CN114567201A - 一种压电粘滑垂向运动平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电粘滑垂向运动平台，包括基座和设置在基座上方的动平台，动平台的下方设有柱体，柱体的外周顺次等分分布有第一驱动单元、第二驱动单元、第三驱动单元和第四驱动单元；第一驱动单元、第二驱动单元、第三驱动单元和第四驱动单元的结构相同，包括柔性机构，以及撑在柔性机构内的压电执行器，压电执行器的轴线平行于柱体；柔性机构包括顶在压电执行器伸长端的斜楔块；斜楔块包括背离柱体的斜面部，斜面部倾斜向上，斜面部上顶有限位件。第一驱动单元和第三驱动单元联动，第二驱动单元和第四驱动单元联动，通过时序联动，能使柱体实现连续抬升运动。本发明装配及调节简单、运动速度快、负载能力强、定动子间摩擦磨损小。

Description

一种压电粘滑垂向运动平台

技术领域

本发明属于纳米定位技术领域，涉及毫米级大行程、纳米级高分辨率的小体积精密位移驱动器，特别涉及一种可沿垂直方向运动的压电粘滑定位平台。

背景技术

压电粘滑直线运动平台是一种既能实现毫米乃至厘米级大行程、又能实现纳米级高分辨率的精密位移驱动器。它在锯齿波电压作用下，通过压电执行器的缓慢伸长与迅速缩短，进而使定子与动子间产生静动摩擦力之差，将压电执行器的纳米级位移不断累加，从而形成连续的毫米级乃至厘米级大行程。相对于电磁式定位平台，压电粘滑运动平台具有无磁场、易于控制、不存在端部效应及推力波动等优点；相对于超声谐振式、尺蠖驱动式等压电直线平台，压电粘滑运动平台具有磨损轻微、控制系统简单、步进速度快等优点。因此，在需要微型化、轻量化、无磁场的微纳操作技术领域，如微机电系统(MEMS)组装、细胞微操作、扫描电镜(EM)观察等，压电粘滑运动平台展现出独特优势。但目前的压电粘滑垂向运动平台还存在以下不足：

1)平台整体结构组成复杂、不紧凑；

2)定子和动子的装配及调节过程复杂；

3)平台每步运动回退位移大，运动速度慢；

4)平台驱动力小，负载能力低；

5)平台导向机构大多不是采用作为标准件的直线导轨，这一方面使加工制作成本变高，另一方面定动子间存在严重的摩擦磨损，使平台寿命降低。

发明内容

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、动子和定子装配及调节简单、运动速度快、负载能力强、定动子间摩擦磨损小的一种压电粘滑垂向运动平台。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种压电粘滑垂向运动平台，包括基座和设置在基座上方的动平台，动平台的下方设有柱体，柱体的外周顺次等分分布有第一驱动单元、第二驱动单元、第三驱动单元和第四驱动单元；

第一驱动单元、第二驱动单元、第三驱动单元和第四驱动单元的结构相同，包括柔性机构，以及撑在柔性机构内的压电执行器，压电执行器的轴线平行于柱体；柔性机构包括顶在压电执行器伸长端的斜楔块；

斜楔块包括背离柱体的斜面部，斜面部倾斜向上，斜面部上顶有限位件。

为优化上述技术方案，采取的措施还包括：

柔性机构还包括顺次连接的第一矩形柔性铰链、第一刚性部、弧形柔性铰链、第二刚性部和第二矩形柔性铰链，弧形柔性铰链共有一对，分设于压电执行器的两侧；第二矩形柔性铰链连于斜楔块；第一刚性部与压电执行器的固定端之间夹设有垫片，第一矩形柔性铰链连于基座。

在优选的方案中，基座上设有管状套；

管状套罩设于第一驱动单元、第二驱动单元、第三驱动单元和第四驱动单元的外部。

在优选的方案中，限位件是弹性球头预紧螺钉，管状套上设有供限位件旋入的第一螺孔。

在优选的方案中，管状套和动平台之间还设有供柱体穿过的限位平台，限位平台与管状套的上端连有第一连接螺钉；限位平台的下方设有供柱体滑移的导向管。

在优选的方案中，柱体包括在导向管内滑移的圆柱段，以及供斜楔块摩擦推动的方柱段。

在优选的方案中，斜楔块还包括与方柱段接触的平面部，斜楔块与方柱段的平面接触。

在优选的方案中，底板和管状套之间连有第二连接螺钉。

在另一种方案中，斜楔块还包括与方柱段接触的直角槽部，直角槽部卡在方柱段的棱边上。

在另一种改进方案中，在斜面部上设有导向槽，以供限位件滚滑，避免斜楔块在移动的过程中晃动。

与现有技术相比，本发明的一种压电粘滑垂向运动平台，包括基座和设置在基座上方的动平台，动平台的下方设有柱体，柱体的外周顺次等分分布有第一驱动单元、第二驱动单元、第三驱动单元和第四驱动单元；第一驱动单元、第二驱动单元、第三驱动单元和第四驱动单元的结构相同，包括柔性机构，以及撑在柔性机构内的压电执行器，压电执行器的轴线平行于柱体；柔性机构包括顶在压电执行器伸长端的斜楔块；斜楔块包括背离柱体的斜面部，斜面部倾斜向上，斜面部上顶有限位件。

给第一驱动单元和第三驱动单元的压电执行器缓慢施加电压(t₁₀至t₁₁)，则伸长的压电执行器推动柱体实现垂向运动，继而推动动平台实现垂向抬升运动，压电执行器在伸长过程中，柱体和斜楔块之间的静摩擦力在斜楔块作用下不断增大；一定角度的相位差后，在t₂₀给第二驱动单元和第四驱动单元的压电执行器缓慢施加电压(t₂₀至t₂₁)，则伸长的压电执行器亦推动柱体实现垂向运动，待第一驱动单元和第三驱动单元的压电执行器达到额定电压时(t₁₁)，给第一驱动单元和第三驱动单元的压电执行器突然断电，则第一驱动单元和第三驱动单元迅速复原，而此时动平台和柱体仍在第二驱动单元和第四驱动单元的推动下作垂向运动，从而提升运动速度和驱动力。在第一驱动单元和第三驱动单元完成一个周期的运动后，即开始下一个运动周期(t₁₂至t₁₃)，第二驱动单元和第四驱动单元亦在t₂₂开始下一个运动周期，周而复始，不断推动动平台向上移动，实现毫米级乃至厘米级大行程。本发明动子和定子装配及调节简单、运动速度快、负载能力强、定动子间摩擦磨损小。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图；

图2是图1的内部结构示意图；

图3是图2的分解示意图；

图4是图3中A部的放大结构示意图；

图5是图4的分解示意图；

图6是图3中B部的放大结构示意图；

图7是图6的分解示意图；

图8是实施例一中柔性机构的结构示意图；

图9是实施例一中斜楔块和方柱段的装配横截面示意图；

图10是实施例二中斜楔块和方柱段的装配横截面示意图；

图11是实施例三中斜楔块上的导向槽的结构示意图；

图12是本压电粘滑垂向运动平台的工作时序图。。

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11为本发明的结构示意图。

其中的附图标记为：动平台1、柱体11、圆柱段111、方柱段112、限位平台2、导向管21、管状套3、第一螺孔31、基座4、第一驱动单元51、第二驱动单元52、第三驱动单元53、第四驱动单元54、柔性机构6、斜楔块61、斜面部611、平面部612、直角槽部613、导向槽614、第二矩形柔性铰链62、第二刚性部63、弧形柔性铰链64、第一刚性部65、第一矩形柔性铰链66、压电执行器71、垫片72、限位件8、第一连接螺钉91、第二连接螺钉92。

实施例一，如图1至5所示，一种压电粘滑垂向运动平台，包括基座4和设置在基座4上方的动平台1，动平台1的下方设有柱体11，柱体11的外周顺次等分分布有第一驱动单元51、第二驱动单元52、第三驱动单元53和第四驱动单元54；

第一驱动单元51、第二驱动单元52、第三驱动单元53和第四驱动单元54的结构相同，包括柔性机构6，以及撑在柔性机构6内的压电执行器71，压电执行器71的轴线平行于柱体11；柔性机构6包括顶在压电执行器71伸长端的斜楔块61；

斜楔块61包括背离柱体11的斜面部611，斜面部611倾斜向上，斜面部611上顶有限位件8。

实施例中，如图1至5，以及图8所示，柔性机构6还包括顺次连接的第一矩形柔性铰链66、第一刚性部65、弧形柔性铰链64、第二刚性部63和第二矩形柔性铰链62，弧形柔性铰链64共有一对，分设于压电执行器71的两侧；第二矩形柔性铰链62连于斜楔块61；第一刚性部65与压电执行器71的固定端之间夹设有垫片72，第一矩形柔性铰链66连于基座4。

实施例中，如图2和图3所示，基座4上设有管状套3；

管状套3罩设于第一驱动单元51、第二驱动单元52、第三驱动单元53和第四驱动单元54的外部。

实施例中，限位件8是弹性球头预紧螺钉，管状套3上设有供限位件8旋入的第一螺孔31，如图3和图6所示。

实施例中，如图2、3、6所示，管状套3和动平台1之间还设有供柱体11穿过的限位平台2，限位平台2与管状套3的上端连有第一连接螺钉91；限位平台2的下方设有供柱体11滑移的导向管21。

实施例中，如图5所示，柱体11包括在导向管21内滑移的圆柱段111，以及供斜楔块61摩擦推动的方柱段112。

实施例中，如图9所示，斜楔块61还包括与方柱段112接触的平面部612，斜楔块61与方柱段112的平面接触。

实施例中，如图2和图6所示，底板和管状套3之间连有第二连接螺钉92。

实施例二，实施例二的结构与实施例一相似，不同之处在于斜楔块61与方柱段112的接触方式不同，具体如图10所示，斜楔块61还包括与方柱段112接触的直角槽部613，直角槽部613卡在方柱段112的棱边上。

实施例三，如图11所示，实施例三的结构是在实施例一的基础上，在斜面部611上设有导向槽614，以供限位件8滚滑。

在实施例三的优化方案中，导向槽614贯穿连通平面部612和斜面部611，并且在导向槽614内填充有橡胶，在限位件8顶压导向槽614中的橡胶时，导向槽614会从平面部612轻微溢出，从而增加平面部612与方柱段112之间的静摩擦力。

实施例一至实施例三的工作原理：

如图12所示，给第一驱动单元51和第三驱动单元53的压电执行器71缓慢施加电压(t₁₀至t₁₁)，则伸长的压电执行器71推动柱体11实现垂向运动，继而推动动平台1实现垂向抬升运动，压电执行器71在伸长过程中，柱体11和斜楔块61之间的静摩擦力在斜楔块61作用下不断增大；一定角度的相位差后，在t₂₀给第二驱动单元52和第四驱动单元54的压电执行器71缓慢施加电压(t₂₀至t₂₁)，则伸长的压电执行器71亦推动柱体11实现垂向运动，待第一驱动单元51和第三驱动单元53的压电执行器71达到额定电压时(t₁₁)，给第一驱动单元51和第三驱动单元53的压电执行器71突然断电，则第一驱动单元51和第三驱动单元53迅速复原，而此时动平台1和柱体11仍在第二驱动单元52和第四驱动单元54的推动下作垂向运动，从而提升运动速度和驱动力。在第一驱动单元51和第三驱动单元53完成一个周期的运动后，即开始下一个运动周期(t₁₂至t₁₃)，第二驱动单元52和第四驱动单元54亦在t₂₂开始下一个运动周期，周而复始，不断推动动平台1向上移动，实现毫米级乃至厘米级大行程。

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。

Claims (10)

1.一种压电粘滑垂向运动平台，包括基座(4)和设置在基座(4)上方的动平台(1)，其特征在于，所述的动平台(1)的下方设有柱体(11)，所述的柱体(11)的外周顺次等分分布有第一驱动单元(51)、第二驱动单元(52)、第三驱动单元(53)和第四驱动单元(54)；

所述的第一驱动单元(51)、第二驱动单元(52)、第三驱动单元(53)和第四驱动单元(54)的结构相同，包括柔性机构(6)，以及撑在柔性机构(6)内的压电执行器(71)，压电执行器(71)的轴线平行于所述的柱体(11)；所述的柔性机构(6)包括顶在压电执行器(71)伸长端的斜楔块(61)；

所述的斜楔块(61)包括背离柱体(11)的斜面部(611)，所述的斜面部(611)倾斜向上，所述的斜面部(611)上顶有限位件(8)。

2.根据权利要求1所述的一种压电粘滑垂向运动平台，其特征在于，所述的柔性机构(6)还包括顺次连接的第一矩形柔性铰链(66)、第一刚性部(65)、弧形柔性铰链(64)、第二刚性部(63)和第二矩形柔性铰链(62)，所述的弧形柔性铰链(64)共有一对，分设于压电执行器(71)的两侧；所述的第二矩形柔性铰链(62)连于所述的斜楔块(61)；所述的第一刚性部(65)与压电执行器(71)的固定端之间夹设有垫片(72)，所述的第一矩形柔性铰链(66)连于所述的基座(4)。

3.根据权利要求2所述的一种压电粘滑垂向运动平台，其特征在于，所述的基座(4)上设有管状套(3)；

所述的管状套(3)罩设于第一驱动单元(51)、第二驱动单元(52)、第三驱动单元(53)和第四驱动单元(54)的外部。

4.根据权利要求3所述的一种压电粘滑垂向运动平台，其特征在于，所述的限位件(8)是弹性球头预紧螺钉，所述的管状套(3)上设有供限位件(8)旋入的第一螺孔(31)。

5.根据权利要求4所述的一种压电粘滑垂向运动平台，其特征在于，所述的管状套(3)和所述的动平台(1)之间还设有供柱体(11)穿过的限位平台(2)，所述的限位平台(2)与管状套(3)的上端连有第一连接螺钉(91)；所述的限位平台(2)的下方设有供柱体(11)滑移的导向管(21)。

6.根据权利要求5所述的一种压电粘滑垂向运动平台，其特征在于，所述的柱体(11)包括在导向管(21)内滑移的圆柱段(111)，以及供斜楔块(61)摩擦推动的方柱段(112)。

7.根据权利要求6所述的一种压电粘滑垂向运动平台，其特征在于，所述的斜楔块(61)还包括与方柱段(112)接触的平面部(612)，所述的斜楔块(61)与所述的方柱段(112)的平面接触。

8.根据权利要求7所述的一种压电粘滑垂向运动平台，其特征在于，所述的斜楔块(61)还包括与方柱段(112)接触的直角槽部(613)，所述的直角槽部(613)卡在方柱段(112)的棱边上。

9.根据权利要求7至8任一权利要求所述的一种压电粘滑垂向运动平台，其特征在于，所述的底板和所述的管状套(3)之间连有第二连接螺钉(92)。

10.根据权利要求9所述的一种压电粘滑垂向运动平台，其特征在于，所述的斜楔块(61)在斜面部(611)上设有导向槽(614)，以供所述的限位件(8)滚滑。

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