[发明专利]平面三自由度压电驱动平台及其运动驱动方法

说明书

技术领域

本发明属于精密驱动技术领域，涉及一种驱动定位装置，具体是一种平面三自由度压电驱动平台。

背景技术

目前，铰链间隙误差是导致平面运动平台定位精度低的主要原因，因此平台很难达到纳米级定位要求。虽然通过采用柔性铰链的柔顺机构能在一定程度上减小铰链间的间隙误差问题，但是受柔性铰链有限的柔性变形限制，导致定位平台的工作空间小（一般只能实现微米级的工作空间）。因此针对上述的两个技术问题，本发明利用压电叠堆的精密驱动输出，并配合位移放大机构，实现了非轴对称结构体上行波的传动，从而提出了一种平面三自由度大行程、高精度的压电驱动平台。采用本专利发明的压电驱动平台不仅能实现三个自由度的运动，同时也避免了传统传动机构引入的铰链间隙误差，以及由于柔性铰链的小变形带来的工作空间小的问题。此外，通过调节弹性板的厚度来调整运动平台的分辨率，可以实现对不同精度的定位要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，是针对前述背景技术的缺陷和不足，设计一种平面三自由度压电驱动平台，实现平面三自由度大行程、高精度的定位要求。

本发明采用的技术方案是：

一种平面三自由度压电驱动平台，包括功能平台和弹性板，还包括安装于功能平台和弹性板之间的压电驱动器，还包括位于弹性板下方并与弹性板下表面直接接触的静平；

上述压电驱动器由4n个压电驱动模块组成，其中n大于或等于4，每个压电驱动模块均包括一个位移放大机构，位移放大机构的两侧各具有1个压电叠堆、1个预紧螺栓、1个连接板；其中所述连接板上部固连于功能平台（5）下方，所述预紧螺栓安装于所述连接板下部，所述压电叠堆通过预紧螺栓压紧在位移放大机构侧面；

4n(n≥4)个压电驱动模块呈正方形均匀排列方式安装于功能平台和弹性板之间,即每条正方形边安装有n+1个压电驱动模块。

上述4n个压电驱动模块安装方向保持一致。

在弹性板平面上按压电驱动模块所呈的正方形排列方式设置XOY坐标系，其中X方向与正方形第一边平行，Y方向与正方形第二边平行；

对上述的正方形任意一条边上排列的n+1个压电驱动模块分别施加驱动信号，其中施加在任一条边上的n+1个压电驱动模块的交流信号依次增加或减少90°的相位差，将形成一条沿着此边方向行进的行波；

若仅对XOY平面上的两条对边上的压电驱动模块施加上述交流信号，当两条对边上分别形成的行波具有相同的行进方向时，平台能实现沿该方向且运动方向与行波行进方向相同的平移运动；

若仅对XOY平面上的两条对边上的压电驱动模块施加上述交流信号，且两条对边上分别形成的行波具有相反的行进方向时，平台实现XOY平面内的旋转运动；

若当对XOY平面上的四条对边上的压电驱动模块均施加上述交流信号，当四条边上形成的行波具有绕某一轴旋转的方向，平台实现XOY平面内的旋转运动。

由于行波在所述弹性板上传播，从而迫使弹性板表面上的质点做椭圆运动，通过调整弹性板的厚度，以改变弹性板上表面质点的横向位移，从而调整平面三自由度压电驱动平台的位移分辨率。

本发明公开的平面三自由度压电驱动平台，利用压电叠堆产生大的静变形特点以及位移放大机构的放大作用从而使压电驱动模块产生有效的伸缩变形，同时通过对压电驱动模块的合理布置，即可在弹性板上激发出行进的行波，从而激励弹性板上的表面质点做椭圆运动，并在功能平台、压电驱动模块以及弹性板三者的自身重力作用下与静平台的上表面接触产生摩擦作用，从而实现平台的三自由度运动。本发明所用的4n(n≥4)个压电驱动模块通过固定螺栓连接到弹性板，并呈正方形排列，其中正方形每条边由n+1个压电驱动模块组成。根据需要，调整压电驱动模块上压电叠堆施加的交流信号，可以改变平台的工作状态。

本发明具有以下特点：本发明利用压电叠堆的共振或非共振振动模式进行激励，在弹性板上实现不同方向的行波行波传动，从而激励弹性板的表面质点作椭圆运动，在摩擦作用的驱动下实现平面的二自由度运动以及绕平面的旋转运动，同时通过改变弹性板的厚度，可以调整平台的分辨率。与传统机械式传动相比，具有结构简单、响应快、分辨率高、运动方式灵活等优点，避免了传统机械式传动引入的铰链间隙误差、运动空间小等问题，可实现三自由度大行程、高精度的定位目标。