CN102751899A

CN102751899A - 微纳米级仿生多自由度驱动装置

Info

Publication number: CN102751899A
Application number: CN2012102268839A
Authority: CN
Inventors: 赵宏伟; 李建平; 任露泉; 傅璐; 曲涵; 马志超; 胡晓利; 崔涛; 刘闯; 田野
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2012-07-03
Filing date: 2012-07-03
Publication date: 2012-10-24
Anticipated expiration: 2032-07-03
Also published as: CN102751899B

Abstract

本发明涉及一种微纳米级仿生多自由度驱动装置，属于精密超精密加工领域。主要由定子、转子和输出轴组成。其中转子中连接有旋转驱动机构和直线驱动机构；输出轴为可变式接口转轴。本发明以高精度的压电驱动器驱动柔性铰链结构进行相关箝位，通过控制转子上层和下层中的压电钳位机构和连接在下层上的压电驱动机构来实现转子绕固定轴的步进式超精密旋转运动：同时通过控制连接在转子上下层的柔性铰链机构来实现沿确定方向的直线式步进移动。本发明可用于高精度驱动和加工领域，投资少、成本低、见效快、效益高。可以绕确定方向的超精密步进式旋转运动和沿确定方向的直线步进式移动。

Description

微纳米级仿生多自由度驱动装置

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多自由度驱动装置。可以应用于超精密加工机床、材料试件纳米力学性能检测、半导体制造、精密超精密微细加工与测量技术、现代医学与生物遗传工程、微机电系统（MEMS）、精密光学、航空航天、机器人、军事技术等高尖端的科学技术领域。

背景技术

现代科学技术的发展使人类的研究领域扩展到微观世界，对精密定位、微小位移的要求越来越高，尤其是在精密超精密微细加工与测量技术、微机电系统（MEMS）、纳米科技、半导体制造、现代医学与生物遗传工程、航空航天科技、军事技术等高尖端的科学技术领域中，精密定位、微小位移显得格外重要。传统的驱动装置，如普通电机、丝杠螺母、涡轮蜗杆等宏观大尺寸驱动装置已不能满足其精度要求。因此，各国的科研人员倾力于研究性能更优越的新型高精度驱动装置。压电陶瓷致动器具有体积小、位移分辨率高、频率响应高、无噪声、发热少、输出力大、换能效率高等优点，正在被越来越多地应用到微定位和精密超精密加工中。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，有必要设计一种定位精度和重复定位精度均较高，同时适用于旋转和直线运动输出的微小型精密驱动器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微纳米级仿生多自由度驱动装置，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，同时能实现大行程运动、直线和旋转运动输出并举等功能。本发明采用旋转运动模块和直线运动模块的方法来实现绕转子轴线的旋转运动和沿该轴线的直线运动；其中通过转子的上层箝位块、下层箝位块与旋转驱动铰链按一定时序运动，实现输出轴绕中心轴的旋转步进运动；通过转子上层箝位块、下层箝位块与直线驱动铰链按一定时序运动，实现输出轴的直线步进运动。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

微纳米级仿生多自由度驱动装置，包括输出轴7、定子10和转子，所述输出轴7的输出端开有链接用螺纹孔，并通过螺钉与转子上层箝位6连接；所述定子10为一端开口的圆筒，其内壁与转子上层箝位6、转子下层箝位1分别过渡配合；

所述转子包括转子上层箝位块6、上层箝位压电叠堆17、直线驱动铰链Ⅰ15、直线驱动压电叠堆Ⅰ11、直线驱动铰链Ⅱ3、直线驱动压电叠堆Ⅱ5、旋转驱动铰链2、旋转驱动压电叠堆13、转子下层箝位块1和下层箝位压电叠堆18，其中，所述上层箝位压电叠堆17封装在转子上层箝位块6中，直线驱动铰链Ⅰ15通过螺钉Ⅰ9与转子上层箝位块6连接，直线驱动压电叠堆Ⅰ11封装于直线驱动铰链Ⅰ15中；直线驱动铰链Ⅱ3通过螺钉Ⅱ8与转子上层箝位块6连接，直线驱动压电叠堆Ⅱ5封装于直线驱动铰链Ⅱ3中；旋转驱动铰链2分别通过螺钉Ⅲ14、螺钉Ⅳ4与直线驱动铰链Ⅰ15、直线驱动铰链Ⅱ3连接；旋转驱动压电叠堆13封装于旋转驱动铰链2中；转子下层箝位块1通过螺钉Ⅴ12、螺钉Ⅵ16与旋转驱动铰链2连接；下层箝位压电叠堆18封装于转子下层箝位块1中。

所述的转子为无绕线结构。

所述的输出轴7为可变式接口转轴。

所述的旋转驱动铰链2为Z型柔性放大铰链。

所述的直线驱动铰链Ⅰ15和直线驱动铰链Ⅱ3均为菱形柔性放大铰链。

所述的定子10具有充当外部壳体的功能。

本发明的有益效果在于：结构简单、新颖，体积小；具有箝位稳定、载荷输出较大的特点，并能实现大行程运动、直线和旋转运动输出并举等功能；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；本发明对于我国精密超精密加工领域的发展有着极其重要的意义，其在精密加工、半导体制造、航空航天、军事科技等众多领域必定有广阔的应用前景。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是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的轴测局剖示意图；

图3是本发明的主视示意图；

图4是图3的A-A剖视示意图；

图5是图3的B-B剖视示意图。

图中：

1. 转子下层箝位块； 2. 旋转驱动铰链； 3. 直线驱动铰链Ⅱ；

4. 螺钉Ⅳ； 5. 直线驱动压电叠堆Ⅱ； 6. 转子上层箝位块；

7. 输出轴； 8. 螺钉Ⅱ； 9. 螺钉Ⅰ；

10. 定子； 11. 直线驱动压电叠堆Ⅰ； 12. 螺钉Ⅴ；

13. 旋转驱动压电叠堆； 14. 螺钉Ⅲ； 15. 直线驱动铰链Ⅰ；

16. 螺钉Ⅵ； 17. 上层箝位压电叠堆； 18. 下层箝位压电叠堆。

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5所示，本发明的微纳米级仿生多自由度驱动装置，包括输出轴7、定子10和转子，所述输出轴7的输出端开有链接用螺纹孔，并通过螺钉与转子上层箝位6连接；所述定子10为一端开口的圆筒，其内壁与转子上层箝位6、转子下层箝位1分别过渡配合；

所述的转子为无绕线结构。

所述的输出轴7为可变式接口转轴。

所述的旋转驱动铰链2为Z型柔性放大铰链。

所述的定子10具有充当外部壳体的功能。

参见图1至图5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：上层箝位压电叠堆17、直线驱动压电叠堆Ⅰ11、直线驱动压电叠堆Ⅱ5、旋转驱动压电叠堆13、下层箝位压电叠堆18均不带电，系统处于自由状态，此时转子亦处于游动状态；当转子实现旋转运动时：封装于转子下层箝位块1中的下层箝位压电叠堆18通电，由于逆压电效应，下层箝位压电叠堆18伸长，推动转子下层箝位块1中的柔性铰链变形，从而将转子下层箝位块1和定子10箝紧；封装于旋转驱动铰链2中的旋转驱动压电叠堆13通电伸长，在逆压电效应的作用下，旋转驱动铰链2发生变形，由于旋转驱动铰链2的中部通过螺钉Ⅴ12、螺钉Ⅵ16和转子下层箝位块1固定，而旋转驱动铰链2是Z型的柔性铰链，其两端会向相反方向伸长，又其两端通过通过螺钉Ⅲ14、螺钉Ⅳ4和直线驱动铰链Ⅰ15、直线驱动铰链Ⅱ3连接，而直线驱动铰链Ⅰ15、直线驱动铰链Ⅱ3又分别通过螺钉Ⅰ9和螺钉Ⅱ8和转子上层箝位块6连接，从而在转子上层箝位块6上产生了一对旋转力偶，转子上层箝位块6会发生一定角度的旋转运动；封装于转子上层箝位块6中的上层箝位压电叠堆17通电伸长，从而推动转子上层箝位块6中的柔性铰链变形，将转子上层箝位块6与定子10箝紧；下层箝位压电叠堆18断电，在弹性力的作用下，转子下层箝位块1中的柔性铰链恢复原长，从而将转子下层箝位块1和定子10脱离；旋转驱动压电叠堆13断电，旋转驱动铰链2的两端恢复原长，由于旋转驱动铰链2分别通过螺钉Ⅴ12、螺钉Ⅵ16和转子下层箝位块1连接，从而带动转子下层箝位块1旋转到和转子上层箝位块6一样的角度。这样就完成了转子的旋转运动的一步，重复以上运动可以使得转子实现步进式的旋转运动，且其理论转角为无限大。

转子步进式直线运动的实现，初始状态：上层箝位压电叠堆17、直线驱动压电叠堆Ⅰ11、直线驱动压电叠堆Ⅱ5、旋转驱动压电叠堆13、下层箝位压电叠堆18均不带电，系统处于自由状态，此时转子亦处于游动状态；当转子实现直线运动时：封装于转子上层箝位块6中的上层箝位压电叠堆17得电伸长，从而推动转子上层箝位块6中的柔性铰链变形，将转子上层箝位块6和定子10箝紧；封装于直线驱动铰链Ⅰ15中的直线驱动压电叠堆Ⅰ11、封装于直线驱动铰链Ⅱ3中的直线驱动压电叠堆Ⅱ5通电伸长，由于直线驱动铰链Ⅰ15和直线驱动铰链Ⅱ3都为菱形柔性铰链，所以直线驱动铰链Ⅰ15和直线驱动铰链Ⅱ3发生变形，又因为直线驱动铰链Ⅰ15和直线驱动铰链Ⅱ3分别通过螺钉Ⅰ9和螺钉Ⅱ8和转子上层箝位块6连接，而转子上层箝位块6已经箝紧，所以直线驱动铰链Ⅰ15和直线驱动铰链Ⅱ3的下端点会向上运动一定的距离，由于旋转驱动铰链2分别通过螺钉Ⅲ14、螺钉Ⅳ4和直线驱动铰链Ⅰ15、直线驱动铰链Ⅱ3连接，同时旋转驱动铰链2的中部通过螺钉Ⅴ12、螺钉Ⅵ16和转子下层箝位块1连接，所以带动转子下层箝位块1向上移动一定的距离；封装于转子下层箝位块1中的下层箝位压电叠堆18得电伸长，从而推动转子下层箝位块1中的柔性铰链发生形变，将转子下层箝位块1和定子10箝紧；封装于转子上层箝位块6中的上层箝位压电叠堆17断电，恢复原长，从而将转子上层箝位块6和定子10松开；封装于直线驱动铰链Ⅰ15中的直线驱动压电叠堆Ⅰ11、封装于直线驱动铰链Ⅱ3中的直线驱动压电叠堆Ⅱ5断电恢复原长，从而直线驱动铰链Ⅰ15和直线驱动铰链Ⅱ3在弹性力的作用下恢复原长，又因为直线驱动铰链Ⅰ15和直线驱动铰链Ⅱ3的上端分别通过螺钉Ⅰ9和螺钉Ⅱ8和转子上层箝位块6连接，直线驱动铰链Ⅰ15和直线驱动铰链Ⅱ3的下端分别通过螺钉Ⅲ14、螺钉Ⅳ4和旋转驱动铰链2连接，旋转驱动铰链2的中部通过螺钉Ⅴ12、螺钉Ⅵ16和转子下层箝位块1连接，此时，转子下层箝位块1已经与定子10箝紧，所以会带动转子上层箝位块6向上移动一定的距离。这样就完成了转子步进式直线运动的一步，重复以上操作可以使得转子沿固定方向做步进式直线运动。

转子上层箝位块6通过螺钉螺钉Ⅱ、螺钉Ⅰ和输出轴7连接，从而可以实现输出轴7的绕固定轴的步进式旋转运动和沿固定方向的步进式直线运动。整个多自由度驱动器的运动具有严格的时序逻辑。改变时序，可以改变旋转和直线运动的方向，并且由于采用了压电叠堆驱动，其具有箝位稳定、载荷输出较大的特点，并能实现大行程运动、直线和旋转运动输出并举等功能。

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

1.一种微纳米级仿生多自由度驱动装置，包括输出轴（7）、定子（10）和转子，其特征在于：所述输出轴（7）的输出端开有链接用螺纹孔，并通过螺钉与转子上层箝位（6）连接；所述定子（10）为一端开口的圆筒，其内壁与转子上层箝位（6）、转子下层箝位（1）分别过渡配合；

所述转子包括转子上层箝位块（6）、上层箝位压电叠堆（17）、直线驱动铰链Ⅰ（15）、直线驱动压电叠堆Ⅰ（11）、直线驱动铰链Ⅱ（3）、直线驱动压电叠堆Ⅱ（5）、旋转驱动铰链（2）、旋转驱动压电叠堆（13）、转子下层箝位块（1）和下层箝位压电叠堆（18），其中，所述上层箝位压电叠堆（17）封装在转子上层箝位块（6）中，直线驱动铰链Ⅰ（15）与转子上层箝位块（6）连接，直线驱动压电叠堆Ⅰ（11）封装于直线驱动铰链Ⅰ（15）中；直线驱动铰链Ⅱ（3）与转子上层箝位块（6）连接，直线驱动压电叠堆Ⅱ（5）封装于直线驱动铰链Ⅱ（3）中；旋转驱动铰链（2）分别与直线驱动铰链Ⅰ（15）、直线驱动铰链Ⅱ（3）连接；旋转驱动压电叠堆（13）封装于旋转驱动铰链（2）中；转子下层箝位块（1）与旋转驱动铰链（2）连接；下层箝位压电叠堆（18）封装于转子下层箝位块（1）中。

2.根据权利要求1所述的微纳米级仿生多自由度驱动装置，其特征在于：所述的转子为无绕线结构。

3.根据权利要求1所述的微纳米级仿生多自由度驱动装置，其特征在于：所述的输出轴（7）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多自由度驱动装置，其特征在于：所述的旋转驱动铰链（2）为Z型柔性放大铰链。

5.根据权利要求1所述的微纳米级仿生多自由度驱动装置，其特征在于：所述的直线驱动铰链Ⅰ（15）和直线驱动铰链Ⅱ（3）均为菱形柔性放大铰链。

6.根据权利要求1所述的微纳米级仿生多自由度驱动装置，其特征在于：所述的定子（10）兼为外部壳体。