一种全位移放大式压电尺蠖直线平台的制作方法

本发明属于纳米定位技术领域，涉及大行程、高分辨率纳米定位平台，特别涉及一种全位移放大式压电尺蠖直线平台。

背景技术：

压电尺蠖直线平台是一种大行程、高分辨的精密定位平台。它基于仿生学中的尺蠖爬行原理，将压电执行器的微小位移不断累加，从而成为连续的大行程位移。相对于电磁式直线电机型平台，压电尺蠖直线平台具有体积小、不发热，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、惯性驱动式等压电直线平台，具有输出力大、功率密度大、定位稳定、无摩擦磨损等优点。因此，在大行程、高分辨率、精密定位领域，压电尺蠖直线平台更具有优势。但目前的压电尺蠖直线平台还存在以下不足：

1)结构不紧凑、动台面小、钳位单元的钳位位移或释放位移为其中的压电执行器的输出位移，而压电执行器的输出位移很小，为使钳位单元能够可靠地钳位与释放，就要求钳位单元及驱动单元要有非常高的加工及装配精度；

2)钳位单元的输出位移较小，会使钳位单元不能充分钳位或释放动子，而动子不能充分钳位，其受到的钳位力就会较小，运动稳定性就会降低；动子不能被充分释放，就会产生严重的摩擦磨损，降低平台的寿命；

3)平台不能自锁（即不能断电钳位），就是平台在不工作时，动子不能被钳位单元夹紧；

4)驱动单元的单步位移为其中的压电执行器的输出位移，往往很小，从而使平台的运动速度较低；

5)没有专门的导向机构，平台的定动精度取决于钳位单元和驱动单元的加工及装配精度，为使平台具有较小的运动误差，钳位单元和驱动单元的加工及装配精度就要很高，这就使得平台在实现高运动精度方面相对困难。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种结构紧凑、动台面大、对钳位单元和驱动单元加工和装配精度要求低、钳位和释放充分、可断电钳位、运动速度快、运动误差小的一种全位移放大式压电尺蠖直线平台。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种全位移放大式压电尺蠖直线平台，包括定平台以及通过交叉滚柱导轨滑动连接的动台面，定平台设有滑道，滑道内设有动子，动子包括沿滑道长度方向设置的第一框体和第二框体，第一框体与第二框体之间设有活动间隙，第一框体固设于动台面，第一框体和第二框体分别连有沿滑道长度方向伸缩的第一驱动单元和第二驱动单元；第一驱动单元和第二驱动单元之间牵连有桥接部；定平台设有夹持于第一框体的第一钳位组，及夹持于第二框体的第二钳位组，且第一钳位组和第二钳位组分别沿滑道宽度方向伸缩设置；通过对第一钳位组、第一驱动单元、第二钳位组和第二驱动单元的时序控制使动子和动台面沿着滑道作尺蠖式行走和定位。

为优化上述技术方案，采取的措施还包括：

上述的第一钳位组和第二钳位组分别包括相邻镜像设置的钳位单元，钳位单元包括钳位桥式放大单元和释放用压电执行器，释放用压电执行器的伸缩方向与滑道的长度方向一致，释放用压电执行器的伸缩端顶配于钳位桥式放大单元内；钳位桥式放大单元的一侧连于定平台，另一侧钳位于动子；

第一驱动单元和第二驱动单元为镜像结构，分别包括驱动桥式放大单元和驱动用压电执行器，驱动用压电执行器的伸缩方向垂直于滑道的长度方向，驱动用压电执行器的伸缩端顶配于驱动桥式放大单元内；第一驱动单元内的驱动桥式放大单元分别连于第一框体和桥接部，第二驱动单元内的驱动桥式放大单元分别连于第二框体和桥接部。

上述的钳位桥式放大单元包括对向设于释放用压电执行器伸缩端的第一刚性块和第二刚性块，设于释放用压电执行器两侧的第三刚性块和第四刚性块；以及第一刚性块、第三刚性块、第二刚性块和第四刚性块之间顺次连接的钳位柔性薄板；各钳位柔性薄板呈菱形围设于释放用压电执行器的周围；第一刚性块设有用于固定释放用压电执行器的第一螺钉，第三刚性块连于定平台；

驱动桥式放大单元包括对向设于驱动用压电执行器伸缩端的第五刚性块和第六刚性块，设于驱动用压电执行器两侧的第七刚性块和第八刚性块；以及第五刚性块、第七刚性块、第六刚性块和第八刚性块之间顺次连的驱动柔性薄板，各驱动柔性薄板呈菱形围设于驱动用压电执行器的周围；第五刚性块设有用于固定释放用压电执行器的第二螺钉，第一驱动单元内的第七刚性块连于第一框体，第二驱动单元内的第七刚性块连于第二框体，第八刚性块连于桥接部。

上述的滑道的边缘设有用于设置第一钳位组和第二钳位组的第一通槽，动子设有用于设置第一驱动单元、桥接部和第二驱动单元的第二通槽；第一框体、第二框体、驱动桥式放大单元和桥接部为一体成型结构。

上述的桥接部与第一框体之间，以及与第二框体之间分别顺次连有一体成型的第一柔性铰链、连杆和第二柔性铰链。

上述的第一柔性铰链、连杆和第二柔性铰链均垂直于滑道。

上述的交叉滚柱导轨包括动导轨和定导轨，动台面设有顶配于动导轨上端面的第一凸条；定平台设有用于放置交叉滚柱导轨的安装槽，安装槽内设有顶配于定导轨下端面的第二凸条，安装槽的侧壁设有方便置入导轨预紧螺钉的侧孔；动导轨的下端旋设有将动导轨固定于动台面的第三螺钉，定导轨的上端旋设有将定导轨固定于定平台的第四螺钉，动台面设有方便调节第四螺钉的通孔。

上述的定平台与钳位桥式放大单元为一体成型结构。

与现有技术相比，本发明的一种全位移放大式压电尺蠖直线平台，其定平台设有滑道，滑道内设有动子，动子包括沿滑道长度方向间隙设置的第一框体和第二框体，第一框体固设于动台面，第一框体和第二框体分别连有第一驱动单元和第二驱动单元；第一驱动单元和第二驱动单元之间牵连有桥接部；定平台设有夹持于第一框体的第一钳位组，以及夹持于第二框体的第二钳位组，且第一钳位组和第二钳位组分别沿滑道宽度方向伸缩设置；通过对第一钳位组、第一驱动单元、第二钳位组和第二驱动单元的时序控制使动子和动台面沿着滑道作尺蠖式行走和定位。本发明的优点是：

1)结构紧凑，动台面大；

2)钳位单元为桥式放大机构，它能将其中的压电执行器的输出位移放大3以上，这就会使钳位单元能够充分地对动子进行钳位及释放，进而能降低对钳位单元及驱动单元的加工及装配精度的要求；

3)由于钳位单元的输出位移变大，一方面会使动子在被钳位单元钳位时所受到的钳位力变大，动子运动的稳定性就会提高；另一方面会使钳位单元在释放动子时能够彻底松开动子，二者之间不会产生摩擦磨损，进而能提高平台的寿命；

4)当平台不工作时，释放用压电执行器不通电，动子被钳位单元钳位而不能运动，这就实现了平台的自锁；

5)驱动单元也为桥式放大单元，它也能将其中的压电执行器的输出位移放大3倍以上，这就使驱动单元的单步位移增大，进而使平台的运动速度提高；

6)采用交叉滚柱导轨对动台面的运动进行导向，能有效减小平台的水平摆动误差和纵向俯仰误差，进而能提高平台的定位精度。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图；

图2是图1的分解示意图；

图3是图2的仰视示意图；

图4是图2中定平台的结构示意图；

图5是图4中钳位桥式放大单元的结构示意图；

图6是动台面和动子连接后的结构示意图；

图7是图2中动子的结构示意图；

图8是图7中驱动桥式放大单元的结构示意图；

图9是图2中交叉滚柱导轨的结构示意图；

图10是动子在滑道中的结构示意图；

图11是本发明的电压时序图。

其中的附图标记为：1定平台、1a滑道、1b第一通槽、1c安装槽、1d第二凸条、1e侧孔、12第一钳位组、13第二钳位组、2动台面、2a通孔、2b第一凸条、3动子、3a活动间隙、3b第二通槽、31第一框体、32第二框体、4交叉滚柱导轨、41定导轨、41a第四螺钉、42动导轨、42a第三螺钉、5第一驱动单元、51驱动用压电执行器、52驱动桥式放大单元、52a第五刚性块、52b第六刚性块、52c第七刚性块、52d第八刚性块、52e驱动柔性薄板、52f第二螺钉、6第二驱动单元、7钳位单元、71释放用压电执行器、72钳位桥式放大单元、72a第一刚性块、72b第二刚性块、72c第三刚性块、72d第四刚性块、72e钳位柔性薄板、72f第一螺钉、8桥接部、81第一柔性铰链、82连杆、83第二柔性铰链。

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10为本发明的结构示意图，如图所示，本发明的一种全位移放大式压电尺蠖直线平台，包括定平台1以及通过交叉滚柱导轨4滑动连接的动台面2，定平台1设有滑道1a，滑道1a内设有动子3，动子3包括沿滑道1a长度方向设置的第一框体31和第二框体32，第一框体31与第二框体32之间设有活动间隙3a，第一框体31固设于动台面2，第一框体31和第二框体32分别连有沿滑道1a长度方向伸缩的第一驱动单元5和第二驱动单元6；第一驱动单元5和第二驱动单元6之间牵连有桥接部8；定平台1设有夹持于第一框体31的第一钳位组12，以及夹持于第二框体32的第二钳位组13，且第一钳位组12和第二钳位组13分别沿滑道1a宽度方向伸缩设置；通过对第一钳位组12、第一驱动单元5、第二钳位组13和第二驱动单元6的时序控制使动子3和动台面2沿着滑道1a作尺蠖式行走和定位。第一钳位组12、第一驱动单元5、第二钳位组13和第二驱动单元6为任一类型的直线电机。

如图4和图10所示，上述的第一钳位组12和第二钳位组13分别包括相邻镜像设置的钳位单元7，钳位单元7包括钳位桥式放大单元72和释放用压电执行器71，释放用压电执行器71的伸缩方向与滑道1a的长度方向一致，释放用压电执行器71的伸缩端顶配于钳位桥式放大单元72内；钳位桥式放大单元72的一侧连于定平台1，另一侧钳位于动子3；通电的释放用压电执行器71会伸长，继而使钳位桥式放大单元72变形收缩，使动子3释放，反之当释放用压电执行器71断电后，使钳位桥式放大单元72形状复原，使动子3钳位。

如图7和图10所示，第一驱动单元5和第二驱动单元6为镜像结构，分别包括驱动桥式放大单元52和驱动用压电执行器51，驱动用压电执行器51的伸缩方向垂直于滑道1a的长度方向，驱动用压电执行器51的伸缩端顶配于驱动桥式放大单元52内；第一驱动单元5内的驱动桥式放大单元52分别连于第一框体31和桥接部8，第二驱动单元6内的驱动桥式放大单元52分别连于第二框体32和桥接部8。通电压的驱动用压电执行器51会伸长，继而使驱动桥式放大单元52变形收缩，拉动对应的桥接部8，继而使第一框体31的第一钳位组12彼此靠近；反之当驱动用压电执行器51断电后，驱动桥式放大单元52形状复原，推动对应的桥接部8，继而使第一框体31的第一钳位组12彼此推离。

如图4、图5所示，上述的钳位桥式放大单元72包括对向设于释放用压电执行器71伸缩端的第一刚性块72a和第二刚性块72b，设于释放用压电执行器71两侧的第三刚性块72c和第四刚性块72d；以及第一刚性块72a、第三刚性块72c、第二刚性块72b和第四刚性块72d之间顺次连接的钳位柔性薄板72e；各钳位柔性薄板72e呈菱形围设于释放用压电执行器71的周围；第一刚性块72a设有用于固定释放用压电执行器71的第一螺钉72f，第三刚性块72c连于定平台1；

如图7和图8所示，驱动桥式放大单元52包括对向设于驱动用压电执行器51伸缩端的第五刚性块52a和第六刚性块52b，设于驱动用压电执行器51两侧的第七刚性块52c和第八刚性块52d；以及第五刚性块52a、第七刚性块52c、第六刚性块52b和第八刚性块52d之间顺次连的驱动柔性薄板52e，各驱动柔性薄板52e呈菱形围设于驱动用压电执行器51的周围；第五刚性块52a设有用于固定释放用压电执行器71的第二螺钉52f，第一驱动单元5内的第七刚性块52c连于第一框体31，第二驱动单元6内的第七刚性块52c连于第二框体32，第八刚性块52d连于桥接部8。

如图4所示，上述的滑道1a的边缘设有用于设置第一钳位组12和第二钳位组13的第一通槽1b，动子3设有用于设置第一驱动单元5、桥接部8和第二驱动单元6的第二通槽3b；第一框体31、第二框体32、驱动桥式放大单元52和桥接部8为一体成型结构。

如图7所示，上述的桥接部8与第一框体31之间，以及与第二框体32之间分别顺次连有一体成型的第一柔性铰链81、连杆82和第二柔性铰链83。

上述的第一柔性铰链81、连杆82和第二柔性铰链83均垂直于滑道1a1a。

如图9所示，上述的交叉滚柱导轨4包括动导轨42和定导轨41，如图4所示，动台面2设有顶配于动导轨42上端面的第一凸条2b；如图3所示，定平台1设有用于放置交叉滚柱导轨4的安装槽1c，如图4所示，安装槽1c内设有顶配于定导轨41下端面的第二凸条1d，如图1、2、3所示，安装槽1c的侧壁设有方便置入导轨预紧螺钉的侧孔1e；如图2和图3所示，动导轨42的下端旋设有将动导轨42固定于动台面2的第三螺钉42a，定导轨41的上端旋设有将定导轨41固定于定平台1的第四螺钉41a，动台面2设有方便调节第四螺钉41a的通孔2a。

上述的定平台1与钳位桥式放大单元72为一体成型结构。

当第一钳位组12、第二驱动单元6、第二钳位组13分别在图11(a)、(b)、(c)所示时序的电压u(t)作用下时，动台面2沿着从第一框体31到第二框体32的方向移动，在一个运动周期内动台面2沿着从第一框体31到第二框体32的方向移动一步的实现过程如下：

1)如图11(a)所示，给第一钳位组12中的释放用压电执行器71通电，第一钳位组12中的钳位桥式放大单元72变形，第一钳位组12松开动子3中的第一框体31；

2)当第一钳位组12中的释放用压电执行器71通电达到稳定状态（如t1时刻）时，如图11(b)所示，给第二驱动单元6中的驱动用压电执行器51通电，第二驱动单元6中的驱动桥式放大单元52变形，通过桥接部8带动动子3中的第一框体31向靠近动子3中的第二框体32的方向移动一步，进而由第一框体31带动动台面2向靠近第二框体32的方向移动一步；

3)当第二驱动单元6中的驱动用压电执行器51通电达到稳定状态（如t2时刻）时，如图11(a)所示，给第一钳位组12中的释放用压电执行器71断电，第一钳位组12中的钳位桥式放大单元72的变形被复原，第一钳位组12钳住动子3中的第一框体31；

4)当第一钳位组12中的释放用压电执行器71断电达到稳定状态（如t3时刻）时，如图11(c)所示，给第二钳位组13中的释放用压电执行器71通电，第二钳位组13中的钳位桥式放大单元72变形，第二钳位组13开动子3中的第二框体32；

5)当第二钳位组13中的释放用压电执行器71通电达到稳定状态（如t4时刻）时，如图11(b)所示，给第二驱动单元6中的驱动用压电执行器51断电，第二驱动单元6中的驱动桥式放大单元52的变形复原，带动动子3中的第二框体32向离开动子3中的第一框体31的方向移动一步；

6)当第二驱动单元6中的驱动用压电执行器51断电达到稳定状态（如t5时刻）时，如图11(c)所示，给第二钳位组13中的释放用压电执行器71断电，第二钳位组13中的钳位桥式放大单元72的变形复原，第二钳位组13钳住动子3中的第二框体32；

当第二钳位组13中的释放用压电执行器71断电达到稳定状态（如t6时刻）时，开始下一个运动周期t，如此反复，动台面2便沿着从第一框体31到第二框体32的方向连续地输出直线位移。

当第二钳位组13、第一驱动单元5、第一钳位组12分别在图11(a)、(b)、(c)所示时序的电压u(t)作用下时，动台面2沿着从第二框体32到第一框体31的方向移动，在一个运动周期内动台面2沿着从第二框体32到第一框体31的方向移动一步的实现过程如下：

1)如图11(a)所示，给第二钳位组13中的释放用压电执行器71通电，第二钳位组13中的钳位桥式放大单元72变形，第二钳位组13松开动子3中的第二框体32；

2)当第二钳位组13中的释放用压电执行器71通电达到稳定状态（如t1时刻）时，如图11(b)所示，给第一驱动单元5中的驱动用压电执行器51通电，第一驱动单元5中的驱动桥式放大单元52变形，通过桥接部8带动动子3中的第二框体32向靠近动子3中的第一框体31的方向移动一步；

3)当第一驱动单元5中的驱动用压电执行器51通电达到稳定状态（如t2时刻）时，如图11(a)所示，给第二钳位组13中的释放用压电执行器71断电，第二钳位组13中的钳位桥式放大单元72复原，第二钳位组13钳住动子3中的第二框体32；

4)当第二钳位组13中的释放用压电执行器71断电达到稳定状态（如t3时刻）时，如图11(c)所示，给第一钳位组12中的释放用压电执行器71通电，第一钳位组12中的钳位桥式放大单元72变形，第一钳位组12开动子3中的第一框体31；

5)当第一钳位组12中的释放用压电执行器71通电达到稳定状态（如t4时刻）时，如图11(b)所示，给第一驱动单元5中的驱动用压电执行器51断电，第一驱动单元5中的驱动桥式放大单元52复原，带动动子3中的第一框体31向离开动子3中的第二框体32的方向移动一步，进而由第一框体31带动动台面2向离开第二框体32的方向移动一步；

6)当第一驱动单元5中的驱动用压电执行器51断电达到稳定状态（如t5时刻）时，如图11(c)所示，给第一钳位组12中的释放用压电执行器71断电，第一钳位组12中的钳位桥式放大单元72复原，第一钳位组12钳住动子3中的第一框体31；

当第一钳位组12中的释放用压电执行器71断电达到稳定状态（如t6时刻）时，开始下一个运动周期t，如此反复，动台面2便沿着从第二框体32到第一框体31的方向连续地输出直线位移。

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。