超大负载堆叠型摩擦式压电磁力混动微纳台及驱动方法

本发明属于精密机械与高速驱动，具体涉及一种超大负载堆叠型摩擦式压电磁力混动微纳台及驱动方法。

背景技术：

1、压电驱动器具有分辨率高、响应速度快、无电磁干扰、断电后能自锁等优点，已成为工程技术领域的研究热点。压电驱动器已被开发用于微型机器人、生物医学、机械测量、精密定位和三d打印等应用。目前压电精密定位系统根据其工作原理可分为直驱型、压电惯性驱动型、超声驱动型、尺蠖步进驱动型。直驱型压电驱动系统行程有限难以实现毫米级位移，超声驱动型定位精度较低，且摩擦和产热问题严峻，尺蠖步进驱动型需要至少3个压电单元才能实现一个自由度驱动。压电惯性驱动器具备机构简单的优势，通过单一压电元件和激励信号即可实现一个自由度的驱动。

2、目前压电惯性驱动器可分类惯性冲击式压电驱动器与摩擦驱动式压电惯性驱动器，其中摩擦驱动式压电惯性驱动器可实现断电自锁，但面临较为严重的位移回退问题，这将限制其在一些特殊工况下的应用，劣化驱动速度，锯齿状的位移还将增加控制系统的设计难度及整体的定位精度；此外，基于压电惯性驱动原理的压电驱动器面临负载能力弱、负载较大时难以实现高速驱动。

技术实现思路

1、本发明针对摩擦式压电惯性驱动器面临位移回退及水平负载与垂直负载较低等问题，提出了一种超大负载堆叠型摩擦式压电磁力复合精密驱动平台及驱动方法。本发明可以抑制位移回退并提升驱动平台的水平负载及垂直负载。通过引入电磁驱动单元用电磁驱动力提升单一压电驱动单元引起的驱动速度慢、负载能力弱的问题，在精密定位阶段使用电磁驱动力平衡压电驱动单元在滑阶段产生的滑动摩擦力以抑制位移回退，改善位移曲线的平顺性，提高驱动平台的定位精度，拓宽驱动平台的应用范围。

2、本发明的技术方案如下：

3、本发明首先提供了一种超大负载堆叠型摩擦式压电磁力混动微纳台，其包括电磁驱动单元、基座单元和压电驱动单元；基座单元由水平台座和位于水平台座上表面一侧的线圈组件安装凸台组成，整体为l型结构，基座单元的水平台座上设置有两条相互平行的导轨组件，导轨组件由导轨和设置在导轨上可沿导轨滑动的滑块组成；

4、所述电磁驱动单元为矩形音圈电机，其包括线圈组件和磁铁组件；所述线圈组件套设在磁铁组件内部，线圈组件与磁铁组件均为矩形结构，两者竖直方向的中心平面为同一平面；所述线圈组件伸出磁铁组件的一端固定连接在基座单元的线圈组件安装凸台上，所述磁铁组件固定连接在两个滑块上可随滑块同步运动；

5、所述压电驱动单元包括连接板、预压簧片、柔性机构、压电堆叠和摩擦棒；所述连接板分别与两条导轨组件的滑块固定连接；柔性机构固定安装在基座单元的水平台座上，柔性机构内部中空并在中空区域内设置有压电堆叠，所述摩擦棒一端与柔性机构固定连接，另一端悬空，悬空端由连接板和预压簧片进行限位，其中，悬空端的下表面与连接板摩擦接触，上表面与预压簧片摩擦接触，连接板与预压簧片相对于摩擦棒可实现自由滑动；

6、所述摩擦棒、导轨、线圈组件均水平安装，且摩擦棒与两条导轨相互平行；所述压电堆叠的振动方向平行于滑块的运动方向。

7、本发明还提供了一种所述的超大负载堆叠型摩擦式压电磁力混动微纳台的驱动方法：

8、规定向右运动时为正方向；正向驱动时，对电磁驱动单元通入正向直流电，由于线圈组件固定于基座单元之上，故其受到的向左的力fc将被基座单元的反作用力抵消，磁铁组件将受到向右的力fm，并带动滑块产生向右运动的趋势；此时压电驱动单元通入占空比为0％～10％的锯齿波；当电压快速升高时，压电堆叠快速伸长并带动柔性机构形变及摩擦棒快速伸长，此时由于摩擦棒与连接板和预压簧片之间的总摩擦力小于磁铁组件和滑块产生与摩擦棒相同速度所需的驱动力，因此摩擦状态为动摩擦，所产生的摩擦力为fp2，方向向左；当电压缓慢降低时，压电堆叠缓慢收缩并带动柔性机构恢复形变及摩擦棒缓慢收缩，此时摩擦棒与连接板和预压簧片之间的总摩擦力可满足磁铁组件和滑块产生与摩擦棒相同速度所需的驱动力，因此摩擦状态为静摩擦，所产生的的摩擦力为fp1，方向向右；将滑块与导轨之间摩擦力用ff标定，在电压快速升高时，滑块受到的合力ft＝fm-fp2-ff；在电压缓慢降低时，滑块受到的合力为ft＝fm+fp1-ff；通过控制电磁驱动单元与压电驱动单元之间的电信号可以实现复合定位台的正向驱动，并且可以执行两种模式，分别为快速驱动模式以及精密定位模式；执行快速驱动模式时，控制电信号使滑块受到的合力始终大于0，电磁驱动单元施加较大的直流电压使得滑块获得力较大的合力ft；执行精密定位模式时，控制电磁驱动单元电信号使其在压电驱动单元电压快速升高时滑块受到的合力为0，以抑制此阶段压电驱动单元独立位移时产生的位移回退，对压电驱动通入周期性锯齿波实现微进给；

9、反向工作时，对电磁驱动单元施加反向直流电，此时磁铁单元受到向左的力fm，并带动滑块产生向左运动的趋势；对压电驱动单元施加90％～100％的锯齿波电压信号，在电压缓升高时，滑块受到的合力为ft＝fm+fp1-ff，当电压快速降低时，滑块受到的合力为ft＝fm-fp1-ff，其中，由于非对称激励信号的施加，有fp1>fp2；反向驱动时亦可以实现快速驱动以及精密定位两种工作模式。

10、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

11、传统压电惯性驱动器采用摩擦驱动原理，由于需要控制驱动器摩擦副之间产生粘滑两种不同的摩擦状态，这限制了最大静摩擦力不能过大，因此使水平和垂直负载能力受限，本发明通过引入电磁驱动单元，用电磁驱动力提升单一压电驱动单元引起的驱动速度慢、负载能力弱的问题，在精密定位阶段使用电磁驱动力平衡压电驱动单元在滑阶段产生的滑动摩擦力以抑制位移回退，改善位移曲线的平顺性，提高驱动平台的定位精度，拓宽驱动平台的应用范围。本发明在主动光学、超分辨率成像样品移动、微纳装配及制造、集成电路制造与检测、扫描电镜样品操纵、大范围电子束直写、纤维及纳米ct、高真空样品精度对准及调姿、纳米聚焦与扫描等领域中具备极大的应用前景。

技术特征：

1.一种超大负载堆叠型摩擦式压电磁力混动微纳台，其特征在于，包括电磁驱动单元(1)、基座单元(2)和压电驱动单元(3)；基座单元由水平台座和位于水平台座上表面一侧的线圈组件安装凸台组成，整体为l型结构，基座单元的水平台座上设置有两条相互平行的导轨组件，导轨组件由导轨(2-2-2)和设置在导轨上可沿导轨滑动的滑块(2-2-1)组成；

2.根据权利要求1所述的超大负载堆叠型摩擦式压电磁力混动微纳台，其特征在于，所述柔性机构是由两个柔性机构弧形侧梁(3-3-1)、一个柔性机构前直梁(3-3-2)、及一个柔性机构固定板(3-3-3)围绕而成的中间中空结构；其中，柔性机构固定板(3-3-3)两端开设有两个柔性机构固定通孔(3-3-4)，侧面中间开设一个基米螺钉安装螺纹孔(3-3-5)；所述压电堆叠(3-5)置于柔性机构(3-3)中空结构的中心，一端抵接在柔性机构前直梁(3-3-2)之上，采用基米螺钉(3-4)拧入基米螺钉安装螺纹孔(3-3-5)并与压电堆叠(3-5)另一端顶紧将压电堆叠(3-5)固定在柔性机构(3-3)之中。

3.根据权利要求1所述的超大负载堆叠型摩擦式压电磁力混动微纳台，其特征在于，所述连接板(3-1)设有连接凸台(3-1-1)、连接板基板(3-1-2)、弧形摩擦板(3-1-3)与簧片安装螺纹孔(3-1-4)；弧形摩擦板两侧连接有两个连接板基板，两个连接板基板之上均布两个簧片安装螺纹孔，每个连接板基板上布有两个连接凸台；所述预压簧片(3-2)由簧片弧形摩擦板(3-2-2)及其两侧布置的两个簧片侧板(3-2-1)组成，其中簧片侧板(3-2-1)之上开设有簧片安装通孔(3-2-3)，所述预压簧片与连接板将摩擦棒的悬空端夹在中心，簧片安装螺纹孔与簧片安装通孔同心对齐，采用螺钉穿过簧片安装螺纹孔并拧入簧片安装通孔将三者连接。

4.根据权利要求3所述的超大负载堆叠型摩擦式压电磁力混动微纳台，其特征在于，每个所述连接板基板均通过其上的两个连接凸台与一个滑块固定连接，两个滑块与连接板相互连接为整体，同步运动。

5.根据权利要求1所述的超大负载堆叠型摩擦式压电磁力混动微纳台，其特征在于，所述预压簧片材料为弹簧钢，摩擦棒的材料为碳纤维棒或轴承钢。

6.根据权利要求1所述的超大负载堆叠型摩擦式压电磁力混动微纳台，其特征在于，所述滑块与导轨采用型槽配合，导轨两端设置有限位装置约束滑块的滑动行程。

7.根据权利要求1所述的超大负载堆叠型摩擦式压电磁力混动微纳台，其特征在于，所述磁铁组件的上表面作为外部负载的安装面。

8.一种权利要求1所述的超大负载堆叠型摩擦式压电磁力混动微纳台的驱动方法，其特征在于，

技术总结
本发明提供了一种超大负载堆叠型摩擦式压电磁力混动微纳台及驱动方法，其包括电磁驱动单元、基座单元和压电驱动单元，所述压电驱动单元包括连接板、预压簧片、柔性机构、压电堆叠以及摩擦棒。本发明通过电磁驱动单元与压电驱动单元的输入电信号控制，可以实现快速驱动以及精密定位两种工作模式。执行快速驱动模式时，控制电信号使滑块受到的合力始终大于0，电磁驱动单元施加较大的直流电压使得滑块获得力较大的合力；执行精密定位模式时，控制电磁驱动单元电信号使其在压电驱动单元电压快速升高时滑块受到的合力为0，以抑制此阶段压电驱动单元独立位移时产生的位移回退，对压电驱动通入周期性锯齿波实现微进给。

技术研发人员：韩冬,乔广达,彭泽钦,周如林,王统诚,龚国芳,杨华勇
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16