CN102723893A - 微纳米级仿生旋转驱动装置 - Google Patents

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赵宏伟
李建平
任露泉
傅璐
曲涵
黄虎
史成利
刘丕新
张攀峰
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Abstract

本发明涉及一种微纳米级仿生旋转驱动装置，属于精密、超精密加工领域。本发明主要由定子和转子组成。其中定子中封装驱动压电叠堆；转子为可变式接口转轴。本发明以高精度的压电驱动器驱动杠杆放大柔性铰链结构进行相关箝位，通过控制定子中压电钳位机构的箝位顺序来实现转子绕固定轴的步进式超精密旋转运动。本发明可用于高精度驱动和加工领域，具有投资少、成本低、见效快、效益高等优点。本发明是一种能够提高系统微动精度、降低结构尺寸的压电型单自由度精密旋转驱动器，可以绕确定方向的超精密步进式旋转运动。

Description

微纳米级仿生旋转驱动装置
 
技术领域
    本发明涉及精密、超精密加工领域，特别涉及一种微纳米级仿生旋转驱动装置。可用于精密加工机床、微机电系统和机器人等领域。
背景技术
随着现代科学技术的发展，人类的研究领域扩展到微观世界，微电子学、生命科学、医药卫生、生物化学、半导体、光学、数据存储、超精密机械及其制造以及精密测量等学科的迅猛发展，人们对微纳米级的精密定位技术和微纳米级的精密驱动技术有着越来越多的需求。传统的宏观大尺寸驱动装置已不能满足其精度要求。因此，性能更优越的新型高精度驱动装置就显得格外重要。由于压电陶瓷致动器具有频率响应高、体积小、位移分辨率高、发热少、无噪声、输出力大、换能效率高等优点，所以压电陶瓷为驱动源的新型驱动器越来越多的被应用到精密定位和精密加工中。以往的驱动装置往往存在结构尺寸偏大、步进精度低、往返重复定位精度低、难于加工等缺点。因此，一种定位精度和重复定位精度均较高，能够实现旋转运动输出的微小型精密驱动器是必要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微纳米级仿生旋转驱动装置，解决了现有技术存在的上述问题。本发明具有箝位稳定、载荷输出较大的特点，并能实现大行程运动、旋转运动输出等功能的仿生微纳米级旋转驱动装置。本发明通过定子中封装的压电叠堆推动驱动柔性铰链和箝位柔性铰链，使之按一定时序运动，实现输出轴绕中心轴的旋转步进运动。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
微纳米级仿生旋转驱动装置，包括定子2和转子4，所述转子4的输出端开有链接用螺纹孔，所述定子2的中心孔与转子4过渡配合；所述定子2的内部封装有驱动压电叠堆Ⅰ、Ⅱ1、5和箝位压电叠堆Ⅰ、Ⅱ3、6；其中驱动压电叠堆Ⅰ1和驱动压电叠堆Ⅱ5分别用于驱动定子2中封装的驱动放大机构；箝位压电叠堆Ⅰ3和箝位压电叠堆Ⅱ6分别用于驱动定子2中封装的直线柔性铰链。
所述的转子4为无绕线结构。
所述的转子4为可变式接口转轴。
所述的驱动压电叠堆Ⅰ、Ⅱ1、5和箝位压电叠堆Ⅰ、Ⅱ3、6均采用形体可控面型的压电陶瓷叠堆PZT，其运动是通过对压电陶瓷控制电压的时序控制来实现。
所述的转子4的转动和停止均由薄壁柔性铰链的钳位作用实现。
所述的定子2中的驱动放大机构为两级杠杆放大柔性铰链。
本发明的有益效果在于：结构新颖、简单，体积小；具有载荷输出较大、箝位稳定的特点，并能实现大行程运动、旋转运动输出等功能；可以应用于精密加工机床、微机电系统以及机器人领域，提高了系统微动精度、降低了结构尺寸；同时可大大提高普通驱动器的驱动精度，降低结构的复杂性及尺寸，且具有成本低、投资少、见效快、效益高等优点，有广阔的应用前景。实用性强。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明的轴测示意图；
图2是本发明的主视示意图；
图3是本发明的仰视示意图。
图中： 
1. 驱动压电叠堆Ⅰ；        2. 定子；                  3. 箝位压电叠堆Ⅰ；
4. 转子；                  5. 驱动压电叠堆Ⅱ；        6. 箝位压电叠堆Ⅱ。
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3所示，本发明的微纳米级仿生旋转驱动装置，包括定子2和转子4，所述转子4的输出端开有链接用螺纹孔，所述定子2的中心孔与转子4过渡配合；所述定子2的内部封装有驱动压电叠堆Ⅰ、Ⅱ1、5和箝位压电叠堆Ⅰ、Ⅱ3、6；其中驱动压电叠堆Ⅰ1和驱动压电叠堆Ⅱ5分别用于驱动定子2中封装的驱动放大机构；箝位压电叠堆Ⅰ3和箝位压电叠堆Ⅱ6分别用于驱动定子2中封装的直线柔性铰链。
所述的转子4为无绕线结构。
所述的转子4为可变式接口转轴。
所述的驱动压电叠堆Ⅰ、Ⅱ1、5和箝位压电叠堆Ⅰ、Ⅱ3、6均采用形体可控面型的压电陶瓷叠堆PZT，其运动是通过对压电陶瓷控制电压的时序控制来实现。
所述的转子4的转动和停止均由薄壁柔性铰链的钳位作用实现。
所述的定子2中的驱动放大机构为两级杠杆放大柔性铰链。
参见图1至图3所示，本发明的具体工作过程如下：
转子步进式旋转运动的实现，初始状态：驱动压电叠堆Ⅰ1、驱动压电叠堆Ⅱ5、箝位压电叠堆Ⅰ3和箝位压电叠堆Ⅱ6均不带电，系统处于自由状态，此时转子4亦处于游动状态；当转子4实现旋转运动时：封装于定子中的驱动压电叠堆Ⅰ1和驱动压电叠堆Ⅱ5通电，由于逆压电效应，驱动压电叠堆Ⅰ1和驱动压电叠堆Ⅱ5伸长，分别推动定子2中的箝位柔性放大铰链产生变形，由于该箝位柔性放大柔性铰链为两级杠杆放大柔性铰链，将会把转子4箝紧，并产生绕杠杆支点的切向力，这样就对转子4产生了切向的力偶，从而推动转子4旋转一定的角度；箝位压电叠堆Ⅰ3和箝位压电叠堆Ⅱ6通电伸长，推动定子2中的箝位柔性铰链产生变形，将转子4箝紧；驱动压电叠堆Ⅰ1和驱动压电叠堆Ⅱ5断电，箝位柔性放大铰链在弹性力的作用下恢复原长，并脱离转子4。此时，转子2绕着其中心轴旋转了一定的角度，重复上述动作，转子4将产生步进式的旋转运动。
整个仿生微纳米级旋转驱动装置的运动按照严格的时序逻辑进行，改变时序，可以改变旋转方向，并且由于采用了压电叠堆作为驱动源，其具有发热小、箝位稳定、载荷输出较大的特点，并能实现大行程运动、旋转运动输出等功能。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种微纳米级仿生旋转驱动装置，其特征在于：包括定子（2）和转子（4），其特征在于：所述转子（4）的输出端开有链接用螺纹孔，所述定子（2）的中心孔与转子（4）过渡配合；所述定子（2）的内部封装有驱动压电叠堆Ⅰ、Ⅱ（1、5）和箝位压电叠堆Ⅰ、Ⅱ（3、6）；其中驱动压电叠堆Ⅰ（1）和驱动压电叠堆Ⅱ（5）分别用于驱动定子（2）中封装的驱动放大机构；箝位压电叠堆Ⅰ（3）和箝位压电叠堆Ⅱ（6）分别用于驱动定子（2）中封装的直线柔性铰链。
2.根据权利要求1所述的微纳米级仿生旋转驱动装置，其特征在于：所述的转子（4）为无绕线结构。
3.根据权利要求1或2所述的微纳米级仿生旋转驱动装置，其特征在于：所述的转子（4）为可变式接口转轴。
4.根据权利要求1所述的微纳米级仿生旋转驱动装置，其特征在于：所述的驱动压电叠堆Ⅰ、Ⅱ（1、5）和箝位压电叠堆Ⅰ、Ⅱ（3、6）均采用形体可控面型的压电陶瓷叠堆PZT，其运动是通过对压电陶瓷控制电压的时序控制来实现。
5.根据权利要求1所述的微纳米级仿生旋转驱动装置，其特征在于：所述的转子（4）的转动和停止均由薄壁柔性铰链的钳位作用实现。
6.根据权利要求1所述的微纳米级仿生旋转驱动装置，其特征在于：所述的定子（2）中的驱动放大机构为两级杠杆放大柔性铰链。
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