一種大行程高精度微納驅(qū)動(dòng)裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種大行程高精度微納驅(qū)動(dòng)裝置，屬于微驅(qū)動(dòng)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(kāi)發(fā)大行程范圍內(nèi)的具有納米級(jí)定位精度的精密驅(qū)動(dòng)裝置已成為當(dāng)前微驅(qū)動(dòng)與精密定位技術(shù)領(lǐng)域中亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題之一。近年來(lái)，以壓電螺紋電機(jī)為精密驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)裝置的精密驅(qū)動(dòng)與定位受到廣泛關(guān)注，與傳統(tǒng)機(jī)械、電磁、流體等驅(qū)動(dòng)方式相比，因其具有運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性能好、無(wú)電磁干擾、控制簡(jiǎn)單等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，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(dòng)與精密定位技術(shù)領(lǐng)域。
[0003]中國(guó)專(zhuān)利《螺紋驅(qū)動(dòng)多面體超聲電機(jī)》，授權(quán)公告號(hào)為CN 100438307 C，授權(quán)公告日為2008年11月26日，公開(kāi)的一種螺紋驅(qū)動(dòng)多面體超聲電機(jī)，其由定子、轉(zhuǎn)子以及與定子或轉(zhuǎn)子粘接成一體的多個(gè)多個(gè)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(guó)專(zhuān)利《超聲導(dǎo)螺桿電動(dòng)機(jī)》，授權(quán)公告號(hào)為CN 1879232 B，授權(quán)公告日為2010年4月7日，公開(kāi)了一種用于驅(qū)動(dòng)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(jìn)行超聲振動(dòng)導(dǎo)致螺紋軸沿著軸向方向同時(shí)旋轉(zhuǎn)并移動(dòng)，螺紋軸連接到將軸向力施加到螺紋軸的載荷；中國(guó)專(zhuān)利《利用柱狀定子高階彎曲振動(dòng)模態(tài)的螺紋驅(qū)動(dòng)型旋轉(zhuǎn)直線超聲電機(jī)》，申請(qǐng)公告號(hào)為CN 102843063A，授權(quán)公告日為2012年12月26日，公開(kāi)的一種利用柱狀定子高階彎曲振動(dòng)模態(tài)的螺紋驅(qū)動(dòng)型旋轉(zhuǎn)直線超聲電機(jī)，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(gè)金屬帽和P組外電極，本實(shí)用新型為通過(guò)激發(fā)自由定子空間上相互正交的兩個(gè)高階彎曲振動(dòng)，如二階或三階彎曲振動(dòng)模態(tài)，利用振動(dòng)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(dòng)端的內(nèi)表面產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)行波，定子與螺紋輸出軸通過(guò)螺紋副傳動(dòng)，在軸向負(fù)載力的作用下實(shí)現(xiàn)輸出軸的旋轉(zhuǎn)-直線運(yùn)動(dòng)輸出；中國(guó)專(zhuān)利《基于壓電螺紋驅(qū)動(dòng)技術(shù)的微動(dòng)臺(tái)》，申請(qǐng)公布號(hào)為CN 103199732 A，申請(qǐng)公布日為2013年7月10日，公開(kāi)的一種基于壓電螺紋驅(qū)動(dòng)技術(shù)的微動(dòng)臺(tái)，其包括采用壓電螺紋驅(qū)動(dòng)器直接驅(qū)動(dòng)微動(dòng)臺(tái)一維微動(dòng)臺(tái)和二維微動(dòng)臺(tái)；在上板上的適當(dāng)位置上對(duì)稱(chēng)設(shè)置兩個(gè)固定套筒，兩個(gè)壓電螺紋驅(qū)動(dòng)器與固定套筒內(nèi)螺紋配合連接；壓電螺紋驅(qū)動(dòng)器中心固定驅(qū)動(dòng)螺桿，并與下板接觸；兩個(gè)彈簧與鋼球呈等腰三角形支撐在上板與下板之間本實(shí)用新型壓電陶瓷的微振動(dòng)可使驅(qū)動(dòng)螺桿沿直線的正、反方向運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)螺桿直接驅(qū)動(dòng)微動(dòng)臺(tái)，無(wú)中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；中國(guó)專(zhuān)利《壓電片夾心式旋轉(zhuǎn)直線超聲電機(jī)定子》，授權(quán)公告號(hào)為CN 102355157 B，授權(quán)公告日為2014年2月12日，公開(kāi)的一種壓電片夾心式旋轉(zhuǎn)直線超聲電機(jī)定子，其采用壓電片夾心結(jié)構(gòu)，壓電陶瓷片利用高機(jī)電耦合效率的毛模式對(duì)定子進(jìn)行激勵(lì)，通過(guò)激發(fā)定子空間上相互正交的兩個(gè)低階彎曲振動(dòng)，利用振動(dòng)的疊加與耦合，在驅(qū)動(dòng)端的內(nèi)表面產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)行波，驅(qū)動(dòng)端與輸出軸通過(guò)螺紋副傳動(dòng)，在軸向負(fù)載力的作用下實(shí)現(xiàn)輸出軸的旋轉(zhuǎn)直線運(yùn)動(dòng)輸出；中國(guó)專(zhuān)利《模態(tài)轉(zhuǎn)換型壓電螺紋傳動(dòng)直線超聲電機(jī)》，授權(quán)公布號(hào)為CN 102185519B，授權(quán)公布日為2013年11月6日，公開(kāi)的一種模態(tài)轉(zhuǎn)換型壓電螺紋傳動(dòng)直線超聲電機(jī)，其包括定子和動(dòng)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(jī)的環(huán)片，縱振壓電陶瓷片組通過(guò)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(dòng)子是外圓柱面上加工有外螺紋的圓柱體，通過(guò)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(jī)作為動(dòng)力源實(shí)現(xiàn)裝置驅(qū)動(dòng)與定位的技術(shù)方案，其雖在某一定位方法的激勵(lì)作用下能夠?qū)崿F(xiàn)厘米級(jí)甚至分米級(jí)行程范圍內(nèi)的驅(qū)動(dòng)與定位，但其具有定位精度低、承載能力小等技術(shù)問(wèn)題，一般僅能獲得微米級(jí)的定位精度，難以實(shí)現(xiàn)納米級(jí)的定位精度，在一定程度上限制了精密驅(qū)動(dòng)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(dòng)器作為動(dòng)力源實(shí)現(xiàn)裝置的驅(qū)動(dòng)與定位，所導(dǎo)致的難以實(shí)現(xiàn)納米級(jí)定位精度、承載能力小等技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型公開(kāi)了一種大行程高精度微納驅(qū)動(dòng)裝置。
[0006]本實(shí)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(dòng)裝置包括固定外架、第一驅(qū)動(dòng)模組、第二驅(qū)動(dòng)模組、運(yùn)動(dòng)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(dòng)模組由激振體、壓電片和傳動(dòng)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(dòng)體為設(shè)置有外螺紋的圓柱體結(jié)構(gòu)。所述第二驅(qū)動(dòng)模組由壓電疊堆和支撐板組成；所述支撐板為盤(pán)狀結(jié)構(gòu)，其上端部表面沿圓周方向均勻設(shè)置有k個(gè)盲孔，用于實(shí)現(xiàn)k個(gè)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(shí)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(shí)現(xiàn)壓電疊堆的加壓預(yù)緊與承載板直線位移運(yùn)動(dòng)的傳遞。所述固定外架為一端部設(shè)有法蘭蓋的中空?qǐng)A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(gè)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(shí)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(shí)現(xiàn)通電導(dǎo)線的引出。所述運(yùn)動(dòng)解耦組件的實(shí)現(xiàn)方式可為球頭解耦或軸承解耦。所述承載板為盤(pán)狀結(jié)構(gòu)，其上端部表面沿圓周方向均勻設(shè)置有h個(gè)螺紋孔，用于實(shí)現(xiàn)外部負(fù)載的直線位移運(yùn)動(dòng)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(shí)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(shí)現(xiàn)承載板直線位移運(yùn)動(dòng)的輸出。所述導(dǎo)向套用于實(shí)現(xiàn)承載板和支撐板的支撐與位移運(yùn)動(dòng)輸出的導(dǎo)向。
[0008]所述本實(shí)用新型大行程高精度微納驅(qū)動(dòng)裝置的定位方法具體為利用第一驅(qū)動(dòng)模組實(shí)現(xiàn)大行程微米定位和利用第二驅(qū)動(dòng)模組實(shí)現(xiàn)納米定位的復(fù)合定位方法:
[0009]所述利用第一驅(qū)動(dòng)模組實(shí)現(xiàn)大行程微米定位方法具體為，施加驅(qū)動(dòng)相位差為90度或270度的交流激勵(lì)電信號(hào)于第一驅(qū)動(dòng)模組的壓電片，所述交流激勵(lì)電信號(hào)可采用幅值為哈1周期為T(mén)W正弦、方波或鋸齒波等周期電信號(hào)，經(jīng)通電激勵(lì)時(shí)間A=iT后，可分別實(shí)現(xiàn)第一驅(qū)動(dòng)模組正反兩個(gè)方向厘米級(jí)或分米級(jí)大行程范圍內(nèi)的微米級(jí)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(dòng)模組實(shí)現(xiàn)納米定位方法具體為，施加斜率為先的直流電信號(hào)于第二驅(qū)動(dòng)模組的壓電疊堆，經(jīng)通電激勵(lì)時(shí)間i2=jT后激勵(lì)電信號(hào)的幅值為冷2，可實(shí)現(xiàn)第二驅(qū)動(dòng)模組的納米級(jí)定位，最終實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型的大行程納米級(jí)定位控制，完成外界負(fù)載納米級(jí)位移運(yùn)動(dòng)的輸出，其中J為大于等于I的整數(shù)。
[0011]本實(shí)用新型的有益效果是:本實(shí)用新型采用螺紋副傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)第一驅(qū)動(dòng)模組的動(dòng)力傳遞和運(yùn)動(dòng)輸出與采用壓電疊堆實(shí)現(xiàn)第二驅(qū)動(dòng)模組的動(dòng)力傳遞和運(yùn)動(dòng)輸出相結(jié)合的復(fù)合驅(qū)動(dòng)方式，故本實(shí)用新型大行程高精度微納驅(qū)動(dòng)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(diǎn)；本實(shí)用新型采用基于第一驅(qū)動(dòng)模組實(shí)現(xiàn)大行程微米定位和基于第二驅(qū)動(dòng)模組實(shí)現(xiàn)納米定位的復(fù)合定位方法進(jìn)行激勵(lì)，故本實(shí)用新型大行程高精度微納驅(qū)動(dòng)裝置在該定位方法激勵(lì)下能夠有效消除螺紋間隙與傳動(dòng)間隙的影響，在保證厘米級(jí)甚至分米級(jí)的有效行程范圍內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)納米級(jí)的定位精度，顯著提高了裝置的定位精度，同時(shí)通過(guò)采用螺紋副傳動(dòng)，使得承載能力可達(dá)百牛級(jí)以上，在微驅(qū)動(dòng)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(shuō)明】
[0012]圖1所示為本實(shí)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(shí)現(xiàn)方式的大行程高精度微納驅(qū)動(dòng)裝置的剖視圖；
[0013]圖2所示為本實(shí)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(dòng)裝置的固定外架的軸向剖視圖；
[0014]圖3所示為本實(shí)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(dòng)裝置的固定外架的橫向剖視圖；
[0015]圖4所示為本實(shí)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(dòng)裝置的激振體的俯視圖；
[0016]圖5所示為本實(shí)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(dòng)裝置的激振體的剖視圖；
[0017]圖6所示為本實(shí)用新型提出的一種球頭解耦組件實(shí)現(xiàn)方式的大行程高精度微納驅(qū)動(dòng)裝置的傳動(dòng)體的主視圖；
[0018]圖7所示為本實(shí)用新型提出的一種球頭解耦組件實(shí)現(xiàn)方式的大行程高精度微納驅(qū)動(dòng)裝置的傳動(dòng)體的俯視圖；
[0019]圖8所示為本實(shí)用新型提出的一種大行程高精度微納驅(qū)動(dòng)裝置的導(dǎo)向套的剖視圖；
[0020]圖9所示為本實(shí)用新型提出的一種大行程高精度微納驅(qū)動(dòng)裝置的承載板的俯視圖；
[0021]圖10所示為本實(shí)用新型提出的一種大行程高精度微納驅(qū)動(dòng)裝置的承載板的剖視圖；
[0022]圖11所示為本實(shí)用新型提出的一種大行程高精度微納驅(qū)動(dòng)裝置帶有轉(zhuǎn)接頭的壓電疊堆機(jī)械封裝結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖12所示為本實(shí)用新型提出的一種大行程高精度微納驅(qū)動(dòng)裝置的連接螺桿的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖13所示為本實(shí)用新型提出的一種球頭