大行程高精度微纳驱动装置及其定位方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种大行程高精度微纳驱动装置及其定位方法，属于微驱动与精密定位技术领域。
【背景技术】
[0002]随着科学技术的飞速发展，开发大行程范围内的具有纳米级定位精度的精密驱动装置已成为当前微驱动与精密定位技术领域中亟待解决的关键技术问题之一。近年来，以压电螺纹电机为精密驱动器，通过机械传动机构实现装置的精密驱动与定位受到广泛关注，与传统机械、电磁、流体等驱动方式相比，因其具有运动稳定性能好、无电磁干扰、控制简单等技术优势，被广泛应用于航空航天、生物工程、医疗器械等微驱动与精密定位技术领域。
[0003]中国专利《螺纹驱动多面体超声电机》，授权公告号为CN 100438307 C，授权公告日为2008年11月26日，公开的一种螺纹驱动多面体超声电机，其由定子、转子以及与定子或转子粘接成一体的多个多个压电陶瓷片构成，所述的定子与转子相接触的表面带有螺纹，所述转子也带有与定子相配合的螺纹；中国专利《超声导螺杆电动机》，授权公告号为CN 1879232 B，授权公告日为2010年4月7日，公开了一种用于驱动包含具有旋转轴的螺纹轴和与其配合的螺纹螺母的螺纹轴组件的装置，将螺纹螺母进行超声振动导致螺纹轴沿着轴向方向同时旋转并移动，螺纹轴连接到将轴向力施加到螺纹轴的载荷；中国专利《利用柱状定子高阶弯曲振动模态的螺纹驱动型旋转直线超声电机》，申请公告号为CN 102843063A，授权公告日为2012年12月26日，公开的一种利用柱状定子高阶弯曲振动模态的螺纹驱动型旋转直线超声电机，其包括螺纹输出轴、金属管弹性套筒和m组压电陶瓷片，或者包括螺纹输出轴、压电陶瓷管、两个金属帽和P组外电极，本发明为通过激发自由定子空间上相互正交的两个高阶弯曲振动，如二阶或三阶弯曲振动模态，利用振动的叠加与耦合，在由金属管弹性套管和m组压电陶瓷片组成的定子驱动端的内表面产生驱动行波，定子与螺纹输出轴通过螺纹副传动，在轴向负载力的作用下实现输出轴的旋转-直线运动输出；中国专利《基于压电螺纹驱动技术的微动台》，申请公布号为CN 103199732 A，申请公布日为2013年7月10日，公开的一种基于压电螺纹驱动技术的微动台，其包括采用压电螺纹驱动器直接驱动微动台一维微动台和二维微动台；在上板上的适当位置上对称设置两个固定套筒，两个压电螺纹驱动器与固定套筒内螺纹配合连接；压电螺纹驱动器中心固定驱动螺杆，并与下板接触；两个弹簧与钢球呈等腰三角形支撑在上板与下板之间本发明压电陶瓷的微振动可使驱动螺杆沿直线的正、反方向运动，驱动螺杆直接驱动微动台，无中间传动机构；中国专利《压电片夹心式旋转直线超声电机定子》，授权公告号为CN 102355157 B，授权公告日为2014年2月12日，公开的一种压电片夹心式旋转直线超声电机定子，其采用压电片夹心结构，压电陶瓷片利用高机电耦合效率的43模式对定子进行激励，通过激发定子空间上相互正交的两个低阶弯曲振动，利用振动的叠加与耦合，在驱动端的内表面产生驱动行波，驱动端与输出轴通过螺纹副传动，在轴向负载力的作用下实现输出轴的旋转直线运动输出；中国专利《模态转换型压电螺纹传动直线超声电机》，授权公布号为CN 102185519 B，授权公布日为2013年11月6日，公开的一种模态转换型压电螺纹传动直线超声电机，其包括定子和动子，所述定子包括支撑架、纵振压电陶瓷片组和纵扭模态转换器，支撑架中间设有用于固定电机的环片，纵振压电陶瓷片组通过螺纹压紧的方式固定在支撑架和纵扭模态转换器之间，所述动子是外圆柱面上加工有外螺纹的圆柱体，通过外螺纹和纵扭模态转换器上的内螺纹配合。
[0004]上述几种利用压电螺纹电机作为动力源实现装置驱动与定位的技术方案，其虽在某一定位方法的激励作用下能够实现厘米级甚至分米级行程范围内的驱动与定位，但其具有定位精度低、承载能力小等技术问题，一般仅能获得微米级的定位精度，难以实现纳米级的定位精度，在一定程度上限制了精密驱动与微定位技术领域的发展。
【发明内容】
[0005]为解决当前利用压电驱动器作为动力源实现装置的驱动与定位，所导致的难以实现纳米级定位精度、承载能力小等技术问题，本发明公开了一种大行程高精度微纳驱动装置及其定位方法。
[0006]本发明所采用的技术方案是:所述大行程高精度微纳驱动装置及其定位方法包括固定外架、第一驱动模组、第二驱动模组、运动解耦组件、连接螺杆、承载板、导向套和紧固螺栓。
[0007]所述第一驱动模组由激振体、压电片和传动体组成；所述激振体为自由梁或悬臂梁结构弹性体；所述压电片为名激振模式的矩形压电陶瓷片或43、4激振模式的圆环形压电陶瓷片；所述传动体为设置有外螺纹的圆柱体结构。所述第二驱动模组由压电叠堆和支撑板组成；所述支撑板为盘状结构，其上端部表面沿圆周方向均匀设置有k个盲孔，用于实现k个压电叠堆的紧固安装与布置，其中k为大于1的整数；所述支撑板设置有一通孔结构，其用于实现压电叠堆通电导线的引出；所述支撑板上表面中心位置设有内螺纹孔，其用于与连接螺杆旋合连接实现压电叠堆的加压预紧与承载板直线位移运动的传递。所述固定外架为一端部设有法兰盖的中空圆柱体结构；所述法兰盖侧端面沿圆周方向均匀设置有P个用于固定安装的通孔，其中P为大于1的整数；所述固定外架自由端部设置有内阶梯孔，其用于实现导向套的紧固安装；所述固定外架靠近悬臂端部设置有通孔结构，其用于实现通电导线的引出。所述运动解耦组件的实现方式可为球头解耦或轴承解耦。所述承载板为盘状结构，其上端部表面沿圆周方向均匀设置有h个螺纹孔，用于实现外部负载的直线位移运动输出，其中h为大于等于1的整数；所述承载板上端部表面中心位置设有内六角孔结构，其用于实现压电叠堆的加压预紧；所述承载板下端部表面中心位置设有内螺纹孔，其用于与连接螺杆旋合连接实现承载板直线位移运动的输出。所述导向套用于实现承载板和支撑板的支撑与位移运动输出的导向。
[0008]所述本发明大行程高精度微纳驱动装置的定位方法具体为利用第一驱动模组实现大行程微米定位和利用第二驱动模组实现纳米定位的复合定位方法:
所述利用第一驱动模组实现大行程微米定位方法具体为，施加驱动相位差为90度或270度的交流激励电信号于第一驱动模组的压电片，所述交流激励电信号可采用幅值为中1周期为7?正弦、方波或锯齿波等周期电信号，经通电激励时间后，可分别实现第一驱动模组正反两个方向厘米级或分米级大行程范围内的微米级定位，其中i为大于等于1的整数。
[0009]所述利用第二驱动模组实现纳米定位方法具体为，施加斜率为名的直流电信号于第二驱动模组的压电叠堆，经通电激励时间后激励电信号的幅值为％2，可实现第二驱动模组的纳米级定位，最终实现本发明的大行程纳米级定位控制，完成外界负载纳米级位移运动的输出，其中J为大于等于1的整数。
[0010]本发明的有益效果是:本发明采用螺纹副传动实现第一驱动模组的动力传递和运动输出与采用压电叠堆实现第二驱动模组的动力传递和运动输出相结合的复合驱动方式，故本发明大行程高精度微纳驱动装置具有结构紧凑、承载能力大以及定位精度高等技术优点；本发明采用基于第一驱动模组实现大行程微米定位和基于第二驱动模组实现纳米定位的复合定位方法进行激励，故本发明大行程高精度微纳驱动装置在该定位方法激励下能够有效消除螺纹间隙与传动间隙的影响，在保证厘米级甚至分米级的有效行程范围内，可实现纳米级的定位精度，显著提高了装置的定位精度，同时通过采用螺纹副传动，使得承载能力可达百牛级以上，在微驱动与精密定位技术领域中具有广阔的应用前景。
【附图说明】
[0011]图1所示为本发明提出的一种贴片式自由梁结构激振体球头解耦组件实现方式的大行程高精度微纳驱动装置的剖视图；
图2所示为本发明提出的一种自由梁结构激振体的大行程高精度微纳驱动装置的固定外架的轴向剖视图；
图3所示为本发明提出的一种自由梁结构激振体的大行程高精度微纳驱动装置的固定外架的横向剖视图；
图4所示为本发明提出的一种贴片式自由梁结构激振体的大行程高精度微纳驱动装置的激振体的俯视图；
图5所示为本发明提出的一种贴片式自由梁结构激振体的大行程高精度微纳驱动装置的激振体的剖视图；
图6所示为本发明提出的一种球头解耦组件实现方式的大行程高精度微纳驱动装置的传动体的主视图；
图7所示为本发明提出的一种球头解耦组件实现方式