一种非共振式压电电机驱动的三自由度并联精密工作台

摘要

本发明公开了非共振式压电电机驱动的一种三自由度柔性并联精密工作台，由底座、非共振式压电直线电机、导轨、斜台结构、柔性球铰和工作台组成。该平台由三组驱动机构实现驱动，每组驱动机构由双足驱动型压电直线电机驱动导轨及斜台机构，斜台机构通过柔性球铰与动平台相连。通过三组驱动机构相互配合，实现Z轴平动、绕X轴转动、绕Y轴转动三自由度运动。本发明结构简单紧凑，具有高精度、大行程、动态响应快等特点，能够应用于光波导器件连接封装等精密制造领域。

权利要求

1.一种非共振式压电电机驱动的三自由度并联精密工作台，其特征在于：包括底座（1）、若干个非共振压电电机、若干个斜台机构、若干个柔性球铰机构和工作台（2）；一个非共振压电电机、一个斜台机构以及一个柔性球铰机构构成一自由度驱动单元，其中，所述斜台机构上有一斜台，且固定在底座（1）上，非共振压电电机并排设置在斜台机构旁，柔性球铰机构的一端连接在斜台机构的斜台上，另一端连接在工作台（2）上；

该三自由度并联精密工作台包括三个一自由度驱动单元，三个一自由度驱动单元共同连接工作台（2），以工作台（2）为中心，呈放射状均匀分布；

所述斜台机构包括滚动交叉单元、陶瓷摩擦片、斜台、滑台和导轨滑块；所述滚动交叉单元设置在斜台机构的底部，其一侧设有陶瓷摩擦片；所述滑台固定连接在滚动交叉单元上表面上，所述斜台固定连接在滑台上；所述斜台上表面与水平方向成角度，其上设置有导轨，导轨滑块通过导轨可移动的连接在斜台上；所述导轨滑块连接柔性球铰机构的一端。

2.根据权利要求1所述的一种非共振式压电电机驱动的三自由度并联精密工作台，其特征在于：所述柔性球铰机构包括支撑座、支撑座压盖、柔性球铰和工作台压盖；支撑座固定在导轨滑块上，柔性球铰一端通过支撑座压盖固定在支撑座上，另一端通过工作台压盖固定在工作台（2）上。

3.根据权利要求1所述的一种非共振式压电电机驱动的三自由度并联精密工作台，其特征在于：所述非共振压电电机采用双足驱动压电直线电机，该电机上设有驱动头。

4.根据权利要求3所述的一种非共振式压电电机驱动的三自由度并联精密工作台，其特征在于：所述陶瓷摩擦片与双足驱动压电直线电机上的驱动头紧密接触，斜台通过螺栓固定在滚动交叉单元的滑台上，导轨通过螺栓固定在斜台斜面上。

说明书

一种非共振式压电电机驱动的三自由度并联精密工作台

技术领域

[0001] 本发明涉及压电精密致动仪器领域，具体是一种非共振式压电电机驱动的三自由度并联精密工作台。

背景技术

[0002] 微纳米级工作台在现代精密制造具有举足轻重的作用，在光纤对接与封装、超精密制造、MEMS制造、集成电路制造等领域应用广泛。但传统精密工作台高精度和大行程不可兼得、压电电机Z轴平动驱动困难等技术问题。

[0003] 随着微纳米技术的不断发展与应用，许多应用领域对微纳米级工作台提出了更多的性能指标，其中高精度和大行程是衡量微纳米级工作台性能最重要的指标。现有的微纳米级定位平台几乎全部是由压电陶瓷驱动器实现的。

[0004] 压电直线电机是近几年发展起来的一种新型的直线驱动机构，利用压电材料的逆压电效应，采用特定的结构形式制成。这种电机具有微型化时效率高、能直接产生直线输出、结构简单、响应快、位置和速度控制精度高、无电磁干扰等优点。压电电机无需机构转换可直接推动工作台进行直线和旋转运动，因而响应速度相对电磁驱动系统得到较大提升，同时，压电电机的使用也使系统的结构得到了简化。

发明内容

[0005] 针对上述背景技术的不足，本发明的目的是提供了一种非共振式压电电机驱动的三自由度并联精密工作台，能够在不同工作模式下实现工作台的宏动与微动，显著缩短传动链，且能良好实现工作台Z轴平动。

[0006] 本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

[0007] 一种非共振式压电电机驱动的三自由度并联精密工作台，包括底座1、若干个非共振压电电机、若干个斜台机构、若干个柔性球铰机构和工作台2；一个非共振压电电机、一个斜台机构以及一个柔性球铰机构构成一自由度驱动单元，其中，所述斜台机构上有一斜台，且固定在底座1上，非共振压电电机并排设置在斜台机构旁，柔性球铰机构的一端连接在斜台机构的斜台上，另一端连接在工作台2上。

[0008] 该三自由度并联精密工作台包括三个一自由度驱动单元，三个一自由度驱动单元共同连接工作台2，以工作台2为中心，呈放射状均匀分布。

[0009] 所述斜台机构包括滚动交叉单元、陶瓷摩擦片、斜台、滑台和导轨滑块；所述滚动交叉单元设置在斜台机构的底部，其一侧设有陶瓷摩擦片；所述滑台固定连接在滚动交叉单元上表面上，所述斜台固定连接在滑台上；所述斜台上表面与水平方向成角度，其上设置有导轨，导轨滑块通过导轨可移动的连接在斜台上；所述导轨滑块连接柔性球铰机构的一端。

[0010] 所述柔性球铰机构包括支撑座、支撑座压盖、柔性球铰和工作台压盖；支撑座固定在导轨滑块上，柔性球铰一端通过支撑座压盖固定在支撑座上，另一端通过工作台压盖固定在工作台2上。

[0011] 所述非共振压电电机采用双足驱动压电直线电机，该电机上设有驱动头。

[0012] 所述陶瓷摩擦片与双足驱动压电直线电机上的驱动头紧密接触，斜台通过螺栓固定在滚动交叉单元的滑台上，导轨通过螺栓固定在斜台斜面上。

[0013] 本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

[0014] 1、应用非共振式双足驱动压电直线电机直接驱动工作台，显著缩短传动链，提高响应速度，在连续作动工作模式下可实现大行程作动，在直动工作模式下可实现高分辨率的精确致动。

[0015] 2、采用斜台机构，将水平方向位移转化为竖直方向位移，有效解决压电电机直接驱动竖直运动产生的推力不足、自锁困难等问题。

[0016] 3、采用并联组合形式，工作台同时由三个压电电机驱动，具有惯性小、响应速度快等优点。

附图说明

[0017] 图1为本三自由度并联精密工作台的俯视图；

[0018] 图2为本三自由度并联精密工作台的立体图；

[0019] 图3为压电电机驱动滚动交叉单元结构俯视图；

[0020] 图4为压电电机驱动滚动交叉单元结构立体图；

[0021] 图5为斜台机构组成图；

[0022] 图6为柔性球铰机构组成图；

[0023] 其中，a1、b1、c1-共振式压电电机，a2、b2、c2-斜台机构，a3、b3、c3-柔性球铰机构，a21、b21、c21-滚动交叉单元，a22、b22、c22-滑台，a23、b23、c23-陶瓷摩擦片，a24、b24、c24-斜台，a25、b25、c25-导轨，a26、b26、c26-导轨滑块；

[0024] a31、b31、c31-支撑座，a32、b32、c32-支撑座压盖，a33、b33、c33-柔性球铰，a34、b34、c34-工作台压盖，1-底座，2-工作台。

具体实施方式

[0025] 本发明提供一种非共振式压电电机驱动的三自由度并联精密工作台，为使本发明的目的，技术方案及效果更加清楚，明确，以及参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0026] 下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

[0027] 如图1、图2所示，本发明提供的非共振式压电电机驱动的三自由度并联精密工作台，包括底座1，三组非共振式压电电机a1、b1、c1，三组斜台机构a2、b2、c2，三组柔性球铰机构a3、b3、c3和工作台2。

[0028] 该三自由度并联精密工作台包括三个一自由度驱动单元，三个一自由度驱动单元共同连接工作台2，以工作台2为中心，呈放射状均匀分布。三组斜台机构a2、b2、c2成120度均匀布置在底座1上，一个非共振压电电机、一个斜台机构以及一个柔性球铰机构构成一自由度驱动单元，其中，每个一自由度驱动单元中的非共振式压电电机平行于斜台机构布置，非共振式压电电机的驱动头与陶瓷摩擦片接触。柔性球铰机构一端垂直安装在导轨滑块上，另一端连接工作台2。工作台2在初始位置应位于水平状态。

[0029] 斜台机构组成如图5所示，包括滚动交叉单元、陶瓷摩擦片、斜台、滑台和导轨滑块；上述滚动交叉单元设置在斜台机构的底部，其一侧设有陶瓷摩擦片；所述滑台固定连接在滚动交叉单元上表面上，所述斜台固定连接在滑台上；所述斜台上表面与水平方向成角度，其上设置有导轨，导轨滑块通过导轨可移动的连接在斜台上；所述导轨滑块连接柔性球铰机构的一端。

[0030] 滚动交叉单元中导轨通过精密仪器用螺栓固定在底座1上，斜台由4个内六角圆柱头螺钉固定于滑台上，导轨由精密仪器用螺栓固定在斜台斜面上，与水平方向成30度角。斜台机构可将水平方向位移转化为竖直方向位移。

[0031] 压电电机驱动滚动交叉单元结构如图3、图4所示，双足驱动压电直线电机a1、b1、c1分别通过两个内六角圆柱头螺钉固定于底座1上，驱动头接触由AB胶贴在交叉滚动单元一侧的陶瓷摩擦片a23、b23、c23上。给双足驱动压电直线电机a1、b1、c1接入适当激励信号后，电机驱动头产生微动，带动陶瓷摩擦片a23、b23、c23向特定方向运动。

[0032] 柔性球铰机构组成如图6所示，包括支撑座、支撑座压盖、柔性球铰和工作台压盖；支撑座固定在导轨滑块上，柔性球铰一端通过支撑座压盖固定在支撑座上，另一端通过工作台压盖固定在工作台2上。具体的，支撑座a31、b31、c31分别通过2个内六角圆柱头螺钉垂直固定在导轨滑块a26、b26、c26上，与水平方向成60度角。支撑座压盖a32、b32、c32通过2个内六角圆柱头螺钉将柔性球铰a33、b33、c33一端固定在支撑座a31、b31、c31上，柔性球铰a33、b33、c33另一端由工作台压盖a34、b34、c34和2个内六角圆柱头螺钉固定在工作台2上。
柔性球铰机构可以实现小范围的偏转支承。

[0033] 结合图1、2，说明本发明实现Z轴平动、XY轴转动的运动方案与机理；X、Y轴在水平面内，其具体方向见图1所示，Z轴沿竖直方向，其具体方向见图2所示。

[0034] （1）Z轴平动

[0035] a、b、c三个单元压电电机a1、b1、c1输入相同信号，同时前进或后退。压电电机a1、b1、c1同时前进时，工作台沿Z轴正方向运动；压电电机a1、b1、c1同时后退时，工作台沿Z轴负方向运动。

[0036] （2）Y轴旋转

[0037] a、b两个单元压电电机a1、b1输入相同信号，c单元压电电机c1输入相位相反的信号，压电电机a1、b1同时前进或后退，压电电机c1与压电电机a1、b1运动方向相反。压电电机a1、b1同时前进，压电电机c1后退时，工作平台绕Y轴正方向顺时针转动；压电电机a1、b1同时后退，压电电机c1前进时，工作平台绕Y轴正方向逆时针转动。

[0038] （3）X轴旋转

[0039] a、b两个单元压电电机a1、b1输入相位相反的信号，c单元压电电机c1输入幅值为压电电机a1、b1幅值1/2的信号。压电电机a1、c1后退，压电电机b1前进时，工作平台绕X轴正方向顺时针转动。压电电机b1、c1后退，压电电机a1前进时，工作平台绕X轴正方向逆时针转动。

[0040] 可以通过上述3个自由度的联动，实现其他的运动。

[0041] 对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将本说明书看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。