多自由度压电粘滑微纳定位平台及其驱动方法

1.一种多自由度压电粘滑微纳定位平台，为一种双叠堆拱形定子组件实现方式的多自由度压电粘滑微纳定位平台包括x向驱动组件（1）、y向驱动组件（2）、θ z 旋转组件（3）、上壳（4）和连接螺钉三（5）；所述y向驱动组件（2）通过连接螺钉一（2-5）与动子一（1-2）上的连接孔一（1-2-5）螺纹连接固定在x向驱动组件（1）上，θ z 旋转组件（3）通过连接螺钉二（3-5）与动子二（2-2）上的连接孔二（2-2-3）螺纹连接固定在y向驱动组件（2）上，所述连接螺钉三（5）穿过上壳（4）上的沉头孔四（4-1）与上平台（3-1）上的连接孔三（3-1-3）螺纹连接，使上壳（4）安装在θ z 旋转组件（3）上；所述x向驱动组件（1）包括底座（1-1）、动子一（1-2）、定子组件一（1-3）、安装螺钉二（1-4）、加载机构（1-5）、挡板（1-6）、加载螺钉（1-7）和固定螺钉（1-8）；动子一（1-2）通过螺纹连接固定在底座（1-1）上，加载机构（1-5）与底座（1-1）滑动接触，定子组件一（1-3）通过安装螺钉二（1-4）固定在加载机构（1-5）上，加载螺钉（1-7）与挡板（1-6）螺纹连接；所述底座（1-1）设置有排线孔一（1-1-1）、安装螺孔一（1-1-2）、限位螺孔（1-1-3）、固定孔（1-1-4）和凹槽（1-1-5），所述排线孔一（1-1-1）中可放置对定子组件一（1-3）、定子组件二（2-4）和定子组件三（3-3）施加激励信号的导线；所述加载机构（1-5）置于凹槽（1-1-5）内，加载机构（1-5）与凹槽（1-1-5）滑动接触；固定螺钉（1-8）与固定孔（1-1-4）螺纹连接；动子一（1-2）包括安装螺钉一（1-2-1）、定导轨一（1-2-2）、动导轨一（1-2-3）、滚子（1-2-4）和连接孔一（1-2-5），所述定导轨一（1-2-2）通过安装螺钉一（1-2-1）与安装螺孔一（1-1-2）螺纹连接进行固定，所述滚子（1-2-4）置于定导轨一（1-2-2）和动导轨一（1-2-3）之间；所述定子组件一（1-3）包括位移转换机构（1-3-1）、压电叠堆（1-3-2）、垫片（1-3-3）、基米螺钉（1-3-4）；所述压电叠堆（1-3-2）放置于位移转换机构（1-3-1）内部，所述垫片（1-3-3）放置在压电叠堆（1-3-2）与位移转换机构（1-3-1）之间；所述基米螺钉（1-3-4）与位移转换机构（1-3-1）中的预紧螺孔（1-3-1-31）螺纹连接，并通过旋拧基米螺钉（1-3-4）使压电叠堆（1-3-2）获得初始预紧力；位移转换机构（1-3-1）设置有驱动足（1-3-1-1）、定子安装孔（1-3-1-10）、横梁（1-3-1-28）、预紧螺孔（1-3-1-31）、椭圆型铰链Ⅰ（1-3-1-33）、椭圆型铰链Ⅱ（1-3-1-37）、刚性横梁Ⅱ（1-3-1-35）、刚性曲梁Ⅰ（1-3-1-32）、刚性曲梁Ⅱ（1-3-1-34）、刚性曲梁Ⅲ（1-3-1-36）和刚性曲梁Ⅳ（1-3-1-38）；驱动足（1-3-1-1）位于横梁（1-3-1-28）的中间位置，驱动足（1-3-1-1）与动导轨一（1-2-3）线接触；所述预紧螺孔（1-3-1-31）通过与基米螺钉（1-3-4）螺纹连接以固定压电叠堆（1-3-2）；所述刚性横梁Ⅱ（1-3-1-35）位于位移转换机构（1-3-1）的中心位置，所述刚性曲梁Ⅰ（1-3-1-32）和刚性曲梁Ⅱ（1-3-1-34）通过椭圆型铰链Ⅰ（1-3-1-33）刚性连接，所述刚性曲梁Ⅲ（1-3-1-36）和刚性曲梁Ⅳ（1-3-1-38）通过椭圆型铰链Ⅱ（1-3-1-37）刚性连接；所述安装螺钉二（1-4）穿过定子安装孔（1-3-1-10）与安装螺孔二（1-5-1-2）螺纹连接；所述加载机构（1-5）设置有加载块（1-5-1）、限位轴（1-5-2）和弹簧（1-5-3）；所述限位轴（1-5-2）与加载块（1-5-1）过渡配合，所述弹簧（1-5-3）置于限位轴（1-5-2）外部；所述加载块（1-5-1）包括盲孔（1-5-1-1）和安装螺孔二（1-5-1-2），限位轴（1-5-2）与盲孔（1-5-1-1）间隙配合；所述限位轴（1-5-2）端部设有螺纹，其与限位螺孔（1-1-3）螺纹连接，所述弹簧（1-5-3）套在限位轴（1-5-2）上，并放置在底座（1-1）与加载块（1-5-1）之间；所述挡板（1-6）设置有加载螺孔（1-6-1）和沉头孔一（1-6-2），其中加载螺孔（1-6-1）与加载螺钉（1-7）螺纹连接，可实现加载块（1-5-1）的加载与复位；所述固定螺钉（1-8）穿过沉头孔一（1-6-2）与固定孔（1-1-4）螺纹连接，可实现挡板（1-6）的安装固定。 2.根据权利要求1所述的一种多自由度压电粘滑微纳定位平台，其特征在于：所述y向驱动组件（2）包括中平台（2-1）、动子二（2-2）、安装螺钉三（2-3）、定子组件二（2-4）和连接螺钉一（2-5）；动子二（2-2）通过螺纹连接安装在中平台（2-1）上；所述定子组件二（2-4）通过安装螺钉三（2-3）固定在中平台（2-1）上；所述中平台（2-1）设置有安装螺孔四（2-1-1）、沉头孔二（2-1-2）、凸台（2-1-3）、安装螺孔三（2-1-4）和排线孔二（2-1-5），所述排线孔二（2-1-5）中可放置对定子组件二（2-4）和定子组件三（3-3）施加激励信号的导线；动子二（2-2）固定在凸台（2-1-3）上，动子二（2-2）设置有安装螺钉四（2-2-1）、定导轨二（2-2-2）、连接孔二（2-2-3）和动导轨二（2-2-4），安装螺钉四（2-2-1）与安装螺孔四（2-1-1）螺纹连接；所述定子组件二（2-4）通过安装螺孔三（2-1-4）固定在中平台（2-1）上，定子组件二（2-4）与动子二（2-2）线性接触；所述连接螺钉一（2-5）与连接孔一（1-2-5）螺纹连接，可实现y向驱动组件（2）的安装固定。 3.根据权利要求1所述的一种多自由度压电粘滑微纳定位平台，其特征在于：所述θ z 旋转组件（3）包括上平台（3-1）、转子（3-2）、定子组件三（3-3）、安装螺钉五（3-4）和连接螺钉二（3-5）；所述定子组件三（3-3）通过安装螺钉五（3-4）固定在上平台（3-1）上；所述连接螺钉二（3-5）与连接孔二（2-2-3）螺纹连接，可实现θ z 旋转组件（3）的安装；所述上平台（3-1）包括圆台（3-1-1）、沉头孔三（3-1-2）、连接孔三（3-1-3）、排线孔三（3-1-4）和安装螺孔五（3-1-5），排线孔三（3-1-4）中可放置对定子组件三（3-3）施加激励信号的导线；所述转子（3-2）与圆台（3-1-1）过盈配合，通过安装螺钉五（3-4）与安装螺孔五（3-1-5）螺纹连接固定定子组件三（3-3）；所述连接螺钉二（3-5）通过沉头孔三（3-1-2）与连接孔二（2-2-3）螺纹连接，用于固定θ z 旋转组件（3）；所述定子组件一（1-3）、定子组件二（2-4）和定子组件三（3-3）的内部结构和连接方式完全相同；位移转换机构（1-3-1）采用的材料为铝合金7075；驱动足（1-3-1-1）表面涂有摩擦材料；底座（1-1）采用材料为45号钢；动子一（1-2）选用的导轨型号为VR3-75×10Z，动子二（2-2）选用的导轨型号为VR3-50×7Z；中平台（2-1）、上平台（3-1）和上壳（4）采用的材料均为铝合金5052。 4.根据权利要求1所述的一种多自由度压电粘滑微纳定位平台，其特征在于：为一种使用斜槽式定子组件实现方式的多自由度压电粘滑微纳定位平台，位移转换机构（1-3-1）为斜槽式框型结构，其还设置有驱动足（1-3-1-1）、加厚横梁（1-3-1-2）、斜槽（1-3-1-3）、直圆型铰链Ⅰ（1-3-1-4）、刚性直梁Ⅰ（1-3-1-5）、直圆型铰链Ⅱ（1-3-1-6）、直圆型铰链Ⅲ（1-3-1-7）、刚性直梁Ⅱ（1-3-1-8）、直圆型铰链Ⅳ（1-3-1-9）；所述刚性直梁Ⅰ（1-3-1-5）两端分别设有直圆形铰链Ⅰ（1-3-1-4）和直圆型铰链Ⅱ（1-3-1-6），刚性直梁Ⅱ（1-3-1-8）两端分别设置有直圆型铰链Ⅲ（1-3-1-7）和直圆型铰链Ⅳ（1-3-1-9）；驱动足（1-3-1-1）与动导轨一（1-2-3）为线性接触；所述刚性直梁Ⅰ（1-3-1-5）和刚性直梁Ⅱ（1-3-1-8）的宽度均为K，直圆形铰链Ⅰ（1-3-1-4）直圆型铰链Ⅱ（1-3-1-6）、直圆型铰链Ⅲ（1-3-1-7）、直圆型铰链Ⅳ（1-3-1-9）的半径均为R，且R需满足的取值范围为K-2R>0；所述斜槽（1-3-1-3）设置在加厚横梁（1-3-1-2）中心，并可向两侧等距阵列n个；所述斜槽（1-3-1-3）的倾斜角度为α，α满足的取值范围为α<90°。 5.根据权利要求1所述的一种多自由度压电粘滑微纳定位平台，其特征在于：为一种使用非对称定子组件实现方式的多自由度压电粘滑微纳定位平台，位移转换机构（1-3-1）为非对称框型结构，位移转换机构（1-3-1）设置有定子安装孔（1-3-1-10），位移转换机构(1-3-1)通过定子安装孔（1-3-1-10）固定在底座(1-1)上；位移转换机构(1-3-1)设置有直圆型铰链Ⅰ (1-3-1-4)、刚性直梁Ⅲ (1-3-1-13)、直圆型铰链Ⅱ（1-3-1-6）、直圆型铰链Ⅴ（1-3-1-14）、刚性直梁Ⅳ（1-3-1-15）和直圆型铰链Ⅵ（1-3-1-16），所述直圆型铰链Ⅰ（1-3-1-4）和直圆型铰链Ⅱ（1-3-1-6）通过刚性直梁Ⅲ（1-3-1-13）刚性连接，所述直圆型铰链Ⅴ（1-3-1-14）和直圆型铰链Ⅵ（1-3-1-16）通过刚性直梁Ⅳ（1-3-1-15）刚性连接；所述直圆型铰链Ⅰ（1-3-1-4）和直圆型铰链Ⅱ（1-3-1-6）半径均为R 1 ，直圆型铰链Ⅴ（1-3-1-14）和直圆型铰链Ⅵ（1-3-1-16）半径均为R 2 ， R 2 与R 1 比值的取值范围为0.1~1；位移转换机构（1-3-1）还设置有驱动足（1-3-1-1）和端部横梁（1-3-1-12），驱动足（1-3-1-1）位于端部横梁(1-3-1-12)的中间处。 6.根据权利要求1所述的一种多自由度压电粘滑微纳定位平台，其特征在于：为一种使用菱形定子组件实现方式的多自由度压电粘滑微纳定位平台，位移转换机构（1-3-1）为菱形结构；位移转换机构（1-3-1）设置有驱动足（1-3-1-1）、端部横梁（1-3-1-12）、定子安装孔（1-3-1-10）、基米螺钉安装孔（1-3-1-11）、刚性折梁Ⅰ（1-3-1-17）、刚性折梁Ⅱ（1-3-1-19）、刚性折梁Ⅲ（1-3-1-21）、刚性折梁Ⅳ（1-3-1-23）、直圆型铰链Ⅶ（1-3-1-18）、直圆型铰链Ⅷ（1-3-1-20）、直圆型铰链Ⅸ（1-3-1-22）和直圆型铰链Ⅹ（1-3-1-24）；位移转换机构（1-3-1）通过定子安装孔（1-3-1-10）固定在底座（1-1）上，驱动足（1-3-1-1）位于端部横梁（1-3-1-12）的中间位置，驱动足（1-3-1-1）与动导轨一（1-2-3）线接触，所述刚性折梁Ⅰ（1-3-1-17）与刚性折梁Ⅱ（1-3-1-19）通过直圆型铰链Ⅶ（1-3-1-18）刚性连接，所述刚性折梁Ⅲ（1-3-1-21）和刚性折梁Ⅳ（1-3-1-23）通过直圆型铰链Ⅸ（1-3-1-22）刚性连接；所述直圆型铰链Ⅶ（1-3-1-18）、直圆型铰链Ⅷ（1-3-1-20）和直圆型铰链Ⅸ（1-3-1-22）具有相同的半径值R 3 ，直圆型铰链Ⅹ（1-3-1-26）具有半径值R 4 ，R 3 与R 4 的比值为2~5，调整圆角半径R 3 与R 4 的比值，可改变位移转换机构（1-3-1）的轴向刚度分布。 7.根据权利要求1所述的一种多自由度压电粘滑微纳定位平台，其特征在于：为一种使用斜梯形定子组件实现方式的多自由度压电粘滑微纳定位平台，位移转换机构（1-3-1）为斜梯式框型结构；位移转换机构（1-3-1）设置有定子安装孔（1-3-1-10），通过安装螺钉二（1-4）与安装螺孔二（1-5-1-2）螺纹连接以固定定子组件（1-3）；位移转换机构（1-3-1）设置有刚性直梁Ⅴ（1-3-1-26）和刚性直梁Ⅵ（1-3-1-27），位移转换机构（1-3-1）设置有直圆型铰链Ⅰ（1-3-1-4）、直圆型铰链Ⅱ（1-3-1-6）、直圆型铰链Ⅲ（1-3-1-7）和直圆型铰链Ⅳ（1-3-1-9），所述直圆型铰链Ⅰ（1-3-1-4）和直圆型铰链Ⅱ（1-3-1-6）通过刚性直梁Ⅴ（1-3-1-26）刚性连接，所述直圆型铰链Ⅲ（1-3-1-7）和直圆型铰链Ⅳ（1-3-1-9）通过刚性直梁Ⅵ（1-3-1-27）刚性连接；所述直圆型铰链Ⅰ（1-3-1-4）、直圆型铰链Ⅱ（1-3-1-6）、直圆型铰链Ⅲ（1-3-1-7）和直圆型铰链Ⅳ（1-3-1-9）具有相同的半径值R 5 ；位移转换机构（1-3-1）设置有斜梯型梁（1-3-1-25），所述斜梯型梁（1-3-1-25）与水平方向的夹角为γ，其中γ取值范围为10°~80°。 8.根据权利要求1所述的一种多自由度压电粘滑微纳定位平台，其特征在于：为一种使用双叠堆单驱动足定子组件实现方式的多自由度压电粘滑微纳定位平台，位移转换机构（1-3-1）为双叠堆直梁式框型结构；位移转换机构（1-3-1）设置有定子安装孔（1-3-1-10）、预紧螺孔（1-3-1-31）、驱动足（1-3-1-1）、横梁（1-3-1-28）、刚性直梁Ⅶ（1-3-1-29）、直圆型铰链Ⅰ（1-3-1-4）、直圆型铰链Ⅱ（1-3-1-6）、直圆型铰链Ⅲ（1-3-1-7）、直圆型铰链Ⅳ（1-3-1-9）、刚性横梁Ⅰ（1-3-1-30）、直圆型铰链Ⅴ（1-3-1-14）和直圆型铰链Ⅵ（1-3-1-16）；驱动足（1-3-1-1）位于横梁（1-3-1-28）的中间位置，通过安装螺钉二（1-4）与安装螺孔二（1-5-1-2）螺纹连接以固定定子组件（1-3），所述直圆型铰链Ⅰ（1-3-1-4）和直圆型铰链Ⅱ（1-3-1-6）通过刚性直梁Ⅶ（1-3-1-29）刚性连接，所述直圆型铰链Ⅴ（1-3-1-14）和直圆型铰链Ⅵ（1-3-1-16）通过刚性横梁Ⅰ（1-3-1-30）刚性连接。 9.一种多自由度压电粘滑微纳定位平台的驱动方法，该驱动方法是基于权利要求1所述的多自由度压电粘滑微纳定位平台实现；所述驱动方法中采用的复合激励电信号实现，复合激励电信号包括摩擦调控波和驱动波，通过将摩擦调控波复合叠加于驱动波的快速通电阶段，激发驱动定子在快速变形阶段处于微副高频共振状态，基于超声减摩效应降低快速变形阶段驱动定子与双列交叉滚柱导轨间的摩擦阻力；所述驱动波为锯齿波，所述摩擦调控波为正弦波；其中锯齿波的周期为T 1 ，激励电压幅值为V 1 ，对称性为S，正弦波周期为T 2 ，激励电压幅值为V 2 ，锯齿波与正弦波的周期比为T 1 /T 2 =100~20000，激励电压幅值比为V 1 /V 2 =2~6。