[实用新型]一种实现单向运动的惯性粘滑式跨尺度运动平台

说明书

技术领域

本实用新型属于精密运动技术领域，具体涉及一种实现单向运动的惯性粘滑式跨尺度运动平台。

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。

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。

如前所述，虽然压电陶瓷致动器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。目前根据压电陶瓷构造的精密驱动装置，按照其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。

其中，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，现有技术中，公开号为202695554U的实用新型专利公布了相关技术。

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。现有技术中，公开号为2587600的实用新型专利、公开号为103111990A的发明专利、欧洲专利局公开的EP0624912A1和DE4315238A1专利公布了相关技术。

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。现有技术中，公开号为2628237和2726829的实用新型专利公布了相关技术。

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是现有技术中尺蠖式精密定位平台的主要结构示意图。如图1所示，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。现有技术中，申请号分别为201110245339.4、201310202368.1、201210475674.8和201310491303.3的发明专利公布了相关技术。