一种实现单向运动的惯性粘滑式跨尺度运动平台的制作方法与工艺

本发明属于精密运动技术领域，具体涉及一种实现单向运动的惯性粘滑式跨尺度运动平台。

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。具有纳米级运动分辨率，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。由于惯性粘滑驱动相对于其他类跨尺度运动驱动方式的驱动原理简单、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，具体地，被驱动体依靠锯齿形电压激励压电振子的不对称振动所形成的动静摩擦力之间的差异来最终实现跨尺度精密运动。压电陶瓷致动器是近几年发展起来的新型微位移器件，它以体积小、驱动力大、分辨率高、易于控制等优点作为驱动元件在精密机械当中得到广泛的应用。压电陶瓷是利用压电材料的逆压电效应来工作的，仅依靠外加电场的大小就能够实现驱动。压电陶瓷克服了以往机械式、液压式、气动式、电磁式等执行器惯性大、响应慢、结构复杂、可靠性差等不足，具有体积小、结构紧凑、无机械摩擦、无间隙、分辨率高、响应快、无发热、不受磁场干扰、可在低温，真空环境下使用等优点，被广泛应用于微定位技术中，这种可控的精密微位移执行器必将在今后诸多技术领域中发挥难以估量的作用。如前所述，虽然压电陶瓷致动器具有高精密位移输出的优点,但同时其输出位移相当微小,不能满足有较大微位移输出要求的应用场合,在实际应用中常常需要将压电陶瓷致动器的输出位移进行累加，以满足大行程高精确定位的需要。目前根据压电陶瓷构造的精密驱动装置，按照其工作方式主要可以分为：直接驱动式、杠杆放大式、椭圆放大式及菱形放大式和尺蠖式精密定位平台。其中，直接驱动式精密定位平台主要采用压电陶瓷直接驱动双平行板柔性机构，运用此机构可以在原理上消除耦合位移且位移分辨率很高，但压电体变形很小，使得定位机构的运动行程非常有限，在实际应用上受到了很大限制，现有技术中，公开号为202695554U的实用新型专利公布了相关技术。杠杆放大式精密定位平台的主要目的是将压电陶瓷的运动范围进行放大，通过杠杆放大原理，以及具有旋转副的柔性铰链机构实现沿支点的旋转，通过杠杆机构进行放大，其放大倍数可以达到2-3倍。使得由压电陶瓷驱动的精密定位平台的运动范围有效地提高，但是在运动范围放大的同时，也由于杠杆式放大存在微小的角度变化，因此会对最终实现的放大位移带来微小的角度误差。现有技术中，公开号为2587600的实用新型专利、公开号为103111990A的发明专利、欧洲专利局公开的EP0624912A1和DE4315238A1专利公布了相关技术。椭圆放大式和菱形放大式精密定位平台采用压杆失稳原理实现运动放大，运动放大机构基于材料力学中的压杆失稳原理设计而成。当压电陶瓷伸长时，机构两端受到由内向外的推力，圆弧形薄壁壳的曲率发生变化，其弧面最高点发生向下移动，向下的位移量比陶瓷自身的伸长位移要大得多，即位移被放大。但此类机构圆弧处应力较大，易产生应力集中。现有技术中，公开号为2628237和2726829的实用新型专利公布了相关技术。尺蠖式精密定位平台因仿照生物界爬行动物运动原理而得名。它是将压电体的微小振动位移经过某种方式转换后即可形成连续的或步进的精密位移驱动机构。与直动式机构的差别在于通过箝位装置的使用，使得机构能够实现大行程的精密位移。图1是现有技术中尺蠖式精密定位平台的主要结构示意图。如图1所示，1、3是可以径向伸缩的压电圆筒，与直杆之间留有微小的间隙，2可以轴向伸缩的圆管。当控制驱动电路，使1收缩压紧在直杆上，同时3张开而2伸长，3向右移动了一步，然后3收缩加紧，1张开，2缩短，则1向右移动了一步。这样由1、2、3成的移动件整体即向右移动了一步，如此循环往复，即形成了连续的精密位移。现有技术中，申请号分别为201110245339.4、201310202368.1、201210475674.8和201310491303.3的发明专利公布了相关技术。上述四种精密定位平台都是利用压电陶瓷的驱动，实现纳米级高精度定位的。前三种虽然在一维实现结构和位移放大方式上有所不同，但此类平台的位移都限制在几百微米以内，不能够实现跨尺度的精密定位。尺蠖式精密定位平台是通过尺蠖原理，将微小的位移进行累加实现纳米级精度、毫米级行程的精密定位平台，但由于该定位平台结构较为复杂，进而导致此平台的加工和装配精度要求较高，最终影响跨尺度精密运动平台的运动精度和一致性，因此这些现有技术在确保跨尺度精密运动平台批量化生产时的一致性上存在制作工艺复杂和制造成本高等技术难题。此外，采用惯性粘滑式驱动原理，利于惯性冲击力形成驱动是构造运动机构的一种新方式。而惯性冲击力大多数情况下是通过机械撞击获得的，控制相对较难且容易对机构造成损坏。综上所述，本发明提供一种实现单向运动的惯性粘滑式跨尺度运动平台，以解决现有技术中存在的问题。

技术实现要素：
本发明提供一种实现单向运动的惯性粘滑式跨尺度运动平台，包括配重块、压电陶瓷致动器及主质量块，所述压电陶瓷致动器两端分别连接所述配重块及主质量块。所述压电陶瓷致动器，用于在正负极间施加正向或反向电压时，在长度方向作微小的伸长或缩短，并带动所述配重块及主质量块运动。优选的，所述跨尺度运动平台还包括底板，所述底板由磨床精磨，表面粗糙度等级为Ra0.4，且加工方向在同一条直线上。优选的，所述跨尺度运动平台还包括惯性连接块，所述惯性连接块与配重块通过螺纹连接。优选的，所述跨尺度运动平台还包括前端螺母，所述前端螺母通过螺纹与所述跨尺度运动平台的运动部分连接。优选的，所述跨尺度运动平台还包括光轴，所述光轴与前端螺母相连。优选的，所述跨尺度运动平台还包括上压块及支撑块，所述上压块及支撑块为一体加工而成后切开得到，且所述上压块与光轴为线接触。优选的，所述跨尺度运动平台还包括预紧顶丝，所述预紧顶丝为两个，用于锁死上压块及支撑块在运动过程中由于机械间隙而存在的窜动。优选的，所述跨尺度运动平台还包括M3螺母，所述M3螺母用于固定主质量块并调节所述主质量块。优选的，所述跨尺度运动平台还包括压紧杆和压缩弹簧，所述压紧杆和压缩弹簧用于通过调整正压力来调节所述跨尺度运动平台在运动过程中产生的摩擦力。优选的，所述跨尺度运动平台还包括两个M4螺母和弹簧压板，所述两个M4螺母，用于使弹簧压板压缩所述压缩弹簧。通过本发明提供的实现单向运动的惯性粘滑式跨尺度运动平台，以配重块、压电陶瓷致动器及主质量块间互相结合，当在压电陶瓷致动器正负极间施加正向或反向电压时，其在长度方向作微小的伸长或缩短并带动配重块及主质量块运动，从而实现毫米级行程、纳米级定位精度。相比其它运动平台，其具有结构简单、能够实现快速大行程的精密定位和容易实现多自由度驱动的优点，并且不需要专门的位置保持装置。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是现有技术中尺蠖式精密定位平台的主要结构示意图；图2是本发明较佳实施例提供的实现单向运动的惯性粘滑式跨尺度运动平台运动过程示意图；图3是本发明较佳实施例提供的实现单向运动的惯性粘滑式跨尺度运动平台驱动信号示意图；图4是本发明较佳实施例提供的实现单向运动的惯性粘滑式跨尺度运动平台整体结构示意图；图5是本发明较佳实施例提供的实现单向运动的惯性粘滑式跨尺度运动平台主体部分结构示意图；图6是本发明较佳实施例提供的实现单向运动的惯性粘滑式跨尺度运动平台上压块及支撑块横截面示意图。具体实施方式下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。图2是本发明较佳实施例提供的实现单向运动的惯性粘滑式跨尺度运动平台运动过程示意图。如图2所示，本发明较佳实施例提供的实现单向运动的惯性粘滑式跨尺度运动平台包括主质量块4、压电陶瓷致动器5及配重块6，所述压电陶瓷致动器5两端分别连接所述主质量块4及配重块6。所述压电陶瓷致动器5，用于在正负极间施加正向或反向电压时，在长度方向作微小的伸长或缩短，并带动所述主质量块4及配重块6运动。图3是本发明较佳实施例提供的实现单向运动的惯性粘滑式跨尺度运动平台驱动信号示意图。如图3所示，结合图2，首先对压电陶瓷致动器施加一从a到b快速增大的线性电压,压电陶瓷急速伸长,配重块快速向右运动,同时主质量块向左作细小移动。然后,从b到c使控制电压以抛物线递减,压电陶瓷逐渐收缩,使配重块向左方运动并不断得到加速。在c点电压为零,压电陶瓷收缩突然停顿。根据动量守恒定律,配重块的大部分动量将以冲击力方式转移到主质量块上,使后者向左移动一定距离。随着电压的这种周期性变化,主质量块以微细的步长快速地向左方运动,从而达到精确的移动与定位的目的。同样地,只要改变电压的波形或极性,即可使主质量块向右方作步进移动。通过控制激励电压的频率、波形和幅值，能够实现不同步长的连续运动。具体地，压电陶瓷致动器快速伸长后,以某一加速度逐渐收缩,配重块将获得一定的动量，冲击主质量块使之克服静摩擦力而向左移动一微小步长，周期性地驱动压电陶瓷的伸缩,即可使惯性粘滑运动平台连续地向左作步进运动。同样,压电陶瓷致动器以某一加速度逐渐伸长后快速收缩，配重块将获得一定的动量，冲击主质量块使之克服静摩擦力而向右移动一微小步长，周期性地驱动压电陶瓷的伸缩，即可使惯性粘滑运动平台连续地向右作步进运动。但是，在运动过程中由于驱动电源产生的阶跃信号在上升和下降时的不同，以及压电陶瓷致动器快速伸长和快速收缩时的机械响应时间的不同，造成正向运动速度大于反方向运动速度。由于压电陶瓷的伸缩量很小,因此惯性粘滑运动平台最小可获得几纳米的步长,而且步长随驱动电压连续可调。图4是本发明较佳实施例提供的实现单向运动的惯性粘滑式跨尺度运动平台整体结构示意图，图5是本发明较佳实施例提供的实现单向运动的惯性粘滑式跨尺度运动平台主体部分结构示意图。如图4及图5所示，本发明较佳实施例提供的实现单向运动的惯性粘滑式跨尺度运动平台包括配重块4-2、压电陶瓷致动器4-4、主质量块4-6。其中，所述配重块至少为2块，且各为不同的材质及厚度，以达到通过调节配重块质量来实现驱动时惯性力的不同。本实施例中，配重块4-2有2块，分别由黄铜和铝合金制成。此外，本实施例提供的实现单向运动的惯性粘滑式跨尺度运动平台还包括：底板4-1，所述底板4-1需要磨床精磨，表面粗糙度等级为Ra0.4且加工方向要在同一条直线上，同时在底板4-1上需要打上相互垂直两排安装孔，以方便在主体结构安装在底板表面粗糙度最小的方向；惯性连接块4-3，所述惯性连接块4-3与配重块4-2通过螺纹连接；前端螺母4-5，所述前端螺母4-5通过螺纹与所述跨尺度运动平台的运动部分连接；于此，压电陶瓷致动器4-4通过环氧树脂胶与惯性连接块和前端螺母固连，粘结完成后需要加压固化以达到最优的连接性能；M3螺母4-7，所述M3螺母4-7用于固定主质量块4-6并对其进行调节；于此，主质量块4-6通过M3螺母与前端螺母相互夹紧，其可以上下调节防止在运动过程中卡死，且可以起到支撑作用防止运动平台在运动过程中由于重心不稳而导致“栽倒”现象；压紧杆4-8和压缩弹簧4-9，所述压紧杆4-8和压缩弹簧4-9用于通过调整正压力来调节所述跨尺度运动平台在运动过程中产生的摩擦力；上压块及支撑块4-12，所述上压块及支撑块4-12为一体加工而成后切开得到，且所述上压块与光轴为线接触。图6是本发明较佳实施例提供的实现单向运动的惯性粘滑式跨尺度运动平台上压块及支撑块横截面示意图。如图6所示，如此一方面可以防止在运动过程中由于接触面过多而卡死，另一方面可以提高接触部分动摩擦因素的一致性；光轴4-10，所述光轴4-10与前端螺母4-5相连，与上压块及支撑块4-12相互接触产生摩擦力；预紧顶丝4-11，所述预紧顶丝4-11为两个，用于锁死上压块及支撑块4-12在运动过程中由于机械间隙而存在的窜动；两个M4螺母4-13和弹簧压板4-14，所述两个M4螺母4-13，用于使弹簧压板4-14压缩压缩弹簧4-9。本发明提供的实现单向运动的惯性粘滑式跨尺度运动平台，采用了压电元件的快速变形产生惯性冲击力的驱动机构,通过电路系统的设计,输出非对称电信号,使压电元件可以产生快速伸长、缓慢缩回,或缓慢伸长、快速缩回的运动形式,在交替电信号的作用下,驱动机构产生宏观上的单向运动。在此前提下，设计出质量调整机构、正压力调整机构并且便于更换的压电陶瓷，以调节参数实现惯性粘滑式跨尺度精密运动平台的最优化输出。本平台便于加工和装配，有效提高了粘滑驱动跨尺度精密运动平台的输出性能，可简单有效确保粘滑驱动跨尺度精密运动平台的运动精度和一致性，适合批量生产化，非常适合在如微纳操作、微小型机器人、生物微操作、数码产品以及精密驱动系统等具有结构微型化、大范围精确定位要求的各个领域中应用。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。