一种平面运动装置

本发明涉及精密定位与驱动控制设备，特别涉及一种平面运动装置。

背景技术：

1、在半导体精密制造、超精密加工、微纳检测及高端光学仪器等前沿领域，平面运动装置作为核心定位与传输机构，需在大行程范围内实现纳米级分辨率。基于压电驱动的微位移机构，因其分辨率高、无电磁干扰、响应速度快，已成为该类装备的主流动力源。

2、然而，现有基于压电元件的平面运动装置多采用轴向叠堆与切向叠堆串联的结构形式。该结构存在以下固有不足：其一，受限于压电材料特性与制造工艺，切向叠堆难以制造成长尺寸，导致单步运动行程仅为数微米，无法满足大行程快速定位需求；其二，串联结构中切向叠堆与导轨面直接接触，对导轨面的平面度、粗糙度等加工质量要求极为苛刻，大幅增加制造与装配难度；其三，长期运行中接触面摩擦磨损严重，加之多叠堆间的耦合效应，显著降低了设备的长期可靠性与稳定性。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种平面运动装置，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。

2、为解决上述技术问题所采用的技术方案：

3、本发明提供一种平面运动装置，包括：

4、定子单元；

5、动子单元，被配置为能够相对于所述定子单元在预设平面内进行平面运动；

6、至少一个驱动单元，每个所述驱动单元包括驱动框架和至少一个运动足，所述驱动框架固定安装于所述动子单元上，所述运动足包括足尖和连接于所述足尖与所述驱动框架之间的三个压电元件，三个所述压电元件沿各自的伸缩方向并联地驱动所述足尖相对于所述驱动框架运动；三个所述压电元件的伸缩方向两两相互正交，其中两个所述压电元件的伸缩方向均平行于所述预设平面且相互垂直，另一个所述压电元件的伸缩方向垂直于所述预设平面，且垂直于所述预设平面的所述压电元件被配置为驱动所述足尖沿垂直于所述预设平面的方向移动，从而使所述足尖与所述定子单元抵接或分离。

7、本发明的平面运动装置有益效果是：

8、本发明通过采用全轴向叠堆压电元件并联驱动的结构创新，有效克服了现有串联结构的技术瓶颈：一方面，轴向叠堆可制作得足够长且避免了串联传动的位移损耗，使单步行程从数微米提升至数十微米，大幅满足了运动平台大行程快速定位的需求；另一方面，本发明摒弃了切向叠堆与导轨面滑动接触的传动方式，转而采用足尖与定子单元静态抵接配合，显著降低了对定子接触面平面度、粗糙度等加工精度的依赖，从而缩减了制造成本并提升了设备在工业环境下的可维护性与长期运行可靠性；同时，三个两两正交的压电元件以并联方式驱动足尖，其位移输出在三个正交方向上本质解耦，避免了传统串联结构中复杂的运动耦合干扰，极大提高了多自由度轨迹控制的精度与简便性。

9、作为上述技术方案的进一步改进，每个所述压电元件的至少一端设有柔性机构，每个所述压电元件通过所述柔性机构连接于所述驱动框架与所述足尖之间，所述柔性机构被配置沿对应的所述压电元件的伸缩方向呈刚性以传递位移，在其余方向可产生柔顺变形。

10、作为上述技术方案的进一步改进，每个所述压电元件的两端均设有所述柔性机构，所述压电元件分别通过两个所述柔性机构与所述驱动框架和所述足尖连接。

11、作为上述技术方案的进一步改进，所述柔性机构包括沿对应所述压电元件的伸缩方向依次设置的第一连接件、第一柔性铰链、第二连接件、第二柔性铰链和第三连接件；所述第一柔性铰链和所述第二柔性铰链分别垂直于对应所述压电元件的伸缩方向，所述第一柔性铰链和所述第二柔性铰链之间形成夹角，所述第一连接件通过所述第一柔性铰链与所述第二连接件铰接，所述第三连接件通过所述第二柔性铰链与所述第二连接件铰接，所述第一连接件连接于所述压电元件，所述第三连接件连接于所述驱动框架或所述足尖。

12、作为上述技术方案的进一步改进，所述运动足还包括弹性体，所述弹性体连接于所述足尖与所述驱动框架之间，所述弹性体被配置为给所述足尖提供复位弹力和预紧力。

13、作为上述技术方案的进一步改进，所述弹性体设于所述足尖背向平行于所述预设平面的其中一个所述压电元件的一侧，且沿所述压电元件的伸缩方向延伸，所述弹性体的一端固定于所述足尖，另一端固定于所述驱动框架上，所述弹性体被配置为给所述足尖提供沿所述压电元件的伸缩方向的复位弹力和预紧力。

14、作为上述技术方案的进一步改进，所述运动足设有两个，两个所述运动足沿平行于所述预设平面的方向间隔排列设置。

15、作为上述技术方案的进一步改进，在两个所述足尖之间连接有弹性体，所述弹性体被配置为给两个所述足尖提供沿间隔方向的复位弹力和预紧力。

16、作为上述技术方案的进一步改进，所述驱动单元设有至少三个，至少三个所述驱动单元沿平行于所述预设平面的平面分布于所述定子单元与所述动子单元之间，且相邻两个所述驱动单元上的两个所述运动足间隔排列的方向呈夹角设置。

17、此外，本发明还提出一种平面运动控制方法，适用于所述的平面运动装置，所述控制方法包括：

18、控制两个所述运动足中垂直于所述预设平面的两个所述压电元件的驱动电压相位相反地进行通电，使两个所述足尖交替地与所述定子单元抵接或分离；

19、在其中一个所述足尖与所述定子单元抵接的状态下，控制与所述足尖对应的且平行于所述预设平面的两个所述压电元件通电，驱动所述驱动框架带动所述动子单元相对于所述定子单元按照预设方向和预设幅度前进；

20、在另一个所述足尖与所述定子单元分离的状态下，控制与所述足尖对应的且平行于所述预设平面的两个所述压电元件通电，驱动所述足尖复位。

21、本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

1.一种平面运动装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的平面运动装置，其特征在于：

3.根据权利要求2所述的平面运动装置，其特征在于：

4.根据权利要求2所述的平面运动装置，其特征在于：

5.根据权利要求1所述的平面运动装置，其特征在于：

6.根据权利要求5所述的平面运动装置，其特征在于：

7.根据权利要求1至6任一项所述的平面运动装置，其特征在于：

8.根据权利要求7所述的平面运动装置，其特征在于：

9.根据权利要求7所述的平面运动装置，其特征在于：

10.一种平面运动控制方法，其特征在于，适用于如权利要求7至9任一项所述的平面运动装置，所述控制方法包括：