结构一体化原位驱动全位移复合放大式压电尺蠖直线平台的制作方法

本发明属于纳米定位技术领域，涉及大行程、高分辨率纳米定位平台，特别涉及结构一体化原位驱动全位移复合放大式压电尺蠖直线平台。

背景技术

压电尺蠖直线平台是一种大行程、高分辨的精密定位平台。它基于仿生学中的尺蠖爬行原理，将压电执行器的微小位移不断累加，从而成为连续的大行程位移。相对于电磁式直线电机型平台，压电尺蠖直线平台具有体积小、不发热，易于控制，不存在端部效应及推力波动等优点；相对于超声谐振式、惯性驱动式等压电直线平台，具有输出力大、功率密度大、定位稳定、无摩擦磨损等优点。因此，在大行程、高分辨率、精密定位领域，压电尺蠖直线平台更具有优势。但目前的压电尺蠖直线平台还存在以下不足：

1)采用外钳位方式(即钳位机构位于动台面的外侧)对动台面进行钳位，平台结构不紧凑、动台面小；

2)结构为分体式，即先分别设计、制作出钳位机构、驱动机构，然后再将它们装配成一体，不仅装配和调节过程复杂，而且会降低钳位机构与驱动机构之间的接触刚度，增大阻尼，进而使平台的固有频率降低，动态响应特性变差；

3)钳位单元的钳位位移或释放位移为其中的压电执行器的输出位移，而压电执行器的输出位移很小，为使钳位单元能够可靠地钳位与释放，就要求钳位单元及驱动单元要有非常高的加工及装配精度；

4)钳位单元的输出位移较小，会使钳位单元不能充分钳位或释放动台面，而动台面不能充分钳位，其受到的钳位力就会较小，运动稳定性就会降低；动台面不能被充分释放，就会产生严重的摩擦磨损，降低平台的寿命；

5)平台不能自锁（即不能断电钳位），就是平台在不工作时，动台面不能被钳位单元夹紧；

6)驱动机构在工作过程中也做直线运动，从而使平台的运动质量变大，不利于平台的快速移动；

7)驱动单元的单步位移为其中的压电执行器的输出位移，往往很小，从而使平台的运动速度较低；

8)没有专门的导向机构，平台的定动精度取决于钳位机构和驱动机构的加工及装配精度，为使平台具有较小的运动误差，钳位机构和驱动机构的加工及装配精度就要很高，这就使得平台在实现高运动精度方面相对困难。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的现状，提供结构紧凑、动台面大、钳位与驱动机构一体化、对钳位机构和驱动机构加工和装配精度要求低、钳位和释放充分、可断电钳位、运动速度快、运动误差小的结构一体化原位驱动全位移复合放大式压电尺蠖直线平台。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：结构一体化原位驱动全位移复合放大式压电尺蠖直线平台，包括定平台以及通过两条交叉滚柱导轨滑动连接的动台面，动台面下方设有两条分别与交叉滚柱导轨平行的挡条；两条挡条之间设有沿挡条的长度方向设置的第一钳位组和第二钳位组，第一钳位组和第二钳位组沿着垂直于挡条方向作伸缩运动，其伸缩端分别连有彼此呈镜像结构的驱动单元，并组成第一驱动组和第二驱动组，驱动单元沿着挡条的长度方向作伸缩运动；驱动单元包括连于驱动单元的伸缩端的夹持臂，夹持臂具有位移放大作用，通过夹持臂对挡条进行释放和钳位，相邻的夹持臂之间设有活动间隙；通过对第一钳位组、第一驱动组、第二钳位组和第二驱动组的时序控制使动台面作尺蠖式行走和定位。

为优化上述技术方案，采取的措施还包括：

优选的方案中，第一钳位组与第二钳位组的结构相同，分别包括两个钳位单元，钳位单元包括呈菱形的钳位桥式放大单元和释放用压电执行器，释放用压电执行器的伸缩方向与挡条的长度方向一致，释放用压电执行器的伸缩端顶配于钳位桥式放大单元内；

优选的方案中，定平台包括分设于第一钳位组和第二钳位组外围的基座，夹持臂垂直于挡条，夹持臂包括用于钳位挡条的第一端部，以及与第一端部位置相反的第二端部；驱动单元包括连杆、驱动用压电执行器和第五刚性块，连杆具有位移放大作用；连杆和驱动用压电执行器分别垂直设于第二端部，驱动用压电执行器的一端连于基座，另一端顶配于第五刚性块；在第五刚性块与第二端部之间、连杆与基座之间、连杆与第二端部之间，以及钳位桥式放大单元与连杆的中段之间分别连有柔性铰链。

优选的方案中，第一端部与基座之间设有防止夹持臂上下翻动的弹性件。

优选的方案中，弹性件为柔性折叠梁，柔性折叠梁与连杆平行。

优选的方案中，钳位桥式放大单元包括对向设于释放用压电执行器伸缩端的第一刚性块和第二刚性块，设于释放用压电执行器两侧的第三刚性块和第四刚性块；以及第一刚性块、第三刚性块、第二刚性块和第四刚性块之间顺次连接的柔性薄板；各柔性薄板呈菱形围设于释放用压电执行器的周围；第一钳位组和第二钳位组内的相邻的第三刚性块为一体结构，第四刚性块通过柔性铰链连于连杆的中段。

优选的方案中，定平台包括连于第三刚性块的支架，支架设于第一钳位组和第二钳位组的下方。

优选的方案中，交叉滚柱导轨包括动导轨和定导轨，动台面设有顶配于动导轨上端面的第一凸条；定平台设有用于放置交叉滚柱导轨的安装槽，安装槽内设有顶配于定导轨下端面的第二凸条，安装槽的侧壁设有方便置入导轨预紧螺钉的侧孔；动导轨的下端旋设有将动导轨固定于动台面的第三螺钉，定导轨的上端旋设有将定导轨固定于定平台的第四螺钉，动台面设有方便调节第四螺钉的通孔。

优选的方案中，基座、支架、柔性折叠梁、第五刚性块、连杆、夹持臂、柔性铰链和钳位桥式放大单元为一体成型结构。

与现有技术相比，本发明的结构一体化原位驱动全位移复合放大式压电尺蠖直线平台，包括定平台以及通过两条交叉滚柱导轨滑动连接的动台面，动台面下方设有两条分别与交叉滚柱导轨平行的挡条；两条挡条之间设有第一钳位组和第二钳位组，以及第一驱动组和第二驱动组，驱动单元沿着挡条的长度方向作伸缩运动；驱动单元包括连于驱动单元的伸缩端的夹持臂，通过夹持臂对挡条进行释放和钳位，相邻的夹持臂之间设有活动间隙；通过对第一钳位组、第一驱动组、第二钳位组和第二驱动组的时序控制使动台面作尺蠖式行走和定位。本发明的优点是：

1)采用内钳位方式(即钳位机构位于动台面两挡条之间)对动台面进行钳位，平台结构紧凑、动台面大；

2)钳位机构和驱动机构为一体成型机构，不仅免去了将钳位机构和驱动机构结合起来的装配和调节过程，而且还能避免通过装配将钳位机构和驱动机构结合起来这种方式所造成的降低平台的接触刚度，增加阻尼，进而使平台固有频率降低，动态响应特性变差的不足；

3)钳位单元为桥式放大机构和杠杆放大机构，其中的桥式放大机构能将其中的压电执行器的输出位移放大3以上，而杠杆放大机构还能将压电执行器的输出位移放大3倍以上，二者共同作用就会使钳位单元能够非常充分地对动台面所构成的动台面进行钳位及释放，进而能降低对钳位单元及驱动单元的加工及装配精度的要求；

4)由于钳位单元的输出位移变大，一方面会使动台面在被钳位单元钳位时所受到的钳位力变大，平台运动的稳定性就会提高；另一方面会使钳位单元在释放动台面时能够彻底松开动台面，二者之间不会产生摩擦磨损，进而能提高平台的寿命；

5)当平台不工作时，释放用压电执行器不通电，动台面被钳位单元钳位而不能运动，这就实现了平台的自锁，即断电钳位；

6)驱动单元为杠杆放大机构，它能将其中的压电执行器的输出位移放大3倍以上，这就使驱动单元的单步位移增大，进而使平台的运动速度提高；

7)目前的压电尺蠖直线平台的动台面在一个运动周期内仅能移动一步，而本发明采用第一驱动组和第二驱动组组成的双驱动组驱动，能使动台面在一个运动周期内，移动两步，这又能进一步提高平台的运动速度；

8)钳位单元与驱动单元均不作直线运动，而是在原位作钳位与释放动作以及驱动动作，仅有动台面作直线运动，平台的运动质量小，这也能进一步提高平台的运动速度；

9)采用交叉滚柱导轨对动台面的运动进行导向，能有效减小平台的水平摆动误差和纵向俯仰误差，进而能提高平台的定位精度。

附图说明

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的仰视示意图；

图4是图2中定平台的结构示意图；

图5是钳位单元和驱动单元的结构示意图；

图6是钳位桥式放大单元的结构示意图；

图7是图2中交叉滚柱导轨的结构示意图；

图8是本发明的电压时序图。

其中的附图标记为：1定平台、1a活动间隙、1b基座、1c安装槽、1d第二凸条、1e侧孔、12第一钳位组、13第二钳位组、14支架、2动台面、2a通孔、2b第一凸条、2c挡条、4交叉滚柱导轨、41定导轨、41a第四螺钉、42动导轨、42a第三螺钉、5第一驱动组、8驱动单元、81驱动用压电执行器、82柔性折叠梁、83第五刚性块、84连杆、85夹持臂、85a第一端部、85b第二端部、86柔性铰链、6第二驱动组、7钳位单元、71释放用压电执行器、72钳位桥式放大单元、72a第一刚性块、72b第二刚性块、72c第三刚性块、72d第四刚性块、72e柔性薄板。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

图1至图7为本发明的结构示意图，如图所示，本发明的结构一体化原位驱动全位移复合放大式压电尺蠖直线平台，包括定平台1以及通过两条交叉滚柱导轨4滑动连接的动台面2，动台面2下方设有两条分别与交叉滚柱导轨4平行的挡条2c；两条挡条2c之间设有沿挡条2c的长度方向设置的第一钳位组12和第二钳位组13，第一钳位组12和第二钳位组13沿着垂直于挡条2c方向作伸缩运动，其伸缩端分别连有彼此呈镜像结构的驱动单元8，并组成第一驱动组5和第二驱动组6，驱动单元8沿着挡条2c的长度方向作伸缩运动；驱动单元8包括连于驱动单元8的伸缩端的夹持臂85，夹持臂85具有位移放大作用，夹持臂85能将驱动用压电执行器81产生的位移放大传递至夹持臂85的自由端，并通过夹持臂85对挡条2c进行释放和钳位，如图4所示，相邻的夹持臂85之间设有活动间隙1a；通过对第一钳位组12、第一驱动组5、第二钳位组13和第二驱动组6的时序控制使动台面2作尺蠖式行走和定位。第一钳位组12、第一驱动组5、第二钳位组13和第二驱动组6为任一类型的直线电机。

优选的方案中，如图4、5和图6所示，第一钳位组12与第二钳位组13的结构相同，分别包括两个钳位单元7，钳位单元7包括呈菱形的钳位桥式放大单元72和释放用压电执行器71，释放用压电执行器71的伸缩方向与挡条2c的长度方向一致，释放用压电执行器71的伸缩端顶配于钳位桥式放大单元72内；

优选的方案中，如图4、5所示，定平台1包括分设于第一钳位组12和第二钳位组13外围的基座1b，夹持臂85垂直于挡条2c，夹持臂85包括用于钳位挡条2c的第一端部85a，以及与第一端部85a位置相反的第二端部85b；驱动单元8包括连杆84、驱动用压电执行器81和第五刚性块83，连杆84具有位移放大作用，它能将钳位单元7产生的位移放大传递给驱动单元8；连杆84和驱动用压电执行器81分别垂直设于第二端部85b，驱动用压电执行器81的一端连于基座1b，另一端顶配于第五刚性块83；在第五刚性块83与第二端部85b之间、连杆84与基座1b之间、连杆84与第二端部85b之间，以及钳位桥式放大单元72与连杆84的中段之间分别连有柔性铰链86。

优选的方案中，如图4、5和图6所示，第一端部85a与基座1b之间设有弹性件。

优选的方案中，如图4、5和图6所示，弹性件为柔性折叠梁82，柔性折叠梁82与连杆84平行，柔性折叠梁82能保证夹持臂85的稳定，既不影响夹持臂85的移动，又能防止夹持臂85上下翻动。

优选的方案中，如图5和图6所示，钳位桥式放大单元72包括对向设于释放用压电执行器71伸缩端的第一刚性块72a和第二刚性块72b，设于释放用压电执行器71两侧的第三刚性块72c和第四刚性块72d；以及第一刚性块72a、第三刚性块72c、第二刚性块72b和第四刚性块72d之间顺次连接的柔性薄板72e；各柔性薄板72e呈菱形围设于释放用压电执行器71的周围；第一钳位组12和第二钳位组13内的相邻的第三刚性块72c为一体结构，第四刚性块72d通过柔性铰链86连于连杆84的中段。

优选的方案中，如图3所示，定平台1包括连于第三刚性块72c的支架14，支架14设于第一钳位组12和第二钳位组13的下方。

优选的方案中，如图2和图3所示，交叉滚柱导轨4包括动导轨42和定导轨41，动台面2设有顶配于动导轨42上端面的第一凸条2b；定平台1设有用于放置交叉滚柱导轨4的安装槽1c，安装槽1c内设有顶配于定导轨41下端面的第二凸条1d，安装槽1c的侧壁设有方便置入导轨预紧螺钉的侧孔1e；动导轨42的下端旋设有将动导轨42固定于动台面2的第三螺钉42a，定导轨41的上端旋设有将定导轨41固定于定平台1的第四螺钉41a，动台面2设有方便调节第四螺钉41a的通孔2a。

优选的方案中，如图4和图5所示，基座1b、支架14、柔性折叠梁82、第五刚性块83、连杆84、夹持臂85、柔性铰链86和钳位桥式放大单元72为一体成型结构。

当第二钳位组13在图8(a)所示时序的电压u(t)、第一驱动组5和第二驱动组6同时在图8(b)所示时序的电压u(t)、第一钳位组12在图8(c)所示时序的电压u(t)作用下时，动台面2沿着从第一驱动组5到第二驱动组6的方向移动，在一个运动周期内动台面2沿着从第一驱动组5到第二驱动组6的方向移动两步，这两步的实现过程如下：

1)如图8(a)所示，给第二钳位组13中的释放用压电执行器71通电，第二钳位组13中的钳位桥式放大单元72变形，带动第二驱动组6中的连杆84沿着向第二钳位组13中的钳位桥式放大单元72的方向偏转，使第二驱动组6中的夹持臂85松开动台面2中的挡条2c；

2)当第二钳位组13中的释放用压电执行器71通电达到稳定状态（如t1时刻）时，如图8(b)所示，给第一驱动组5和第二驱动组6中的驱动用压电执行器81同时通电，第一驱动组5中的夹持臂85沿着向第二驱动组6中的夹持臂85的方向偏转而带动动台面2沿着从第一驱动组5到第二驱动组6的方向移动一步；同时，第二驱动组6中的夹持臂85沿着向第一驱动组5中的夹持臂85的方向偏转；

3)当第一驱动组5和第二驱动组6中的驱动用压电执行器81同时通电达到稳定状态（如t2时刻）时，如图8(a)所示，给第二钳位组13中的释放用压电执行器71断电，第二钳位组13中的钳位桥式放大单元72的变形被复原，通过第二驱动组6中的连杆84推动第二驱动组6中的夹持臂85，第二驱动组6中的夹持臂85钳住动台面2中的挡条2c；

4)当第二钳位组13中的释放用压电执行器71断电达到稳定状态（如t3时刻）时，如图8(c)所示，给第一钳位组12中的释放用压电执行器71通电，第一钳位组12中的钳位桥式放大单元72变形，带动第一驱动组5中的连杆84沿着向第一钳位组12中的钳位桥式放大单元72的方向偏转，使第一驱动组5中的夹持臂85松开动台面2中的挡条2c；

5)当第一钳位组12中的释放用压电执行器71通电达到稳定状态（如t4时刻）时，如图8(b)所示，给第一驱动组5和第二驱动组6中的驱动用压电执行器81同时断电，第一驱动组5中的夹持臂85的偏转被复原；同时，第二驱动组6中的夹持臂85的偏转也被复原，带动动台面2沿着从第一驱动组5到第二驱动组6的方向又移动一步；

6)当第一驱动组5和第二驱动组6中的驱动用压电执行器81同时断电达到稳定状态（如t5时刻）时，如图8(c)所示，给第一钳位组12中的释放用压电执行器71断电，第一钳位组12中的钳位桥式放大单元72的变形被复原，通过第一驱动组5中的连杆84推动第一驱动组5中的夹持臂85，第一驱动组5中的夹持臂85钳住动台面2中的挡条2c；

当第一钳位组12中的释放用压电执行器71断电达到稳定状态（如t6时刻）时，开始下一个运动周期t，如此反复，动台面2便沿着从第一驱动组5到第二驱动组6的方向连续地输出直线位移。

当第一钳位组12在图8(a)所示时序的电压u(t)、第一驱动组5和第二驱动组6同时在图8(b)所示时序的电压u(t)、第二钳位组13在图8(c)所示时序的电压u(t)作用下时，动台面2沿着从第二驱动组6到第一驱动组5的方向移动，在一个运动周期内动台面2沿着从第二驱动组6到第一驱动组5的方向移动两步，这两步的实现过程如下：

1)如图8(a)所示，给第一钳位组12中的释放用压电执行器71通电，第一钳位组12中的钳位桥式放大单元72变形，带动第一驱动组5中的连杆84沿着向第一钳位组12中的钳位桥式放大单元72的方向偏转，使第一驱动组5中的夹持臂85松开动台面2中的挡条2c；

2)当第一钳位组12中的释放用压电执行器71通电达到稳定状态（如t1时刻）时，如图8(b)所示，给第一驱动组5和第二驱动组6中的驱动用压电执行器81同时通电，第一驱动组5中的夹持臂85沿着向第二驱动组6中的夹持臂85的方向偏转；同时，第二驱动组6中的夹持臂85沿着向第一驱动组5中的夹持臂85的方向偏转而带动动台面2沿着从第二驱动组6到第一驱动组5的方向移动一步；

3)当第一驱动组5和第二驱动组6中的驱动用压电执行器81同时通电达到稳定状态（如t2时刻）时，如图8(a)所示，给第一钳位组12中的释放用压电执行器71断电，第一钳位组12中的钳位桥式放大单元72的变形被复原，通过第一驱动组5中的连杆84推动第一驱动组5中的夹持臂85，第一驱动组5中的夹持臂85钳住动台面2中的挡条2c；

4)当第一钳位组12中的释放用压电执行器71断电达到稳定状态（如t3时刻）时，如图8(c)所示，给第二钳位组13中的释放用压电执行器71通电，第二钳位组13中的钳位桥式放大单元72变形，带动第二驱动组6中的连杆84沿着向第二钳位组13中的钳位桥式放大单元72的方向偏转，使第二驱动组6中的夹持臂85松开动台面2中的挡条2c；

5)当第二钳位组13中的释放用压电执行器71通电达到稳定状态（如t4时刻）时，如图8(b)所示，给第一驱动组5和第二驱动组6中的驱动用压电执行器81同时断电，第一驱动组5中的夹持臂85的偏转被复原，带动动台面2沿着从第二驱动组6到第一驱动组5的方向又移动一步；同时，第一驱动组5中的夹持臂85的偏转也被复原；

6)当第一驱动组5和第二驱动组6中的驱动用压电执行器81同时断电达到稳定状态（如t5时刻）时，如图8(c)所示，给第二钳位组13中的释放用压电执行器71断电，第二钳位组13中的钳位桥式放大单元72的变形被复原，通过第二驱动组6中的连杆84推动第二驱动组6中的夹持臂85，第二驱动组6中的夹持臂85钳住动台面2中的挡条2c；

当第二钳位组13中的释放用压电执行器71断电达到稳定状态（如t6时刻）时，开始下一个运动周期t，如此反复，动台面2便沿着从第二驱动组6到第一驱动组5的方向连续地输出直线位移。

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。