Z自由度压电惯性双向平顺精密调焦平台及驱动方法

技术领域

本发明涉及精密定位领域，具体涉及一种Z自由度压电惯性双向平顺精密调焦平台及驱动方法。

背景技术

精密定位作为一项关键技术，已成为先进工业领域的研究热点。作为精密定位平台的主要驱动机构之一，压电驱动器具有高精度、快速响应和极强的环境适应性，已广泛应用于航空航天、生物工程、医疗设备、材料科学、光学工程等领域。与其他压电步进型驱动器相比，如尺蠖和行波驱动器，压电惯性驱动器更易于集成和控制，因为它们仅通过一个激励源即可实现运动。通常，压电惯性驱动器通过周期性步进运动实现长行程和高分辨力。然而，滑阶段的摩擦将会导致不希望的位移回退运动。这一问题导致驱动器稳定性降低，并限制了其在细胞微操作工程、光学工程等方面的应用。因此，关于解决位移回退运动的研究已经陆续进行。相关研究通常分为三个方面：摩擦材料改性、驱动波形优化和驱动机构改进。目前，通过上述三种方式的研究均无法仅通过激励单个压电元件实现压电惯性驱动器角位移的双向平顺驱动

关于解决压电惯性驱动器位移回退的技术主要分为三大类：摩擦材料改性、驱动波形优化和驱动机构改进。目前通过摩擦材料改性的方式主要为化学微加工处理和激光纹理加工，这两种方式都可以使材料表面具备各向异性，这些特殊处理提高了一个方向的输出性能，却劣化了另一个方向。驱动波形优化方面可以同时改善正反双向的输出性能，但是却无法完全消除位移回退运动。目前，现有的通过驱动机构改进的技术方案通过多个激励源实现了压电惯性驱动器单自由度的双向平滑驱动，但仍然无法通过单个激励源实现。

发明内容

本发明针对传统压电惯性驱动平台的位移回退问题，提出了一种Z自由度压电惯性双向平顺精密调焦平台及驱动方法；

本发明的技术方案如下：

本发明首先提出了一种Z自由度压电惯性双向平顺精密调焦平台，包括运动组件、定子组件、机架组件和端盖；所述运动组件、定子组件和端盖均安装在机架组件之上；所述端盖固定在定子组件的外侧；

所述机架组件包括固定基座、预紧卡块、平台底座、聚光灯以及载玻片夹子；所述预紧卡块安装在固定基座之上，固定基座装配在平台底座上；所述平台底座上开设有聚光灯安装孔；聚光灯通过过盈配合安装在聚光灯安装孔之内；载玻片夹子安装螺钉将两片载玻片夹子分别固定在聚光灯两侧；

所述运动组件包括光学电子显微镜、显微镜安装螺钉运动导轨以及固定导轨；所述光学电子显微镜安装螺钉固定于运动导轨上，运动导轨与固定导轨组成一组十字交叉滚柱导轨，运动导轨用于在相对于固定导轨沿导轨方向自由滑动；

所述定子组件包括柔性铰链机构、半球头压电堆叠、基米螺钉以及锁紧螺钉；所述基米螺钉将半球头压电堆叠固定于柔性铰链机构之中，通过基米螺钉调节半球头压电堆叠与柔性铰链机构之间的锁紧力；锁紧螺钉将半球头压电堆叠以及基米螺钉进行锁紧，并减少半球头压电堆叠振动时锁紧力变化。

作为本发明的优选方案，所述柔性铰链机构设置有驱动足、直圆型柔性铰链、凸台Ⅰ、柔性机构安装沉头孔、直梁型柔性铰链、基米螺钉螺纹孔、凸台Ⅱ；所述驱动足设于柔性铰链机构顶端，驱动足与运动导轨接触装配；所述直圆型柔性铰链与直梁型柔性铰链分别设于柔性铰链机构两侧半球头压电堆叠驱动足；所述凸台Ⅰ设有柔性机构安装沉头孔，柔性机构安装沉头孔用于将定子组件固定于机架组件之上；所述柔性铰链机构与机架组件安装接触面设有凸台Ⅱ，凸台Ⅱ用于避免驱动足振动时与机架组件之间产生的干涉。

作为本发明的优选方案，所述端盖包括端盖侧壁以及端盖弧形凹槽；两个端盖侧壁对称设置在端盖的两端；端盖侧壁上开设端盖弧形凹槽用于避免端盖与光学电子显微镜产生运动干涉

作为本发明的优选方案，所述固定基座设置有固定导轨安装槽、固定导轨安装螺纹孔、凸台Ⅲ、端盖安装螺纹孔、预紧卡块调节螺纹孔、定子组件安装螺纹孔、预紧卡块固定螺纹孔、梯型肋板以及固定基座安装沉头孔；所述固定导轨放置安装于固定导轨安装槽之内并通过螺钉穿过固定导轨安装螺纹孔进行固定连接；所述凸台Ⅲ与预紧卡块接触装配，预紧卡块通过预紧卡块调节螺纹孔将预紧卡块固定在固定基座上并通过预紧卡块固定螺纹孔进一步锁紧；定子组件通过定子组件安装螺纹孔固定在定子组件安装螺纹孔。

作为本发明的优选方案，所述预紧卡块包括卡块装配凸台、卡块装配孔、卡块预紧梁、螺钉预留凹槽、锁紧螺钉沉头孔以及锁紧螺钉安装孔；所述预紧卡块通过卡块装配孔固定于固定基座上；所述卡块预紧梁与柔性铰链机构端部接触，螺钉预留凹槽用于避免与基米螺钉及锁紧螺钉干涉；所述锁紧螺钉安装孔用于将预紧卡块与固定基座进一步锁紧。

作为本发明的优选方案，所述平台底座包括平台底座沉头孔、聚光灯安装孔、载玻片夹子安装螺纹孔、排线孔、固定基座安装槽、固定基座安装螺纹孔；固定基座安装槽用于装配固定基座，并通过固定基座安装螺纹孔与螺钉将平台底座和固定基座进行固定；所述固定导轨安装槽用于安装固定导轨；平台底座沉头孔通过螺钉将平台底座与外部设备进行固定；聚光灯通过过盈配合安装在聚光灯安装孔之内，其通电导线由排线孔导出；载玻片夹子安装螺钉穿过载玻片夹子与载玻片夹子安装螺纹孔将载玻片夹子固定于平台底座之上。

本发明还提供了一种上述Z自由度压电惯性双向平顺精密调焦平台的驱动方法：

规定竖直向上为正方向；正向驱动时，对精密调焦平台通入占空比为100％的锯齿波驱动以实现正向运动；具体分为以下三个阶段：

粘阶段：从时间t

滑阶段：电压在时间t

震荡阶段：半球头压电堆叠从时间t

反向驱动时，对精密调焦平台通入占空比为0％的锯齿波驱动以实现反向运动；与正向运动不同，由于半球头压电堆叠的缓慢收缩，半球头压电堆叠和柔性铰链机构保持接触；t

当该调焦平台正向运动滑动阶段的摩擦接近0时，调焦平台应用反向辅助重力用于抑制反向运动的位移后退运动并缓解正向运动产生的位移激增；通过电压偏置来调节定子组件与运动导轨之间的锁紧力；在正向驱动中，电压偏置增加以提高平滑运动下的负载容量上限；在反向驱动中，电压偏置减小，以削弱滑动阶段的摩擦，并通过光学电子显微镜及运动导轨的自身总重力F

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)本发明所提出的Z自由度压电惯性双向平顺精密调焦平台积极利用光学电子显微镜及运动导轨自重、压电惯性驱动原理以及接触装配特性改善了双向一致性；本发明在精密显微成像及精密定位系统中具备极大的应用前景。

2)压电堆叠与柔性铰链机构采用接触装配，锯齿波采用100％占空比锯齿波，运动导轨与光学电子显微镜采用Z自由度安装，有效利用驱动目标自重，通过装配锁紧力调节可以使精密调焦平台获得双向平顺驱动。

3)利用定子组件的寄生运动，通过调节压电堆叠电压偏置实现定子组件与运动导轨之间锁定力调节，再结合光学电子显微镜及运动导轨自重平衡正向位移激增和反向位移回退，实现双向平顺驱动。

附图说明

图1为Z自由度压电惯性双向平顺精密调焦平台整体示意图；

图2为Z自由度压电惯性双向平顺精密调焦平台结构爆炸图；

图3为运动组件示意图；

图4为定子组件示意图；

图5为柔性铰链机构示意图；

图6为机架组件示意图；

图7为固定基座示意图；

图8为预紧卡块示意图；

图9为平台底座示意图；

图10端盖示意图；

图11为考虑接触状态无重力辅助时的工作原理图；

图12为考虑接触状态及重力辅助时Z自由度双向平顺驱动实施方案示意图；

图13为双向位移曲线示意图。

1、运动组件；2、定子组件；3、机架组件；4、端盖；1-1、光学电子显微镜；1-2、显微镜安装螺钉；1-3、运动导轨；1-4、固定导轨；2-1、柔性铰链机构；2-2、半球头压电堆叠；2-3、基米螺钉；2-4、锁紧螺钉；2-1-1、驱动足；2-1-2、直圆型柔性铰链；2-1-3、凸台Ⅰ；2-1-4、柔性机构安装沉头孔；2-1-5、直梁型柔性铰链；2-1-6、基米螺钉螺纹孔；2-1-7、凸台Ⅱ；3-1、固定基座；3-2、预紧卡块；3-3、平台底座；3-4、聚光灯；3-5、载玻片夹子；3-6、载玻片夹子安装螺钉；3-1-1、固定导轨安装槽；3-1-2、固定导轨安装螺纹孔；3-1-3、凸台Ⅲ；3-1-4、端盖安装螺纹孔；3-1-5、预紧卡块调节螺纹孔；3-1-6、定子组件安装螺纹孔；3-1-7、预紧卡块固定螺纹孔；3-1-8、梯型肋板；3-1-9、固定基座安装沉头孔；3-2-1、卡块装配凸台；3-2-2、卡块装配孔；3-2-3、卡块预紧梁；3-2-4、螺钉预留凹槽；3-2-5、锁紧螺钉沉头孔；3-2-6、锁紧螺钉安装孔；3-3-1、平台底座沉头孔；3-3-2、聚光灯安装孔；3-3-3、载玻片夹子安装螺纹孔；3-3-4、排线孔；3-3-5、固定基座安装槽；3-3-6、固定基座安装螺纹孔；4-1、端盖螺钉安装沉头孔；4-2、端盖侧壁；4-3、端盖弧形凹槽；4-4、端盖凸台。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。所述实施例仅是本公开内容的示范且不圈定限制范围。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

本发明所设计的Z自由度压电惯性双向平顺精密调焦平台整体示意图如图1所示，所述Z自由度压电惯性双向平顺精密调焦平台结构爆炸图如图2所示，主要包括运动组件1、定子组件2、机架组件3、端盖4，所述运动组件1、定子组件2、端盖4通过螺钉固定安装于机架组件3之上；

本发明所设计的Z自由度压电惯性双向平顺精密调焦平台整体示意图如图1所示，所述Z自由度压电惯性双向平顺精密调焦平台结构爆炸图如图2所示，主要包括运动组件1、定子组件2、机架组件3、端盖4，所述运动组件1、定子组件2、端盖4通过螺钉固定安装于机架组件3之上；

所述定子组件2如图4所示，其由柔性铰链机构2-1、半球头压电堆叠2-2、基米螺钉2-3、锁紧螺钉2-4组成，基米螺钉2-3将半球头压电堆叠2-2固定于柔性铰链机构2-1之中，通过基米螺钉2-3可调节半球头压电堆叠2-2与柔性铰链机构2-1之间的锁紧力，并通过锁紧螺钉2-4进行锁紧，减少半球头压电堆叠2-2振动时锁紧力变化。

所述柔性铰链机构2-1如图5所示，其设有驱动足2-1-1、直圆型柔性铰链2-1-2、凸台Ⅰ2-1-3、柔性机构安装沉头孔2-1-4、直梁型柔性铰链2-1-5、基米螺钉螺纹孔2-1-6、凸台Ⅱ2-1-7；所述驱动足设于柔性铰链机构2-1顶端并与运动导轨1-3接触装配；所述直圆型柔性铰链2-1-2与直梁型柔性铰链2-1-5分别设于柔性铰链机构2-1两侧，使半球头压电堆叠2-2振动时驱动足2-1-1可获得寄生运动；所述凸台Ⅰ2-1-3设有柔性机构安装沉头孔2-1-4，螺钉穿过柔性机构安装沉头孔2-1-4将定子组件2固定于机架组件3之上；所述柔性铰链机构2-1与机架组件3安装接触面设有凸台Ⅱ2-1-7，避免驱动足2-1-1振动时与机架组件3之间产生的干涉；

所述机架组件3如图6所示，其包括固定基座3-1、预紧卡块3-2、平台底座3-3、聚光灯3-4、载玻片夹子3-5、载玻片夹子安装螺钉3-6；所述预紧卡块3-2通过螺钉安装于固定基座3-1之上，固定基座3-1通过螺钉连接与平台底座3-3装配，载玻片夹子安装螺钉3-6将载玻片夹子3-5固定于平台底座3-3之上，聚光灯3-4通过过盈配合安装在平台底座3-3之内；

所述固定基座3-1如图7所示，其设有固定导轨安装槽3-1-1、固定导轨安装螺纹孔3-1-2、凸台Ⅲ3-1-3、端盖安装螺纹孔3-1-4、预紧卡块调节螺纹孔3-1-5、定子组件安装螺纹孔3-1-6、预紧卡块固定螺纹孔3-1-7、梯型肋板3-1-8、固定基座安装沉头孔3-1-9；所述预紧卡块3-2如图8所述，其包括卡块装配凸台3-2-1、卡块装配孔3-2-2、卡块预紧梁3-2-3、螺钉预留凹槽3-2-4、锁紧螺钉沉头孔3-2-5、锁紧螺钉安装孔3-2-6；所述平台底座如图9所示，其包括平台底座沉头孔3-3-1、聚光灯安装孔3-3-2、载玻片夹子安装螺纹孔3-3-3、排线孔3-3-4、固定基座安装槽3-3-5、固定基座安装螺纹孔3-3-6；所述固定导轨1-4放置安装于固定导轨安装槽3-1-1之内并通过螺钉穿过3个阵列的固定导轨安装螺纹孔3-1-2进行固定连接；所述卡块预紧梁3-2-3与柔性铰链机构2-1端部接触，螺钉预留凹槽3-2-4用于避免与基米螺钉2-3及锁紧螺钉2-4干涉；所述凸台Ⅲ3-1-3与卡块装配凸台3-2-1接触装配，螺钉穿过卡块装配孔3-2-2与预紧卡块调节螺纹孔3-1-5将预紧卡块3-2装配于固定基座3-1之上，且通过螺钉拧入深度调节驱动足2-1-1与运动导轨1-3之间的摩擦力；摩擦力调节至适当值之后，采用螺钉穿过柔性机构安装沉头孔2-1-4拧入定子组件安装螺纹孔3-1-6将定子组件2进行固定，进一步采用螺钉穿过锁紧螺钉安装孔3-2-6并拧入预紧卡块固定螺纹孔3-1-7之中进一步锁紧，以削弱定子组件2振动引起的驱动足2-1-1与运动导轨1-3之间摩擦力变化；固定基座安装槽3-3-5的开设以预留螺钉装配空间，使整机更易于集成化；两个阵列的端盖安装螺纹孔3-1-4用于端盖4与机架组件3之间的固定；梯型肋板3-1-8末端装配于固定基座安装槽3-3-5，采用螺钉穿过固定基座安装沉头孔3-1-9并拧入固定基座安装螺纹孔3-3-6将两者固定连接；通过螺钉穿过四个阵列的平台底座沉头孔3-3-1可将平台底座3-3进行固定；聚光灯3-4通过过盈配合安装在聚光灯安装孔3-3-2之内，其通电导线由排线孔3-3-4导出；载玻片夹子安装螺钉3-6穿过载玻片夹子3-5与载玻片夹子安装螺纹孔3-3-3将载玻片夹子3-5固定于平台底座3-3之上；

所述端盖如图10所示，其包括端盖螺钉安装沉头孔4-1、端盖侧壁4-2、端盖弧形凹槽4-3、端盖凸台4-4；采用螺钉穿过两个对称布置的端盖螺钉安装沉头孔4-1并拧入端盖安装螺纹孔3-1-4将端盖4固定于机架组件3之上；端盖侧壁4-2之上开设端盖弧形凹槽4-3以避免端盖4与光学电子显微镜1-1产生运动干涉；端盖凸台4-4用于增强端盖4与机架组件3之间的连接强度与可靠性。

通常情况下柔性铰链机构2-1与半球头压电堆叠2-2之间的接触装配被视为固定约束，这种接触装配所带来的的有益效果通常被忽略；近期发现利用这种接触装配有望实现压电惯性驱动器单方向的平顺驱动；规定沿Z自由度方向的运动为正向运动，图11给出了考虑接触状态时无重力辅助状态下的工作原理；如图所示11(a)，精密调焦平台由占空比为100％的锯齿波驱动以实现正向运动；具体而言，分为以下三个阶段：

粘阶段：从时间t

滑阶段：电压在时间t

震荡阶段：半球头压电堆叠2-2从时间t

该精密调焦平台在不考虑Z自由度装配情况下光学电子显微镜1-1及运动导轨1-3的自重时，其反向运动的工作原理与传统压电惯性定位平台相似，如图11(b)所示。精密调焦平台由对称性为0％的锯齿波激励。与正向运动不同，由于半球头压电堆叠2-2的缓慢收缩，半球头压电堆叠2-2和柔性铰链机构2-1保持接触；t

当该调焦平台正向运动滑动阶段的摩擦接近0时，即使施加少额负载，由于光学电子显微镜1-1及运动导轨1-3的惯性和该阶段极短的时间，也不会产生位移后退运动。因此，调焦平台应用适当的反向辅助重力可以抑制反向运动的位移后退运动并缓解正向运动产生的位移激增。如图12(a)所示，如果反向运动中的动态摩擦力f

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。