柔性铰链242、第二杠杆243、第二解耦柔性铰链244、第二支点块245、第二直梁型柔性铰链246、第二辅助支点孔247、第二支点孔248、第二通孔249、第一L型解耦梁251、第一解耦支点块252、第一解耦通孔253、第二L型解耦梁261、第二解耦支点块262、第一解耦通孔263、第一固定块41、第一预紧螺栓42、第二固定块51、第二预紧螺栓52、长边通孔271、短边通孔272。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1，一种大行程二维压电定位台包括底板1、压电定位台2、载物平台3和预紧机构。压电定位台2固定安装于底板1上，载物平台3固定安装于压电定位台2的顶面上。预紧机构包括第一预紧机构和第二预紧机构，分别设于与两个位移放大机构对应的压电定位台2两侧边的底板1上。
参见图2，压电定位台2包括矩形的载物平台框架27、第一位移放大机构23、第一解耦机构25、第二位移放大机构24、第二解耦机构26。载物平台框架27为矩形框架；第一位移放大机构23和第一解耦机构25为一组，水平平行安装于载物平台框架27内中部；第二位移放大机构24和第二解耦机构26为一组，分别垂直设于载物平台框架27内两侧；第一位移放大机构23和第二位移放大机构24结构相同，第一解耦机构25和第二解耦机构26结构相同。
参见图3和图4a，第一位移放大机构23包括第一菱形体231、第一压电叠堆21、一对第一杠杆233、一对第一直梁型柔性铰链236。第一菱形体231的长对角线方向上的夹角为15°。第一菱形体231的短对角线两端的外部分别设有凸台，一处凸台上开设有第一辅助支点孔237，另一处凸台上开设有第一支点孔238。第一压电叠堆21安装于第一菱形体231的长对角线上，两端分别连接着第一菱形体231。一对第一杠杆233对称位于第一辅助支点孔237所在凸台的两侧，一对第一杠杆233的一端分别通过第一柔性铰链232连接着第一辅助支点孔237两侧的第一菱形体231，一对第一杠杆233的另一端分别连接着一对第一直梁型柔性铰链236的一端，第一杠杆233和第一直梁型柔性铰链236呈直角连接，一对第一直梁型柔性铰链236的另一端连接着载物平台框架27的长边边框。与第一柔性铰链232相邻的第一杠杆233通过第二柔性铰链234连接第一支点块235，第一支点块235上开设有第一通孔239；第一菱形体231和一对第一杠杆233的串联实现了复合型多级位移放大。
参见图3和图4b，第二位移放大机构24包括第二菱形体241、第二压电叠堆22、一对第二杠杆243、一对第二直梁型柔性铰链246。第二菱形体241的长对角线方向上的夹角为15°。第二菱形体241的短对角线两端的外部分别设有凸台，一处凸台上开设有第二辅助支点孔247，另一处凸台上开设有第二支点孔248。第二压电叠堆22安装于第二菱形体241的长对角线上，两端分别连接着第二菱形体241。一对第二杠杆243对称位于第二辅助支点孔247所在凸台的两侧，一对第二杠杆243的一端分别通过第二柔性铰链242连接着第二辅助支点孔247两侧的第二菱形体241，一对第二杠杆233的另一端分别连接着一对第二直梁型柔性铰链246的一端，第二杠杆243和第二直梁型柔性铰链246呈直角连接，一对第二直梁型柔性铰链246的另一端连接着载物平台框架27的短边边框。与第二柔性铰链242相邻的第二杠杆243通过第二解耦柔性铰链244连接第二支点块245，第二支点块245上开设有第二通孔249；第二菱形体241和一对第二杠杆243的串联实现了复合型多级位移放大。
参见图3和图5a，第一解耦机构25包括一对第一L型解耦梁251，一对第一L型解耦梁251的一端分别连接着载物平台框架27的长边边框，一对第一L型解耦梁251的另一端连接着解耦支点块252，使一对第一L型解耦梁251和载物平台框架27的长边边框构成一个空心矩形。第一解耦支点块252上开设有第一解耦通孔253。第一L型解耦梁251的宽度为0.5mm。
参见图3和图5b，第二解耦机构26包括一对第二L型解耦梁261，一对第二L型解耦梁261的一端分别连接着载物平台框架27的短边边框，一对第二L型解耦梁261的另一端连接着第二解耦支点块262，使一对第二L型解耦梁261和载物平台框架27的短边边框构成一个空心矩形。第二解耦支点块262上开设有第二解耦通孔263。第二L型解耦梁261的宽度为0.5mm。
参见图2，载物平台框架27的四个角处分别开设有安装孔，与第一菱形体231对应的载物平台框架27的长边边框上开设有长边通孔271，与第二菱形体241对应的载物平台框架27的短边边框上开设有短边通孔272。
参见图1和图2，第一预紧机构和第二预紧机构结构相同。第一预紧机构包括第一固定块41和第一预紧螺栓42；第一固定块41固定在与第一位移放大机构23的第一压电叠堆21对应的载物平台框架27的长边边框外部。第一预紧螺栓42与第一固定块41螺纹配合，第一预紧螺栓42的工作端穿过载物平台框架27长边上的长边通孔271与第一菱形体231接触。第二预紧机构包括第二固定块51和第二预紧螺栓52；第二预紧螺栓52的工作端穿过载物平台框架27短边上的短边通孔272与第二菱形体241接触。
参见图1，使用时，底板1通过四个螺栓固定在隔振平台上，隔振平台为公知常识中实验通用的气浮隔振平台，用于隔离外界振动对本压电定位台的影响。
参见图2，拟定第一压电叠堆21的长度方向为X方向，第二压电叠堆22的长度方向为Y方向。第一位移放大机构23和第一解耦机构25实现所述压电定位台2在Y方向的位移输出；第二位移放大机构24和第二解耦机构26实现所述压电定位台2在X方向的位移输出；实现在相同的电压激励下，X方向和Y方向的输出位移相等。
参见图6（a）和图6（b），通过合理设计L型解耦梁的尺寸参数，使得第一解耦机构沿X方向的弯曲刚度或第二解耦机构沿Y方向的弯曲刚度与位移放大机构中直梁型柔性铰链的弯曲刚度近似相等，从而实现刚度平衡，减小耦合误差。
图6（a）中L型解耦梁沿力F方向的弯曲刚度为：
图6（b）中L型解耦梁沿力F方向的弯曲刚度为：
本发明中L7，L8的范围为39mm—43mm，E为铝合金7075的杨氏模量，取值为E=7.17×10^10Pa,，I为解耦梁的截面惯性矩，取值范围为I=0.1—0.83mm^4，A为解耦梁的截面面积，取值范围为A=2—10mm^2,，t0为解耦梁的宽度，本发明中t0的取值范围为0.2mm—1mm。
装配时，先将压电定位台2中第一辅助支点孔237和第二辅助支点孔247通过螺栓固定，以此限制第一菱形体231和第二菱形体241短对角线其中一端的自由度，同时，第一预紧机构4和第二预紧机构5被固定在底板上的对应位置，随着旋转预紧螺栓42，预紧螺栓的顶部穿过长边通孔271，与第一菱体231短对角线中靠近载物平台框架27的一端接触，继续旋转预紧螺栓42，由于第一辅助支点孔237被固定，因此根据压曲变形原理，第一菱形体231的长对角线被撑开，此时，装入第一压电叠堆21，然后松开预紧螺栓42，通过放大机构弹性变形的回复力，夹住压电叠堆21并施加合适预压力，该预压力可根据螺栓旋转的圈数和螺距进行换算。第二压电叠堆22的装配过程可根据第一压电叠堆21的装配过程得到。
参见图4a和图4b，两个第一通孔239与第一支点孔238呈轴对称分布状态，两个第二通孔249与第二支点孔248呈轴对称分布状态。第一压电叠堆21在非负电压信号激励下，产生微小位移，使得第一菱形体231的长对角线伸长，同时又因为第一支点孔238被固定，根据压曲变形原理可知，第一菱形体231的短对角线收缩，带动第一柔性铰链232向下运动，位移经过菱形体放大，再经第一杠杆233进一步放大，通过第一直梁型柔性铰链236带动载物平台框架27向上运动，实现定位台的Y方向位移输出。同理可得，第二压电叠堆22在非负电压信号激励下，产生微小位移，该微小位移经过菱形体放大，再经第二杠杆243进一步放大，通过第二直梁型柔性铰链246带动载物平台框架27向左运动，实现定位台的X方向位移输出。
参见图7，给第二压电叠堆22通入非负电压信号，使第二压电叠堆22产生Y方向的输出位移，推动第二菱形体241的长对角线端，带动第二菱形体241短对角线端向靠近第二压电叠堆22的方向收缩，由于短对角线一端被固定，因此另一端的位移为单边位移的两倍，第二菱形体241的可活动端与两根第二杠杆243相连接，拉动两根第二杠杆243，通过两根第二直梁型柔性铰链246拉动整个载物平台框架27沿X轴负方向运动，输出X方向的位移，此时整体结构的变形情况如图7所示。
参见图8，给第一压电叠堆21通入非负电压信号，使第一压电叠堆21产生X方向的输出位移，推动第一菱形体231的长对角线端，带动第一菱形体231短对角线端向靠近第一压电叠堆21的方向收缩，由于短对角线一端被固定，因此另一端的位移为单边位移的两倍，第一菱形体231的可活动端与两根第一杠杆233相连接，拉动两根第一杠杆233，通过两根第一直梁型柔性铰链236拉动整个载物平台框架27沿Y轴正方向运动，输出Y方向的位移，此时整体结构的变形情况如图8所示。
本实施例中，位移放大机构为对称性结构，通过菱形体和杠杆机械串联的方法，增大了位移放大机构的放大比，放大比为14.4；该压电定位台的行程为488微米×488微米，载物平台面积等于压电定位台的面积（173.5mm×93mm），载物面积比（载物平台面积/定位台面积）为1，大大提高了压电定位台的可用载物面积；有效行程面积比（定位台行程（单位：微米）/定位台面积（单位：毫米））为14.76，使得该压电台能在有限的尺寸空间中实现更大行程的位移输出。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
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