CN105305872B - 大行程高精度微纳驱动装置及其定位方法 - Google Patents
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Abstract
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，以解决传统精密驱动装置定位精度低、承载能力小等技术问题。本发明包括固定外架、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，第一驱动模组由激振体、压电片和传动体组成，第二驱动模组由压电叠堆和支撑板组成，运动解耦组件可为球头解耦或轴承解耦实现方式。施加微米级与纳米级复合定位方法于压电片和压电叠堆，可分别实现正反两方向厘米级或分米级大行程范围内的微米级与纳米级定位，从而实现本发明纳米级位移运动的输出。本发明具有结构简单紧凑、定位精度高、承载能力大等优点，在微驱动与精密定位技术领域具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
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
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。
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CN1879232 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 102843063 A，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d 33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。
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
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。
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。
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d 31激振模式的矩形压电陶瓷片或d 33、d 15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。
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Vp1周期为T的正弦、方波或锯齿波等周期电信号，经通电激励时间t 1=iT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。
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k 1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t 2=jT后激励电信号的幅值为Vp2，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。
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
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的大行程高精度微纳驱动装置的传动体的俯视图；
图8所示为本发明提出的一种大行程高精度微纳驱动装置的导向套的剖视图；
图9所示为本发明提出的一种大行程高精度微纳驱动装置的承载板的俯视图；
图10所示为本发明提出的一种大行程高精度微纳驱动装置的承载板的剖视图；
图11所示为本发明提出的一种大行程高精度微纳驱动装置带有转接头的压电叠堆机械封装结构示意图；
图12所示为本发明提出的一种大行程高精度微纳驱动装置的连接螺杆的结构示意图；
图13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支撑板的俯视图；
图14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支撑板的剖视图；
图15所示为本发明提出的一种贴片式大行程高精度微纳驱动装置激振组A的接线示意图；
图16所示为本发明提出的一种贴片式大行程高精度微纳驱动装置激振组B的接线示意图；
图17所示为本发明提出的一种大行程高精度微纳驱动装置激励电信号的结构示意图；
图18所示为本发明提出的一种贴片式悬臂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19所示为本发明提出的一种悬臂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20所示为本发明提出的一种悬臂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21所示为本发明提出的一种贴片式悬臂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22所示为本发明提出的一种贴片式悬臂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23所示为本发明提出的一种夹心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24所示为本发明提出的一种夹心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25所示为本发明提出的一种夹心式自由梁结构激振体的大行程高精度微纳驱动装置激振体中后匹配块的剖视图；
图26所示为本发明提出的一种夹心式自由梁结构激振体的大行程高精度微纳驱动装置激振体中前匹配块的剖视图；
图27所示为本发明提出的一种夹心式大行程高精度微纳驱动装置的绝缘套筒的剖视图；
图28所示为本发明提出的一种利用d 33多区激振模式的夹心式大行程高精度微纳驱动装置的压电片通电方式示意图；
图29所示为本发明提出的一种夹心式大行程高精度微纳驱动装置中d 33多区激振模式压电片激励分区示意图；
图30所示为本发明提出的一种夹心式悬臂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31所示为本发明提出的一种夹心式悬臂梁结构激振体的大行程高精度微纳驱动装置激振体的剖视图；
图32所示为本发明提出的一种夹心式悬臂梁结构激振体的大行程高精度微纳驱动装置激振体中后匹配块的剖视图；
图33所示为本发明提出的一种夹心式悬臂梁结构激振体的大行程高精度微纳驱动装置激振体中前匹配块的剖视图；
图34所示为本发明提出的一种利用d 33与d 15耦合激振模式的夹心式大行程高精度微纳驱动装置的压电片通电方式示意图；
图35所示为本发明提出的一种贴片式自由梁结构激振体轴承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36所示为本发明提出的一种大行程高精度微纳驱动装置的轴承解耦组件的结构示意图；
图37所示为本发明提出的一种轴承解耦组件实现方式的大行程高精度微纳驱动装置传动体的主视图；
图38所示为本发明提出的一种轴承解耦组件实现方式的大行程高精度微纳驱动装置传动体的俯视图；
图39所示为本发明提出的一种轴承解耦组件实现方式的大行程高精度微纳驱动装置支撑板的主视图；
图40所示为本发明提出的一种轴承解耦组件实现方式的大行程高精度微纳驱动装置支撑板的剖视图；
图41所示为本发明提出的一种贴片式悬臂梁结构激振体轴承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42所示为本发明提出的一种夹心式自由梁结构激振体轴承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43所示为本发明提出的一种夹心式悬臂梁结构激振体轴承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。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1~图17说明本实施方式。本实施方式提供了一种贴片式自由梁结构激振体球头解耦实现方式的大行程高精度微纳驱动装置及其定位方法的具体实施方案。所述贴片式自由梁结构激振体球头解耦实现方式的大行程高精度微纳驱动装置主要由固定外架1、第一驱动模组100、第二驱动模组200、运动解耦组件6、承载板7、连接螺杆10、导向套5和紧固螺栓8组成。
所述第一驱动模组100由激振体2、压电片3和传动体4组成；所述激振体2为两侧端部设置有内螺纹孔2-3的自由梁结构弹性体，其外圆周表面上沿圆周方向均匀设置有4n个外平面2-2，用于通过爱牢达环氧树脂胶实现压电片3的紧固连接，其中n为大于等于1的整数；所述激振体2外平面2-2上沿圆周方向均匀设置有两组2m个盲孔2-1结构，其用于与紧固螺栓8配合连接实现第一驱动模组100的固定安装，其中m为大于等于1的整数；所述两组盲孔2-1间轴向分布距离应大于压电片3最大长度方向尺寸；所述激振体2外平面2-2上两组盲孔2-1的轴向分布位置相同。所述压电片3为d 31激振模式的矩形压电陶瓷片，4n个压电片3沿圆周方向均匀布置于激振体2的外平面2-2上，且均沿厚度方向极化；所述布置于激振体2外平面2-2上的压电片3的形变方向与激振体2中心轴线均成平行布置关系。所述传动体4为设有外螺纹4-1的圆柱体结构，其用于与激振体2两侧端部内螺纹孔2-3旋合连接实现本发明运动与动力的传递；所述传动体4一侧端部表面沿圆周方向均匀设置有t个相同的球头4-2结构，其中t为大于等于3的整数。
所述第二驱动模组200由压电叠堆9和支撑板11组成；所述支撑板11为盘状结构，其下端部表面设置有圆环状弧形滑道11-4，所述圆环状弧形滑道11-4与传动体4一侧端部的球头4-2结构一起构成球头运动解耦组件6，其用于实现传动体4旋转-直线位移运动输出与承载板7直线位移运动输出的运动解耦；所述支撑板11上端部表面沿圆周方向均匀设置有k个盲孔11-1结构，其用于实现k个压电叠堆9的紧固安装与布置，其中k为大于1的整数；所述支撑板11设置有一通孔11-2结构，其用于实现压电叠堆9通电导线的引出；所述支撑板11上表面中心位置设有内螺纹孔11-3结构，其用于与连接螺杆10旋合连接实现压电叠堆9的加压预紧与承载板7直线位移运动的传递。所述压电叠堆9可选用哈尔滨芯明天科技有限公司型号为VS12系列带有转接头结构的机械式封装压电叠堆驱动器。
所述固定外架1为一端部设置有法兰盖1-1的中空圆柱体结构；所述法兰盖1-1侧端面沿圆周方向均匀设置有p个用于固定安装的通孔1-1-1，其中p为大于1的整数；所述固定外架1自由端部设置有内阶梯孔1-3，其用于实现导向套5的紧固安装；所述固定外架1中空圆柱体外圆周表面沿圆周方向均匀设置有两组2m个沉头通孔1-4结构，其用于通过激振体2上的盲孔2-1与紧固螺栓8配合实现第一驱动模组100的固定安装；所述两组沉头通孔1-4的分布位置与激振体2上两组盲孔2-1的分布位置相同；所述固定外架1靠近悬臂端部设置有通孔1-2，其用于实现通电导线的引出。
所述承载板7为盘状结构，其上端部表面沿圆周方向均匀设置有h个内螺纹孔7-1，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7上端部表面中心位置设有内六角孔7-3结构，其用于通过内六角扳手实现压电叠堆9的加压预紧；所述承载板7下端部表面中心位置设有内螺纹孔7-2，其用于与连接螺杆10旋合连接实现承载板7直线位移运动的输出。
所述导向套5为薄壁圆筒状聚四氟乙烯导向套，其用于实现承载板7与支撑板11的支撑与位移运动输出的导向。
所述本实施方式贴片式自由梁结构激振体的大行程高精度微纳驱动装置定位方法的具体实施方案为利用第一驱动模组100实现大行程微米定位和利用第二驱动模组200实现纳米定位的复合定位方法：
所述利用第一驱动模组100实现大行程微米定位方法的具体实施方案为，将均布于激振体2外平面2-2上的4n片压电片3中相互间隔布置的2n片压电片3构成激振组A，其余相互间隔布置的2n片压电片3构成激振组B；所述激振组A中相互间隔布置的n片压电片3构成激振组A1，所述激振组A中其余相互间隔布置的n片压电片3构成激振组A2，所述激振组A1与所述激振组A2的驱动相位差为180度；所述激振组B中相互间隔布置的n片压电片3构成激振组B1，所述激振组B中其余相互间隔布置的n片压电片3构成激振组B2，所述激振组B1与所述激振组B2的驱动相位差为180度；所述激振组A与激振组B通以驱动相位差为90度或270度的交流激励电信号；所述交流激励电信号可采用幅值为Vp1周期为T的正弦、方波或锯齿波等周期电信号，经通电激励时间t 1=iT后，可分别实现第一驱动模组100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。
所述利用第二驱动模组200实现纳米定位方法的具体实施方案为，施加斜率为k 1的直流电信号于第二驱动模组200中压电叠堆9，经通电激励时间t 2=jT后激励电信号的幅值为Vp2，可实现第二驱动模组200的纳米级定位，最终实现本发明的大行程纳米定位控制，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。
具体实施方式二：结合图18~图22说明本实施方式。本实施方式提供了一种贴片式悬臂梁结构激振体球头解耦实现方式的大行程高精度微纳驱动装置及其定位方法的具体实施方案。其结构组成、连接方式和定位方法与具体实施方式一相同，区别在于其固定外架1和第一驱动模组100中激振体2的具体结构组成不同。
所述第一驱动模组100中激振体2为自由端部设置有内螺纹孔2-3的悬臂梁结构弹性体，其用于与传动体4的外螺纹4-1旋合连接实现本发明运动与动力的传递；所述激振体2悬臂端部设置有用于固定安装的法兰盘2-1；所述法兰盘2-1侧端面沿圆周方向均匀设置有q个用于固定安装的通孔2-1-1，其用于与紧固螺栓8配合连接实现第一驱动模组100的固定安装，其中q为大于1的整数；所述激振体2外圆周表面上沿圆周方向均匀设置有4n个外平面2-2，其用于通过爱牢达环氧树脂胶实现压电片3的紧固连接。
所述固定外架1为一端部设有法兰盖1-1的中空圆柱体结构；所述法兰盖1-1侧端面沿圆周方向均匀设置有p个用于固定安装的通孔1-1-1；所述固定外架1自由端部设置有内阶梯孔1-3，其用于实现导向套5的紧固安装；所述固定外架1靠近悬臂端部设置有通孔1-2，其用于实现通电导线的引出；所述固定外架1悬臂端部还设置有内阶梯孔1-4，所述内阶梯孔1-4上端部圆环表面沿圆周方向还均匀设置有q个内螺纹孔1-5，其用于与紧固螺栓8配合连接实现第一驱动模组100的固定安装。
具体实施方式三：结合图23~图29说明本实施方式。本实施方式提供了一种夹心式自由梁结构激振体球头解耦实现方式的大行程高精度微纳驱动装置及其定位方法的具体实施方案。其结构组成和连接方式与具体实施方式一相同，区别在于其第一驱动模组100中激振体2的具体结构组成和定位方法不同。
所述激振体2由后匹配块2-1、压电片2-2、通电电极片2-3、前匹配块2-4和绝缘套筒3组成；所述后匹配块2-1为左侧端部设置有内螺纹孔2-1-5的阶梯状空心圆柱体结构；所述后匹配块2-1左端部外圆周表面沿圆周方向均匀设置有w个外平面2-1-1结构，其用于实现后匹配块2-1的夹紧安装，其中w为大于1的整数；所述后匹配块2-1外平面2-1-1与阶梯面2-1-6之间的外圆周表面沿圆周方向均匀设置有一组m个盲孔2-1-2结构，其用于通过固定外架1上的沉头通孔1-4与紧固螺栓8配合连接实现第一驱动模组100的固定安装；所述后匹配块2-1右侧端部设置有外螺纹2-1-4，其用于与前匹配块2-4左侧端部内螺纹2-4-1旋合连接实现压电片2-2与通电电极片2-3的夹紧连接；所述压电片2-3为d 33激振模式的圆环形压电陶瓷片；所述通电电极片2-2为设有凸耳结构的圆环形铜片；4n片压电片2-3与4n+1片通电电极片2-2通过绝缘套筒3相互间隔套接于后匹配块2-1与阶梯面2-1-6之间的外圆周表面2-1-3上。所述前匹配块2-4为左右端部均设置有内螺纹孔的圆柱体结构；所述前匹配块2-4左端部内螺纹孔2-4-1用于与后匹配块2-1右端部外螺纹2-1-4旋合连接实现压电片2-3与通电电极片2-2的夹紧连接；所述前匹配块2-4右端部内螺纹孔2-4-3和后匹配块2-1左端部内螺纹孔2-1-5一起与传动体4的外螺纹4-1旋合连接实现本发明运动与动力的传递；所述前匹配块2-4右端部外圆周表面沿圆周方向均匀设置有w个外平面2-4-2结构，其用于与后匹配块2-1上w个外平面2-1-1一起实现后匹配块2-1与前匹配块2-4的夹紧安装；所述前匹配块2-4左端部外圆周表面沿圆周方向均匀设置有一组m个盲孔2-4-4结构，其用于通过固定外架1上的沉头通孔1-4与紧固螺栓8配合连接实现第一驱动模组100的固定安装；所述前匹配块2-4与后匹配块2-1夹紧连接后其上的两组盲孔2-4-4与2-1-2的轴向分布位置相同。
所述本实施方式夹心式自由梁结构激振体的大行程高精度微纳驱动装置定位方法的具体实施方案为利用第一驱动模组100实现大行程微米定位和利用第二驱动模组200实现纳米定位的复合定位方法：
所述利用第一驱动模组100实现大行程微米定位方法的具体实施方案为，将套接于后匹配块2-1外圆周表面2-1-3上的4n片压电片2-3中一侧布置的2n片压电片2-3构成激振组A，其余另一侧布置的2n片压电片2-3构成激振组B；所述激振组A与激振组B中的压电片2-3均沿圆周方向设置有2s个扇形极化区2-3-1和2s个扇形绝缘隔离区2-3-2，所述压电片2-3上2s个扇形极化区2-3-1与2s个扇形绝缘隔离区2-3-2相互间隔连续圆周布置；所述压电片2-3上2s个扇形极化区2-3-1的伸缩方向与压电片2-3的厚度方向一致，其中s为大于等于1的整数；所述压电片2-3上相邻扇形极化区2-3-1的驱动相位差180度；所述激振组A或激振组B中压电片2-3的扇形极化区2-3-1与扇形极化区2-3-1相正对，且其驱动相位相同；所述激振组A与激振组B之间的扇形极化区2-3-1与扇形绝缘隔离区2-3-2相正对；所述激振组A与激振组B通以驱动相位差为90度或270度的交流激励电信号；所述交流激励电信号可采用幅值为Vp1周期为T的正弦、方波或锯齿波等周期电信号，经通电激励时间t 1=iT后，可分别实现第一驱动模组100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。
所述利用第二驱动模组200实现纳米定位方法的具体实施方案为，施加斜率为k 1的直流电信号于第二驱动模组200中的压电叠堆9，经通电激励时间t 2=jT后激励电信号的幅值为Vp2，可实现第二驱动模组200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。
具体实施方式四：结合图30~图33说明本实施方式。本实施方式提供了一种夹心式悬臂梁结构激振体球头解耦实现方式的大行程高精度微纳驱动装置及其定位方法的具体实施方案。其结构组成、连接方式和定位方法与具体实施方式三相同，区别在于其第一驱动模组100中激振体2的具体结构组成不同。
所述激振体2由后匹配块2-1、压电片2-2、通电电极片2-3、前匹配块2-4和绝缘套筒3组成；所述后匹配块2-1为阶梯状中空悬臂梁结构，其左侧端部设置有法兰盘2-1-1；所述法兰盘2-1-1侧端面沿圆周方向均匀设置有q个通孔2-1-2，其用于与紧固螺栓8配合连接实现第一驱动模组100的固定安装；所述后匹配块2-1右端部设置有外螺纹2-1-4结构，其用于与前匹配块2-4左侧内螺纹孔2-4-1旋合连接实现压电片2-3与通电电极片2-2的夹紧连接；所述后匹配块2-1外螺纹2-1-4与阶梯面2-1-5之间的外圆周表面2-1-3用于绝缘套筒3的安装布置；所述前匹配块2-4为左右端部均设置有内螺纹孔的圆柱体结构；所述前匹配块2-4左端部内螺纹孔2-4-1用于与后匹配块2-1右端部外螺纹2-1-4旋合连接实现压电片2-3与通电电极片2-2的夹紧连接；所述前匹配块2-4右端部内螺纹孔2-4-3和后匹配块2-1左端部内螺纹孔2-1-5一起与传动体4的外螺纹4-1旋合连接实现本发明运动与动力的传递；所述前匹配块2-4右端部外圆周表面沿圆周方向均匀设置有w个外平面2-4-2结构，其用于实现后匹配块2-1与前匹配块2-4的夹紧安装。
具体实施方式五：结合图34说明本实施方式。本实施方式提供了夹心式大行程高精度微纳驱动装置定位方法另一种实现方式的具体实施方案。所述本实施方式中4n片压电片2-3的具体布置方式为，其中一侧布置的2n片压电片2-3为d 33激振模式的圆环形压电陶瓷片，其余另一侧布置的2n片压电片2-3为d 15激振模式的圆环形压电陶瓷片。
所述本实施方式夹心式大行程高精度微纳驱动装置定位方法的具体实施方案为利用第一驱动模组100实现大行程微米定位和利用第二驱动模组200实现纳米定位的复合定位方法：
所述利用第一驱动模组100实现大行程微米定位方法的具体实施方案为，将套接于后匹配块2-1外圆周表面2-1-3上的4n片压电片2-3中一侧布置的2n片d 33激振模式压电片2-3构成激振组A，其余另一侧布置的2n片d 15激振模式压电片2-3构成激振组B；所述激振组A中压电片2-3均沿厚度方向极化，且其正极化面与正极化面相对布置，负极化面与负极化面相对布置；所述激振组B中压电片2-3均沿圆周方向极化，且其正极化面与正极化面相对布置，负极化面与负极化面相对布置；所述激振组A与激振组B通以驱动相位差为90度或270度的交流激励电信号；所述交流激励电信号可采用幅值为Vp1周期为T的正弦、方波或锯齿波等周期电信号，经通电激励时间t 1=iT后，可分别实现第一驱动模组100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。
所述利用第二驱动模组200实现纳米定位方法的具体实施方案为，施加斜率为k 1的直流电信号于第二驱动模组200中压电叠堆9，经通电激励时间t 2=jT后激励电信号的幅值为Vp2，可实现第二驱动模组200的纳米级定位，最终实现本发明的大行程纳米定位控制，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。
具体实施方式六：结合图35~图43说明本实施方式。本实施方式提供了一种大行程高精度微纳驱动装置及其定位方法的运动解耦组件6轴承解耦实现方式的具体实施方案。
所述轴承解耦实现方式的运动解耦组件6由轴承外架6-1和双向推力球轴承6-2组成；所述本实施方式中的传动体4一侧端部表面中心位置设有沉头盲孔4-3结构，其用于实现双向推力球轴承6-2的安装与拆卸；所述传动体4同侧端部表面沿圆周方向均匀设置有r个内螺纹孔，其用于与紧固螺栓8配合连接实现轴承外架6-1与传动体4的紧固连接，其中r为大于1的整数；所述本实施方式中的支撑板11下端表面中心位置设有内螺纹孔11-4，其用于与双向推力球轴承6-2过盈配合连接的紧固螺栓8旋合连接，实现传动体4旋转-直线位移运动输出与承载板7直线位移运动输出的运动解耦。
Claims (4)
1.一种大行程高精度微纳驱动装置，所述微纳驱动装置由固定外架（1）、第一驱动模组（100）、第二驱动模组（200）、运动解耦组件（6）、承载板（7）、连接螺杆（10）、导向套（5）和紧固螺栓（8）组成，所述第一驱动模组（100）包括激振体（2）、压电片（3）和传动体（4），所述激振体（2）为自由梁或悬臂梁结构弹性体，所述压电片（3）为d31激振模式的矩形压电陶瓷片或d33、d15激振模式的圆环形压电陶瓷片，所述传动体（4）为设有外螺纹的圆柱体结构，所述第二驱动模组（200）包括压电叠堆（9）和支撑板（11），所述支撑板（11）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（11-1），其中k为大于1的整数，所述支撑板设置有一通孔（11-2），所述支撑板（11）上表面中心位置设有内螺纹孔（11-3），所述固定外架（1）为一侧端部设有法兰盖（1-1）的中空圆柱体结构，所述法兰盖（1-1）侧端面沿圆周方向均匀设置有p个通孔（1-1-1），其中p为大于1的整数，所述固定外架（1）自由端部设置有内阶梯孔（1-3），所述固定外架（1）靠近悬臂端部设置有通孔（1-2），所述运动解耦组件（6）为球头运动解耦组件或轴承运动解耦组件，所述承载板（7）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（7-1），其中h为大于或者等于1的整数，所述承载板（7）上端部表面中心位置设有内六角孔（7-3）结构，所述承载板（7）下端部表面中心位置设有内螺纹孔（7-2）；所述微纳驱动装置的定位方法为，施加交流激励电信号于第一驱动模组（100）中的压电片（3），实现第一驱动模组（100）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，施加直流电信号于第二驱动模组（200）中的压电叠堆（9），实现第二驱动模组（200）的纳米级定位，最终实现大行程纳米级定位。
2.一种根据权利要求1所述的大行程高精度微纳驱动装置，其特征在于：为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，所述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（2）为两侧端部设置有内螺纹孔的自由梁结构弹性体，其外圆周表面上沿圆周方向均匀设置有4n个外平面（2-2），其中n为大于或者等于1的整数，所述激振体（2）外平面（2-2）上沿圆周方向均匀设置有两组2m个盲孔，其中m为大于或者等于1的整数，所述两组盲孔间轴向分布距离应大于压电片（3）最大长度方向尺寸，所述激振体（2）外平面（2-2）上两组盲孔的轴向分布位置相同，所述压电片（3）为d 31激振模式的矩形压电陶瓷片，4n片压电片（3）沿圆周方向均匀布置于激振体（2）的外平面（2-2），且均沿厚度方向极化，布置于激振体（2）外平面（2-2）上的压电片（3）形变方向与激振体（2）中心轴线均成平行布置关系，所述固定外架（1）中空圆柱体外圆周表面沿圆周方向均匀设置有两组2m个沉头通孔（1-4）结构，所述两组沉头通孔（1-4）的分布位置与激振体（2）上两组盲孔的分布位置相同；
或为一种贴片式悬臂梁结构激振体的大行程高精度微纳驱动装置，所述贴片式悬臂梁结构激振体的大行程高精度微纳驱动装置的激振体（2）为自由端部设置有内螺纹孔的悬臂梁结构弹性体，所述激振体（2）悬臂端部设置有法兰盘结构，所述法兰盘侧端面沿圆周方向均匀设置有q个通孔（2-1-1），其中q为大于1的整数，所述激振体（2）外圆周表面上沿圆周方向均匀设置有4n个外平面（2-2），所述固定外架（1）为一端部设置有法兰盖（1-1）的中空圆柱体结构，所述法兰盖（1-1）侧端面沿圆周方向均匀设置有p个通孔（1-1-1），所述固定外架（1）自由端部设置有一号内阶梯孔（1-3），所述固定外架（1）靠近悬臂端部设置有通孔（1-2），所述固定外架（1）悬臂端部还设置有二号内阶梯孔（1-4），所述二号内阶梯孔（1-4）上端部圆环表面沿圆周方向还均匀设置有q个内螺纹孔。
3.一种根据权利要求2所述的大行程高精度微纳驱动装置的定位方法，其特征在于：为一种贴片式大行程高精度微纳驱动装置的定位方法，所述贴片式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（100）实现大行程微米定位和利用第二驱动模组（200）实现纳米定位的复合定位方法；所述利用第一驱动模组（100）实现大行程微米定位方法具体为，将均布于激振体（2）外平面（2-2）上的4n片压电片（3）中相互间隔布置的2n片压电片（3）构成激振组A，其余相互间隔布置的2n片压电片（3）构成激振组B，所述激振组A中相互间隔布置的n片压电片（3）构成激振组A1，所述激振组A中其余相互间隔布置的n片压电片（3）构成激振组A2，所述激振组A1与所述激振组A2的驱动相位差为180度，所述激振组B中相互间隔布置的n片压电片（3）构成激振组B1，所述激振组B中其余相互间隔布置的n片压电片（3）构成激振组B2，所述激振组B1与所述激振组B2的驱动相位差为180度，所述激振组A与激振组B通以驱动相位差为90度或270度的交流激励电信号，所述交流激励电信号采用幅值为Vp1周期为T的正弦、方波或锯齿波周期电信号，经通电激励时间t 1=iT后，分别实现第一驱动模组（100）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为大于或者等于1的整数；所述利用第二驱动模组（200）实现纳米定位方法具体为，施加斜率为k 1的直流电信号于第二驱动模组（200）中的压电叠堆（9），经通电激励时间t 2=jT后激励电信号的幅值为Vp2，实现第二驱动模组（200）的纳米级定位，最终实现大行程纳米定位控制，完成外界负载纳米级位移运动的输出，其中j为大于或者等于1的整数。
4.一种根据权利要求1所述的大行程高精度微纳驱动装置，其特征在于：所述运动解耦组件（6）为一种球头运动解耦组件，所述球头运动解耦组件中传动体（4）一侧端部表面沿圆周方向均匀设置有t个相同的球头（4-2）结构，其中t为大于或者等于3的整数，所述支撑板（11）下端部表面设置有圆环状弧形滑道，所述圆环状弧形滑道与传动体（4）一侧端部的球头（4-2）结构构成球头运动解耦组件；
或为一种轴承运动解耦组件，所述轴承运动解耦组件由轴承外架（6-1）和双向推力球轴承（6-2）组成，所述轴承运动解耦组件中传动体（4）一侧端部表面中心位置设有沉头盲孔（4-3），所述传动体（4）同侧端部表面沿圆周方向均匀设置有r个内螺纹孔，其中r为大于1的整数，所述轴承运动解耦组件中的支撑板（11）下端表面中心位置设有内螺纹孔。
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