CN102291039B

CN102291039B - 多自由度仿生压电驱动装置

Info

Publication number: CN102291039B
Application number: CN201110205685.XA
Authority: CN
Inventors: 赵宏伟; 曲涵; 任露泉; 张鹏; 黄宇霆; 李建平; 黄虎; 王汉伟; 杨建波; 吕扬
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Chongqing Research Institute Of Jilin University
Priority date: 2011-07-22
Filing date: 2011-07-22
Publication date: 2013-10-09
Anticipated expiration: 2031-07-22
Also published as: CN102291039A

Abstract

本发明涉及一种多自由度仿生压电驱动装置，属于精密加工领域。由基壳、定子、转子组成，基于步进方式工作，定子上无嵌位元件，利用压电叠堆正向推力、柔性铰链反向回弹力综合作用，实现了驱动器转子正、反方向双向运动以及轴向的直线运动。另外，在材料微观特性测试方面，该驱动装置可同时完成对精细材料的纳米级拉伸和扭转测试。基于尺蠖式压电驱动具有高精度定位和重复定位能力，可应用于超精密加工机床、材料试件纳米力学性能的检测、微机电系统、精密光学、航空航天和机器人等领域。可大大提高普通驱动器的驱动精度，具有位移控制精度高、响应快、驱动力大、驱动功率低和工作频率宽、成本低、投资少、见效快、效益高等优点。

Description

多自由度仿生压电驱动装置

技术领域

本发明涉及精密加工领域，特别涉及一种多自由度仿生压电驱动装置，可应用于超精密加工机床、材料试件纳米力学性能的检测、微机电系统、精密光学、航空航天和机器人等领域。

背景技术

近年来，随着科学技术的发展，微纳米技术在生命科学、微电子学、光学、超精密机械及其制造、精密测量医药卫生、半导体、生物化学、数据存储等学科领域中占据越来越重要的地位，微机械技术、微纳米测量技术、微纳米级的定位和驱动技术已成为当今世界高新技术领域的热门，各种形式各异的具有精密驱动、精密测量和精密定位功能的新型驱动器被陆续研制开发出来。传统的精密驱动器主要采用精密螺杆螺母副、滚动或滑动导轨、涡轮-凸轮机构、齿轮-杠杆机构、精密螺旋楔块等机构，由于存在较大的间隙和摩擦，结构不够紧凑，存在爬行、多环节传动等原因，不能满足现代精密驱动器的技术要求。而压电陶瓷材料具备的高精度、响应快、驱动力大、驱动功率低、工作频率宽、不受电磁干扰、无空回等优点，随着压电元件性能的不断发展提升以及加工技术水平的进步，近年来，由此类元件作为精密驱动的微纳米级精密驱动器越来越受到关注。

传统的驱动器存在结构尺寸大，易出现爬行等现象，定位精度较低，加工困难，存在较大间隙摩擦等缺点，部分稳定、高精度的传统驱动器，也因其行程过小，成本过高，严重限制了其在生产实际中的应用。为满足工作需要，往往要取多自由度的运动输出，这就决定了需要将多个单自由度驱动单元组合装配使用，导致结构复杂且尺寸庞大，整体装配误差累积过高，整体刚度差。因此，设计一种具有高精度定位和重复定位功能，且具有多自由度，适用于微纳米级的旋转和直线运动的微小型驱动器已十分必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多自由度仿生压电驱动装置，解决了现有技术存在的结构尺寸大，易出现爬行等现象，定位精度低，加工困难，存在较大间隙和摩擦，以及行程小、成本高等问题。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：主要由旋转驱动模块和直线运动模块组成，旋转驱动部分和直线驱动部分为一整体式结构，无需任何连接元件。所述的旋转驱动模块，其转子内部的几个嵌位，采用了特殊的柔性铰链结构，从而提高了旋转的稳定性，实现了钳位和驱动交替进行的步进驱动方式，保证了钳位的稳定性和轴向旋转的高精度。其中，转子用于实现动力载荷的输出，提供高频下移动和转动的动力输出；定子用于对嵌位、驱动部分提供定位和支撑；钳位、驱动部分用以对转子提供具有一定时序的钳位和驱动作用；动力输出部分用以实现和外部连接，输出动力；所述的直线运动模块设计成双侧薄壁铰链，由四组压电叠堆驱动，响应迅速，行程大。为实现沿轴向的直线驱动，本发明设计为上、中、下三层结构，转子内部同样具有上、中、下三层钳位机构，配合转子内部的钳位机构及直线驱动压电驱动器，钳紧和驱动按相应时序交替进行，进而实现了转子在轴向上的直线运动，并且转子内部无绕线结构，可实现任意角度的旋转。

本发明的具体技术方案是：

多自由度仿生压电驱动装置，包括基壳、定子2、转子3三部分，所述定子2分为定子上、中、下三层结构，定子三层结构之间通过薄壁柔性铰链A、B连接，定子上层和定子中层为旋转驱动部分，定子中层和定子下层为直线驱动部分，在定子下层中设置四组直线运动压电叠堆穿过定子2的定子下层结构直接作用于定子中间层结构；

所述转子3分为转子上、中、下三层结构，其钳紧部分设置三组压电叠堆，分别为转子上层结构嵌入压电叠堆Ⅰ5、转子中间层结构嵌入压电叠堆Ⅲ10、转子下层结构压电叠堆Ⅳ11，该压电叠堆Ⅰ5、压电叠堆Ⅲ10、电叠堆Ⅳ11分别通过垫片Ⅰ、Ⅲ、Ⅱ7、20、18及沉头螺钉Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ22、21、19固在定子2上，转子3内部设有薄壁柔性铰链C，轴端有输出连接螺钉Ⅱ、Ⅲ4、6。

所述的四组直线运动压电叠堆采用螺纹紧固方式，具体是螺纹紧固楔形块Ⅰ、Ⅱ 13、14预紧压电叠堆Ⅴ12，螺纹紧固楔形块Ⅲ、Ⅳ 15、16预紧压电叠堆Ⅵ17，螺纹紧固楔形块Ⅴ、Ⅵ 27、28预紧压电叠堆Ⅶ26，螺纹紧固楔形块Ⅶ、Ⅷ 30、31预紧压电叠堆Ⅷ32；压电叠堆Ⅱ9通过驱动索引8与定子2的定子上层结构连为一整体。

所述的基壳为长方形壳体，侧壁通过紧固螺钉Ⅳ、Ⅴ、Ⅶ、Ⅷ24、25、29、33及紧固螺钉Ⅸ、Ⅹ、Ⅺ、Ⅰ34、35、23、1与定子下层紧固连接为一体。

所述的旋转驱动部分与直线驱动部分为一整体式结构，结构紧凑小巧。

本发明的有益效果在于：整体式结构，无需任何连接元件，有利于提高系统刚性，从而增加系统运行的稳定性。转子无绕线可任意方向旋转，当驱动机构施加力时，可以绕轴线方向定向转动和轴向直线运动，通过转子轴端的输出连接螺钉可将动力输出。该驱动装置采用转子内部稳定嵌位方式，定子与转子间无轴承连接，故其动态特性稳定，运行平稳，结构紧凑，具有极高的旋转分辨率，可实现大行程连续步进运动、直线和旋转运动输出的多种功能。本发明设计的超精密多自由度仿生压电驱动装置具有旋转驱动模块和直线运动模块一体化的结构设计，其旋转驱动部分和直线驱动采用线切割技术一次切割成型，结构更为精巧紧凑，采用了薄壁柔性铰链连接，定子与转子间无轴承连接，具有极高的旋转分辨率，可实现大行程360°连续步进旋转运动和直线往复运动。采用分别驱动或配合驱动的方式，可以实现绕转子轴线方向的旋转运动和沿该轴线方向的直线运动，可作为精密试验台的驱动单元，可用于材料微观力学测试拉、扭测试的动力部分，其独特的微小结构和高精度的定位装置，以及多自由度的驱动模式，具有广阔的发展前景。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的定子结构示意图；

图3为本发明的转子结构示意图；

图4为本发明的俯视示意图；

图5为本发明的左视示意图；

图6为本发明的右视示意图；

图7为本发明的主视示意图；

图8为本发明的后视示意图；

图9为本发明的剖视示意图。

图中：

1.紧固螺钉Ⅰ， 2.定子， 3.转子， 4.紧固螺钉Ⅱ， 5.压电叠堆Ⅰ，

6.紧固螺钉Ⅲ， 7.垫片Ⅰ， 8.驱动索引， 9.压电叠堆Ⅱ， 10.压电叠堆Ⅲ，

11.压电叠堆Ⅳ， 12.压电叠堆Ⅴ， 13.楔形块Ⅰ， 14. 楔形块Ⅱ， 15. 楔形块Ⅲ，

16. 楔形块Ⅳ， 17.压电叠堆Ⅵ， 18. 垫片Ⅱ， 19.沉头螺钉Ⅰ， 20. 垫片Ⅲ，

21. 沉头螺钉Ⅱ，22. 沉头螺钉Ⅲ， 23.紧固螺钉Ⅺ，24.紧固螺钉Ⅳ， 25.紧固螺钉Ⅴ，

26.压电叠堆Ⅶ， 27.楔形块Ⅴ， 28. 楔形块Ⅵ，29. 紧固螺钉Ⅶ， 30. 楔形块Ⅶ，

31. 楔形块Ⅷ， 32.压电叠堆Ⅷ， 33. 紧固螺钉Ⅷ，34. 紧固螺钉Ⅸ， 35.紧固螺钉Ⅹ。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

参见图1至图9，本发明的多自由度仿生压电驱动装置，包括基壳、定子2、转子3三部分，所述定子2分为定子上、中、下三层结构，定子三层结构之间通过薄壁柔性铰链A、B连接，定子上层和定子中层为旋转驱动部分，定子中层和定子下层为直线驱动部分，在定子下层中设置四组直线运动压电叠堆穿过定子2的定子下层结构直接作用于定子中间层结构；

本发明为一整体式结构，有利于提高系统刚性，从而增加系统运行的稳定性。转子无绕线可任意方向旋转，当驱动机构施加力时，可以绕轴线方向定向转动和轴向直线运动，通过转子3轴端的输出连接螺钉可将动力输出，具体工作流程如下：

初始状态：压电叠堆Ⅰ~Ⅷ 5、9、10、11、12、17、26、32均不带电，系统处于自由状态，此时转子亦处于游动状态；

Z轴旋转运动：转子3在低频下开始绕轴线方向旋转：压电叠堆Ⅰ5得电伸长，通过转子3上层结构中的薄壁柔性铰链夹紧定子2上层内孔外壁，使得转子3和定子2的上层结构连接为一整体；驱动机构中的压电叠堆Ⅱ9得电伸长，通过驱动索引8将压电叠堆Ⅱ9和定子2上层结构连为一整体，同时压电叠堆Ⅱ9继续伸长带动定子2上层结构的产生微小转动，因为转子3此时和定子2的上层结构连接在一起，故同时带动转子3转过一定微小角度；压电叠堆Ⅲ10得电伸长，通过转子3中层结构中的薄壁柔性铰链夹紧定子2中层外壁，转子3和定子2中层结构连接为一整体；压电叠堆Ⅰ、Ⅱ5、9失电，转子3与定子2上层结构分离，压电叠堆Ⅰ5和Ⅱ9恢复到初始状态，驱动索引8和定子2上层结构分离，定子2的上层结构在上层和中层间的薄壁柔性铰链的作用下弹性恢复至初始状态；压电叠堆Ⅰ5得电，同时压电叠堆Ⅲ10失电；重复以上步骤并配合相应时序即可实现转子3在低频下的连续步进旋转。

Z轴直线向上运动：转子3 在低频下开始沿轴向直线向上运动：压电叠堆Ⅲ10得电伸长，通过转子3中层结构中的薄壁柔性铰链夹紧定子2中层结构内孔外壁，使转子3和定子2中层结构连接为一整体，驱动机构中的四组压电叠堆Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ 12、17、26、32得电伸长，沿轴向方向移动微小距离，因定子2中层结构和转子3连接为一体，故转子3沿轴向方向向上产生了微小移动；压电叠堆Ⅳ11得电伸长，通过转子3下层结构中的薄壁柔性铰链夹紧定子2下层外壁，转子3和定子2下层结构连接为一整体，压电叠堆Ⅲ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ 10、12、17、26、32失电恢复到初始状态，转子3和定子2中层结构分离，定子2中层结构在中层和下层间薄壁柔性铰链作用下弹性恢复至初始状态；压电叠堆Ⅳ 11得电，同时压电叠堆Ⅲ 10失电；重复以上步骤配合相应时序即可实现转子3在低频下连续沿轴向向上步进移动。

Z轴直线向下运动：转子3 在低频下开始沿轴向直线向下运动：压电叠堆Ⅳ11得电伸长，通过转子3下层结构中的薄壁柔性铰链夹紧定子2下层结构内孔外壁，使转子3和定子2下层结构连接为一整体；驱动机构中的四组压电叠堆Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ12、17、26、32得电伸长，定子2沿轴向方向向上产生了微小移动，因定子2下层结构和转子3连接为一体，且定子2下层结构与基壳固连，转子3在Z轴方向未发生移动；压电叠堆Ⅲ 10得电伸长，通过转子3中层结构中的薄壁柔性铰链夹紧定子2中层外壁，转子3和定子2中层结构连接为一整体；压电叠堆Ⅲ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ 10、12、26、32失电恢复到初始状态，转子3和定子2下层结构分离，定子2中层结构在中层和下层间薄壁柔性铰链作用下弹性恢复至初始状态，定子2中层结构产生沿轴向向下移动微小距离，故定子3也沿轴向向下移动微小距离；压电叠堆Ⅲ 10得电，同时压电叠堆Ⅳ 11失电；重复以上步骤配合相应时序即可实现转子3在低频下连续沿轴向向下步进移动。

转子3用于完成动力、载荷输出，可将外输出部件通过相应连接方式连接在转子3上。整个多自由度驱动器的运动具有严格的时序逻辑。本发明的可动部件全部采用形体可控面型的压电叠堆，其运动是通过对压电叠堆的时序电压控制来实现的。转子的运动和停止均由转子内部薄壁柔性铰链的钳位作用实现。钳位机构经压电叠堆的作用，可沿转子径向伸缩变形。转子除了绕轴向转动以外，还可以通过嵌入转子内部的嵌位机构和直线驱动机构实现转子沿轴直线运动。直线驱动模块和旋转驱动模块为一整体式结构，结构紧凑小巧。

Claims

1.一种多自由度仿生压电驱动装置，其特征在于：包括基壳、定子(2)、转子(3)三部分，所述定子(2)分为定子上、中、下三层结构，定子三层结构之间通过薄壁柔性铰链(A)、(B)连接，定子上层和定子中层为旋转驱动部分，定子中层和定子下层为直线驱动部分，在定子下层中设置四组直线运动压电叠堆穿过定子(2)的定子下层结构直接作用于定子中间层结构；

所述转子(3)分为转子上、中、下三层结构，其钳紧部分设置三组压电叠堆，分别为转子上层结构嵌入压电叠堆Ⅰ(5)、转子中间层结构嵌入压电叠堆Ⅲ(10)、转子下层结构压电叠堆Ⅳ(11)，该压电叠堆Ⅰ(5)、压电叠堆Ⅲ(10)、电叠堆Ⅳ(11)分别通过垫片Ⅰ、Ⅲ、Ⅱ(7、20、18)及沉头螺钉Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ（22、21、19）固在转子（3）上，转子（3）内部设有薄壁柔性铰链（C），轴端有输出连接螺钉Ⅱ、Ⅲ（4、6）。

2.根据权利要求1所述的多自由度仿生压电驱动装置，其特征在于：所述的四组直线运动压电叠堆采用螺纹紧固方式，具体是螺纹紧固楔形块Ⅰ、Ⅱ（13、14）预紧压电叠堆Ⅴ（12），螺纹紧固楔形块Ⅲ、Ⅳ （15、16）预紧压电叠堆Ⅵ（17），螺纹紧固楔形块Ⅴ、Ⅵ（27、28）预紧压电叠堆Ⅶ（26），螺纹紧固楔形块Ⅶ、Ⅷ（30、31）预紧压电叠堆Ⅷ（32）；压电叠堆Ⅱ（9）通过驱动索引（8）与定子（2）的定子上层结构连为一整体。

3.根据权利要求1所述的多自由度仿生压电驱动装置，其特征在于：所述的基壳为长方形壳体，侧壁与定子下层紧固连接为一体。

4.根据权利要求1所述的多自由度仿生压电驱动装置，其特征在于：所述的旋转驱动部分与直线驱动部分为一整体式结构。