CN109905052B - 一种基于界面效应的自吸附惯性粘滑跨尺度精密运动平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于界面效应的自吸附惯性粘滑跨尺度精密运动平台，属于跨尺度精密运动领域。该基于界面效应的自吸附惯性粘滑跨尺度精密运动平台具有惯性块、运动块、压电陶瓷和设置在运动块底部的运动面，运动块设置在惯性块下方，在运动面上开设有微纳结构，运动面下端与金属面接触并产生摩擦力，惯性块具有一安装面，在安装面开设有沿惯性块的中心位置开设有贯穿惯性块的容置槽，压电陶瓷安放在容置槽中，在容置槽左右两侧分别设置有固定壁和弹性壁。本发明结构简单，体积小，制作工艺简单，制造成本较低，且可实现跨尺度的精密定位，另外，由于空腔内设置有磁铁，可以提高惯性块和运动块的摩擦力，使平台的运动更加稳定。

Description

一种基于界面效应的自吸附惯性粘滑跨尺度精密运动平台

技术领域

本发明涉及一种基于界面效应的自吸附惯性粘滑跨尺度精密运动平台，属于跨尺度精密运动领域。

背景技术

随着微/纳米技术的快速发展,在光学工程、微电子制造、航空航天技术、超精密机械制造、微机器人操作、生物医学及遗传工程等技术领域的研究都迫切需要亚/微米级、微/纳米级的超精密驱动机构。

具有微米级运动分辨率，又具有毫米级运动行程的跨尺度精密运动技术是目前微驱动领域中的关键技术。惯性粘滑驱动相对于其它类跨尺度运动驱动方式，驱动原理简单、方便、控制简单，且具有运动范围大、分辨率高、结构简单、易微小化和精确定位等优点，因此惯性粘滑驱动是目前出现的跨尺度驱动中应用较多的一种方式。惯性粘滑驱动的工作原理主要是以摩擦力作为驱动源，利用粘滑效应实现被驱动体的微小移动。近年来，把压电陶瓷作为驱动源的微驱动技术渐渐兴起，压电陶瓷具备许多优良的特性，如体积小、频响高、发热少、输出力大、无噪声、性能稳定等，充分满足微纳精密定位的要求。

现有的压电陶瓷的精密驱动装置由于结构复杂，其体积较大，无法适应小空间内设备的粘滑驱动的需求，一般的小型平台提供的摩擦力较低，无法满足实际需要，所以需要提供一种体积小的摩擦力大的粘滑驱动平台。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、体积小、能够实现毫米级行程、微米级定位精度的基于界面效应的自吸附惯性粘滑跨尺度精密运动平台。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于界面效应的自吸附惯性粘滑跨尺度精密运动平台具有惯性块、运动块、压电陶瓷和设置在运动块底部的运动面，所述运动块设置在所述惯性块下方，在所述运动面上开设有微纳结构，所述运动面下端与金属面接触并产生摩擦力，所述惯性块具有一安装面，在所述安装面开设有沿所述惯性块的中心位置开设有贯穿所述惯性块的容置槽，所述压电陶瓷安放在所述容置槽中，在所述容置槽左右两侧分别设置有固定壁和弹性壁。

进一步地，所述惯性块还包括沿所述惯性块的中心线前后对称设置并向下延伸至所述运动块的延伸部，所述延伸部的下端与所述运动块接触，所述运动块的上表面中心位置向上延伸有凸起，所述凸起位于两个所述延伸部之间，所述凸起、所述延伸部及所述固定壁围设形成有空腔，所述磁铁设置在所述空腔中，所述压电陶瓷被定义有第一端和第二端，所述第一端与所述固定壁相抵持，所述第二端与所述弹性壁相抵持，所述弹性壁包括抵持在第二端上的第一柔性铰链、与所述第一柔性铰链相对设置的第二柔性铰链及连接在第一柔性铰链和第二柔性铰链右侧的横梁和连接在横梁上的第二柔性铰链。

进一步地，在所述横梁上开设有沿所述横梁的中心线对称设置并贯穿所述横梁的第一缓冲孔，所述第一缓冲孔的数量为两个，其对称设置在横梁的左右两侧，所述凸起上对应两个第一缓冲孔形成有的两个第二缓冲孔。

进一步地，在所述安装面上开设有沿所述横梁的中心线对称设置并贯穿所述安装面的两个缓冲槽，所述横梁包括横梁块本体和自所述横梁块本体的左右两侧延伸形成的第一连接部和第二连接部，所述横梁本体与第一柔性铰链、第二柔性铰链分别形成有狭槽，所述第一连接部与第一柔性铰链连接，第二连接部与第二柔性铰链连接，横梁的横梁块本体的下端与凸起接触。

进一步地，所述固定壁上开设有固定孔，在所述固定孔内设置有抵持所述压电陶瓷并为所述压电陶瓷提供预紧力的压紧螺栓。

进一步地，所述第一柔性铰链具有伸出并抵持所述压电陶瓷的抵持部。

进一步地，所述横梁下端与所述凸起接触。

进一步地，所述基于界面效应的自吸附惯性粘滑跨尺度精密运动平台还包括设置在所述运动块底部的运动面。

进一步地，所述运动面上开设有若干个均匀分布的沟槽。

进一步地，所述沟槽为V形结构。

进一步地，所述沟槽的深度大于8μm。

本发明的有益效果在于：本发明涉及的一种基于界面效应的自吸附惯性粘滑跨尺度精密运动平台包括惯性块、压电陶瓷和运动块，设置在惯性块内的压电陶瓷随着电压的变化发生伸缩时带动运动块运动，从而实现毫米级行程、微米级定位精度，另外，由于空腔内设置有磁铁，可以提高平台和金属面的摩擦力，使基于界面效应的自吸附惯性粘滑跨尺度精密运动平台的运动更加稳定。

除此之外，通过设置在运动面上的沟槽的设计，提高了运动块与金属面的摩擦力，从而提高运动块的运动的稳定性。该基于界面效应的自吸附惯性粘滑跨尺度精密运动平台结构简单，体积小，制作工艺简单，制造成本较低，且可实现跨尺度的精密定位。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为惯性粘滑驱动原理示意图。

图2为本发明基于界面效应的自吸附惯性粘滑跨尺度精密运动平台的部分结构示意图。

图3为本发明基于界面效应的自吸附惯性粘滑跨尺度精密运动平台的整体结构示意图。

图4为图3的俯视图。

图5为图3中固定壁的结构示意图。

图6为本发明基于界面效应的自吸附惯性粘滑跨尺度精密运动平台的具体实施示意图。

图7为图6中运动面的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参照图1，在上述实施例中，基于界面效应的自吸附惯性粘滑跨尺度精密运动平台中的惯性块的工作原理如图1所示

(1)第一阶段：当没有激励压电陶瓷的驱动电压时，惯性块11和运动块2的状态不变，原型保持不变。

(2)第二阶段①②：电压缓慢上升时,压电陶瓷2是跟随电压慢慢上升而膨胀，使得第二柔性柔性铰链153弯曲变形。惯性力作用于惯性块1，它取决于惯性块1的质量和压电陶瓷2的加速度。此时产生的惯性力不大于运动块3中的磁铁底面与水平面之间的摩擦力。因此，运动块3保持原位，惯性块1中的第二柔性铰链153由压电陶瓷2驱动，位移为L。

(3)第三阶段②③电压迅速下降时，压电陶瓷2迅速萎缩。此时产生的惯性力大于运动块3中水平面与运动面4之间的摩擦力。压电陶瓷2将运动块3和惯性块1中的第二柔性铰链153拉回，运动块3移动一段距离。

(4)第四阶段③④：电压维持在零的一段时间。运动块2将处于三种状态中的任何一种:保持原位、向前滑动、向后滑动。将电压维持在零电位一段时间的目的是完全释放压电陶瓷2产生的能量，避免下一个周期电信号对平台运动的影响。

参照图2-图4，在本发明一较佳实施例中的一种基于界面效应的自吸附惯性粘滑跨尺度精密运动平台，具有压电陶瓷、运动组件和惯性块，在具体实施时惯性块采用惯性块1，运动组件采用运动块2，运动块2设置在惯性块1的下方，惯性块1具有一安装面11，在安装面11开设有沿惯性块1的中心线对称设置并贯穿惯性块1的两个凹槽12，在两个凹槽12之间开设有容置槽13，压电陶瓷3安放在容置槽13中，在容置槽13左右两侧分别设置有固定壁14和弹性壁15，在实际实施过程中容置槽13采用矩形槽，在矩形槽和固定壁14之间还形成有避让槽，压电陶瓷3被定义有第一端31和第二端32，第一端31与固定壁14相抵持，第二端32与弹性壁15相抵持，弹性壁15包括抵持在第二端32上的第一柔性铰链151、与所述第一柔性铰链151相对设置的第二柔性铰链153及连接第一柔性铰链151和第二柔性铰链153的横梁152，惯性块1还包括沿惯性块1的中心线前后对称设置并向下延伸至运动块2的延伸部16，延伸部16的下端与运动块2接触，运动块2的上表面中心位置向上延伸有凸起21，凸起21位于两个延伸部16之间，运动块2惯性块1之间具有摩擦力，运动块2具体位于横梁152的下方。凸起21、延伸部16及固定壁14围设形成有空腔17，空腔17内放置有磁铁171。

在上述实施例中，在横梁152上开设有沿横梁152的中心线对称设置并贯穿横梁152的第一缓冲孔1521，第一缓冲孔1521的数量为两个，其对称设置在横梁的左右两侧，所述凸起21上对应两个第一缓冲孔1521形成有两个第二缓冲孔(未图示)。在安装面11上开设有沿横梁152的中心线对称设置并贯穿惯性块1的两个缓冲槽111，横梁152包括横梁块本体1522和自所述横梁块本体的左右两侧延伸形成的第一连接部1523和第二连接部1524，所述横梁本体与第一柔性铰链151、第二柔性铰链153分别形成有狭槽，所述第一连接部1523与第一柔性铰链151连接，第二连接部1524与第二柔性铰链153连接。横梁152的横梁块本体的下端与凸起16接触。

参照图5和图6，在上述实施例中，固定壁14上开设有固定孔(未图示)，在固定孔内设置有抵持压电陶瓷3并为压电陶瓷3提供预紧力的压紧螺栓141。相对的第一柔性铰链151具有伸出并抵持压电陶瓷3的抵持部1511。

参照图6和图7，在上述实施例中，基于界面效应的自吸附惯性粘滑跨尺度精密运动平台还包括设置在运动块2底部的运动面4，运动面4上开设有若干个均匀分布的沟槽41，沟槽41为V形结构，在实际实施的过程中，沟槽的深度为10μm。

本发明的有益效果在于：本发明涉及的一种基于界面效应的自吸附惯性粘滑跨尺度精密运动平台包括惯性块1、压电陶瓷3和运动块2，设置在惯性块1内的压电陶瓷3随着电压的变化发生伸缩时带动运动块2运动，从而实现毫米级行程、微米级定位精度，另外，由于空腔17内设置有磁铁171，可以提高惯性块1和运动块2之间的摩擦力，使基于界面效应的自吸附惯性粘滑跨尺度精密运动平台的运动更加稳定，除此之外，通过设置在运动面4上的沟槽41的设计，提高了运动块2与金属面的摩擦力，从而提高运动块的运动的稳定性。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种基于界面效应的自吸附惯性粘滑跨尺度精密运动平台，其特征在于：所述基于界面效应的自吸附惯性粘滑跨尺度精密运动平台具有惯性块、运动块、压电陶瓷和设置在运动块底部的运动面，所述运动块设置在所述惯性块下方，在所述运动面上开设有微纳结构，所述运动面下端与金属面接触并产生摩擦力，所述惯性块具有一安装面，在所述安装面开设有沿所述惯性块的中心位置开设有贯穿所述惯性块的容置槽，所述压电陶瓷安放在所述容置槽中，在所述容置槽左右两侧分别设置有固定壁和弹性壁，所述惯性块还包括沿所述惯性块的中心线前后对称设置并向下延伸至所述运动块的延伸部，所述延伸部的下端与所述运动块接触，所述运动块的上表面中心位置向上延伸有凸起，所述凸起位于两个所述延伸部之间，所述凸起、所述延伸部及所述固定壁围设形成有空腔，磁铁设置在所述空腔中，所述压电陶瓷被定义有第一端和第二端，所述第一端与所述固定壁相抵持，所述第二端与所述弹性壁相抵持，所述弹性壁包括抵持在第二端上的第一柔性铰链、与所述第一柔性铰链相对设置的第二柔性铰链及连接在第一柔性铰链和第二柔性铰链右侧的横梁。

2.根据权利要求1所述的基于界面效应的自吸附惯性粘滑跨尺度精密运动平台，其特征在于：在所述横梁上开设有沿所述横梁的中心线对称设置并贯穿所述横梁的第一缓冲孔，所述第一缓冲孔的数量为两个，其对称设置在所述横梁的左右两侧，所述凸起上对应两个第一缓冲孔形成有的两个第二缓冲孔。

3.根据权利要求1所述的基于界面效应的自吸附惯性粘滑跨尺度精密运动平台，其特征在于：在所述安装面上开设有沿所述横梁的中心线对称设置并贯穿所述安装面的两个缓冲槽，所述横梁包括横梁块本体和自所述横梁块本体的左右两侧延伸形成的第一连接部和第二连接部，所述横梁本体与第一柔性铰链、第二柔性铰链分别形成有狭槽，所述第一连接部与第一柔性铰链连接，第二连接部与第二柔性铰链连接，横梁的横梁块本体的下端与凸起接触。

4.根据权利要求1所述的基于界面效应的自吸附惯性粘滑跨尺度精密运动平台，其特征在于：所述固定壁上开设有固定孔，在所述固定孔内设置有抵持所述压电陶瓷并为所述压电陶瓷提供预紧力的压紧螺栓。

5.根据权利要求1所述的基于界面效应的自吸附惯性粘滑跨尺度精密运动平台，其特征在于：所述第一柔性铰链具有伸出并抵持所述压电陶瓷的抵持部。

6.根据权利要求1所述的基于界面效应的自吸附惯性粘滑跨尺度精密运动平台，其特征在于：所述横梁下端与所述凸起接触。

7.根据权利要求1所述的基于界面效应的自吸附惯性粘滑跨尺度精密运动平台，其特征在于：所述微纳结构包括若干个均匀开设在所述运动面上的沟槽。

8.根据权利要求7所述的基于界面效应的自吸附惯性粘滑跨尺度精密运动平台，其特征在于：所述沟槽在平面方向上呈V形结构。

9.根据权利要求7所述的基于界面效应的自吸附惯性粘滑跨尺度精密运动平台，其特征在于：所述沟槽的深度大于8μm。

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