一種大行程高精度微納驅(qū)動裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種大行程高精度微納驅(qū)動裝置，屬于微驅(qū)動與精密定位技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，開發(fā)大行程范圍內(nèi)的具有納米級定位精度的精密驅(qū)動裝置已成為當(dāng)前微驅(qū)動與精密定位技術(shù)領(lǐng)域中亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。近年來，以壓電螺紋電機為精密驅(qū)動器，通過機械傳動機構(gòu)實現(xiàn)裝置的精密驅(qū)動與定位受到廣泛關(guān)注，與傳統(tǒng)機械、電磁、流體等驅(qū)動方式相比，因其具有運動穩(wěn)定性能好、無電磁干擾、控制簡單等技術(shù)優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于航空航天、生物工程、醫(yī)療器械等微驅(qū)動與精密定位技術(shù)領(lǐng)域。
[0003]中國專利《螺紋驅(qū)動多面體超聲電機》，授權(quán)公告號為CN 100438307 C，授權(quán)公告日為2008年11月26日，公開的一種螺紋驅(qū)動多面體超聲電機，其由定子、轉(zhuǎn)子以及與定子或轉(zhuǎn)子粘接成一體的多個多個壓電陶瓷片構(gòu)成，所述的定子與轉(zhuǎn)子相接觸的表面帶有螺紋，所述轉(zhuǎn)子也帶有與定子相配合的螺紋；中國專利《超聲導(dǎo)螺桿電動機》，授權(quán)公告號為CN 1879232 B，授權(quán)公告日為2010年4月7日，公開了一種用于驅(qū)動包含具有旋轉(zhuǎn)軸的螺紋軸和與其配合的螺紋螺母的螺紋軸組件的裝置，將螺紋螺母進行超聲振動導(dǎo)致螺紋軸沿著軸向方向同時旋轉(zhuǎn)并移動，螺紋軸連接到將軸向力施加到螺紋軸的載荷；中國專利《利用柱狀定子高階彎曲振動模態(tài)的螺紋驅(qū)動型旋轉(zhuǎn)直線超聲電機》，申請公告號為CN 102843063A，授權(quán)公告日為2012年12月26日，公開的一種利用柱狀定子高階彎曲振動模態(tài)的螺紋驅(qū)動型旋轉(zhuǎn)直線超聲電機，其包括螺紋輸出軸、金屬管彈性套筒和m組壓電陶瓷片，或者包括螺紋輸出軸、壓電陶瓷管、兩個金屬帽和P組外電極，本實用新型為通過激發(fā)自由定子空間上相互正交的兩個高階彎曲振動，如二階或三階彎曲振動模態(tài)，利用振動的疊加與耦合，在由金屬管彈性套管和m組壓電陶瓷片組成的定子驅(qū)動端的內(nèi)表面產(chǎn)生驅(qū)動行波，定子與螺紋輸出軸通過螺紋副傳動，在軸向負(fù)載力的作用下實現(xiàn)輸出軸的旋轉(zhuǎn)-直線運動輸出；中國專利《基于壓電螺紋驅(qū)動技術(shù)的微動臺》，申請公布號為CN 103199732 A，申請公布日為2013年7月10日，公開的一種基于壓電螺紋驅(qū)動技術(shù)的微動臺，其包括采用壓電螺紋驅(qū)動器直接驅(qū)動微動臺一維微動臺和二維微動臺；在上板上的適當(dāng)位置上對稱設(shè)置兩個固定套筒，兩個壓電螺紋驅(qū)動器與固定套筒內(nèi)螺紋配合連接；壓電螺紋驅(qū)動器中心固定驅(qū)動螺桿，并與下板接觸；兩個彈簧與鋼球呈等腰三角形支撐在上板與下板之間本實用新型壓電陶瓷的微振動可使驅(qū)動螺桿沿直線的正、反方向運動，驅(qū)動螺桿直接驅(qū)動微動臺，無中間傳動機構(gòu)；中國專利《壓電片夾心式旋轉(zhuǎn)直線超聲電機定子》，授權(quán)公告號為CN 102355157 B，授權(quán)公告日為2014年2月12日，公開的一種壓電片夾心式旋轉(zhuǎn)直線超聲電機定子，其采用壓電片夾心結(jié)構(gòu)，壓電陶瓷片利用高機電耦合效率的毛模式對定子進行激勵，通過激發(fā)定子空間上相互正交的兩個低階彎曲振動，利用振動的疊加與耦合，在驅(qū)動端的內(nèi)表面產(chǎn)生驅(qū)動行波，驅(qū)動端與輸出軸通過螺紋副傳動，在軸向負(fù)載力的作用下實現(xiàn)輸出軸的旋轉(zhuǎn)直線運動輸出；中國專利《模態(tài)轉(zhuǎn)換型壓電螺紋傳動直線超聲電機》，授權(quán)公布號為CN 102185519B，授權(quán)公布日為2013年11月6日，公開的一種模態(tài)轉(zhuǎn)換型壓電螺紋傳動直線超聲電機，其包括定子和動子，所述定子包括支撐架、縱振壓電陶瓷片組和縱扭模態(tài)轉(zhuǎn)換器，支撐架中間設(shè)有用于固定電機的環(huán)片，縱振壓電陶瓷片組通過螺紋壓緊的方式固定在支撐架和縱扭模態(tài)轉(zhuǎn)換器之間，所述動子是外圓柱面上加工有外螺紋的圓柱體，通過外螺紋和縱扭模態(tài)轉(zhuǎn)換器上的內(nèi)螺紋配合。
[0004]上述幾種利用壓電螺紋電機作為動力源實現(xiàn)裝置驅(qū)動與定位的技術(shù)方案，其雖在某一定位方法的激勵作用下能夠?qū)崿F(xiàn)厘米級甚至分米級行程范圍內(nèi)的驅(qū)動與定位，但其具有定位精度低、承載能力小等技術(shù)問題，一般僅能獲得微米級的定位精度，難以實現(xiàn)納米級的定位精度，在一定程度上限制了精密驅(qū)動與微定位技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為解決當(dāng)前利用壓電驅(qū)動器作為動力源實現(xiàn)裝置的驅(qū)動與定位，所導(dǎo)致的難以實現(xiàn)納米級定位精度、承載能力小等技術(shù)問題，本實用新型公開了一種大行程高精度微納驅(qū)動裝置。
[0006]本實用新型所采用的技術(shù)方案是:所述大行程高精度微納驅(qū)動裝置包括固定外架、第一驅(qū)動模組、第二驅(qū)動模組、運動解耦組件、連接螺桿、承載板、導(dǎo)向套和緊固螺栓。
[0007]所述第一驅(qū)動模組由激振體、壓電片和傳動體組成；所述激振體為自由梁或懸臂梁結(jié)構(gòu)彈性體；所述壓電片為^激振模式的矩形壓電陶瓷片或毛、I激振模式的圓環(huán)形壓電陶瓷片；所述傳動體為設(shè)置有外螺紋的圓柱體結(jié)構(gòu)。所述第二驅(qū)動模組由壓電疊堆和支撐板組成；所述支撐板為盤狀結(jié)構(gòu)，其上端部表面沿圓周方向均勻設(shè)置有k個盲孔，用于實現(xiàn)k個壓電疊堆的緊固安裝與布置，其中k為大于I的整數(shù)；所述支撐板設(shè)置有一通孔結(jié)構(gòu)，其用于實現(xiàn)壓電疊堆通電導(dǎo)線的引出；所述支撐板上表面中心位置設(shè)有內(nèi)螺紋孔，其用于與連接螺桿旋合連接實現(xiàn)壓電疊堆的加壓預(yù)緊與承載板直線位移運動的傳遞。所述固定外架為一端部設(shè)有法蘭蓋的中空圓柱體結(jié)構(gòu)；所述法蘭蓋側(cè)端面沿圓周方向均勻設(shè)置有P個用于固定安裝的通孔，其中P為大于I的整數(shù)；所述固定外架自由端部設(shè)置有內(nèi)階梯孔，其用于實現(xiàn)導(dǎo)向套的緊固安裝；所述固定外架靠近懸臂端部設(shè)置有通孔結(jié)構(gòu)，其用于實現(xiàn)通電導(dǎo)線的引出。所述運動解耦組件的實現(xiàn)方式可為球頭解耦或軸承解耦。所述承載板為盤狀結(jié)構(gòu)，其上端部表面沿圓周方向均勻設(shè)置有h個螺紋孔，用于實現(xiàn)外部負(fù)載的直線位移運動輸出，其中h為大于等于I的整數(shù)；所述承載板上端部表面中心位置設(shè)有內(nèi)六角孔結(jié)構(gòu)，其用于實現(xiàn)壓電疊堆的加壓預(yù)緊；所述承載板下端部表面中心位置設(shè)有內(nèi)螺紋孔，其用于與連接螺桿旋合連接實現(xiàn)承載板直線位移運動的輸出。所述導(dǎo)向套用于實現(xiàn)承載板和支撐板的支撐與位移運動輸出的導(dǎo)向。
[0008]所述本實用新型大行程高精度微納驅(qū)動裝置的定位方法具體為利用第一驅(qū)動模組實現(xiàn)大行程微米定位和利用第二驅(qū)動模組實現(xiàn)納米定位的復(fù)合定位方法:
[0009]所述利用第一驅(qū)動模組實現(xiàn)大行程微米定位方法具體為，施加驅(qū)動相位差為90度或270度的交流激勵電信號于第一驅(qū)動模組的壓電片，所述交流激勵電信號可采用幅值為哈1周期為TW正弦、方波或鋸齒波等周期電信號，經(jīng)通電激勵時間A=iT后，可分別實現(xiàn)第一驅(qū)動模組正反兩個方向厘米級或分米級大行程范圍內(nèi)的微米級定位，其中i為大于等于I的整數(shù)。
[0010]所述利用第二驅(qū)動模組實現(xiàn)納米定位方法具體為，施加斜率為先的直流電信號于第二驅(qū)動模組的壓電疊堆，經(jīng)通電激勵時間i2=jT后激勵電信號的幅值為冷2，可實現(xiàn)第二驅(qū)動模組的納米級定位，最終實現(xiàn)本實用新型的大行程納米級定位控制，完成外界負(fù)載納米級位移運動的輸出，其中J為大于等于I的整數(shù)。
[0011]本實用新型的有益效果是:本實用新型采用螺紋副傳動實現(xiàn)第一驅(qū)動模組的動力傳遞和運動輸出與采用壓電疊堆實現(xiàn)第二驅(qū)動模組的動力傳遞和運動輸出相結(jié)合的復(fù)合驅(qū)動方式，故本實用新型大行程高精度微納驅(qū)動裝置具有結(jié)構(gòu)緊湊、承載能力大以及定位精度高等技術(shù)優(yōu)點；本實用新型采用基于第一驅(qū)動模組實現(xiàn)大行程微米定位和基于第二驅(qū)動模組實現(xiàn)納米定位的復(fù)合定位方法進行激勵，故本實用新型大行程高精度微納驅(qū)動裝置在該定位方法激勵下能夠有效消除螺紋間隙與傳動間隙的影響，在保證厘米級甚至分米級的有效行程范圍內(nèi)，可實現(xiàn)納米級的定位精度，顯著提高了裝置的定位精度，同時通過采用螺紋副傳動，使得承載能力可達百牛級以上，在微驅(qū)動與精密定位技術(shù)領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0012]圖1所示為本實用新型提出的一種貼片式自由梁結(jié)構(gòu)激振體球頭解耦組件實現(xiàn)方式的大行程高精度微納驅(qū)動裝置的剖視圖；
[0013]圖2所示為本實用新型提出的一種自由梁結(jié)構(gòu)激振體的大行程高精度微納驅(qū)動裝置的固定外架的軸向剖視圖；
[0014]圖3所示為本實用新型提出的一種自由梁結(jié)構(gòu)激振體的大行程高精度微納驅(qū)動裝置的固定外架的橫向剖視圖；
[0015]圖4所示為本實用新型提出的一種貼片式自由梁結(jié)構(gòu)激振體的大行程高精度微納驅(qū)動裝置的激振體的俯視圖；
[0016]圖5所示為本實用新型提出的一種貼片式自由梁結(jié)構(gòu)激振體的大行程高精度微納驅(qū)動裝置的激振體的剖視圖；
[0017]圖6所示為本實用新型提出的一種球頭解耦組件實現(xiàn)方式的大行程高精度微納驅(qū)動裝置的傳動體的主視圖；
[0018]圖7所示為本實用新型提出的一種球頭解耦組件實現(xiàn)方式的大行程高精度微納驅(qū)動裝置的傳動體的俯視圖；
[0019]圖8所示為本實用新型提出的一種大行程高精度微納驅(qū)動裝置的導(dǎo)向套的剖視圖；
[0020]圖9所示為本實用新型提出的一種大行程高精度微納驅(qū)動裝置的承載板的俯視圖；
[0021]圖10所示為本實用新型提出的一種大行程高精度微納驅(qū)動裝置的承載板的剖視圖；
[0022]圖11所示為本實用新型提出的一種大行程高精度微納驅(qū)動裝置帶有轉(zhuǎn)接頭的壓電疊堆機械封裝結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖12所示為本實用新型提出的一種大行程高精度微納驅(qū)動裝置的連接螺桿的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖13所示為本實用新型提出的一種球頭