一种实现双向运动的惯性粘滑式跨尺度精密运动平台

摘要

本发明公开了一种实现双向运动的惯性粘滑式跨尺度精密运动平台，所述平台包括底板、位于底板上的支撑模块、对称安装于支撑模块两侧的两个运动模块，每个所述运动模块包括配重块、压电陶瓷致动器及主质量块，所述压电陶瓷致动器包括正极和负极，压电陶瓷致动器正极和负极用于与驱动信号相连，所述驱动信号为线性电压和非线性电压的组合，其中非线性电压的变化率逐渐增大。本发明的惯性粘滑式跨尺度精密运动平台结构简单、能够实现快速大行程的精密定位、容易实现多自由度驱动、并且不需要专门的位置保持装置。

说明书

技术领域

本发明涉及精密运动技术领域，特别是涉及一种实现双向运动的惯性粘滑式跨尺度精密运动平台。 

背景技术

随着微/纳米技术的快速发展，在光学工程、微电子制造、航空航天技术、超精密机械制造、微机器人操作、生物医学及遗传工程等技术领域的研究都迫切需要亚/微米级、微/纳米级的超精密驱动机构。 

具有纳米级运动分辨率，又具有毫米级运动行程的跨尺度精密运动技术是目前微驱动领域中的关键技术。由于惯性粘滑驱动相对于其他类跨尺度运动驱动方式的驱动原理简单、方便、控制简单，且具有运动范围大、分辨率高、结构简单、易微小化和精确定位等优点，因此惯性粘滑驱动是目前出现的跨尺度驱动中应用较多的一种方式。惯性粘滑驱动的工作原理主要是以摩擦力作为驱动源，利用粘滑效应实现被驱动体的微小移动，具体地，被驱动体依靠锯齿形电压激励压电振子的不对称振动所形成的动静摩擦力之间的差异来最终实现跨尺度精密运动。 

本发明采用压电陶瓷致动器作为精密定位工作台的驱动装置，压电陶瓷致动器是近几年发展起来的新型微位移器件，它以体积小、驱动力大、分辨率高、易于控制等优点作为驱动元件在精密机械当中得到广泛的应用。压电陶瓷是利用压电材料的逆压电效应来工作的，仅依靠外加电场的大小就能够实现驱动。压电陶瓷克服了以往机械式、液压式、气动式、电磁式等执行器惯性大、响应慢、结构复杂、可靠性差等不足，具有体积小、结构紧凑、无机械摩擦、无间隙、分辨率高、响应快、无发热、不受磁场干扰、可在低温， 真空环境下使用等优点，被广泛应用于微定位技术中，这种可控的精密微位移执行器必将在今后诸多技术领域中发挥难以估量的作用。虽然其具有高精密位移输出的优点，但同时其输出位移相当微小，不能满足有较大微位移输出要求的应用场合，在实际应用中常常需要将压电陶瓷致动器的输出位移进行累加，以满足大行程高精确定位的需要。因此本专利采用惯性粘滑式原理来解决压电陶瓷致动器输出位移较小的问题。目前根据压电陶瓷构造的精密驱动装置按照它们的工作方式主要可以分为：直接驱动式、杠杆放大式、椭圆放大式及菱形放大式和尺蠖式精密定位平台。 

如专利号为CN202695554U的中国专利，直接驱动式精密定位平台主要采用压电陶瓷直接驱动双平行板柔性机构，运用此机构可以在原理上消除耦合位移且位移分辨率很高，但压电体变形很小，使得定位机构的运动行程非常有限，在实际应用上受到了很大限制。 

如专利号为CN2587600、CN103111990A的中国专利、专利号为EP0624912A1的欧洲专利、专利号为DE4315238A1的德国专利，杠杆放大式精密定位平台的主要目的是将压电陶瓷的运动范围进行放大，通过杠杆放大原理，以及具有旋转副的柔性铰链机构实现沿支点的旋转，通过杠杆机构进行放大，其放大倍数可以达到2-3倍。使得由压电陶瓷驱动的精密定位平台的运动范围有效地提高，但是在运动范围放大的同时，也由于杠杆式放大存在微小的角度变化，因此会对最终实现的放大位移带来微小的角度误差。 

如专利号为CN2628237和CN2726829的中国专利，椭圆放大式和菱形放大式精密定位平台采用压杆失稳原理实现运动放大，运动放大机构基于材料力学中的压杆失稳原理设计而成。当压电陶瓷伸长时，机构两端受到由内向外的推力，圆弧形薄壁壳的曲率发生变化，其弧面最高点发生向下移动，向下的位移量比陶瓷自身的伸长位移要大得多，即位移被放大。但此类机构圆弧处应力较大，易产生应力集中。 

如申请号号为CN201110245339.4、CN201310202368.1、CN201210475674.8和CN201310491303.3的中国专利申请，尺蠖式精密定位平台因仿照生物界爬行动物运动原理而得名。它是将压电体的微小振动位移经过某种方式转换后即可形成连续的或步进的精密位移驱动机构。与直动式机构的差别在于通过箝位装置的使用，使得机构能够实现大行程的精密位移。图1为尺蠖式精密定位平台的结构简图，其中1、3是可以径向伸缩的压电圆筒，与直杆之间留有微小的间隙，2可以轴向伸缩的圆管。当控制驱动电路，使1收缩压紧在直杆上，同时3张开而2伸长，3向右移动了一步，然后3收缩加紧，1张开，2缩短，则1向右移动了一步。这样由1、2、3成的移动件整体即向右移动了一步，如此循环往复，即形成了连续的精密位移。 

上述四种精密定位平台虽然都是利用压电陶瓷的驱动，实现纳米级高精度定位的。前三种虽然在一维实现结构和位移放大方式上有所不同，但此类平台的位移都限制在几百微米以内，不能够实现跨尺度的精密定位。而尺蠖式精密定位平台通过尺蠖原理，将微小的位移进行累加实现纳米级精度、毫米级行程的精密定位平台。但由于结构较为复杂，进而导致此平台的加工和装配精度要求较高，最终影响跨尺度精密运动平台的运动精度和一致性，因此这些现有技术在确保跨尺度精密运动平台批量化生产时的一致性上存在制作工艺复杂和制造成本高等技术难题。 

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种实现双向运动的惯性粘滑式跨尺度精密运动平台。 

发明内容

有鉴于此，为了解决所述现有技术中的问题，本发明提供了一种实现双向运动的惯性粘滑式跨尺度精密运动平台，以实现毫米级行程、纳米级定位精度以及正反向运动速度一致。采用惯性粘滑式驱动原理，利于惯性冲击力 形成驱动是构造运动机构的一种新方式，而惯性冲击力大多数情况下是通过机械撞击获得的，控制相对较难且容易对机构造成损坏。由于压电陶瓷致动器具有响应速度快、能量转换效率高、结构简单、易于微小型化等优点，因此压电元件是构造惯性粘滑式跨尺度精密运动平台理想的动力元件之一。 

为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下： 

一种实现双向运动的惯性粘滑式跨尺度精密运动平台，所述平台包括底板、位于底板上的支撑模块、对称安装于支撑模块两侧的两个运动模块，每个所述运动模块包括配重块、压电陶瓷致动器及主质量块，所述压电陶瓷致动器包括正极和负极，压电陶瓷致动器正极和负极用于与驱动信号相连，所述驱动信号为线性电压和非线性电压的组合，其中非线性电压的变化率逐渐增大。 

作为本发明的进一步改进，所述配重块至少包括第一配重块和第二配重块，所述第一配重块和第二配重块为不同的材质和厚度。 

作为本发明的进一步改进，所述配重块和压电陶瓷致动器之间安装有惯性连接块，所述主质量块和压电陶瓷致动器之间安装有第一螺母。 

作为本发明的进一步改进，所述支撑模块包括固定安装于底板上的下压块、位于下压块上方的上压块、以及位于上压块上方的压紧装置，所述上压块和下压块上对应设置有凹槽。 

作为本发明的进一步改进，所述压紧装置包括设置于上压块上方的弹簧压板、位于弹簧压板和上压块之间的压缩弹簧和压紧杆、以及用于固定压紧杆和弹簧压板的第二螺母。 

作为本发明的进一步改进，所述运动模块之间通过光轴相连，所述光轴截面为圆形，光轴安装于上压块和下压块之间的凹槽中，所述光轴与上压块和下压块为线接触。 

作为本发明的进一步改进，所述运动模块中主质量块的外侧设置有第三 螺母，所述运动模块通过第三螺母与光轴固定安装。 

作为本发明的进一步改进，所述上压块的两端对应安装有预紧顶丝。 

作为本发明的进一步改进，所述非线性电压以抛物线递减。 

本发明具有以下有益效果： 

本发明的惯性粘滑式跨尺度精密运动平台结构简单、能够实现快速大行程的精密定位、容易实现多自由度驱动、并且不需要专门的位置保持装置。本发明在微机电系统、现代细胞生物工程、超精密加工、STM和AFM显微镜扫描平台、微纳操作、微小型机器人以及生物微操作等领域因其结构紧凑、无电磁干扰和跨尺度的精确定位而拥有广泛的应用前景。 

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 

图1为现有技术中尺蠖式精密定位平台的结构示意图； 

图2为本发明惯性粘滑式跨尺度精密运动平台中运动模块的结构示意图； 

图3为本发明实现双向运动的惯性粘滑式跨尺度精密运动平台中运动模块的结构示意图； 

图4为本发明一具体实施方式中驱动信号示意图； 

图5为本发明一具体实施方式中惯性粘滑式跨尺度精密运动平台的立体结构示意图； 

图6为本发明一具体实施方式中惯性粘滑式跨尺度精密运动平台中运动模块的立体结构示意图； 

图7为本发明一具体实施方式中惯性粘滑式跨尺度精密运动平台中上压块和下压块的结构示意图。 

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。 

本发明公开了一种实现双向运动的惯性粘滑式跨尺度精密运动平台，该平台包括底板、位于底板上的支撑模块、对称安装于支撑模块两侧的两个运动模块，每个运动模块包括配重块、压电陶瓷致动器及主质量块，所述压电陶瓷致动器包括正极和负极，压电陶瓷致动器正极和负极用于与驱动信号相连，驱动信号为线性电压和非线性电压的组合，其中非线性电压的变化率逐渐增大。 

此类机构由主质量块、配重块和压电陶瓷三者组成。对其施加突变的电信号时，由压电元件和惯性块组成的冲击力能够对机构主体产生反向惯性冲击力，而当这个反向冲击力大于机构本身的摩擦力时，机构就可以产生运动。 

如图2所示，本发明中的运动模块由一叠层式压电陶瓷致动器两端连接主质量块和配重块所构成。在压电陶瓷的正负极间施加正向或反向电压，使其在长度方向作微小的伸长或缩短。 

如图4所示首先施加一从a到b快速增大的线性电压，压电陶瓷急速伸长，配重块快速向右运动，同时主质量块向左作细小移动。然后，从b到c使控制电压以抛物线递减，压电陶瓷逐渐收缩，使配重块向左方运动并不断得到加速。在c点电压为零，压电陶瓷收缩突然停顿。根据动量守恒定律，配重块的大部分动量将以冲击力方式转移到主质量块上，使后者向左移动一 定距离。随着电压的这种周期性变化，主质量块以微细的步长快速地向左方运动，从而达到精确的移动与定位的目的。显然，只要通过控制激励电压的频率、波形和幅值，能够实现不同步长的连续运动。 

为了实现正反向速度一致，在上述工作原理的前提下如图3所示由一个主体、两个对称设置的压电陶瓷及两个配重块组成。 

当需要实现向右运动时，压电陶瓷1接通如图4所示驱动信号。首先施加一从a到b快速增大的线性电压，压电陶瓷1急速伸长，配重块1快速向左运动，同时主质量块向右作细小移动。然后，从b到c使控制电压以抛物线递减，压电陶瓷1逐渐收缩，使配重块向右方运动并不断得到加速。在c点电压为零，压电陶瓷收缩突然停顿。根据动量守恒定律，配重块的大部分动量将以冲击力方式转移到主质量块上，使后者向右移动一定距离。随着电压的这种周期性变化，主质量块以微细的步长快速地向右方运动，从而达到精确的移动与定位的目的。 

当需要实现向左运动时，压电陶瓷2接通如图4所示驱动信号。驱动原理如上所述使得主质量块以微细的步长快速地向左方运动，从而达到精确的移动与定位的目的。由于此模块向左和向右运动分别由两个压电陶瓷驱动，驱动时两个压电陶瓷都是先快速伸长后缓慢收缩故可实现正反向速度一致。与其它驱动方式相比，压电型惯性粘滑式驱动机构具有结构简单、能够实现快速大行程的精密定位、容易实现多自由度驱动和不需要专门的位置保持装置等优点。 

参见图5、图6和图7所示，本发明一具体实施方式中，惯性粘滑式跨尺度精密运动平台包括： 

底板4-1，底板需要磨床精磨，表面粗糙度等级应该保证在Ra0.4且加工方向要在同一条直线上，在底板上需要打上相互垂直两排安装孔，以方便在主体结构安装在底板表面粗糙度最小的方向； 

配重块4-2，本实施方式中配重块包括第一配重块(Cu)和第二配重块(Al)，两个配重块为不同的材质(黄铜和铝合金)、不同的厚度，以达到通过调节配重块质量来实现驱动时惯性力的不同； 

惯性连接块4-3，惯性连接块可以与配重块通过螺纹连接； 

前端螺母4-5(第一螺母)，前端螺母可以通过螺纹与运动部分连接； 

压电陶瓷致动器4-4，压电陶瓷致动器通过环氧树脂胶与惯性连接块和前端螺母固连，粘结完成后需要加压固化以达到最优的连接性能； 

主质量块4-6，主质量块通过M3螺母(第三螺母)与前端螺母(第一螺母)相互夹紧，其可以上下调节防止在运动过程中卡死，且可以起到支撑作用防止运动平台在运动过程中由于重心不稳而导致“栽倒”现象； 

M3螺母4-7(第三螺母)，M3螺母起到固定主质量块和方便主质量块调节的作用； 

压紧杆4-8和压缩弹簧4-9，压紧杆和压缩弹簧可通过调整正压力来调节机构在运动过程中的摩擦力； 

光轴4-10，光轴与前端螺母相连，与上压块和下压块相互接触产生摩擦力； 

预紧顶丝4-11，预紧顶丝有两个可以防止上压块和下压块在运动过程中由于机械间隙而存在的窜动起到锁死的目的； 

上压块和下压块4-12，上压块和下压块为一体加工而成最后切开，中间为正方形结构如图6所示，与光轴为线接触，一方面可以防止在运动过程中由于接触面过多而卡死另一方面可以提高接触部分动摩擦因素的一致性； 

M4螺母4-13(第二螺母)和弹簧压板4-14，通过两个M4螺母使得弹簧压板压缩压缩弹簧。 

本实施方式中，配重块4-2、惯性连接块4-3、压电陶瓷致动器4-4、前端螺母4-5、主质量块4-6、M3螺母4-7和光轴4-10共同构成了对称的运动模 块，其中每个配重块由两个不同的第一配重块和第二配重块组成，在其他实施方式中，配重块的数量也可以设置为其他数量；压紧杆4-8、压缩弹簧4-9、预紧顶丝4-11、上压块和下压块4-12、M4螺母4-13共同构成了支撑装置，在其他实施方式中也可以采用其他结构。 

本发明工作原理如图3所示，由主质量块(相当于本实施方式中两个运动模块的2个主质量块和光轴的组合)、2个压电陶瓷致动器和2个配重块三部分组成。 

当需要实现向右运动时，压电陶瓷1接通如图4所示驱动信号。首先施加一从a到b快速增大的线性电压，压电陶瓷1急速伸长，配重块1快速向左运动，同时主质量块向右作细小移动。然后，从b到c使控制电压以抛物线递减，压电陶瓷1逐渐收缩，使配重块向右方运动并不断得到加速。在c点电压为零，压电陶瓷收缩突然停顿。根据动量守恒定律，配重块的大部分动量将以冲击力方式转移到主质量块上，使后者向右移动一定距离。随着电压的这种周期性变化，主质量块以微细的步长快速地向右方运动，从而达到精确的移动与定位的目的。 

当需要实现向左运动时，压电陶瓷2接通如图4所示驱动信号。驱动原理如上所述使得主质量块以微细的步长快速地向左方运动，从而达到精确的移动与定位的目的。由于此机构向左和向右运动分别由两个压电陶瓷驱动，驱动时两个压电陶瓷都是先快速伸长后缓慢收缩。故可在运动过程中克服由于驱动电源产生的阶跃信号在上升和下降时的不同以及压电陶瓷致动器快速伸长和快速收缩时的机械响应时间的不同造成的正向运动速度大于反方向运动速度。由于压电陶瓷的伸缩量很小，因此惯性粘滑运动平台最小可获得几纳米的步长，而且步长随驱动电压连续可调。 

进一步地，参图4所示，本实施方式中的驱动信号从a到b为线性电压，从b到c为非线性电压，且非线性电压以抛物线递减。在其他实施方式中， 非线性电压不一定呈抛物线型，可以为其他变化率逐渐增大的曲线，如以圆弧形递减等。 

由以上技术方案可以看出，本发明提供的惯性粘滑式跨尺度精密运动平台有以下有益效果： 

由于压电陶瓷具有响应特性好，无电磁干扰，控制精度高，正反向运动速度相同等特点，设计出利用压电元件的快速变形产生惯性冲击力的驱动机构，通过电路系统的设计，输出非对称电信号，使压电元件可以产生快速伸长、缓慢缩回，或缓慢伸长、快速缩回的运动形式，在交替电信号的作用下，驱动机构产生宏观上的双向运动。在此运动原理的前提下设计出了质量调整机构、正压力调整机构并且可以方便的更换压电陶瓷，以此来调节参数实现惯性粘滑式跨尺度精密运动平台的最优化输出； 

本发明的平台便于加工和装配，进而有效提高了粘滑驱动跨尺度精密运动平台的输出性能，可简单有效确保粘滑驱动跨尺度精密运动平台的运动精度和一致性，适合批量生产化，非常适合在如微纳操作、微小型机器人、生物微操作、数码产品以及精密驱动系统等具有结构微型化、大范围精确定位要求的各个领域中应用。 

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。 

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也 可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。