一种二维高精度压电定位平台及方法

1.本发明属于微纳定位平台领域，尤其涉及一种二维高精度压电定位平台及方法。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.精密定位技术是精密加工、精密测量和精密驱动中的核心技术，广泛应用于微型零件加工、显微成像、超精密装配、集成电路制造、生物工程、半导体技术、数据存储技术、生命与医疗科学、光学调整、扫描隧道显微镜及光电领域。精密定位技术作为这些应用场合中的关键技术，无论是在高端工业生产领域还是在学术研究方面都占有非常重要的地位，决定着各个精密工程领域的发展；
4.目前，现有的二维压电定位平台x和y两个轴一般并联，靠增加导向机构使结构对称去解耦，减小了平台的行程，并且解耦效果有限，严重影响平台的定位精度。
5.多个平台叠加也是一个提高行程的有效办法，但是现有平台一般在中心动子处往z方向叠加，使叠加后的行程增大，并且在z方向叠加的平台越叠加越小，一般只能叠加一个平台，叠加的效果有限。如何保证大行程与高精度的条件下，减小z向平台的尺寸，应用于z向空间受限的场合的是需要解决的问题。


技术实现要素：

6.为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种二维高精度压电定位平台及方法，结构紧凑、定位精度高、位移可叠加实现大行程、解耦性能良好、无摩擦、无运动间隙。
7.为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
8.第一方面，本发明提供了一种二维高精度压电定位平台，包括依次连接的输出位移平台、偏摆单元和驱动单元，所述输出位移平台上安装有导向机构，导向机构用于对输出位移平台的y向运动和x向运动进行导向，所述驱动单元用于带动偏摆单元y向运行或转动，偏摆单元的y向运动带动输出位移平台沿y向运动，偏摆单元的转动带动输出位移平台沿x向运动。
9.进一步的，所述输出位移平台上具有凹槽，偏摆单元的一端铰接于凹槽内的一点，偏摆单元可绕该点转动。
10.进一步的，所述驱动单元包括第一驱动单元和第二驱动单元，所述第一驱动单元包括第一复合菱形放大机构和第一压电陶瓷驱动器，第一压电陶瓷驱动器安装在第一复合菱形放大机构内部，第一压电陶瓷驱动器用于带动复合菱形放大机构实现y向伸长或者缩短，第二驱动单元与第一驱动单元结构一致。
11.进一步的，所述第一复合菱形放大机构包括第一级放大机构和第二级放大机构，第一级放大机构将垂直位移转化为水平方向的位移，并且将位移放大，第二级放大机构由两个半桥式机构组成。
12.进一步的，偏摆单元包括偏摆平台，偏摆平台上具有顶点、底部第一端点和底部第二端点，底部第一端点和底部第二端点处于同一水平线；顶点与输出位移平台铰接，底部第一端点与第一驱动单元铰接，底部第二端点与第三驱动单元铰接。所述偏摆单元为三角形结构件。当第一驱动单元和第二驱动单元的伸缩量一致时，驱动偏摆单元y向位移，带动位移驱动平台y向运动；当第一驱动单元和第二驱动单元的伸缩量不一致时，驱动偏摆单元偏转设定角度，带动位移驱动平台x向运动。
13.进一步的，所述导向机构为l型铰链，l型铰链安装在输出位移平台的侧面，l型铰链包括横向铰链和竖直铰链，竖直铰链用于y方向导向，横向铰链用于x方向导向。
14.进一步的，所述输出位移平台的输出端用于连接精密加工器械或另一个二维高精度压电定位平台的基座，若连接另一个二维高精度压电定位平台基座则实现xy平面位移叠加。
15.第二方面，本发明提供了一种如第一方面所述的二维高精度压电定位平台的工作方法，通过驱动单元带动偏摆单元y向运行或转动；
16.当驱动单元的第一驱动单元和第二驱动单元的位移量一致时，驱动偏摆单元y向位移，带动位移驱动平台y向运动；当第一驱动单元和第二驱动单元的位移量不一致时，驱动偏摆单元偏转设定角度，带动位移驱动平台x向运动；
17.多个二维高精度压电定位平台串联时，第一个二维高精度压电定位平台的输出端运动时，第二个二维高精度压电定位平台有相同的运动，而此时第二个二维高精度压电定位平台的驱动单元也会驱动本身运动，让第二个二维高精度压电定位平台的输出端运动，此时第二个二维高精度压电定位平台的输出端为两个平台位移量的叠加。
18.以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
19.1)本发明提供一种二维压电定位平台的新型结构，传统压电定位平台x和y两个轴一般并联，靠增加导向机构使结构对称去解耦，减小了平台的行程，而本发明中二维压电定位平台驱动单元位于同侧，通过特殊的结构设计，实现平台运动在原理上无寄生位移，其运动由两个轴所叠加的信号所控制，其解耦特性极好，使平台具有很高的定位精度以及更大的行程，导向机构与驱动机构的配合也使得平台解耦性能提高，当二维压电定位平台中第一压电陶瓷驱动器与第二压电陶瓷垂直放置时，用类似的导向机构可能会使得两轴导向机构不对称让解耦性能变差，而本发明中第一压电陶瓷与第二压电陶瓷同向放置，导向结构对称，使得本发明的二维压电平台具有极高的解耦特性。
20.2)本发明提供一种xy平面可叠加的二维压电定位平台。本发明的二维压电定位平台适合在xy平面内叠加多个相同的平台，实现x和y方向的大行程运动，而不用占用z方向的空间，特别适合z方向空间狭窄，但要求高定位精度与大行程的应用场合。
21.3)本发明的平台可以不做任何改变，包括尺寸上的更改，直接叠加另一个相同平台，可移植性强，制造简单，节省成本。
22.4)本发明也可以在xy平面内叠加其他自由度的平台，增加运动系统的自由度，具有更高的拓展性。
23.本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
24.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
25.图1为本发明二维高精度压电定位平台的装配示意图；
26.图2为本发明输出位移平台主体俯视图；
27.图3为本发明二维高精度压电定位平台整体结构侧视图；
28.图4为本发明基座结构示意图；
29.图5为本发明复合菱形放大机构的局部结构示意图；
30.图6为本发明叠加多个的二维高精度压电定位平台的整体示意图；
31.其中，1、基座；101、第一通孔；102、第二通孔；103、凸起平台；104、凸起定位平台；2、xy平台主体；201、第三通孔；202、第一螺纹孔；203、第二螺纹孔；3、压电陶瓷驱动器；301、第一压电陶瓷驱动器；302、第二压电陶瓷驱动器；4、压电陶瓷预紧螺钉；5、驱动单元；501、第一复合菱形放大机构；502、第二复合菱形放大机构；5011、第一半圆形安装板；5012、第一驱动板；5013、第一竖斜杆；5014、第一横斜杆；5015、第一横向板；5016、第二横斜杆；5017第二竖斜杆；5018、第二半圆形安装板；5019、第二驱动板；5020、第三竖斜杆；5021、第三横斜杆；5022、第二横向板；5023、第四横斜杆；5024、第四竖斜杆；6、偏摆单元；603、第一柔性铰链；601、第二柔性铰链；602、第三柔性铰链；7、运动导向机构；701、竖直铰链；702、横向铰链；8、输出位移平台。
具体实施方式
32.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
33.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
34.在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
35.本发明提出的总体思路：本发明中二维压电定位平台驱动单元位于同侧，通过特殊的结构设计，实现平台运动在原理上无寄生位移，其运动由两个轴所叠加的信号所控制，其解耦特性极好，使平台具有很高的定位精度以及更大的行程。
36.实施例一
37.本实施例公开了一种二维高精度压电定位平台，为在xy平面内可叠加的二维高精度压电定位平台，包括：基座1，基座1上安装有依次连接的输出位移平台8、偏摆单元6和驱动单元，所述输出位移平台8上安装有运动导向机构7；所述输出位移平台8的输出端用于连接精密加工器械或另一个二维高精度压电定位平台的基座1，若连接另一个二维高精度压电定位平台基座1则可实现xy平面位移可叠加。
38.所述基座1为矩形板状结构，基座1上设有第一通孔101和第二通孔102，输出位移平台8具有第一螺纹孔202和第二螺纹孔203，输出位移平台8的第一螺纹孔202与基座1的第一通孔101通过螺栓连接，第二螺纹孔203与第二通孔102通过螺栓连接，将输出位移平台8固定在基座1上；基座1上设有凸起平台103和凸起定位平台104，凸起平台103和凸起定位平
台104实现对输出位移平台8的z方向定位，基座1通过螺栓连接固定在气浮平台上。
39.所述输出位移平台8为xy平台主体2的执行部分，输出位移平台8为具有三角形凹槽的矩形结构，三角形凹槽内用于安装偏摆单元6，矩形结构的左右两侧面安装运动导向机构7，运动导向机构7为l型铰链，l型铰链包括较长的横向铰链702和两段较短的竖直铰链701构成，l型铰链的一端连接基座1上的凸起平台103，另一端连接输出位移平台8的一侧面，两个l型铰链对称分布在输出位移平台8的两侧，l型铰链用于输出位移平台8在运动过程中的x向和y向始终保持恒定。当平台x方向运动时，两段较短的竖直铰链701实现运动导向作用，当平台沿y方向运动时，较长的横向铰链702实现运动导向。xy平台主体2与输出位移平台8为主从关系，输出位移平台8为xy平台主体2的执行部分，xy平台主体2即为图2，包含图2的所有结构。
40.所述导向机构与所述驱动机构的配合使得本发明解耦机构成为一种新型解耦结构，当二维压电定位平台中第一压电陶瓷驱动器301与第二压电陶瓷垂直放置时，用类似的导向机构可能会使得两边导向机构不对称让解耦性能变差，而本发明中第一压电陶瓷与第二压电陶瓷同向放置，导向结构对称，使得本发明的二维压电平台具有极高的解耦特性。
41.所述驱动单元包括第一驱动单元和第二驱动单元，所述第一驱动单元包括第一复合菱形放大机构501和第一压电陶瓷驱动器301，第一压电陶瓷驱动器301安装在第一复合菱形放大机构501内部，第一复合菱形放大机构501包括第一级放大机构和第二级放大机构，第一级放大机构与第二级放大机构连接，第一级放大机构将垂直位移转化为水平方向的位移，并且将位移放大，第二级放大机构由两个半桥式机构组成，与第一级放大机构类似，相比于普通桥式放大机构和杠杆放大机构，复合菱形放大机构能保证寄生位移小的同时有较大的放大比。
42.如图5所示，所述第一复合菱形放大机构501整体呈六边形结构件，为中心对称结构，所述第一级放大机构包括依次铰接的第一半圆形安装板5011、第一竖斜杆5013、第一横向板5015、第二竖斜杆5017、第二半圆形安装板5018、第三竖斜杆5020、第二横向板5022和第四竖斜杆5024，第四竖斜杆5024一端还与第一半圆形安装板5011铰接；第一级放大机构所围空间为第一容置空间，第一容置空间内用于安装第一压电陶瓷驱动器301，第一压电陶瓷驱动器301的一端与第一半圆形安装板5011连接，另一端与第二半圆形安装板5018连接。通过第一压电陶瓷驱动器301的伸缩运动，带动第一半圆形安装板5011与第二半圆形安装板5018之间实现伸缩，从而带动第一横向板5015和第二横向板5022实现x向的横向运动；
43.所述第二极放大机构包括依次连接的第一横斜杆5014、第一驱动板5012和第四横斜杆5023，第二极放大机构还包括依次连接的第二横斜杆5016、第二驱动板5019和第三横斜杆5021；
44.所述第一横斜杆5014的一端与第一级放大机构的第一横向板5015的第三端铰接，第一横向板5015的第三端位于第一横向板5015的右上角；所述第四横斜杆5023的一端与第二横向板5022的第三段铰接，第二横向板5022的第三端位于第二横向板5022的左上角；
45.所述第二横斜杆5016的一端与第一级放大机构的第一横向板5015的第四端铰接，第一横向板5015的第四段位于第一横向板5015的右下角；所述第三横斜杆5021的一端与第二横向板5022的第四端铰接，第二横向板5022的第四端位于第二横向板5022的左下角。通过第一横向板5015和第二横向板5022的x向的横向运动，通过带动设置的横斜杆运动，进而
带动第一驱动板5012和第二驱动板5019实现上下运动。
46.所述第二驱动单元包括第二复合菱形放大机构502和第二压电陶瓷驱动器302，第二驱动单元与第一驱动单元的结构一致。所述第一压电陶瓷与第二压电陶瓷同向放置，导向结构对称。
47.作为一种实施方式，所述压电陶瓷驱动器通过压电陶瓷预紧螺钉4安装在第一复合菱形放大机构501内，如图1所示，压电陶瓷驱动器被分别放置在复合菱形放大机构中；上述压电陶瓷驱动器两端为半圆形，复合菱形放大机构上与压电陶瓷接触处一端加工半圆形槽，另一端加工通孔，以实现定位压电陶瓷驱动器，使压电陶瓷驱动器损失位移减小；
48.所述第一复合菱形放大机构501及第二复合菱形放大机构502加工通孔中放置压电陶瓷预紧螺钉4，以实现对压电陶瓷驱动器的安装和预紧，提高平台的定位精度。
49.当给压电陶瓷驱动器输入电压信号时，压电陶瓷驱动器伸长或者缩短，使复合菱形放大机构的输入端产生位移，经过复合菱形放大机构的两级位移放大，使得复合菱形放大机构的输出端位移变大然后将输出端位移传递给偏摆单元6，通过两级位移放大机构，增大了平台输出的位移。
50.所述偏摆单元6包括偏摆平台，偏摆平台上具有顶点、底部第一端点和底部第二端点，底部第一端点和底部第二端点处于同一水平线；顶点与输出位移平台8铰接，底部第一端点与第一驱动单元铰接，底部第二端点与第三驱动单元铰接；当第一驱动单元和第二驱动单元的位移量一致时，驱动偏摆单元6y向位移，带动位移驱动平台y向运动；当第一驱动单元和第二驱动单元的位移量不一致时，驱动偏摆单元6偏转设定角度，带动位移驱动平台x向运动。所述偏转平台为具有顶点的平台，可为圆锥形平台、三角形平台或圆弧形平台。
51.作为一种实施方式，所述偏摆单元6包括三角形平台和三个柔性铰链，上面的柔性铰链为第一柔性铰链603，下面两个柔性铰链分别为第二柔性铰链601和第三柔性铰链602，当平台沿y向运动时，三个柔性铰链都会起到传导力和运动的作用，推动执行机构沿y方向运动。当平台沿x方向运动时，第一柔性铰链603会旋转，使执行部件沿x方向运动。
52.作为一种实施方式，偏摆单元6由三角形刚体部分和第一柔性铰链603、第二柔性铰链601和第三柔性铰组成，实现运动传导的作用，第三柔性铰链602会旋转，使输出位移平台8产生x方向的位移。
53.上述偏摆单元6的第三柔性铰链602旋转时，输出位移平台8产生x方向的位移，同时会产生一个扭转的运动，此时运动导向机构7部分会使平台沿x方向位移，消除寄生的误差。
54.上述运动导向机构7部分为l型铰链，由较长的横向铰链702和较短的竖直铰链701构成。当平台x方向运动时，较短的竖直铰链701实现运动导向作用，当平台沿y方向运动时，较长的横向铰链702实现运动导向，通过l型铰链使定位平台增加了平台解耦特性，增大平台定位的准确性。l型铰链即区别于刚体，为薄梁，刚度小，可变形弯曲。
55.上述输出位移平台8与偏摆单元6组成起来形状为矩形平台，将矩形平台切去偏摆单元6余下部分为输出位移平台8，用来承受负载以及输出位移。
56.为了更清楚的阐述本实施例，二维压电平台的运动原理可具体描述如下：1)若先对第一压电陶瓷驱动器301和第二压电陶瓷驱动器302同时施加偏置电压信号，定义为平台xy轴的标准零点，然后对第一压电陶瓷驱动器301和第二压电陶瓷驱动器302施加相同的电
压信号，第一压电陶瓷驱动器301和第二压电陶瓷驱动器302垂直方向有着同步的运动，因此左右驱动单元也同步运动推动偏摆单元6，通过三个柔性铰链将运动传递给位移输出平台，横向铰链702起导向作用，因此位移输出平台沿y向运动，并且有着极高的解耦特性。
57.2)若先对第一压电陶瓷驱动器301和第二压电陶瓷驱动器302同时施加偏置电压信号，定义为平台xy轴的标准零点，然后对两个压电陶瓷驱动器输入差分信号，左右驱动单元“一推一拉”，使得第一柔性铰链603旋转，此时竖直铰链701起导向作用，位移输出平台沿x向运动，并且有着极高解耦特性。
58.3)将两个压电陶瓷的信号分别进行叠加，可以实现位移输出平台x和y方向任意位置的定位。
59.综上所示，本发明中x和y方向的运动非并联，驱动端与执行端完全串联，运动不会受到另一个轴运动的干扰，特殊的结构设计使得在理论上不会有寄生位移，平台的定位由所施加的两个轴叠加的信号控制。
60.上述为单个压电定位平台结构与运动原理，本发明的压电定位平台可在同一xy平面中串联多个平台，叠加多个平台的位移实现大行程运动。传统的二维压电定位平台x和y方向的驱动单元垂直分布，将输出端包围在驱动单元内部，因此若想实现平台叠加，就要往z方向叠加多个平台，使得z方向尺寸变大，并且叠加的平台也肯定会变得越来越小，无法应用于z方向尺寸受到限制的场合。
61.如上所述，将第二个压电定位平台的基体连接到第一个压电定位平台的输出端，使得第一个平台与第二个平台串联，两个平台的连接可以采用螺纹连接，可以制造加工为一体，也可以采用其他形式的连接形式，如此类推，可以在xy平面内沿y方向叠加多个平台，并且单个压电定位平台的尺寸并不会受到限制。
62.如上所述，将连接后的多个平台安装到基座1上，基座1的定位尺寸与单个压电定位尺寸不同，要加工一个新的基座1。
63.多个压电定位平台串联时，第一个压电定位平台的输出端运动时，第二个压电定位平台有相同的运动，而此时第二个平台的驱动单元也会驱动本身运动，让第二个压电定位平台的输出端运动，因此第二个压电定位平台的输出端为两个平台的叠加，依此类推，第n个压电定位平台的输出端位移为前n个压电定位平台的位移叠加，可以实现大行程的位移。
64.实施例2
65.一种二维高精度压电定位平台的工作方法，包括：
66.当第一驱动单元和第二驱动单元的位移量一致时，驱动偏摆单元y向位移，带动位移驱动平台y向运动；当第一驱动单元和第二驱动单元的位移量不一致时，驱动偏摆单元偏转设定角度，带动位移驱动平台x向运动。所述偏转平台为具有顶点的平台，可为圆锥形平台、三角形平台或圆弧形平台。
67.实施例3
68.上述为单个压电定位平台运动的具体实施例，下述为串联多个压电定位平台实现平面叠加的实施例。
69.如图6所示，第三通孔201和第二螺纹孔203距离y轴相同，将第二个压电定位平台的第三通孔201与第一个压电定位平台的第二螺纹孔203通过螺栓连接，可以实现两个压电
定位平台的连接，无需对平台的尺寸进行改动，制造简单成本低。
70.如图6所示，本实施例连接方式为优选，也可以将两个平台通过一体制造实现连接。
71.如图6所示，两个压电定位平台连接后，两个平台本身的输出位移将会叠加在第二个平台的输出端，在同一xy平面内实现两个平台的输出位移的叠加，可以得到极大的位移输出。
72.本实施例仅叠加了两个平台，本平台可以叠加更多平台的位移，而区别只是更换一个固定基座，实现固定基座轴向定位尺寸的改变，可移植性强，制作简单成本低。
73.本发明在xy平面可叠加多个相同的平台，实现更大的位移输出，并且不占用z方向的空间，适合z方向空间被限制的应用环境，理论上也可以在xy平面叠加其他类型的平台，例如偏摆平台、转动平台、粘滑位移平台等，以本发明为基础叠加其他平台的想法均在本发明创意范围内。
74.上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。