阅读说明：本技术 横梁谐振式铰链定子正交驱动型精密压电粘滑直线平台 (Cross beam resonant type hinge stator orthogonal driving type precise piezoelectric stick-slip linear platform ) 是由 程廷海 乔广达 卢晓晖 夏枭 宝音 于 2019-12-26 设计创作，主要内容包括：一种横梁谐振式铰链定子正交驱动型精密压电粘滑直线平台,该直线平台包括导轨组件Ⅰ、移动平台固定螺栓、移动平台、驱动组件、导轨组件Ⅱ和底座组件,导轨组件Ⅰ固定安装在底座组件上,并通过移动平台固定螺栓与移动平台紧固连接,驱动组件固定安装在底座组件上,并与导轨组件Ⅰ相接触,导轨组件Ⅱ分别与移动平台和底座组件螺纹连接。本发明利用横梁正交驱动足的偏转变形以实现移动平台的直线驱动,减少了横梁谐振式铰链定子的磨损,同时利用两个导轨组件配合运动,兼顾了直线平台良好的水平推力及承载能力,进而增强了直线平台的驱动效果,可应用于微纳精密驱动与定位领域,具有使用寿命长、水平推力和承载能力均衡、定位精度高等技术优势。(The utility model provides a beam resonant mode hinge stator orthogonal drive type precision piezoelectricity glues smooth linear platform, this linear platform includes guide rail subassembly I, moving platform fixing bolt, moving platform, drive assembly, guide rail subassembly II and base subassembly, guide rail subassembly I fixed mounting is on the base subassembly to through moving platform fixing bolt and moving platform fastening connection, drive assembly fixed mounting is on the base subassembly, and contact with guide rail subassembly I, guide rail subassembly II respectively with moving platform and base subassembly threaded connection. The invention realizes linear driving of the mobile platform by utilizing deflection deformation of the cross beam orthogonal driving foot, reduces abrasion of a cross beam resonant type hinge stator, simultaneously utilizes the matching motion of the two guide rail assemblies, gives consideration to good horizontal thrust and bearing capacity of the linear platform, further enhances the driving effect of the linear platform, can be applied to the field of micro-nano precision driving and positioning, and has the technical advantages of long service life, balanced horizontal thrust and bearing capacity, high positioning precision and the like.)

横梁谐振式铰链定子正交驱动型精密压电粘滑直线平台

技术领域

本发明涉及一种横梁谐振式铰链定子正交驱动型精密压电粘滑直线平台，属于微纳精密制造与控制技术领域。

背景技术

随着微纳米技术得到了快速发展，在超精密加工、航空航天科技、现代医疗等技术领域对精密驱动技术的需求日益增长，压电驱动技术也受到越来越多领域的关注及应用。

压电粘滑驱动主要是将锯齿激励电信号施加于压电元件，激发定子产生快慢交替的运动变形，控制定子与动子在“粘”和“滑”两种运动状态之间的相互转换，利用摩擦力驱动动子实现机械运动输出。当前的压电粘滑驱动工作过程可分为缓慢变形与快速恢复阶段，在这两个过程中定子和动子间的摩擦力具有不同作用，缓慢变形阶段表现为摩擦驱动力，快速恢复阶段表现为摩擦阻力，由于摩擦力的存在，其压电粘滑驱动端磨损严重，并且压电粘滑驱动平台受力不均衡，使得平台运动稳定性降低。

鉴于上述缺陷，亟待提出一种定位精度高、使用寿命长的微纳旋转台是至关重要的。

发明内容

为解决现有粘滑直线运动平台驱动端易磨损、水平推力和承载能力不均衡等技术问题，本发明公开了一种横梁谐振式铰链定子正交驱动型精密压电粘滑直线平台。

本发明所采用的技术方案：

为达到上述目的，本发明提供一种横梁谐振式铰链定子正交驱动型精密压电粘滑直线平台，该精密压电粘滑直线平台由导轨组件Ⅰ、移动平台固定螺栓、移动平台、驱动组件、导轨组件Ⅱ和底座组件组成，其中，所述导轨组件Ⅰ固定安装在底座组件上，并通过移动平台固定螺栓与移动平台紧固连接，所述驱动组件固定安装在底座组件上，并与导轨组件Ⅰ相接触，所述导轨组件Ⅱ分别与移动平台和底座组件螺纹连接。

所述导轨组件Ⅰ包括固定导轨Ⅰ安装螺栓、导轨保持架Ⅰ、固定导轨Ⅰ和活动导轨Ⅰ，所述固定导轨Ⅰ设有固定导轨Ⅰ安装面和固定导轨Ⅰ安装孔，所述活动导轨Ⅰ设有活动导轨Ⅰ安装面、活动导轨Ⅰ安装螺纹孔和活动导轨Ⅰ驱动面，所述导轨保持架Ⅰ安装在固定导轨Ⅰ和活动导轨Ⅰ之间，所述固定导轨Ⅰ安装螺栓穿过固定导轨Ⅰ安装孔与底座组件螺纹连接，固定安装固定导轨Ⅰ，所述固定导轨Ⅰ安装面与底座组件相贴合，所述活动导轨Ⅰ安装面与移动平台相贴合，所述活动导轨Ⅰ安装螺纹孔与移动平台固定螺栓螺纹连接，安装紧固活动导轨Ⅰ，所述活动导轨Ⅰ驱动面与驱动组件相接触。

所述移动平台设有移动平台安装孔、移动平台安装面Ⅰ、移动平台限位面、预紧调节孔、移动平台安装螺纹孔和移动平台安装面Ⅱ，所述移动平台安装孔内穿过移动平台固定螺栓，所述移动平台安装面Ⅰ与活动导轨Ⅰ安装面贴合，所述移动平台限位面、移动平台安装螺纹孔和移动平台安装面Ⅱ与导轨组件Ⅱ连接。

所述驱动组件包括压电陶瓷叠堆、横梁谐振式铰链定子、定子安装螺栓、矩形垫片和基米螺钉，所述压电陶瓷叠堆置于横梁谐振式铰链定子内，并通过基米螺钉挤压矩形垫片以紧固安装，所述定子安装螺栓穿过横梁谐振式铰链定子 ，并与底座组件螺纹连接。

所述横梁谐振式铰链定子可采用5025铝合金、6061铝合金、7075铝合金、Ti-35A钛合金或Ti-13钛合金材料，所述横梁谐振式铰链定子设有定子基座、直梁铰链Ⅰ、直梁铰链Ⅱ、横梁正交驱动足、圆弧形铰链、定子安装孔和预紧螺纹孔，所述直梁铰链Ⅰ和直梁铰链Ⅱ连接横梁正交驱动足与定子基座，所述圆弧形铰链连接横梁正交驱动足与定子基座，使横梁正交驱动足绕圆弧形铰链旋转，所述定子基座两侧设有定子安装孔，所述定子安装孔内穿过定子安装螺栓，安装固定横梁谐振式铰链定子，所述定子基座后端部设有预紧螺纹孔，所述预紧螺纹孔与基米螺钉螺纹连接。

所述导轨组件Ⅱ包括活动导轨Ⅱ安装螺钉、固定导轨Ⅱ安装螺钉、固定导轨Ⅱ和活动导轨Ⅱ。所述固定导轨Ⅱ设有固定导轨Ⅱ安装面、固定导轨Ⅱ安装沉头孔和固定导轨Ⅱ限位面，所述活动导轨Ⅱ设有活动导轨Ⅱ安装面、活动导轨Ⅱ安装沉头孔和活动导轨Ⅱ限位面，所述固定导轨Ⅱ安装面和固定导轨Ⅱ限位面与底座组件相贴合，所述固定导轨Ⅱ安装螺钉穿过固定导轨Ⅱ安装沉头孔，并与底座组件螺纹连接，所述活动导轨Ⅱ安装面与移动平台安装面Ⅱ相贴合，所述固定导轨Ⅱ限位面与移动平台限位面相贴合，所述活动导轨Ⅱ安装螺钉穿过活动导轨Ⅱ安装沉头孔，并与移动平台安装螺纹孔螺纹连接，紧固连接活动导轨Ⅱ和移动平台。

所述底座组件设有底座、预紧调节板、预紧调节螺母和预紧调节螺栓，所述预紧调节板安装在底座上，所述预紧调节螺母与底座胶粘连接，所述预紧调节螺栓与预紧调节螺母螺纹连接，并与预紧调节板贴合。

所述底座设有导轨安装面Ⅰ、固定导轨Ⅰ安装螺纹孔、驱动组件安装螺纹孔、燕尾槽、导轨限位面、导轨安装螺栓让位孔、导轨安装面Ⅱ、固定导轨Ⅱ安装螺纹孔、预紧调节螺母安装孔和预紧调节螺母限位面，所述导轨安装面Ⅰ与固定导轨Ⅰ安装面贴合，所述固定导轨Ⅰ安装螺纹孔与固定导轨Ⅰ安装螺栓螺纹连接，紧固安装固定导轨Ⅰ，所述驱动组件安装螺纹孔与定子安装螺栓螺纹连接，紧固安装横梁谐振式铰链定子，所述燕尾槽与预紧调节板连接，所述导轨限位面与固定导轨Ⅱ限位面贴合，所述导轨安装面Ⅱ与固定导轨Ⅱ安装面贴合，所述固定导轨Ⅱ安装螺纹孔与固定导轨Ⅱ安装螺钉螺纹连接，紧固安装固定导轨Ⅱ，所述预紧调节螺母安装孔与预紧调节螺母胶粘连接，所述预紧调节螺母限位面与预紧调节螺母贴合。

所述预紧调节板设有燕尾台、驱动组件安装凹槽和预紧螺栓安装凹槽，所述燕尾台与燕尾槽配合，用于预紧调节板的运动限位，所述驱动组件安装凹槽与驱动组件贴合，所述预紧螺栓安装凹槽与预紧调节螺栓贴合；所述预紧调节螺母设有螺母安装轴、螺母内螺纹孔和螺母轴肩面，所述螺母安装轴与预紧调节螺母安装孔胶粘连接，所述螺母内螺纹孔与预紧调节螺栓螺纹连接，所述螺母轴肩面与预紧调节螺母限位面贴合。

本发明的有益效果：

本发明利用横梁正交驱动足的偏转变形以实现移动平台的直线驱动，相比于现有粘滑直线运动平台利用定子挤压变形而产生侧向位移，本发明不仅降低了驱动组件结构设计的复杂性，而且减少了横梁谐振式铰链定子的磨损，提高了直线平台的使用寿命，同时利用水平和垂直布置的两个导轨组件配合运动，兼顾了直线平台良好的水平推力及承载能力，进而增强了直线平台的驱动效果，提高了直线平台的运动稳定性，提升了直线平台的定位精度。本发明可应用于精密仪器加工制造及微纳精密驱动与定位领域，具有结构简单、使用寿命长、水平推力和承载能力均衡、定位精度高等技术优势。

附图说明

图1是横梁谐振式铰链定子正交驱动型精密压电粘滑直线平台的整体结构装配剖视图；

图2是横梁谐振式铰链定子正交驱动型精密压电粘滑直线平台的导轨组件Ⅰ装配示意图；

图3是横梁谐振式铰链定子正交驱动型精密压电粘滑直线平台的固定导轨Ⅰ结构示意图；

图4是横梁谐振式铰链定子正交驱动型精密压电粘滑直线平台的活动导轨Ⅰ结构示意图；

图5是横梁谐振式铰链定子正交驱动型精密压电粘滑直线平台的移动平台结构示意图；

图6是横梁谐振式铰链定子正交驱动型精密压电粘滑直线平台的驱动组件装配示意图；

图7是横梁谐振式铰链定子正交驱动型精密压电粘滑直线平台的横梁谐振式铰链定子结构示意图；

图8是横梁谐振式铰链定子正交驱动型精密压电粘滑直线平台的横梁谐振式铰链定子局部放大示意图；

图9是横梁谐振式铰链定子正交驱动型精密压电粘滑直线平台的导轨组件Ⅱ装配示意图；

图10是横梁谐振式铰链定子正交驱动型精密压电粘滑直线平台的固定导轨Ⅱ结构示意图；

图11是横梁谐振式铰链定子正交驱动型精密压电粘滑直线平台的活动导轨Ⅱ结构示意图；

图12是横梁谐振式铰链定子正交驱动型精密压电粘滑直线平台的底座组件装配示意图；

图13是横梁谐振式铰链定子正交驱动型精密压电粘滑直线平台的底座结构示意图；

图14是横梁谐振式铰链定子正交驱动型精密压电粘滑直线平台的预紧调节板结构示意图Ⅰ；

图15是横梁谐振式铰链定子正交驱动型精密压电粘滑直线平台的预紧调节板结构示意图Ⅱ；

图16是横梁谐振式铰链定子正交驱动型精密压电粘滑直线平台的预紧调节螺母结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1~图16说明本实施方式，本实施方式提供了一种横梁谐振式铰链定子正交驱动型精密压电粘滑直线平台的具体实施方式，其具体实施方式表述如下：

所述一种横梁谐振式铰链定子正交驱动型精密压电粘滑直线平台由导轨组件Ⅰ1、移动平台固定螺栓2、移动平台3、驱动组件4、导轨组件Ⅱ5和底座组件6组成，其中，所述导轨组件Ⅰ1固定安装在底座组件6上，并通过移动平台固定螺栓2与移动平台3紧固连接，所述驱动组件4固定安装在底座组件6上，并与导轨组件Ⅰ1相接触，所述导轨组件Ⅱ5分别与移动平台3和底座组件6螺纹连接。

所述导轨组件Ⅰ1包括固定导轨Ⅰ安装螺栓1-1、导轨保持架Ⅰ1-2、固定导轨Ⅰ1-3和活动导轨Ⅰ1-4，所述固定导轨Ⅰ1-3设有固定导轨Ⅰ安装面1-3-1和固定导轨Ⅰ安装孔1-3-2，所述活动导轨Ⅰ1-4设有活动导轨Ⅰ安装面1-4-1、活动导轨Ⅰ安装螺纹孔1-4-2和活动导轨Ⅰ驱动面1-4-3，所述导轨保持架Ⅰ1-2安装在固定导轨Ⅰ1-3和活动导轨Ⅰ1-4之间，所述固定导轨Ⅰ安装螺栓1-1穿过固定导轨Ⅰ安装孔1-3-2与底座组件6螺纹连接，用于固定导轨Ⅰ1-3的安装固定，所述固定导轨Ⅰ安装面1-3-1与底座组件6相贴合，所述活动导轨Ⅰ安装面1-4-1与移动平台3相贴合，所述活动导轨Ⅰ安装螺纹孔1-4-2与移动平台固定螺栓2螺纹连接，用于安装紧固活动导轨Ⅰ1-4，所述活动导轨Ⅰ驱动面1-4-3与驱动组件4相接触，用于传递驱动力。

所述移动平台3设有移动平台安装孔3-1、移动平台安装面Ⅰ3-2、移动平台限位面3-3、预紧调节孔3-4、移动平台安装螺纹孔3-5和移动平台安装面Ⅱ3-6，所述移动平台安装孔3-1内穿过移动平台固定螺栓2，所述移动平台安装面Ⅰ3-2与活动导轨Ⅰ安装面1-4-1贴合，所述移动平台限位面3-3、移动平台安装螺纹孔3-5和移动平台安装面Ⅱ3-6与导轨组件Ⅱ5连接，所述预紧调节孔3-4用于调节预紧。

所述驱动组件4包括压电陶瓷叠堆4-1、横梁谐振式铰链定子4-2、定子安装螺栓4-3、矩形垫片4-4和基米螺钉4-5，所述压电陶瓷叠堆4-1置于横梁谐振式铰链定子4-2内，并通过基米螺钉4-5挤压矩形垫片4-4以紧固安装，所述压电陶瓷叠堆4-1可采用PI或NEC公司的产品，所述矩形垫片4-4采用钨钢材料，目的是保护压电陶瓷叠堆4-1，防止其产生切应变或局部受力不均，所述定子安装螺栓4-3穿过横梁谐振式铰链定子4-2 ，并与底座组件6螺纹连接。

所述横梁谐振式铰链定子4-2可采用5025铝合金、6061铝合金、7075铝合金、Ti-35A钛合金或Ti-13钛合金材料，本实施方式中所述横梁谐振式铰链定子4-2采用7075铝合金材料，所述横梁谐振式铰链定子4-2设有定子基座4-2-1、直梁铰链Ⅰ4-2-2、直梁铰链Ⅱ4-2-3、横梁正交驱动足4-2-4、圆弧形铰链4-2-5、定子安装孔4-2-6和预紧螺纹孔4-2-7，所述直梁铰链Ⅰ4-2-2和直梁铰链Ⅱ4-2-3连接横梁正交驱动足4-2-4与定子基座4-2-1，用于横梁正交驱动足4-2-4的偏转限位，所述圆弧形铰链4-2-5连接横梁正交驱动足4-2-4与定子基座4-2-1，使横梁正交驱动足4-2-4绕圆弧形铰链4-2-5旋转，其中，所述横梁正交驱动足4-2-4两正交横梁长度分别为a和b，a的取值范围为9~12 mm，b的取值范围为10~15 mm，本具体实施方式中a=10 mm，b=12 mm，所述定子基座4-2-1两侧设有定子安装孔4-2-6，所述定子安装孔4-2-6内穿过定子安装螺栓4-3，用于安装固定横梁谐振式铰链定子4-2，所述定子基座4-2-1后端部设有预紧螺纹孔4-2-7，所述预紧螺纹孔4-2-7与基米螺钉4-5螺纹连接。

所述导轨组件Ⅱ5包括活动导轨Ⅱ安装螺钉5-1、固定导轨Ⅱ安装螺钉5-2、固定导轨Ⅱ5-3和活动导轨Ⅱ5-4。所述固定导轨Ⅱ5-3设有固定导轨Ⅱ安装面5-3-1、固定导轨Ⅱ安装沉头孔5-3-2和固定导轨Ⅱ限位面5-3-3，所述活动导轨Ⅱ5-4设有活动导轨Ⅱ安装面5-4-1、活动导轨Ⅱ安装沉头孔5-4-2和活动导轨Ⅱ限位面5-4-3，所述固定导轨Ⅱ安装面5-3-1和固定导轨Ⅱ限位面5-3-3与底座组件6相贴合，所述固定导轨Ⅱ安装螺钉5-2穿过固定导轨Ⅱ安装沉头孔5-3-2，并与底座组件6螺纹连接，所述活动导轨Ⅱ安装面5-4-1与移动平台安装面Ⅱ3-6相贴合，所述固定导轨Ⅱ限位面5-3-3与移动平台限位面3-3相贴合，所述活动导轨Ⅱ安装螺钉5-1穿过活动导轨Ⅱ安装沉头孔5-4-2，并与移动平台安装螺纹孔3-5螺纹连接，用于紧固连接活动导轨Ⅱ5-4和移动平台3。

所述底座组件6设有底座6-1、预紧调节板6-2、预紧调节螺母6-3和预紧调节螺栓6-4，所述预紧调节板6-2安装在底座6-1上，所述预紧调节螺母6-3与底座6-1胶粘连接，所述预紧调节螺栓6-4与预紧调节螺母6-3螺纹连接，并与预紧调节板6-2贴合。

所述底座6-1设有导轨安装面Ⅰ6-1-1、固定导轨Ⅰ安装螺纹孔6-1-2、驱动组件安装螺纹孔6-1-3、燕尾槽6-1-4、导轨限位面6-1-5、导轨安装螺栓让位孔6-1-6、导轨安装面Ⅱ6-1-7、固定导轨Ⅱ安装螺纹孔6-1-8、预紧调节螺母安装孔6-1-9和预紧调节螺母限位面6-1-10，所述导轨安装面Ⅰ6-1-1与固定导轨Ⅰ安装面1-3-1贴合，所述固定导轨Ⅰ安装螺纹孔6-1-2与固定导轨Ⅰ安装螺栓1-1螺纹连接，用于紧固安装固定导轨Ⅰ1-3，所述驱动组件安装螺纹孔6-1-3与定子安装螺栓4-3螺纹连接，用于紧固安装横梁谐振式铰链定子4-2，所述燕尾槽6-1-4与预紧调节板6-2连接，用于预紧调节板6-2的运动限位，所述导轨限位面6-1-5与固定导轨Ⅱ限位面5-3-3贴合，用于固定导轨Ⅱ5-3安装限位，所述导轨安装螺栓让位孔6-1-6便于安装固定导轨Ⅱ安装螺钉5-2，所述导轨安装面Ⅱ6-1-7与固定导轨Ⅱ安装面5-3-1贴合，所述固定导轨Ⅱ安装螺纹孔6-1-8与固定导轨Ⅱ安装螺钉5-2螺纹连接，用于紧固安装固定导轨Ⅱ5-3，所述预紧调节螺母安装孔6-1-9与预紧调节螺母6-3胶粘连接，所述预紧调节螺母限位面6-1-10与预紧调节螺母6-3贴合，用于限制预紧调节螺母6-3轴向运动。

所述预紧调节板6-2设有燕尾台6-2-1、驱动组件安装凹槽6-2-2和预紧螺栓安装凹槽6-2-3，所述燕尾台6-2-1与燕尾槽6-1-4配合，用于预紧调节板6-2的运动限位，所述驱动组件安装凹槽6-2-2与驱动组件4贴合，用于推动驱动组件4产生微量运动，所述预紧螺栓安装凹槽6-2-3与预紧调节螺栓6-4贴合，用于驱动预紧调节板6-2运动。

所述预紧调节螺母6-3设有螺母安装轴6-3-1、螺母内螺纹孔6-3-2和螺母轴肩面6-3-3，所述螺母安装轴6-3-1与预紧调节螺母安装孔6-1-9胶粘连接，所述螺母内螺纹孔6-3-2与预紧调节螺栓6-4螺纹连接，用于调节驱动组件4与导轨组件Ⅰ1之间的预紧力，所述螺母轴肩面6-3-3与预紧调节螺母限位面6-1-10贴合，用于预紧调节螺母6-3轴向限位。

工作原理：

所述一种横梁谐振式铰链定子正交驱动型精密压电粘滑直线平台利用横梁正交驱动足的偏转变形以实现移动平台的直线驱动，其中，采用d33模式的压电陶瓷叠堆通入激励信号后产生轴向伸长微变形，在基米螺钉产生的初始锁紧力作用下，使横梁正交驱动足绕圆弧形铰链发生微角度偏转以产生侧向位移，并利用激励电信号产生的惯性粘滑原理带动活动导轨Ⅰ产生直线运动，进而使压电陶瓷叠堆的轴向直线运动转换为移动平台所需的侧向直线运动以实现直线平台的驱动定位。

其中，在压电陶瓷叠堆带动横梁正交驱动足缓慢偏转阶段，横梁正交驱动足和活动导轨Ⅰ在静摩擦力作用下产生缓慢的“粘”运动，此时活动导轨Ⅰ和移动平台一起向前运动一大步；在压电陶瓷叠堆带动横梁正交驱动足快速恢复变形阶段，横梁正交驱动足和活动导轨Ⅰ在动摩擦力作用下产生快速的“滑”运动，此时横梁正交驱动足恢复原始位置状态，而活动导轨Ⅰ和移动平台一起仅向后回退一小步，重复上述步骤达到移动平台连续步进运动的目的。

综上所述，本发明利用横梁正交驱动足的偏转变形以实现移动平台的直线驱动，不仅降低了驱动组件结构设计的复杂性，而且减少了横梁谐振式铰链定子的磨损，提高了直线平台的使用寿命，同时利用水平和垂直布置的两个导轨组件配合运动，增大了直线平台的水平推力及承载能力，进而增强了直线平台的驱动效果，提高了直线平台的运动稳定性。