六自由度壓電驅動裝置及其激勵方法制造方法及圖紙

六自由度壓電驅動裝置及其激勵方法，涉及壓電驅動領域。本發明專利技術是為了解決現有的多自由度壓電驅動裝置結構復雜、成本高、實現小型化困難、行程小的問題。本發明專利技術的六由度壓電驅動裝置，包括四組完全相同的壓電振子、基體以及工作臺；壓電振子結構包括水平彎曲壓電陶瓷組、豎直彎曲壓電陶瓷組和前端蓋；水平彎曲壓電陶瓷組施加電壓激勵信號時沿水平方向彎曲；豎直彎曲陶瓷組施加電壓激勵時沿豎直方向彎曲，通過設計四組壓電振子的電壓激勵信號，協調它們的水平和豎直彎曲運動的時序，在驅動足處形成空間多邊形的運動軌跡，進一步利用摩擦力作為驅動力，實現六自由度驅動。用于實現壓電驅動裝置的六自由度運動。

Six degree of freedom piezoelectric actuator and excitation method thereof

The invention relates to a piezoelectric drive device with six degrees of freedom and an excitation method thereof, which relates to the field of piezoelectric driving. The present invention aims to solve the problems of complicated structure, high cost, difficulty in realizing miniaturization and small stroke in the existing multi freedom piezoelectric drive device. The invention of the six degree by the piezoelectric driving device includes four identical piezoelectric vibrator, matrix and worktable; piezoelectric vibrator structure including horizontal bending piezoelectric ceramics group, vertical bending piezoelectric ceramics group and the front cover; the horizontal bending piezoelectric ceramics group applied voltage excitation signal along the horizontal direction. Vertical bending; bending ceramic group applied voltage excitation along the vertical direction by bending, voltage design four groups of piezoelectric vibrator excitation signal timing, coordinate their horizontal and vertical bending motion, forming trajectory space polygon in driving feet, further use of frictional force as the driving force, to achieve six degrees of freedom drive. A six degree of freedom motion for piezoelectric actuation.

【技術實現步驟摘要】
六自由度壓電驅動裝置及其激勵方法
本專利技術涉及六自由度壓電驅動裝置及其激勵方法。屬于壓電驅動

技術介紹
近年來，壓電驅動裝置被視為一種有效實用的精密驅動裝置，它們具有結構簡單、體積小、功率密度大、精度高、響應快等優點，這使它們可以工作在工作空間狹小，精度要求高的領域。多自由度壓電驅動裝置，具有多方向驅動能力，在工作中可以實現多種功能，具有體積小、功能多等優點。基于這些特點，多自由度壓電驅動裝置在生物醫療，MEMS加工，機器人，航天等高精度領域有著廣闊的應用前景?，F有多自由度壓電驅動裝置大部分采用多個壓電疊堆并聯機械機構的形式實現多自由驅動，但是利用多個疊堆和并聯機構組合，其結構復雜，對加工裝配要求極高；利用多個壓電疊堆驅動，成本較高；而且壓電疊堆的輸出行程很小，使得此類多自由度壓電驅動裝置輸出的位移也很小，這些特點嚴重影響了它們的應用范圍。此外，還有一部分利用單自由度壓電驅動裝置串聯而成的多自由度壓電驅動裝置，此類驅動裝置雖然擴大了行程，但是結構復雜，裝配精度要求高，大大的影響了其生產與應用。
技術實現思路
本專利技術是為了解決現有的多自由度壓電驅動裝置結構復雜、成本高、實現小型化困難、行程小的問題?，F提供六自由度壓電驅動裝置及其激勵方法。六自由度壓電驅動裝置，它包括四組壓電振子、基體和工作臺，四組壓電振子的結構均相同，每組壓電振子包括水平彎曲壓電陶瓷組、豎直彎曲壓電陶瓷組和前端蓋，水平彎曲壓電陶瓷組和豎直彎曲壓電陶瓷組組成的陶瓷組的首端與基體的四個側面固定連接，水平彎曲壓電陶瓷組和豎直彎曲壓電陶瓷組組成的陶瓷組的末端連接有前端蓋，前端蓋末端設置有驅動足，且驅動足側壁與工作臺接觸；第一組壓電振子與第三組壓電振子同軸，第二組壓電振子與第四組壓電振子同軸，第一組壓電振子與第二組壓電振子軸向垂直；水平彎曲陶瓷組包括m片水平彎曲陶瓷，豎直彎曲陶瓷組包括n片豎直彎曲陶瓷，其中，m、n均為大于等于2的偶數；相鄰兩個水平彎曲陶瓷之間設置有電極片，相鄰兩個豎直彎曲陶瓷之間設置有電極片，對水平彎曲壓電陶瓷組中的電極片施加電壓激勵信號時水平彎曲壓電陶瓷組沿水平方向彎曲，對豎直彎曲壓電陶瓷組中的電極片施加電壓激勵信號時豎直彎曲壓電陶瓷組沿豎直方向彎曲，第一組壓電振子和第三組壓電振子的水平彎曲壓電陶瓷組施加正向電壓激勵信號時沿X軸正向彎曲，施加負向電壓激勵信號時沿X軸負向彎曲，第二振子和第四振子的水平彎曲壓電陶瓷組施加正向電壓激勵信號時沿Y軸正向彎曲，施加負向電壓激勵信號時沿Y軸負向彎曲；四組壓電振子的豎直彎曲陶瓷組施加正向電壓激勵信號時沿Z軸正向彎曲，施加負向電壓激勵信號時沿Z軸負向彎曲。六自由度壓電驅動裝置的激勵方法，該方法是基于六自由度壓電驅動裝置實現的，該激勵方法能夠激勵六自由度壓電驅動裝置實現六自由度運動，六個自由度包括沿X、Y和Z軸的移動，繞X、Y和Z軸的轉動；以沿X軸正向移動為例來說明六自由度壓電驅動裝置沿X軸正向或負向移動的激勵方法：步驟一一、第一組壓電振子和第三組壓電振子的豎直彎曲陶瓷組施加正電壓，它們沿Z軸正向彎曲，帶動第一組壓電振子和第三組壓電振子的驅動足離開工作臺，此時第二組壓電振子和第四組壓電振子處于初始位置；步驟一二、第一組壓電振子和第三組壓電振子的水平彎曲陶瓷組施加正電壓，第一組壓電振子和第三組壓電振子沿X軸正向彎曲。步驟一三、第一組壓電振子和第三組壓電振子的豎直彎曲陶瓷組施加電壓降為0，它們沿Z軸負向運動，帶動第一組壓電振子和第三組壓電振子的驅動足壓在工作臺上；步驟一四、第二組壓電振子和第四組壓電振子的豎直彎曲陶瓷組施加正電壓，它們沿Z軸正向彎曲，帶動第二組壓電振子和第四組壓電振子的驅動足離開工作臺；步驟一五、第一組壓電振子和第三組壓電振子的水平彎曲陶瓷組施加電壓降為0，它們沿X軸負向運動，返回到初始位置，由于驅動足和工作臺之間的靜摩擦力，六自由度壓電驅動裝置沿X軸正向移動一步；步驟一六、第二組壓電振子和第四組壓電振子的豎直彎曲陶瓷組施加電壓降為0，它們沿Z軸負向運動，帶動第二組壓電振子和第四組壓電振子的驅動足壓在工作臺上；步驟一七、重復步驟一一到步驟一六，實現對六自由度壓電驅動裝置在工作臺上的連續驅動，實現沿X軸正向持續移動；以沿Y軸正向移動為例來說明六自由度壓電驅動裝置沿Y軸正向或負向移動的激勵方法：步驟二一、第二組壓電振子和第四組壓電振子的豎直彎曲陶瓷組施加正電壓，它們沿Z軸正向彎曲，帶動第二組壓電振子和第四組壓電振子的驅動足離開工作臺，此時第一組壓電振子和第三組壓電振子處于初始位置；步驟二二、第二組壓電振子和第四組壓電振子的水平彎曲陶瓷組施加正電壓，第二組壓電振子和第四組壓電振子沿Y軸正向彎曲。步驟二三、第二組壓電振子和第四組壓電振子的豎直彎曲陶瓷組施加電壓降為0，它們沿Z軸負向運動，帶動第二組壓電振子和第四組壓電振子的驅動足壓在工作臺上；步驟二四、第一組壓電振子和第三組壓電振子的豎直彎曲陶瓷組施加正電壓，它們沿Z軸正向彎曲，帶動第一組壓電振子和第三組壓電振子的驅動足離開工作臺；步驟二五、第二組壓電振子和第四組壓電振子的水平彎曲陶瓷組施加電壓降為0，它們沿Y軸負向運動，返回初始位置，由于驅動足和工作臺之間的靜摩擦力，六自由度壓電驅動裝置沿Y軸正向移動一步；步驟二六、第一組壓電振子和第三組壓電振子的豎直彎曲陶瓷組施加電壓降為0，它們沿Z軸負向運動，帶動第一組壓電振子和第三組壓電振子的驅動足壓在工作臺上；步驟二七、重復步驟二一到步驟二六，實現對六自由度壓電驅動裝置在工作臺上的連續驅動，實現沿Y軸正向持續移動；以繞Z軸順時針轉動為例來說明六自由度壓電驅動裝置繞Z軸順時針轉動或逆時針轉動的激勵方法：步驟三一、第一組壓電振子和第三組壓電振子的豎直彎曲陶瓷組施加正電壓，它們沿Z軸正向彎曲，帶動第一組壓電振子和第三組壓電振子的驅動足離開工作臺，此時第二組壓電振子和第四組壓電振子處于初始位置；步驟三二、第一組壓電振子的水平彎曲陶瓷組施加負電壓，第三組壓電振子的水平彎曲陶瓷組施加正電壓，第一組壓電振子沿X軸負向彎曲，第三組壓電振子沿X軸正向彎曲；步驟三三、第一組壓電振子和第三組壓電振子的豎直彎曲陶瓷組施加電壓降為0，它們沿Z軸負向運動，帶動第一組壓電振子和第三組壓電振子的驅動足壓在工作臺上；步驟三四、第二組壓電振子和第四組壓電振子的豎直彎曲陶瓷組施加正電壓，它們沿Z軸正向彎曲，帶動第二組壓電振子和第四組壓電振子的驅動足離開工作臺；步驟三五、第二組壓電振子的水平彎曲陶瓷組施加負電壓，第四組壓電振子的水平彎曲陶瓷組施加正電壓，第二組壓電振子沿Y軸負向彎曲，第四組壓電振子沿Y軸正向彎曲；步驟三六、第一組壓電振子和第三組壓電振子的水平彎曲陶瓷組施加電壓降為0，第一組壓電振子沿X軸正向運動，第三組壓電振子沿X軸負向運動，返回其初始位置，由于驅動足和工作臺之間的靜摩擦力，六自由度壓電驅動裝置沿Z軸順時針旋轉一個角度；步驟三七、第二組壓電振子和第四組壓電振子的豎直彎曲陶瓷組施加電壓降為0，它們沿Z軸負向運動，帶動第二組壓電振子和第四組壓電振子的驅動足壓在工作臺上；步驟三八、第一組壓電振子和第三組壓電振子的豎直彎曲陶瓷組施加正電壓，它們沿Z軸正向彎曲，帶動第一組壓電振子和第三組壓電振子的驅動足離開工作臺；本文檔來自技高網...

【技術保護點】
六自由度壓電驅動裝置，其特征在于，它包括四組壓電振子(1)、基體(2)和工作臺(3)，四組壓電振子(1)的結構均相同，每組壓電振子(1)包括水平彎曲壓電陶瓷組(1?1)、豎直彎曲壓電陶瓷組(1?2)和前端蓋(1?3)，水平彎曲壓電陶瓷組(1?1)和豎直彎曲壓電陶瓷組(1?2)組成的陶瓷組的首端與基體(2)的四個側面固定連接，水平彎曲壓電陶瓷組(1?1)和豎直彎曲壓電陶瓷組(1?2)組成的陶瓷組的末端連接有前端蓋(1?3)，前端蓋(1?3)末端設置有驅動足(1?5)，且驅動足(1?5)側壁與工作臺(3)接觸；第一組壓電振子(1?6)與第三組壓電振子(1?8)同軸，第二組壓電振子(1?7)與第四組壓電振子(1?9)同軸，第一組壓電振子(1?6)與第二組壓電振子(1?7)軸向垂直；水平彎曲陶瓷組(1?1)包括m片水平彎曲陶瓷(1?1?1)，豎直彎曲陶瓷組(1?2)包括n片豎直彎曲陶瓷(1?2?1)，其中，m、n均為大于等于2的偶數；相鄰兩個水平彎曲陶瓷(1?1?1)之間設置有電極片(1?4)，相鄰兩個豎直彎曲陶瓷(1?2?1)之間設置有電極片(1?4)，對水平彎曲壓電陶瓷組(1?1)中的電極片(1?4)施加電壓激勵信號時水平彎曲壓電陶瓷組(1?1)沿水平方向彎曲，對豎直彎曲壓電陶瓷組(1?2)中的電極片(1?4)施加電壓激勵信號時豎直彎曲壓電陶瓷組(1?2)沿豎直方向彎曲，第一組壓電振子(1?6)和第三組壓電振子(1?8)的水平彎曲壓電陶瓷組(1?1)施加正向電壓激勵信號時沿X軸正向彎曲，施加負向電壓激勵信號時沿X軸負向彎曲，第二振子(1?7)和第四振子(1?9)的水平彎曲壓電陶瓷組(1?1)施加正向電壓激勵信號時沿Y軸正向彎曲，施加負向電壓激勵信號時沿Y軸負向彎曲；四組壓電振子(1)的豎直彎曲陶瓷組(1?2)施加正向電壓激勵信號時沿Z軸正向彎曲，施加負向電壓激勵信號時沿Z軸負向彎曲。...

【技術特征摘要】
1.六自由度壓電驅動裝置，其特征在于，它包括四組壓電振子(1)、基體(2)和工作臺(3)，四組壓電振子(1)的結構均相同，每組壓電振子(1)包括水平彎曲壓電陶瓷組(1-1)、豎直彎曲壓電陶瓷組(1-2)和前端蓋(1-3)，水平彎曲壓電陶瓷組(1-1)和豎直彎曲壓電陶瓷組(1-2)組成的陶瓷組的首端與基體(2)的四個側面固定連接，水平彎曲壓電陶瓷組(1-1)和豎直彎曲壓電陶瓷組(1-2)組成的陶瓷組的末端連接有前端蓋(1-3)，前端蓋(1-3)末端設置有驅動足(1-5)，且驅動足(1-5)側壁與工作臺(3)接觸；第一組壓電振子(1-6)與第三組壓電振子(1-8)同軸，第二組壓電振子(1-7)與第四組壓電振子(1-9)同軸，第一組壓電振子(1-6)與第二組壓電振子(1-7)軸向垂直；水平彎曲陶瓷組(1-1)包括m片水平彎曲陶瓷(1-1-1)，豎直彎曲陶瓷組(1-2)包括n片豎直彎曲陶瓷(1-2-1)，其中，m、n均為大于等于2的偶數；相鄰兩個水平彎曲陶瓷(1-1-1)之間設置有電極片(1-4)，相鄰兩個豎直彎曲陶瓷(1-2-1)之間設置有電極片(1-4)，對水平彎曲壓電陶瓷組(1-1)中的電極片(1-4)施加電壓激勵信號時水平彎曲壓電陶瓷組(1-1)沿水平方向彎曲，對豎直彎曲壓電陶瓷組(1-2)中的電極片(1-4)施加電壓激勵信號時豎直彎曲壓電陶瓷組(1-2)沿豎直方向彎曲，第一組壓電振子(1-6)和第三組壓電振子(1-8)的水平彎曲壓電陶瓷組(1-1)施加正向電壓激勵信號時沿X軸正向彎曲，施加負向電壓激勵信號時沿X軸負向彎曲，第二振子(1-7)和第四振子(1-9)的水平彎曲壓電陶瓷組(1-1)施加正向電壓激勵信號時沿Y軸正向彎曲，施加負向電壓激勵信號時沿Y軸負向彎曲；四組壓電振子(1)的豎直彎曲陶瓷組(1-2)施加正向電壓激勵信號時沿Z軸正向彎曲，施加負向電壓激勵信號時沿Z軸負向彎曲。2.根據權利要求1所述的六自由度壓電驅動裝置，其特征在于，豎直彎曲陶瓷組(1-2)與基體(2)的四個側面固定連接或者水平彎曲陶瓷組(1-1)與基體(2)的四個側面固定連接。3.根據權利要求1所述的六自由度壓電驅動裝置，其特征在于，所述的四組壓電振子(1)在驅動過程中，驅動足(1-5)末端質點的空間運動軌跡為任意的閉合多邊形。4.六自由度壓電驅動裝置的激勵方法，該方法是基于權利要求1所述的六自由度壓電驅動裝置實現的，其特征在于，該激勵方法能夠激勵六自由度壓電驅動裝置實現六自由度運動，六個自由度包括沿X、Y和Z軸的移動，繞X、Y和Z軸的轉動；以沿X軸正向移動為例來說明六自由度壓電驅動裝置沿X軸正向或負向移動的激勵方法：步驟一一、第一組壓電振子(1-6)和第三組壓電振子(1-8)的豎直彎曲陶瓷組(1-2)施加正電壓，它們沿Z軸正向彎曲，帶動第一組壓電振子(1-6)和第三組壓電振子(1-8)的驅動足(1-5)離開工作臺(3)，此時第二組壓電振子(1-7)和第四組壓電振子(1-9)處于初始位置；步驟一二、第一組壓電振子(1-6)和第三組壓電振子(1-8)的水平彎曲陶瓷組(1-1)施加正電壓，第一組壓電振子(1-6)和第三組壓電振子(1-8)沿X軸正向彎曲。步驟一三、第一組壓電振子(1-6)和第三組壓電振子(1-8)的豎直彎曲陶瓷組(1-2)施加電壓降為0，它們沿Z軸負向運動，帶動第一組壓電振子(1-6)和第三組壓電振子(1-8)的驅動足(1-5)壓在工作臺(3)上；步驟一四、第二組壓電振子(1-7)和第四組壓電振子(1-9)的豎直彎曲陶瓷組(1-2)施加正電壓，它們沿Z軸正向彎曲，帶動第二組壓電振子(1-7)和第四組壓電振子(1-9)的驅動足(1-5)離開工作臺(3)；步驟一五、第一組壓電振子(1-6)和第三組壓電振子(1-8)的水平彎曲陶瓷組(1-1)施加電壓降為0，它們沿X軸負向運動，返回到初始位置，由于驅動足(1-5)和工作臺(3)之間的靜摩擦力，六自由度壓電驅動裝置沿X軸正向移動一步；步驟一六、第二組壓電振子(1-7)和第四組壓電振子(1-9)的豎直彎曲陶瓷組(1-2)施加電壓降為0，它們沿Z軸負向運動，帶動第二組壓電振子(1-7)和第四組壓電振子(1-9)的驅動足(1-5)壓在工作臺(3)上；步驟一七、重復步驟一一到步驟一六，實現對六自由度壓電驅動裝置在工作臺上的連續驅動，實現沿X軸正向持續移動；以沿Y軸正向移動為例來說明六自由度壓電驅動裝置沿Y軸正向或負向移動的激勵方法：步驟二一、第二組壓電振子(1-7)和第四組壓電振子(1-9)的豎直彎曲陶瓷組(1-2)施加正電壓，它們沿Z軸正向彎曲，帶動第二組壓電振子(1-7)和第四組壓電振子(1-9)的驅動足(1-5)離開工作臺(3)，此時第一組壓電振子(1-6)和第三組壓電振子(1-8)處于初始位置；步驟二二、第二組壓電振子(1-7)和第四組壓電振子(1-9)的水平彎曲陶瓷組(1-1)施加正電壓，第二組壓電振子(1-7)和第四組壓電振子(1-9)沿Y軸正向彎曲。步驟二三、第二組壓電振子(1-7)和第四組壓電振子(1-9)的豎直彎曲陶瓷組(1-2)施加電壓降為0，它們沿Z軸負向運動，帶動第二組壓電振子(1-7)和第四組壓電振子(1-9)的驅動足(1-5)壓在工作臺(3)上；步驟二四、第一組壓電振子(1-6)和第三組壓電振子(1-8)的豎直彎曲陶瓷組(1-2)施加正電壓，它們沿Z軸正向彎曲，帶動第一組壓電振子(1-6)和第三組壓電振子(1-8)的驅動足(1-5)離開工作臺(3)；步驟二五、第二組壓電振子(1-7)和第四組壓電振子(1-9)的水平彎曲陶瓷組(1-1)施加電壓降為0，它們沿Y軸負向運動，返回初始位置，由于驅動足(1-5)和工作臺(3)之間的靜摩擦力，六自由度壓電驅動裝置沿Y軸正向移動一步；步驟二六、第一組壓電振子(1-6)和第三組壓電振子(1-8)的豎直彎曲陶瓷組(1-2)施加電壓降為0，它們沿Z軸負向運動，帶動第一組壓電振子(1-6)和第三組壓電振子(1-8)的驅動足(1-5)壓在工作臺(3)上；步驟二七、重復步驟二一到步驟二六，實現對六自由度壓電驅動裝置在工作臺上的連續驅動，實現沿Y軸正向持續移動；以繞Z軸順時針轉動為例來說明六自由度壓電驅動裝置繞Z軸順時針轉動或逆時針轉動的激勵方法：步驟三一、第一組壓電振子(1-6)和第三組壓電振子(1-8)的豎直彎曲陶瓷組(1-2)施加正電壓，它們沿Z軸正向彎曲，帶動第一組壓電振子(1-6)和第三組壓電振子(1-8)的...

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉英想，鄧杰，石勝君，陳維山，馮培連，
申請(專利權)人：哈爾濱工業大學，
類型：發明
國別省市：黑龍江,23