CN102441796A - 可机械调速的超精密压电步进旋转驱动平台 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可机械调速的超精密压电步进旋转驱动平台。该驱动平台主要由定子、转子、钳位块、平移台、升降台和基座组成。定子通过连接块与平移台连接，平移台通过螺钉与升降台的顶板相连。为实现机械调速，并自行设计了一个简易型升降台，该升降台固定在基座上。转子通过滚动轴承由两端的轴承座支撑，轴承座与基座相连。钳位块通过螺钉固定在基座上。本发明能够实现大行程精密旋转，并且可以在较大范围内对驱动平台的转速进行调节，具有结构紧凑，运动分辨率高，行程大等优点，在精密驱动领域将有重要的应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种可机械调速的超精密压电步进旋转驱动平台，可应用在精密加工技术及装备、力学性能测试、精密光学、微机电系统以及航空航天等领域。
技术背景
近年来精密定位机构在诸多应用领域需求量日益增加，如精密加工、微机电系统、光学工程等。这些应用要求定位机构具有分辨率高及运动行程大，且要求结构简单、紧凑。传统的驱动器一般采用电机带动滚珠丝杠实现定位或者驱动，存在结构尺寸大、精度低等缺点。此外，高精密的滚珠丝杠的加工困难也限制了其应用。压电元件作为一种智能型材料，具有响应迅速，输出力大，位移分辨率高及结构紧凑等优点。国内外研究人员利用压电元件研发了多种精密定位机构，其大部分基于尺蠖运动原理或惯性冲击原理实现精密直线运动或旋转运动。有一些驱动器输出稳定、精度高，但行程小，仅有几十微米，限制了其应用范围；有一些驱动器能够实现整圆周的旋转运动，但转速较慢，无法实现机械调速，并且结构复杂，整体刚度较差。因此，设计一种精度高，行程大，可以在较大范围内进行机械调速的旋转驱动器很有必要。
发明内容
为了解决上述问题与不足，本发明提供一种可机械调速的超精密压电步进旋转驱动平台，使之具有较高的稳定性和精度，可实现整圆周的旋转运动，并且能够在较大范围内对驱动平台的转速进行调节。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现，结合附图说明如下：
一种可机械调速的超精密压电步进旋转驱动平台，主要由定子20、转子1、钳位块5、平移台19、升降台和基座7组成，所述定子20包括前后布置的钳位单元26和驱动单元21两部分。定子20通过连接块31与平移台19连接，平移台19通过螺钉与升降台的顶板15相连，升降台和钳位块5通过螺钉固定在基座7上，转子1通过精密微型滚动轴承3和轴承座2支撑在基座7的前部，并由钳位单元26和钳位块5夹持。
本发明的积极效果是借助于平移台19能够对定子20的横向位置进行精密调整，以保证定子20的钳位单元26工作时，不会对转子1产生轴向力的作用，增强了驱动平台的稳定性；借助于升降台能够对定子20竖直方向的位置进行精密调节，实现较大范围的调速，并可以测试不同的夹持半径下，驱动平台的精度、分辨率、稳定性等技术指标，其中夹持半径定义为钳位单元26与转子1接触面的中心到转子1轴线的距离。基于柔性机构的结构特点，设计出一种集钳位单元26和驱动单元21为一体的整体式结构，该结构能够同时完成对转子1的夹紧和驱动；为保证转子1动力的输出，并行设计了一个独立的钳位块5。驱动平台以步进方式旋转，结构简单，能够实现高频运动，并可以在较大范围进行调速。
附图说明
附图1可机械调速的超精密压电步进旋转驱动平台结构示意图
附图2可机械调速的超精密压电步进旋转驱动平台俯视图
附图3可机械调速的超精密压电步进旋转驱动平台仰视图
附图4可机械调速的超精密压电步进旋转驱动平台侧视图
附图5可机械调速的超精密压电步进旋转驱动平台局部爆炸图
附图6简易升降台的爆炸图
图中：1.转子 2.轴承座 3.精密微型滚动轴承 4.轴承座固定螺钉 5.钳位块 6.压电叠堆III 7.基座 11.底板 12.薄板固定螺钉 13.底座 14.薄板 I 15.顶板 18.纵向分厘卡18′.横向分厘卡 19.平移台 19′.工作台 20.定子 21.驱动单元 22.压电叠堆I 23.定子固定螺钉 25.压电叠堆II 26.钳位单元 29.连接块固定螺钉 31.连接块 32.平移台固定螺钉 34.顶板固定螺钉 36.上楔形块 40.薄板II 42.侧板II 43.侧板固定螺钉 47.下楔形块 48.侧板I 49.钳位块固定螺钉 50.升降台固定螺钉
具体实施方式
现结合附图所示进一步说明本发明的具体内容及其工作方式。
参见附图1、2、3、4、5、6，本发明所述的可机械调速的超精密压电步进旋转驱动平台，主要由定子20、转子1、钳位块5、平移台19、升降台和基座7组成，所述定子20包括前后布置的钳位单元26和驱动单元21两部分。定子20通过连接块31与平移台19连接，平移台19通过螺钉与升降台的顶板15相连，升降台和钳位块5通过螺钉固定在基座7上，转子1通过精密微型滚动轴承3和轴承座2支撑在基座7的前部，并由钳位单元26和钳位块5夹持。
参阅图1、2，轴承座2通过轴承座固定螺钉4与基座7固定连接，轴承座2内安装有精密微型滚动轴承3，用以支撑转子1使其能够绕轴线转动。定子20通过定子固定螺钉23固定在连接块31上，其中定子20由钳位单元26和驱动单元21组成，且压电叠堆I 22和压电叠堆II 25分别安装在这两个单元结构之中。连接块31通过连接块固定螺钉29与平移台19相连，平移台19通过平移台固定螺钉32与升降台的顶板15固定连接。到此，通过调节升降台的高度能够对定子20竖直方向的位置进行精密调整。升降台通过升降台固定螺钉50固定在基座7上，防止升降台由于外界的振动或负载发生移动。钳位块5通过钳位块固定螺钉49安装基座7槽内的侧壁上，且压电叠堆III6装于其中。
所述驱动单元21、钳位单元26和钳位块5内分别装有驱动元件压电叠堆I 22、压电叠堆II 25和压电叠堆III6，分别通过对每个压电叠堆的电压时序进行控制，控制驱动单元21、钳位单元26和钳位块5运动。
所述钳位单元26通过压电叠堆II 25带电伸长柔性铰链变形夹紧转子1，再由驱动单元21上的压电叠堆I 22带电伸长柔性铰链变形驱动转子1旋转一个微角度，转子1相邻两次转动的间歇时间段动力输出是由钳位块5上的压电叠堆III6带电伸长柔性铰链变形夹紧转子1保持。
所述转子1由圆轴和固定在圆轴上的大直径薄圆盘组成。
所述定子20横向位置由平移台19调节，使转子1的中部圆盘位于钳位单元26的中部，平移台19主要由工作台19′、底座13和横向分厘卡18′组成，横向分厘卡18′固定在工作台19′上，工作台19′在底座13上直线滑动，横向分厘卡18′的前端与底座13接触，并且底座13固定在升降台的顶板15上，拧动横向分厘卡18′的螺旋部分，根据相对运动的原理，工作台19′将沿直线滑动，并带动定子20移动。
所述升降台主要由顶板15、薄板I 14、薄板II40、上楔形块36、下楔形块47、底板11、侧板I 48、侧板II42和纵向分厘卡18组成，下楔形块47与上楔形块36的斜面接触配合，上楔形块36的侧面加工有竖直方向通槽，与侧板II42上的竖直导轨滑动配合，下楔形块47底面加工有纵向通槽，与底板11上的纵向导轨滑动配合，侧板I 48和侧板II42与底板11之间、顶板15与上楔形块36的顶面之间、薄板I 14和薄板II40与侧板I 48和侧板II42之间分别通过侧板固定螺钉43、顶板固定螺钉34、薄板固定螺钉12相连，纵向分厘卡18过盈配合固定在侧板I 48的内孔中，纵向分厘卡18的前端与下楔形块47接触，通过拧动分厘卡18的螺旋部分推动下楔形块47纵向运动。
驱动平台的动力由转子1输出，具体工作过程如下：
驱动平台整体装配完之后，由于装配误差和零件的加工误差，转子1中部的圆盘不能确保位于钳位单元26钳位口中央，这容易影响驱动平台工作的稳定性。因此需要利用平移台19对定子20的横向位置进行精密调节，以保证转子1的圆盘与钳位单元26的对称性。平移台19主要由工作台19′、底座13和横向分厘卡18′组成，横向分厘卡18′固定在工作台19′上，横向分厘卡18′的前端与底座13接触，工作台19′可在底座13上直线滑动。，底座13固定在升降台19的顶板15上，当拧动横向分厘卡18′的螺旋部分时，根据相对运动的原理，工作台19′将带动定子20移动。调整定子20的横向位置，当钳位单元26与圆盘大致对称时，拧动升降台19的纵向分厘卡18，以调整定子20的高度。当调整到某一特定高度时，停止拧动纵向分厘卡18。由于钳位单元26与圆盘并不是严格对称，需要进一步调整。缓慢拧动平移台19的横向分厘卡18′，当钳位单元26的钳位口一侧与圆盘恰好接触时，停止拧动横向分厘卡18′，并记录此时分厘卡的显示值1；逆向缓慢拧动横向分厘卡18′，当钳位口的另一侧与圆盘恰好接触时，停止拧动横向分离卡18′，并记录下横向分厘卡18′的显示值2；再反向拧动横向分厘卡18′，移动距离为显示值2与显示值1的差值绝对值的一半。到此，钳位单元26和圆盘严格对称，其中显示值2与显示值1的差值绝对值即为钳位口宽度与圆盘厚度的差值。
初始状态：压电叠堆I 22、压电叠堆II25和压电叠堆III6均不带电，系统处于自由状态，此时转子1亦处于游动状态。当转子1开始旋转时，钳位单元26、驱动单元21以及钳位块5作用，先是连接在钳位单元26上的压电叠堆II 25伸长，柔性铰链在其作用下发生变形，钳位口的间距变小，并与转子1的圆盘接触，随着压电叠堆II25的进一步伸长，钳位单元26钳紧转子1；随后，驱动单元21上的压电叠堆I 22带电伸长，在其作用下，驱动单元21上的柔性铰链发生变形，从而带动钳位单元26前进一个步长，钳位单元26再带动转子1旋转一个微角度；之后钳位块5上的压电叠堆III6迅速伸长，带动钳位块5钳紧转子1；随后，驱动单元21上的压电叠堆I 22和钳位单元26上的压电叠堆II25分别断电回缩，松开转子1，并且驱动单元21和钳位单元26都回复到初始状态；然后，钳位单元26上的压电叠堆II25再次带电伸长钳紧转子1，随之钳位块5上的压电叠堆III6断电回缩松开转子1，驱动单元21上的压电叠堆I 22再带电伸长带动转子1再次旋转一个微角度。以上是驱动平台的循环工作模式，整个驱动平台的旋转运动具有严格的时序要求，工作时可以实现转子1在高频驱动电压下的快速步进式旋转。转子1用于完成动力输出，实际应用时可以将外部负载通过相应的方式连接在转子1上。
有三种方式可以对本驱动平台的输出转速进行调节。方式一，调节驱动单元21上压电叠堆I 22的驱动电压幅值。压电叠堆I 22的伸长量与驱动电压的幅值成正比，调节驱动电压可以调节每个周期内转子1转过的微角度大小。方式二，调节驱动平台工作频率。驱动电压幅值一定的情况下，在给定的时间内，提高工作频率可以提高转子1转过的角度。方式三，调节夹持半径大小。由于转子1每个周期内转过的角度很小，计算时可以近似为压电叠堆I22的伸长量与夹持半径的比值。夹持半径的大小对转子1转速的输出具有很大影响。利用方式三对驱动平台的转速进行调节是本驱动平台的一大特点，以下是利用升降台调节夹持半径大小的具体过程：保证压电叠堆I 22、压电叠堆II 25和压电叠堆III6均处于断电状态，系统处于自由状态；顺时针拧动纵向分厘卡18的螺旋部分，纵向分厘卡18将会推动下楔形块47沿着底板11的导轨纵向移动，同时上楔形块36沿着侧板II42的导轨竖直向上移动，进而带动顶板15、平移台19、连接块31和定子20竖直向上运动；当达到预想高度之后，停止拧动纵向分厘卡18，由于纵向分厘卡18内部的自锁功能，定子20将始终保持在这一高度，此时夹持半径增大；当需要将夹持半径调小时，逆时针拧动纵向分厘卡18的螺旋部分，在重力作用下，上楔形块36将沿着侧板II42的导轨竖直向下运动，推动下楔形块47沿底板的导轨纵向移动，顶板15、平移台19、连接块31和定子20也随着上楔形块36竖直向下运动；当定子20下降到预计的高度之后，停止拧动纵向分厘卡18，纵向分厘卡18自锁。
Claims (6)
1.一种可机械调速的超精密压电步进旋转驱动平台，其特征在于，它主要由定子(20)、转子(1)、钳位块(5)、平移台(19)、升降台和基座(7)组成，所述定子(20)包括前后布置的钳位单元(26)和驱动单元(21)两部分，定子(20)通过连接块(31)与平移台(19)连接，平移台(19)通过螺钉与升降台的顶板(15)相连，升降台和钳位块(5)通过螺钉固定在基座(7)上，转子(1)通过精密微型滚动轴承(3)和轴承座(2)支撑在基座(7)的前部，并由钳位单元(26)和钳位块(5)夹持。
2.根据权利要求1所述的可机械调速的超精密压电步进旋转驱动平台，其特征在于，所述驱动单元(21)、钳位单元(26)和钳位块(5)内分别装有驱动元件压电叠堆I(22)、压电叠堆II(25)和压电叠堆III(6)，分别通过对每个压电叠堆的电压时序进行控制，控制驱动单元(21)、钳位单元(26)、钳位块(5)运动。
3.根据权利要求3所述的可机械调速的超精密压电步进旋转驱动平台，其特征在于，所述钳位单元(26)通过压电叠堆II(25)带电伸长柔性铰链变形夹紧转子(1)，再由驱动单元(21)上的压电叠堆I(22)带电伸长柔性铰链变形驱动转子(1)旋转一个微角度，转子(1)相邻两次转动的间歇时间段动力输出是由钳位块(5)上的压电叠堆III(6)带电伸长柔性铰链变形夹紧转子(1)保持。
4.根据权利要求1所述的可机械调速的超精密压电步进旋转驱动平台，其特征在于，所述转子(1)由圆轴和固定在圆轴上的大直径薄圆盘组成。
5.根据权利要求1所述的可机械调速的超精密压电步进旋转驱动平台，其特征在于，所述定子(20)横向位置由平移台(19)调节，使转子(1)的中部圆盘位于钳位单元(26)的中部，平移台(19)主要由工作台(19′)、底座(13)和横向分厘卡(18′)组成，横向分厘卡(18′)固定在工作台(19′)上，工作台(19′)在底座(13)上直线滑动，横向分厘卡(18′)的前端与底座(13)接触，并且底座(13)固定在升降台的顶板(15)上，拧动横向分厘卡(18′)的螺旋部分，根据相对运动的原理，工作台(19′)将沿直线滑动，并带动定子(20)移动。
6.根据权利要求1所述的可机械调速的超精密压电步进旋转驱动平台，其特征在于，所述升降台主要由顶板(15)、薄板I(14)、薄板II(40)、上楔形块(36)、下楔形块(47)、底板(11)、侧板I(48)、侧板II(42)和纵向分厘卡(18)组成，下楔形块(47)与上楔形块(36)的斜面接触配合，上楔形块(36)的侧面加工有竖直方向通槽，与侧板II(42)上的竖直导轨滑动配合，下楔形块(47)底面加工有纵向通槽，与底板(11)上的纵向导轨滑动配合，侧板I(48)和侧板II(42)与底板(11)之间、顶板(15)与上楔形块(36)的顶面之间、薄板I(14)和薄板II(40)与侧板I(48)和侧板II(42)之间通过螺钉相连，纵向分厘卡(18)过盈配合固定在侧板I(48)的内孔中，纵向分厘卡(18)的前端与下楔形块(47)接触，通过拧动纵向分厘卡(18)的螺旋部分推动下楔形块(47)纵向运动。
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