柔顺平行四连杆放大机构式压电粘滑直线平台

1.本发明属于纳米定位技术领域，涉及大行程、高分辨率精密位移驱动器，特别涉及一种柔顺平行四连杆放大机构式压电粘滑直线平台。


背景技术：

2.压电粘滑直线平台是一种既能实现毫米及厘米级大行程、又能实现纳米级高分辨率的精密位移驱动装置。它基于压电材料的逆压电效应，压电执行器在非对称锯齿波电压作用下的不对称振动所造成的动平台与驱动单元间动静摩擦力之差，将压电执行器的微小位移不断累加，从而形成连续的大行程位移。相对于电磁式直线平台，压电粘滑直线平台具有无磁场、易于控制、不存在端部效应及推力波动等优点；相对于尺蠖驱动式、超声谐振式等压电直线平台，具有易于微型化、驱动控制简单、快速运动时可忽略压电执行器迟滞非线性的影响等优点。因此，在需要微型化、轻量化、无磁场干扰的微纳操作技术领域，如精密光学工程、超精密加工与测量、微机械加工、生物医学、航空航天等，压电粘滑直线平台展现出独特优势。但目前的压电粘滑直线平台还存在以下不足：1)平台整体结构复杂、体积较大；2)动平台和驱动单元的装配及调节过程复杂；3)动平台与驱动单元之间的静摩擦力不易精密调节；4)动平台与驱动单元之间处于滑动状态时存在驱动单元对动平台的位移回带，导致平台速度慢、运动稳定性差。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的现状，而提供结构布局合理、动平台和驱动单元装配及调节简单、动平台与驱动单元间静摩擦力易于在线精密调节、动平台的位移回带少、运动速度快、稳定性好、定位精度高的柔顺平行四连杆放大机构式压电粘滑直线平台。
4.本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：柔顺平行四连杆放大机构式压电粘滑直线平台，包括基座和设置在基座上方的动平台，基座上固定有互相平行的第一定轨和第二定轨，动平台上固定设有互相平行的第一动轨和第二动轨，第一动轨与第一定轨导向匹配，第二动轨与第二定轨导向匹配；基座设有驱动单元，驱动单元包括与第一定轨平行的第一基准臂，第一基准臂在朝向第二动轨的一侧设有顺次连接的第三柔顺圆弧铰链、第三连杆、第二连杆、第一连杆和第二柔顺圆弧铰链，第二柔顺圆弧铰链和第三柔顺圆弧铰链分别连于第一基准臂；第三连杆上设有预顶在第二动轨上的第二驱动足；驱动单元还包括压电驱动装置，压电驱动装置的输出端与第一连杆之间设有第一柔顺圆弧铰链，第一连杆位于压电驱动装置和第二连杆之间。
5.为优化上述技术方案，采取的措施还包括：
第一连杆上设有预顶在第二动轨上的第一驱动足。由第一刚性块、第一柔顺圆弧铰链、第一连杆和第二柔顺圆弧铰链所构成的柔顺平行四连杆导向机构，使第一驱动足和第二驱动足贴在第二动轨表面上运动，能显著提高平台稳定能力。
6.在优选的方案中，第一连杆和第二连杆向压电驱动装置方向倾斜设置。
7.在优选的方案中，驱动单元还包括位于第一基准臂与第二动轨之间的第二基准臂；压电驱动装置包括连接在第一柔顺圆弧铰链上的第一刚性块，连接第一刚性块和第一基准臂的第一柔性薄板，连接第一刚性块和第二基准臂的第二柔性薄板，顶在第一刚性块上的驱动执行器，顶在驱动执行器端部的摩擦力调节执行器。摩擦力调节执行器采用压电执行器，用于在线精密调节动平台与驱动单元间静摩擦力，以实现在不同负载下动平台快速驱动，扩大平台的调速范围。驱动执行器采用压电执行器，为平台提供动力源。
8.在优选的方案中，基座包括容纳驱动单元的第一容纳槽，基座的侧方设有顶压在驱动单元上的固定螺钉。
9.在优选的方案中，第一容纳槽内还设有楔块，楔块位于第一基准臂与第一动轨之间，第一基准臂在朝向楔块的一侧设有供楔块滑动的斜面，基座的侧面设有顶在楔块大头端的调节螺钉，调节螺钉用以推动楔块沿着斜面滑动。调节螺钉用于调节楔块的轴向位移，以预粗调动平台与驱动单元间静摩擦力。
10.在优选的方案中，楔块设有平面，平面正对第一动轨，并且平面平行于第一动轨。
11.在优选的方案中，第一柔性薄板和第二柔性薄板的数量分别为2个。由第一柔性薄板和第二柔性薄板组成的柔顺平行导向机构使第一刚性体只沿着驱动执行器轴向运动，避免驱动执行器和摩擦力调节执行器承受侧向负载，提高其使用寿命。
12.在优选的方案中，驱动单元还包括容纳驱动执行器和摩擦力调节执行器的第二容纳槽，第二容纳槽能确保驱动执行器和摩擦力调节执行器执行严格的轴向伸缩运动。
13.在优选的方案中，驱动单元的第一基准臂、第二基准臂、第三柔顺圆弧铰链、第三连杆、第二驱动足、第二连杆、第一连杆、第一驱动足、第二柔顺圆弧铰链、第一柔顺圆弧铰链、第一柔性薄板、第一刚性块和第二柔性薄板为一体化结构。
14.与现有技术相比，本发明的柔顺平行四连杆放大机构式压电粘滑直线平台，包括基座和设置在基座上方的动平台，基座上固定有互相平行的第一定轨和第二定轨，动平台上固定设有互相平行的第一动轨和第二动轨，第一动轨与第一定轨导向匹配，第二动轨与第二定轨导向匹配；基座设有驱动单元，驱动单元包括与第一定轨平行的第一基准臂，第一基准臂在朝向第二动轨的一侧设有顺次连接的第三柔顺圆弧铰链、第三连杆、第二连杆、第一连杆和第二柔顺圆弧铰链，第二柔顺圆弧铰链和第三柔顺圆弧铰链分别连于第一基准臂；第三连杆上设有预顶在第二动轨上的第二驱动足；驱动单元还包括压电驱动装置，压电驱动装置的输出端与第一连杆之间设有第一柔顺圆弧铰链，第一连杆位于压电驱动装置和第二连杆之间。
15.由第三柔顺圆弧铰链、第三连杆、第二连杆、第一连杆和第二柔顺圆弧铰链所构成的柔顺位移放大机构具有增粘减滑作用，能显著提高平台负载能力和工作带宽，并减小回程位移；在满足第二驱动足有效行程的条件下，尽可能缩小了驱动执行器的尺寸，解决驱动执行器带宽与平台单步位移的矛盾问题，能显著提高平台的运动速度。
16.综上所述，本发明的优点是：
1)平台整体结构简单、紧凑；2)驱动单元的第一基准臂、第二基准臂、第三柔顺圆弧铰链、第三连杆、第二驱动足、第二连杆、第一连杆、第一驱动足、第二柔顺圆弧铰链、第一柔顺圆弧铰链、第一柔性薄板、第一刚性块和第二柔性薄板为一体化结构，避免了装配及调节过程；3)动平台与驱动单元之间的静摩擦力具有粗调和精调两种方式，同时还能在线精密调节；4)平台采用的柔顺平行四连杆放大机构，具有增粘减滑作用，即粘滞阶段增大驱动力，滑动阶段减小位移回带，能显著提高平台运动速度，增大驱动力及调速范围；5)平台具有2个驱动组的双点驱动，能显著提高平台运动稳定性。
附图说明
17.图1是本发明的立体结构示意图；图2是图1的分解示意图；图3是图2中去除动平台后的结构示意图；图4是图3的分解示意图；图5是驱动单元的分解示意图；图6是驱动单元的内部结构示意图；图7是工作状态示意图；图8是本发明驱动电压的时序图。
具体实施方式
18.以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
19.图1至图7为本发明的结构示意图。
20.其中的附图标记为：动平台1、基座2、第一容纳槽21、第一定轨31、第一动轨32、第二动轨33、第二定轨34、楔块4、平面41、驱动单元5、第一基准臂51、斜面511、第二基准臂52、第三柔顺圆弧铰链53、第三连杆54、第二驱动足541、第二连杆55、第一连杆56、第一驱动足561、第二柔顺圆弧铰链57、第一柔顺圆弧铰链58、压电驱动装置6、摩擦力调节执行器61、驱动执行器62、第一柔性薄板63、第一刚性块64、第二容纳槽65、第二柔性薄板66、第三柔性薄板67、固定螺钉71、调节螺钉72、预紧螺钉73。
21.图1至图7为本发明的结构示意图，如图所示，本发明的柔顺平行四连杆放大机构式压电粘滑直线平台，包括基座2和设置在基座2上方的动平台1，基座2上固定有互相平行的第一定轨31和第二定轨34，动平台1上固定设有互相平行的第一动轨32和第二动轨33，第一动轨32与第一定轨31导向匹配，第二动轨33与第二定轨34导向匹配；基座2设有驱动单元5，驱动单元5包括与第一定轨31平行的第一基准臂51，第一基准臂51在朝向第二动轨33的一侧设有顺次连接的第三柔顺圆弧铰链53、第三连杆54、第二连杆55、第一连杆56和第二柔顺圆弧铰链57，第二柔顺圆弧铰链57和第三柔顺圆弧铰链53分别连于第一基准臂51；第三连杆54上设有预顶在第二动轨33上的第二驱动足541；驱动单元5还包括压电驱动装置6，压电驱动装置6的输出端与第一连杆56之间设
有第一柔顺圆弧铰链58，第一连杆56位于压电驱动装置6和第二连杆55之间,第一柔顺圆弧铰链58靠近第二柔顺圆弧铰链57，这样从压电驱动装置6输出的位移能够在第一连杆56上进行放大。
22.实施例中，如图2至7所示，第一连杆56上设有预顶在第二动轨33上的第一驱动足561。柔顺平行四连杆导向机构使第一驱动足561和第二驱动足541贴在第二动轨33表面上运动，能显著提高平台稳定能力。
23.实施例中，如图6所示，第一连杆56和第二连杆55向压电驱动装置6方向倾斜设置。
24.实施例中，如图2至6所示，驱动单元5还包括位于第一基准臂51与第二动轨33之间的第二基准臂52；压电驱动装置6包括连接在第一柔顺圆弧铰链58上的第一刚性块64，连接第一刚性块64和第一基准臂51的第一柔性薄板63，连接第一刚性块64和第二基准臂52的第二柔性薄板66，顶在第一刚性块64上的驱动执行器62，顶在驱动执行器62端部的摩擦力调节执行器61。摩擦力调节执行器61采用压电执行器，用于在线精密调节动平台1与驱动单元5间静摩擦力，以实现在不同负载下动平台1快速驱动，扩大平台的调速范围。驱动执行器62采用压电执行器，为平台提供动力源。
25.实施例中，如图4所示，基座2包括容纳驱动单元5的第一容纳槽21，基座2的侧方设有顶压在驱动单元5上的固定螺钉71。
26.第一基准臂51和第二基准臂52之间还连有第三柔性薄板67，第三柔性薄板67顶在摩擦力调节执行器61的固定端，并在驱动单元横向旋入预紧螺钉73，顶住第三柔性薄板67。
27.实施例中，如图2至7所示，第一容纳槽21内还设有楔块4，楔块4位于第一基准臂51与第一动轨32之间，第一基准臂51在朝向楔块4的一侧设有供楔块4滑动的斜面511，基座2的侧面设有顶在楔块4大头端的调节螺钉72，调节螺钉72用以推动楔块4沿着斜面511滑动。调节螺钉72用于调节楔块4的轴向位移，以预粗调动平台1与驱动单元5间静摩擦力。
28.实施例中，如图4所示，楔块4设有平面41，平面41正对第一动轨32，并且平面41平行于第一动轨32。
29.实施例中，如图2至7所示，第一柔性薄板63和第二柔性薄板66的数量分别为2个。由第一柔性薄板63和第二柔性薄板66组成的柔顺平行导向机构使第一刚性体只沿着驱动执行器62轴向运动，避免驱动执行器62和摩擦力调节执行器61承受侧向负载，提高其使用寿命。
30.实施例中，如图5所示，驱动单元5还包括容纳驱动执行器62和摩擦力调节执行器61的第二容纳槽65，第二容纳槽65能确保驱动执行器62和摩擦力调节执行器61执行严格的轴向伸缩运动。
31.本发明的工作原理如图7所示，设从第一动轨32到第二动轨33方向为y轴正向，驱动执行器62伸长方向为x轴正向，则在一个运动周期t内动平台1沿着正向移动的实现过程如下：第一步，使驱动足带着动平台1沿x轴正向移动δx1。具体步骤如图8所示，给驱动执行器62缓慢施加电压(ut)，缓慢伸长的驱动执行器62推动第一刚性体沿x轴正向移动，第一刚性体经第一柔顺圆弧铰链58推动第一连杆56同时沿x轴和y轴正向移动，第二连杆55、第三连杆54也随着第一连杆56同时沿x轴和y轴正向移动，第二连杆55上的驱动足沿y轴逐
渐增大的正向位移，使第一驱动足561和第二驱动足541与动平台1之间的摩擦力逐渐增大，即产生增粘的效果，负载性能增大。在该摩擦力的作用下动平台1沿x轴产生较大的正向移动δx1。
32.第二步，使驱动执行器62和第一驱动足561和第二驱动足541迅速复原，而动平台1只产生微小的反向移动δx2。具体步骤如图6所示，在驱动执行器62的伸长达到最大值的t1时刻，给驱动执行器62快速断电，直至在t2时刻电压(ut)为0，则驱动执行器62迅速复原，其余各机构也迅速复原，在复原过程中驱动足沿y轴逐渐减小的负向位移，使第一驱动足561和第二驱动足541与动平台1之间的摩擦力逐渐减小，即产生减滑的效果，回带位移减小。由于惯性和减滑作用，动平台1只会跟着第一驱动足561和第二驱动足541沿着回退方向产生微小的反向移动δx2，最终实现动平台1的正向移动δx＝δx
1-δx2。
33.同理，只需改变施加给驱动执行器62电压(ut)的时序，即先给驱动执行器62快速施加电压(ut)，再给驱动执行器62缓慢断电，便能实现动平台1的反向移动。反向移动的效果弱于正向移动。
34.本发明的最佳实施例已阐明，由本领域普通技术人员做出的各种变化或改型都不会脱离本发明的范围。