一种压电式微纳夹持、定位调整装置及其使用方法，以解决当前传统夹持器难以实现大尺度、高精度的精密调节定位，且不适用于在真空、低温、强辐射等苛刻环境下进行工作导致应用受限等问题。本发明由支撑架、夹持装置、连接装置、驱动装置、连接轴和固定器组成。所述驱动装置内设置有压电陶瓷，通过改变压电陶瓷的输入信号可得到压电陶瓷的不同输出特性，通过激励压电陶瓷可对夹持装置进行高精度调节，从而达到传统夹持器较难实现的调节精度和响应速度。本发明具有结构简单、调节精度高、全方位调节、响应快等特点，并且适用于真空、低温和强辐射等复杂多变的工作环境，其在微机械零件加工、微机械装配和生物工程等方面都有较好的应用前景。
1.一种压电式微纳夹持、定位调整装置，其特征在于：一种压电式微纳夹持、定位调整装置由支撑架（1）、夹持装置（2）、连接装置（3）、驱动装置（4）、连接轴（5）和固定器（6）组成；
所述支撑架（1）用于固定驱动装置（4）并可与外围装置连接；所述连接装置（3）与驱动装置（4）通过螺纹连接；所述连接轴（5）的两端分别与夹持装置（2）和固定器（6）相连；所述支撑架（1）包括安装轴（1-1）、底座（1-2）和底座安装孔（1-3）；所述底座安装孔（1-3）可与螺钉配合连接，以固定底座（1-2）在相应外围装置上；所述安装轴（1-1）上固定有驱动装置（4）；所述夹持装置（2）由夹持筒（2-1）、垫块（2-2）和锁紧螺钉（2-3）组成；垫块（2-2）置于夹持筒（2-1）内部；所述连接装置（3）由连接块（3-1）、发条弹簧（3-2）、锁紧架（3-3）和限位螺钉（3-
4）组成；所述发条弹簧（3-2）置于锁紧架（3-3）内部；所述驱动装置（4）包括外壳（4-1）、夹紧螺母（4-2）、夹紧螺栓（4-3）、压电陶瓷（4-4）、转子（4-5）、垫片（4-6）、预紧螺钉（4-7）和封装板（4-8）；所述夹紧螺栓（4-3）与夹紧螺母（4-2）配合，将驱动装置（4）固定在安装轴（1-1）上；所述固定器（6）包括旋钮（6-1）、第一连接孔（6-2）和第二连接孔（6-3）；所述第一连接孔（6-2）与连接轴（5）相连接；所述第二连接孔（6-3）与外围夹持装置相连接；通过旋转所述旋钮（6-1）可实现第一连接孔（6-2）和第二连接孔(6-3)的安装固定。
2.根据权利要求1所述的一种压电式微纳夹持、定位调整装置，其特征在于所述垫块（2-2）包括长垫片（2-2-1）和弹簧（2-2-2）；所述长垫片（2-2-1）上表面与连接轴（5）相接触，通过旋紧锁紧螺钉（2-3），使锁紧螺钉（2-3）挤压垫块（2-2），从而固定连接轴（5）；所述弹簧（2-2-2）两端分别与夹持筒内表面（2-1-3）及长垫片（2-2-1）粘接，用于垫块（2-2）的固定；
所述夹持筒（2-1）与锁紧螺钉（2-3）螺纹连接；所述夹持筒（2-1）设置有固定孔（2-1-1），与锁紧架（3-3）下端对应螺钉配合固定安装夹持装置（2）；所述夹持筒内表面（2-1-3）与连接轴（5）相接触，用于固定连接轴（5）；所述夹持筒上端面（2-1-4）与限位螺钉（3-4）底部接触。
3.根据权利要求1所述的一种压电式微纳夹持、定位调整装置，其特征在于所述连接块（3-1）包括沉头孔（3-1-1）和限位孔（3-1-2）；所述连接块（3-1）通过沉头孔（3-1-1）与驱动装置（4）相连接；所述锁紧架（3-3）与固定孔（2-1-1）相连接；所述限位孔（3-1-2）与限位螺钉（3-4）螺纹连接，对夹持装置（2）进行限位。
4.根据权利要求1所述的一种压电式微纳夹持、定位调整装置，其特征在于所述外壳（4-1）包括转子安装平面（4-1-1）、摩擦片（4-1-2）、位移传递机构（4-1-3）、电路通孔（4-1-
4）、销轴（4-1-5）、预紧螺纹孔（4-1-6）、封装板安装螺纹孔（4-1-7）、夹紧螺纹孔（4-1-8）、夹紧平面（4-1-9）和封装板安装面（4-1-10），所述转子（4-5）安装在转子安装平面（4-1-1）上；
所述位移传递机构（4-1-3）与压电陶瓷（4-4）相接触，可将压电陶瓷（4-4）的变形输送到摩擦片（4-1-2）；所述电路通孔（4-1-4）用于外接电路的连接；所述销轴（4-1-5）连接驱动装置（4）左右两部分；所述预紧螺纹孔（4-1-6）与预紧螺钉（4-7）螺纹连接；所述封装板安装螺纹孔（4-1-7）利用螺栓连接封装板安装孔（4-8-2），使封装板安装面（4-1-10）与封装板平面（4-8-1）接触，实现封装板（4-8）的安装固定；所述夹紧螺纹孔（4-1-8）通过夹紧螺母（4-2）与夹紧螺栓（4-3）螺纹连接，使夹紧平面（4-1-9）与安装轴（1-1）外圆面相接触，实现驱动装置（4）在安装轴（1-1）上的固定。
5.根据权利要求1所述的一种压电式微纳夹持、定位调整装置，其特征在于所述转子（4-5）设置有角度指示器（4-5-1）；所述转子（4-5）设置有轴承Ⅰ（4-5-2），所述轴承Ⅰ（4-5-2）与转子安装平面（4-1-1）接触；所述转子（4-5）设置有驱动螺钉（4-5-3），其通过沉头孔（3-
1-1）与联接器（4-5-6）螺纹连接；所述转子（4-5）设置有转轴（4-5-5），所述转轴（4-5-5）与摩擦片（4-1-2）相接触；所述转子（4-5）下端部设置有轴承Ⅱ（4-5-4），所述轴承Ⅱ（4-5-4）与轴承安装孔（4-8-3）过盈配合。
6.根据权利要求1所述的一种压电式微纳夹持、定位调整装置，其特征在于所述安装轴（1-1）的高度为150mm；所述驱动装置（4）可在安装轴（1-1）上垂直调节及旋转调节，其中，驱动装置（4）的最大垂直调节高度为130mm，最大旋转调节角度为360°。
7.根据权利要求1所述的一种压电式微纳夹持、定位调整装置，其特征在于所述夹持筒（2-1）可夹持的内径范围为10 20mm。
8.根据权利要求1所述的一种压电式微纳夹持、定位调整装置，其特征在于所述连接块（3-1）可调节角度为0 240°。
压电式微纳夹持、定位调整装置及其使用方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种压电式微纳夹持、定位调整装置及其使用方法，属于微纳精密驱动技术、精密超精密加工、微机电系统领域。
背景技术
[0002] 随着微机电系统的发展，对微操作与微装配技术的需求日益迫切，而高精度并且适用于特殊环境的微纳夹持、定位调整装置也受到了国内外的广泛关注。随着微操作对象的尺寸逐渐减小，微纳夹持、定位调整装置的发展也十分迅速，其在微机械零件加工、微机械装配和生物工程等方面都有较好的应用前景。微小构件的不同操作定位需求以及特殊环境下的实际应用也对微夹持、定位调整装置提出了新的要求。
[0003] 目前已经投入使用的夹持器多数难以实现大尺度、高精度的精密调节定位，且不适用于在真空、低温、强辐射等苛刻环境下进行工作，因此在实际应用中具有局限性，可使用范围相对较小。
发明内容
[0004] 为解决传统夹持、定位装置难以实现大尺度、高精度的精密调节定位，且不适用于在真空、低温、强辐射等苛刻环境下进行工作导致实际应用受限等问题，本发明公开一种压电式微纳夹持、定位调整装置及其使用方法。
[0005] 本发明所采用的技术方案是：
[0006] 所述一种压电式微纳夹持、定位调整装置由支撑架、夹持装置、连接装置、驱动装置、连接轴和固定器组成。所述支撑架用于固定驱动装置并可与外围装置连接，所述连接装置与驱动装置通过螺纹连接，所述连接轴的两端分别与夹持装置和固定器相连。
[0007] 所述支撑架包括安装轴、底座和底座安装孔；所述底座安装孔可与螺钉配合连接，以固定底座在相应外围装置上；所述安装轴上固定有驱动装置；所述夹持装置由夹持筒、垫块和锁紧螺钉组成；垫块置于夹持筒内部；所述连接装置由连接块、发条弹簧、锁紧架和限位螺钉组成；其中，所述连接块包括沉头孔和限位孔；所述连接块通过沉头孔与驱动装置相连接；所述发条弹簧置于锁紧架内部；所述锁紧架与固定孔相连接；所述限位孔与限位螺钉螺纹连接，对夹持装置进行限位; 所述驱动装置包括外壳、夹紧螺母、夹紧螺栓、压电陶瓷、转子、垫片、预紧螺钉和封装板；所述夹紧螺栓与夹紧螺母配合，将驱动装置固定在安装轴上；所述固定器包括旋钮、第一连接孔和第二连接孔；所述第一连接孔与连接轴相连接；所述第二连接孔与外围夹持装置相连接，用于夹持所需装置；通过旋转所述旋钮可实现第一连接孔和第二连接孔的安装固定。
[0008] 所述垫块包括长垫片和弹簧；所述长垫片上表面与连接轴相接触，通过旋紧锁紧螺钉，使锁紧螺钉挤压垫块，从而固定连接轴；所述弹簧两端分别与夹持筒内表面及长垫片粘接，用于垫块的固定；所述夹持筒与锁紧螺钉螺纹连接；所述夹持筒设置有固定孔，与锁紧架下端对应螺钉配合固定安装夹持装置；所述夹持筒内表面与连接轴相接触，用于固定连接轴；所述夹持筒上端面与限位螺钉底部接触。
[0009] 所述外壳包括转子安装平面、摩擦片、位移传递机构、电路通孔、销轴、预紧螺纹孔、封装板安装螺纹孔、夹紧螺纹孔、夹紧平面和封装板安装面，所述转子安装在转子安装平面上；所述位移传递机构与压电陶瓷相接触，可将压电陶瓷的变形输送到摩擦片；所述电路通孔用于外接电路的连接；所述销轴连接驱动装置左右两部分；所述预紧螺纹孔与预紧螺钉螺纹连接；所述封装板安装螺纹孔利用螺栓连接封装板安装孔，使封装板安装面与封装板平面接触，实现封装板的安装固定；所述夹紧螺纹孔通过夹紧螺母与夹紧螺栓螺纹连接，使夹紧平面与安装轴外圆面相接触，实现驱动装置在安装轴上的固定。
[0010] 所述转子设置有角度指示器；所述转子设置有轴承Ⅰ，所述轴承Ⅰ与转子安装平面接触；所述转子设置有驱动螺钉，其通过沉头孔与联接器螺纹连接；所述转子设置有转轴，所述转轴与摩擦片相接触；所述转子下端部设置有轴承Ⅱ，所述轴承Ⅱ与轴承安装孔过盈配合。
[0011] 所述安装轴的高度为M，100≤M≤200mm；所述驱动装置在安装轴上垂直调节及旋转调节，其中，驱动装置的最大垂直调节高度为N，N与M间的关系满足M=N+20mm；最大旋转调节角度范围为0 360°。所述夹持筒夹持的内径范围为10 20mm。所述连接块（3-1）调节角度~ ~为0 120°。
~
[0012] 本发明的有益效果是：
[0013] 本发明采用压电陶瓷作为驱动元件，通过改变压电陶瓷的输入波形可得到不同的输出特性，使用压电陶瓷作为驱动元件的夹持与定位调整装置精度更高，开环状态下可达微米量级的夹持与定位调节，并且不受真空、低温和强辐射等工作环境的影响。通过压电陶瓷驱动的夹持与定位装置运动更加平稳，可以实现快速精准的全方位调节，同时该夹持与定位调整装置结构紧凑，适用于真空、低温或强辐射等苛刻环境下的精密加工，应用范围较为广泛。
附图说明
[0014] 图1所示为本发明提出的一种压电式微纳夹持、定位调整装置的结构示意图；
[0015] 图2所示为本发明提出的一种压电式微纳夹持、定位调整装置的支撑架示意图；
[0016] 图3所示为本发明提出的一种压电式微纳夹持、定位调整装置的夹持装置示意图；
[0017] 图4所示为本发明提出的一种压电式微纳夹持、定位调整装置的夹持筒剖视图；
[0018] 图5所示为本发明提出的一种压电式微纳夹持、定位调整装置的垫块示意图；
[0019] 图6所示为本发明提出的一种压电式微纳夹持、定位调整装置的连接装置剖视图；
[0020] 图7所示为本发明提出的一种压电式微纳夹持、定位调整装置的连接块剖视图；
[0021] 图8所示为本发明提出的一种压电式微纳夹持、定位调整装置的驱动装置示意图；
[0022] 图9所示为本发明提出的一种压电式微纳夹持、定位调整装置的外壳示意图；
[0023] 图10所示为本发明提出的一种压电式微纳夹持、定位调整装置的转子示意图；
[0024] 图11所示为本发明提出的一种压电式微纳夹持、定位调整装置的封装板示意图；
[0025] 图12所示为本发明提出的一种压电式微纳夹持、定位调整装置的固定器示意图；
[0026] 图13所示为本发明提出的一种压电式微纳夹持、定位调整装置使用方法的激励信号波形及其运动原理示意图。
具体实施方式
[0027] 具体实施方式一：结合图1 图12说明本实施方式。本实施方式提供一种压电式微~纳夹持、定位调整装置的具体实施方案。所述一种压电式微纳夹持、定位调整装置由支撑架
1、夹持装置2、连接装置3、驱动装置4、连接轴5和固定器6组成。所述支撑架1用于固定驱动装置4并可与外围装置连接；所述连接装置3与驱动装置4通过螺纹连接；所述连接轴5的两端分别与夹持装置2和固定器6相连。
[0028] 所述支撑架1包括安装轴1-1、底座1-2、底座安装孔1-3。其中安装轴1-1与底座1-2采用高合金钢材料。其中，所述安装轴1-1的高度为M，100≤M≤200mm，本具体实施方式中，M的具体取值为150mm；所述底座安装孔1-3可与相应螺钉配合，实现底座1-2的安装固定。所述安装轴1-1上固定有驱动装置4。
[0029] 所述夹持装置2由夹持筒2-1、垫块2-2和锁紧螺钉2-3组成。所述夹持筒2-1与锁紧螺钉2-3采用螺纹连接，通过调节锁紧螺钉2-3高度实现夹持筒2-1内径的改变及连接轴5的固定；其中，所述夹持筒2-1可改变的内径范围为10 20mm，在本具体实施方式中，内径的具~体取值为12mm。为防止所述锁紧螺钉2-3在挤压过程中破坏连接轴5，在其间设置一垫块2-
2，通过旋紧锁紧螺钉2-3可实现连接轴5的安装固定。所述夹持筒2-1设置有固定孔2-1-1，其用于夹持装置2的安装；所述夹持筒内表面2-1-3与连接轴5相接触。所述垫块2-2包括长垫片2-2-1与弹簧2-2-2，其中长垫片2-2-1采用橡胶材料。所述弹簧2-2-2与夹持筒内表面
2-1-3粘接，用于垫块2-2的固定；所述弹簧2-2-2可起到复位与减压的作用。所述夹持筒上端面2-1-4与限位螺钉3-4底部接触。
[0030] 所述连接装置3由连接块3-1、发条弹簧3-2、锁紧架3-3和限位螺钉3-4组成。所述连接块3-1与驱动装置4相连接，其中，所述连接块3-1的调节角度范围为0 120°，在本具体~实施方式中，调节角度为60°；所述发条弹簧3-2设置在锁紧架3-3的内部，将对锁紧架3-3施加一个顺时针转动的预紧力。所述锁紧架3-3与固定孔2-1-1相连接，实现夹持装置2的安装固定。所述连接块3-1设置有限位孔3-1-2，其与限位螺钉3-4螺纹连接，所述限位螺钉3-4底部与夹持筒上端面2-1-4接触，调节限位螺钉3-4高度可改变夹持筒2-1倾斜角度，实现对夹持装置2的限位。
[0031] 所述驱动装置4包括外壳4-1、夹紧螺母4-2、夹紧螺栓4-3、压电陶瓷4-4、转子4-5、垫片4-6、预紧螺钉4-7和封装板4-8。所述压电陶瓷4-4采用PI或NEC公司的产品。所述转子4-5可在压电陶瓷4-4的带动下旋转。所述夹紧螺栓4-3与夹紧螺母4-2配合，可将驱动装置4固定在安装轴1-1上。所述外壳4-1包括转子安装平面4-1-1、摩擦片4-1-2、位移传递机构4-
1-3、电路通孔4-1-4、销轴4-1-5、预紧螺纹孔4-1-6、封装板安装螺纹孔4-1-7、夹紧螺纹孔
4-1-8、夹紧平面4-1-9和封装板安装面4-1-10。所述转子4-5安装在转子安装平面4-1-1上。
所述摩擦片4-1-2采用陶瓷材料，增强摩擦性能。所述位移传递机构4-1-3采用铝合金材料，更易产生弹性变形；所述位移传递机构4-1-3与压电陶瓷4-4相接触，可将压电陶瓷4-4的变形输送到摩擦片4-1-2。所述电路通孔4-1-4用于外接电路的连接。所述销轴4-1-5联接驱动装置左右两部分。所述预紧螺纹孔4-1-6与预紧螺钉4-7螺纹连接，实现压电陶瓷4-4的安装预紧。所述封装板安装螺纹孔4-1-7利用螺栓连接封装板安装孔4-8-2，使封装板安装面4-
1-10与封装板平面4-8-1接触，实现封装板4-8的安装固定。所述夹紧螺纹孔4-1-8通过夹紧螺母4-2与夹紧螺栓4-3的螺纹连接，使夹紧平面4-1-9与安装轴1-1外圆面相接触，实现驱动装置4在安装轴1-1上的固定；其中，所述驱动装置4可在安装轴1-1上垂直调节及旋转调节，其中，驱动装置4的最大垂直调节高度为N，N与M间的关系满足M=N+20mm，在本具体实施方式中，N的具体取值为130mm；最大旋转调节角度范围为0 360°，本具体实施方式中，调节~
角度为180°。
[0032] 所述转子4-5设置有角度指示器4-5-1，所指示数为旋转角度，其中转子4-5可旋转角度为0 120°，本具体实施方式中调节角度为60°；所述转子4-5设置有轴承Ⅰ4-5-2，其上端~面与转子安装平面4-1-1接触；所述转子4-5设置有驱动螺钉4-5-3，所述驱动螺钉4-5-3为内六角螺钉，其通过沉头孔3-1-1与联接器4-5-6螺纹连接，实现转子4-5和连接装置3的同步转动；所述转子4-5设置有转轴4-5-5，所述转轴4-5-5与摩擦片4-1-2相接触，当摩擦片4-
1-2运动时可带动转轴4-5-5转动，从而使转子4-5旋转。所述转子4-5下端部设置有轴承Ⅱ
4-5-4，所述轴承Ⅱ4-5-4与轴承安装孔4-8-3过盈配合。
[0033] 所述固定器6包括旋钮6-1、第一连接孔6-2和第二连接孔6-3。所述第一连接孔6-2与连接轴5相连接。所述第二连接孔6-3与外围夹持装置相连接，用于夹持所需装置。通过旋转所述旋钮6-1可实现第一连接孔6-2和第二连接孔6-3的安装固定。
[0034] 具体实施方式二：结合图13说明本实施方式，本实施方式提出了一种压电式微纳夹持、定位调整装置使用方法的具体实施方式，所述一种压电式微纳夹持、定位调整装置使用方法表述如下：
[0035] 所述一种压电式微纳夹持、定位调整装置可跨尺度调节夹持筒的位置，可适用于真空、低温或强辐射等特殊环境下微纳米级的精密工作。所谓跨尺度调节是指当对调节精度要求不高时，可直接进行手动调节；当对调节精度要求极高时，可先进行手动预调节，当接近指定位置后换用压电陶瓷进行精密调节。当对压电陶瓷通以不同波形的激励信号时，会使压电陶瓷获得不同的输出特性，实现夹持与定位装置的双向精密调节。
[0036] 所述双向精密调节可具体为正向精密调节和反向精密调节。其中，结合图13（a）说明，所述正向精密调节驱动方法如下：
[0037] 本发明以压电陶瓷作为驱动源，（a）为一组对称性为51% 99%的锯齿波电信号，本~实施方式中对称性为90%，将激励电信号输入压电陶瓷使其产生形变，可使转子产生正向输出推力，带动夹持装置正向转动。其具体运动过程如下：
[0038] 第一步：t0为初始时刻，此时压电陶瓷不供电，位移传递机构呈现自由状态，摩擦片与转子接触，转子保持静止；
[0039] 第二步：t0到t1时间段，激励电信号为锯齿波缓慢上升沿，此时间段内压电陶瓷随电压缓慢增大而慢速伸长一定距离，由于压电陶瓷与位移传递机构接触，故位移传递机构将在x正方向产生变形，其弹性形变量与压电陶瓷伸长量相等，则摩擦片在x方向的位移量与压电陶瓷伸长量也相等，转子与摩擦片相接触，在x正方向将产生转动，转子随摩擦片的移动而发生转动，其转动角度为θ1；
[0040] 第三步：t1到t2时间段，激励电信号为锯齿波急剧下降沿，此时间段内压电陶瓷随电压急剧下降而迅速缩短一定距离回复至初始长度，位移传递机构不受压电陶瓷的挤压，也将回复至初始形状，摩擦片将在x方向同时发生迅速回退运动，摩擦片与转子相接触，带动转子在x负方向转动，此时由于转子的转动惯性和摩擦系数的不同，使得两者间发生滑移现象，转子不会回到初始位置，有效地减小了转子回撤时在x负方向上的微小转动，其转动角度为θ2且θ2<θ1；
[0041] 转子最终的转动角度为θ=θ1-θ2，（θ>0）；
[0042] 第四步：反复依次进行第二步到第三步的过程，转子将在逆时针方向上作连续步进转动。
[0043] 结合图13（b）说明，所述反向精密调节驱动方法如下：
[0044] 第一步：t0为初始时刻，此时压电陶瓷不供电，位移传递机构呈现自由状态，摩擦片与转子接触，转子保持静止；
[0045] 第二步：t0到t1时间段，激励电信号为锯齿波急剧上升沿，此时间段内压电陶瓷随电压急剧增大而快速伸长一定距离，由于压电陶瓷与位移传递机构接触，故位移传递机构将在x正方向产生变形，其弹性形变量与压电陶瓷伸长量相等，则摩擦片在x方向的位移量与压电陶瓷伸长量也相等，摩擦片与转子相接触，带动转子在x正方向转动，此时由于转子的转动惯性和摩擦系数的不同，使得两者间发生滑移现象，转子随摩擦片的移动而发生微小转动，其转动角度为θ3；
[0046] 第三步：t1到t2时间段，激励电信号为锯齿波缓慢下降沿，此时间段内压电陶瓷随电压缓慢下降而慢速缩短一定距离回复至初始长度，位移传递机构不受压电陶瓷的挤压，也将回复至初始形状，摩擦片将在x方向同时发生迅速回退运动，摩擦片与转子相接触，带动转子在x负方向将产生转动，有效地增大了转子回撤时在x负方向上的转动，其转动角度为θ4，且θ4>θ3；
[0047] 转子最终的转动角度为θ=θ4-θ3，（θ>0）；
[0048] 第四步：反复依次进行第二步到第三步的过程，转子将在顺时针方向上作连续步进转动。
[0049] 通过以上叙述可得出，手动调节为粗调，通过驱动压电陶瓷为微调，经过粗调与微调之间的相互协作可增大该夹持器的应用范围，实现全方位快速精准调节，并对后续工作具有参考价值。
[0050] 综合以上所述内容，本发明提供一种压电式微纳夹持、定位调整装置及其使用方法，以解决当前夹持、定位调整装置因调节精度较低，不易在苛刻的环境要求下而导致的实际应用受限等问题。所提出的一种压电式微纳夹持、定位调整装置具有结构简单紧凑、调节精度高、全方位调节、响应快等特点，并且可以在真空、低温和强辐射等特殊环境下工作，适用于更加复杂多变的工作环境，其在微机械零件加工、微机械装配和生物工程等方面都有较好的应用前景。
