一种中空二维压电惯性冲击驱动平台

本发明属于压电精密定位平台设备技术领域，具体涉及一种中空二维压电惯性冲击驱动平台。

背景技术：

随着纳米科技的快速发展，越来越多的场合需要对微小材料、器件、组织等进行纳米尺度的观测和操控，从而分析研究样品的机械、电学、生化等特性并辅助样品的合成和装配，这些观测操控设备包括扫描电子显微镜(sem)、荧光显微镜、原子力显微镜(afm)、纳米机械手等。在使用纳米机械手、afm等设备进行纳米操控时，常需借助sem等设备进行实时的图像反馈，这些场合要求精密定位平台具有观测孔径，以方便sem等设备对样品进行成像。目前，成熟应用的具有中空结构的精密定位平台是压电柔性铰链平台，如pi公司的p-612.2xy压电陶瓷纳米定位系统，该类平台具有纳米级的位移分辨率，但运动行程只有数百微米，操作范围有限。公开号为cn110336485b的中国专利采用摩擦冲击驱动原理，将压电柔性铰链平台的运动行程提高到数十毫米，但该设计无法提供观测孔径，且摩擦耦合存在稳定性问题。因此，需要结合压电柔性铰链平台和冲击驱动原理的优点，设计一种中空二维压电驱动平台实现跨尺度精密运动，提升上述场合精密定位平台的应用效果。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供一种中空二维压电惯性冲击驱动平台，利用中心镂空的结构设计为显微成像设备提供观测孔径，采用压电惯性冲击的驱动原理实现二维并联跨尺度精密运动，同时增加摩擦耦合调整机构提高惯性冲击驱动的精度和稳定性。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种中空二维压电惯性冲击驱动平台，包括方形平台、封装盖板和固定底座；所述方形平台由方形外框、方形内框、位移放大机构和压电驱动器组成；所述封装盖板中心镂空，安装于方形平台的上表面；所述固定底座中心镂空，设置于方形平台的下表面；

所述方形外框的四个内侧面和方形内框的四个外侧面分别通过位移放大机构连接，位移放大机构的内部分别设置压电驱动器；所述压电驱动器作用位移放大机构产生形变，分别推动方形外框和方形内框之间产生平面正交方向上的相对位移；

所述封装盖板的四角部分和中间部分之间分别设置柔性机构，封装盖板的四角部分分别通过螺钉和垫片安装于方形外框的四角部位上表面，封装盖板的中间部分通过螺钉和垫片安装于方形内框的上表面；

所述方形外框的四角部位下表面与固定底座的上表面摩擦耦合，方形外框的四角部位与中间部位之间分别设置弯曲铰链，通过弯曲铰链调整四角部位的高度，保证方形外框和固定底座均匀接触。

进一步地，所述位移放大机构为三角放大机构，所述压电驱动器为压电陶瓷叠堆，所述柔性机构为l型悬臂梁，所述弯曲铰链为矩形截面梁。

进一步地，所述方形外框的四角部位下表面分别对称设置通孔和半球沉孔，通孔内安装磁铁，半球沉孔内安装摩擦小球；所述固定底座的四角部位上表面分别设置下层的铁磁层和上层的摩擦层，铁磁层与磁铁产生吸引磁力，施加摩擦层与摩擦小球之间的预压力。

和已有技术相比，本发明的优点为：

(1)方形平台上表面安装封装盖板，保护方形平台内的器件，并作为样品布置的工作台；封装盖板的四角部分和中间部分通过柔性机构连接，并分别安装在方形外框和方形内框上，即保证了封装盖板的稳固性，又避免封装盖板对位移放大机构结构刚度的影响；封装盖板还具有配重作用，方形外框的质量大于方形内框的质量，通过封装盖板可平衡两者的质量关系，有利于产生稳定的惯性冲击运动。

(2)方形外框的四角部位下表面与固定底座的上表面摩擦耦合，相比方形内框下表面与固定底座摩擦耦合，结构稳定性更好；方形外框的四角部位与中间部位通过弯曲铰链连接，利用弯曲铰链的塑性变形可调整四角部位的高度，保证方形外框和固定底座四个接触点的摩擦力一致；采用惯性驱动原理替代摩擦驱动原理，四个接触点的摩擦力始终相对驱动平台的质心均匀对称分布，不会因为驱动平台运动位置的改变导致摩擦力产生额外的转矩，提高了惯性冲击运动的精度。

附图说明

图1示出为根据本发明具体实施方式提供的一种中空二维压电惯性冲击驱动平台的爆炸视图。

图2示出为根据本发明具体实施方式提供的一种中空二维压电惯性冲击驱动平台的仰视图。

图3示出为根据本发明具体实施方式提供的一种中空二维压电惯性冲击驱动平台的仿真结果示意图。

图4是本发明中驱动平台的等效力学模型。

图5为本发明中驱动平台的步进运动测试结果。

图6为本发明中驱动平台的平滑运动测试结果。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1、2所示，一种中空二维压电惯性冲击驱动平台，包括方形平台1、封装盖板2和固定底座3；所述方形平台1由方形外框4、方形内框5、位移放大机构6和压电驱动器7组成；所述封装盖板2中心镂空，安装于方形平台1的上表面；所述固定底座3中心镂空，设置于方形平台1的下表面；

所述方形外框4的四个内侧面和方形内框5的四个外侧面分别通过位移放大机构6连接，位移放大机构6的内部分别设置压电驱动器7；所述压电驱动器7作用位移放大机构6产生形变，分别推动方形外框4和方形内框5之间产生平面正交方向上的相对位移；

所述封装盖板2的四角部分和中间部分之间分别设置柔性机构8，封装盖板2的四角部分分别通过螺钉9和垫片10安装于方形外框4的四角部位上表面，封装盖板2的中间部分通过螺钉9和垫片10安装于方形内框5的上表面；

所述方形外框4的四角部位下表面与固定底座3的上表面摩擦耦合，方形外框4的四角部位与中间部位之间分别设置弯曲铰链11，通过弯曲铰链11调整四角部位的高度，保证方形外框4和固定底座3均匀接触。

进一步地，所述位移放大机构6为三角放大机构，所述压电驱动器7为压电陶瓷叠堆，所述柔性机构8为l型悬臂梁，所述弯曲铰链11为矩形截面梁。

进一步地，所述方形外框4的四角部位下表面分别对称设置通孔和半球沉孔，通孔内安装磁铁12，半球沉孔内安装摩擦小球13；所述固定底座3的四角部位上表面分别设置下层的铁磁层14和上层的摩擦层15，铁磁层14与磁铁10产生吸引磁力，施加摩擦层15与摩擦小球13之间的预压力。

本发明的一个具体实施例为：

如图1、2所示，令x、y为平面方向，z为厚度方向，方形平台1的方形外框4、方形内框5、位移放大机构6和弯曲铰链11可由65mn钢板线切割工艺一体加工而成，整体尺寸长、宽为45mm、厚度为5mm；方形外框4的四角部位分别设置10mm×10mm的表面，下表面分别钻通孔和半球沉孔，利用环氧树脂胶水分别安装磁铁12和摩擦小球13，磁铁12可为直径5mm、厚度5mm的钕铁硼圆柱磁铁，摩擦小球13可为直径2mm的氧化铝陶瓷球；压电驱动器7可为截面4mm×4mm、长度18mm的压电陶瓷叠堆，利用过盈配合预紧安装在位移放大机构6的内部；封装盖板2和柔性机构8可由65mn钢板线切割工艺一体加工而成，整体尺寸长、宽为45mm、厚度为2mm；封装盖板2通过螺钉9安装在方形平台1上，垫片10提供厚度.5mm的间隙，整体构成驱动平台；固定底座3可由铝合金加工而成，四边位置可通过安装孔固定，四角部位利用环氧树脂胶水分别安装铁磁层14和摩擦层15，铁磁层14可为表面20mm×20mm、厚度1mm的q235钢片，摩擦层15可为厚度0.2mm的石墨薄膜；驱动平台放置在固定底座3的摩擦层15上，整个装置的中心镂空尺寸为20mm×20mm，通过激励压电驱动器7，方形平台1可在摩擦层15范围内分别实现x、y方向的运动。

以x方向运动为例，x方向的两个压电驱动器7上分别施加相反的激励电压，左边的压电驱动器伸长，而右边压电驱动器缩短，则分别作用左右两边的位移放大机构6产生相反的形变，推动方形外框4和方形内框5之间产生x方向的相对位移。如图3所示，仿真结果表明：在自由状态下，方形平台1可产生4.3μm的最大相对位移，且固有振动频率高达10380hz，意味着该驱动平台具有较高的驱动位移和工作频率。

如图4所示，驱动平台可等效为质量-弹簧-质量系统，其中m1为方形外框4、封装盖板2的四角部分以及其他附属物的总质量，m2为方形内框5、封装盖板2的中间部分以及其他附属物的总质量，kp为位移放大机构6、压电驱动器7和柔性机构8在x、y方向的总刚度，cp为阻尼系数，f为摩擦小球13与摩擦层15之间的摩擦力。质量m1和m2的比值对惯性冲击驱动过程有直接的影响，而方形外框4的质量大于方形内框5的质量，通过封装盖板2和弯曲铰链11可平衡质量m1和m2相等，有利于产生稳定的惯性冲击运动。封装盖板2的柔性机构8降低了封装盖板2对总刚度kp的影响，有利于压电驱动器7产生较大的驱动位移。方形外框4上的弯曲铰链11保持了方形平台1在x、y方向上的结构刚度，有利于方形平台1的驱动位移传递到摩擦小球13上。

在锯齿波激励电压作用下，驱动平台产生惯性冲击运动，可分解为两个作用阶段：(1)激励电压缓慢上升，方形外框4的摩擦小球13在摩擦层15上保持静止，方形内框5在压电驱动器7作用下向x方向位移；(2)激励电压快速下降，压电驱动器7作用位移放大机构6快速恢复，产生惯性冲击作用，摩擦小球13和摩擦层15之间的静摩擦力不足以保持方形外框4的位置，方形平台1相对固定基座3滑动产生步进位移。如图5、6所示，样机测试结果表明：施加10hz、40v的锯齿波激励电压即可产生明显的步进运动，120v激励电压下驱动平台的步进位移达到1.8μm；施加200hz、40v的锯齿波激励电压时，驱动平台的运动趋于平滑，120v激励电压下驱动平台的运动速度可达到0.27mm/s，具有较强的运动输出能力。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。