CN102946210B - 尺蠖式多自由度压电驱动装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种尺蠖式多自由度压电驱动装置，属于精密加工领域。其转子单元包括沿转子和内嵌转子的B型压电叠堆，可实现转子的步进直线运动；上层钳固单元由A型压电叠堆、A型楔形块、B型楔形块和开有三爪式自定心柔性铰链的定子上层基板组成，压电叠堆在通电状态下可使转子与定子上层基板钳固；下层钳固单元由A型压电叠堆、A型楔形块、B型楔形块和开有三爪式自定心柔性铰链的定子下层基板组成，压电叠堆在通电状态下可使转子与定子下层基板紧固；旋转压电驱动单元由B型压电叠堆和固定B型叠堆的驱动缩进组成，可实现转子的步进旋转运动。定子上、下层基板通过薄壁柔性铰链相连接。具有精度高、对中性好、输出载荷大、行程大、成本低等优点。
Description
技术领域
本发明涉及机电一体化领域，特别涉及一种集直线与旋转输出并举的高精度的尺蠖式多自由度压电驱动装置。可应用于超精密加工、精密工程、微机电系统（MEMS）、微小机器人、半导体制造、生物医学、航空航天等高尖端的科学技术领域。
背景技术
随着现代科学技术的不断发展，人类对微观领域的研究越来越深。尤其在超精密加工、微机电系统（MEMS）、微小机器人等领域，对精密定位、微小位移的要求越来越高。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。相比于传统驱动装置，压电驱动装置因为体积小、位移分辨率高、响应快(微秒级)、控制特性好、能耗低、无噪声、不受磁场影响等优点，正在被越来越多地应用到精密工程、微机电系统（MEMS）、微小机器人等领域。
目前一般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、行程小等不足，这大大限制了在精密工程等领域的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种尺蠖式多自由度压电驱动装置，解决了目前驱动器结构尺寸大、载荷输出不稳定、输出行程小和精度低等问题。本发明分别采用旋转驱动单元和转子单元来实现转子绕其轴线的旋转运动和沿该轴线的直线运动，能实现直线与旋转运动并举等功能。本发明采用上下两层六组压电叠堆分别作用六组柔性铰链的自定心钳位机构，对中性好，定位精度高。另三组压电叠堆与前六组压电叠堆配合，按相应时序交替进行，共同作用下实现转子的旋转步进运动。直线步进运动由一组压电叠堆驱动，配合定子上下两层的六组压电钳位机构的时序交替钳位作用，使转子实现沿轴线方向的直线步进运动。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
尺蠖式多自由度压电驱动装置，包括转子单元、上层钳固单元、下层钳固单元和旋转压电驱动单元，所述的转子单元中的转子1与定子2中部轴孔实现过渡配合，定子上层基板与定子下层基板通过薄壁柔性铰链相连，旋转压电驱动单元中的驱动缩进Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ6、15、18与定子下层基板外围凹槽实现过盈配合连接。
所述的转子单元包括转子1和B型压电叠堆Ⅳ33，所述转子1为一沿轴向开有柔性铰链的转轴，所述B型压电叠堆Ⅳ33过盈嵌在转子1槽内，在给B型压电叠堆Ⅳ33提供一定驱动电压后，由于逆压电效应B型压电叠堆Ⅳ33伸长，在柔性铰链作用下，转子1能够输出精密位移。
所述的上层钳固单元包括三组对称分布于定子上层基板的A型压电叠堆Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ8、11、21、A型楔形块Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ4、13、19、B型楔形块Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ5、12、22和柔性铰链的定子上层基板，所述的A型压电叠堆Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ8、11、21一端紧贴柔性铰链，另一端紧贴B型楔形块Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ5、12、22表面，分别通过调节预紧螺钉Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3、9、10来调节A型楔形块Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ4、13、19与B型楔形块Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ5、12、22的压紧程度，从而预紧A型压电叠堆Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ4、13、19，三组柔性铰链组成了定子上层的三爪式自定心压电钳位结构；定子上层基板上的预紧螺钉轴线对侧开设调节螺孔，可通过安装调节螺钉来拆卸楔形块组。
所述的下层钳固单元包括A型压电叠堆Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ25、27、30、A型楔形块Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ24、29、32、B型楔形块Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ26、28、31及预紧螺钉Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ16、17、23，所述的下层钳固单元与上层钳固单元结构相同，上层钳固单元中的A型压电叠堆Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ8、11、21和下层钳固单元中的A型压电叠堆Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ25、27、30的通电时序逻辑交替，能实现转子与定子上层基板和定子下层基板交替钳固和松开，从而实现转子的持续步进运动。
所述的旋转压电驱动单元包括B型压电叠堆Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ7、14、20和驱动缩进Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ6、15、18，驱动缩进Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ6、15、18下端与定子下层基板凹槽实现过盈配合连接，B型压电叠堆Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ7、14、20一端分别顶在驱动缩进Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ6、15、18的上层侧面上，另一端顶在定子上层基板的凹槽侧面上。在给B型压电叠堆Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ7、14、20提供一定驱动电压后，由于逆压电效应B型压电叠堆Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ7、14、20同时伸长，在薄壁柔性铰链作用下，与定子上层基板钳固的转子1相对定子下层基板做精密步进旋转运动。
所述的B型压电叠堆Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ7、14、20配合定子上下两层的六组A型压电叠堆Ⅰ～Ⅵ8、11、21、25、27、30的通电时序逻辑实现定子上层基板和定子下层基板的交替钳位作用，使转子1实现持续步进旋转运动。
所述的B型压电叠堆Ⅳ33配合定子上下两层的六组A型压电叠堆Ⅰ～Ⅵ8、11、21、25、27、30的通电时序逻辑实现定子上层基板和定子下层基板的交替钳位作用，使转子1实现沿轴线方向的持续直线步进运动。
本发明的有益效果在于：可同时输出直线位移与旋转角度，提高驱动器运动精度，功能集成化、体积小、结构简单，并大大降低了成本，可应用于超精密加工、微机电系统（MEMS）以及微小机器人等领域。该驱动装置具有钳位稳定、载荷输出大等优点，并能实现大行程运动、直线和旋转运动输出并举等功能。本发明对于我国精密超精密加工等领域的发展有着极其重要意义，其在超精密加工、微机电系统（MEMS）以及微小机器人领域等众多领域必定有广阔的应用前景。
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为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的仰视示意图；
图3为本发明的转子单元的结构示意图。
图中：1.转子，2.定子，3.预紧螺钉Ⅰ，4.A型楔形块Ⅰ，5.B型楔形块Ⅰ，6.驱动缩进Ⅰ，7.B型压电叠堆Ⅰ，8.A型压电叠堆Ⅰ，9．预紧螺钉Ⅱ，10.预紧螺钉Ⅲ，11.A型压电叠堆Ⅱ，12.B型楔形块Ⅱ，13.A型楔形块Ⅱ，14.B型压电叠堆Ⅱ，15.驱动缩进Ⅱ，16.预紧螺钉Ⅳ，17.预紧螺钉Ⅴ，18.驱动缩进Ⅲ，19.A型楔形块Ⅲ，20.B型楔形块Ⅲ，21.A型压电叠堆Ⅲ，22.B型楔形块Ⅲ，23.预紧螺钉Ⅵ，24.A型楔形块Ⅳ，25.A型压电叠堆Ⅳ，26.B型楔形块Ⅳ，27.A型压电叠堆Ⅴ，28.B型楔形块Ⅴ，29.A型楔形块Ⅴ，30.A型压电叠堆Ⅵ，31.B型楔形块Ⅵ，32.A型楔形块Ⅵ，33.B型压电叠堆Ⅳ。
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，本发明的尺蠖式多自由度压电驱动装置，定子上下两层各采用三组压电叠堆来推动对应三组柔性铰链，从而组成了定子上下两层的三爪式自定心压电钳位机构，该机构具有自定心、对中性好、钳位精确等优点。定子上层的A型压电叠堆Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ8、11、21和定子下层的A型压电叠堆Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ25、27、30的通电时序逻辑交替变化，能实现转子与定子上层基板和定子下层基板交替钳固和松开，再配合B型压电叠堆Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ7、14、20的动作，能够实现转子的持续步进旋转运动。定子上层的A型压电叠堆Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ8、11、21、定子下层的A型压电叠堆Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ25、27、30、再配合B型压电叠堆Ⅳ的严格时序交替通断电，能够实现转子的持续步进直线运动。该压电驱动装置还具有结构尺寸小、输出载荷稳定、输出行程大和精度高等优点。
参阅附图1、2所示，上层钳固单元中的A型压电叠堆Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ8、11、21一端紧贴柔性铰链，另一端紧贴B型楔形块Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ5、12、22表面，分别通过调节预紧螺钉Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3、9、10来调节A型楔形块Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ4、13、19与B型楔形块Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ5、12、22的压紧程度，从而能预紧该A型压电叠堆Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ8、11、21，三组柔性铰链组成了定子上层的三爪式自定心压电钳位机构，该型钳位结构具有自定心、对中性好、钳位稳定等优点。下层钳固单元的结构及其连接方式与上层钳固单元完全相同，定子下层基板与定子上层基板通过薄壁柔性铰链相连。驱动缩进Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ6、15、18下端与定子下层基板凹槽实现过盈配合连接，B型压电叠堆Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ7、14、20一端分别顶在驱动缩进Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ6、15、18的上层侧面上，另一端顶在定子上层基板的凹槽侧面上。在给B型压电叠堆Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ7、14、20提供一定驱动电压后，由于逆压电效应B型压电叠堆Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ7、14、20同时伸长，在薄壁柔性铰链作用下，与定子上层基板钳固的转子1相对定子下层基板做精密步进旋转运动。
参阅附图3所示，转子1为一沿轴向开有柔性铰链的转轴，B型压电叠堆Ⅳ33过盈嵌在转子1槽内，在给B型压电叠堆Ⅳ33提供一定驱动电压后，由于逆压电效应B型压电叠堆Ⅳ33伸长，在柔性铰链作用下，转子1能够输出精密位移。
参见附图1至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，初始状态时，A型压电叠堆Ⅰ～Ⅵ、B型压电叠堆Ⅰ～Ⅲ8、11、21、25、27、30、7、14、20均不带电，系统处于自由状态，此时转子1亦处于游动状态。给定子上层中的A型压电叠堆Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ8、11、21提供一定驱动电压，压电叠堆在逆压电效应的作用下伸长，分别推动上层的三组柔性铰链产生位移，进而钳住转子，形成了转子与定子上层基板紧固。驱动缩进Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ6、15、18的下端与定子下层基板凹槽实现过盈配合连接，同时 B型压电叠堆Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ7、14、20一端分别顶在驱动缩进Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ6、15、18的上层侧面上，另一端顶在定子上层基板的凹槽侧面上。然后给B型压电叠堆Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ7、14、20提供一定驱动电压后，压电叠堆在逆压电效应的作用下伸长，进而推动与定子上层钳固的转子相对于定子下层做精密步进旋转运动，转角数量级为102μrad；然后再给嵌在定子下层的A型压电叠堆Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ25、27、30提供一定驱动电压，压电叠堆在逆压电效应的作用下伸长，而与此同时定子上层的A型压电叠堆Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ8、11、21失电，压电叠堆恢复到原来长度，从而实现转子同定子上层基板松开而同步与定子下层基板钳固。在定子上下层基板之间的薄壁柔性铰链作用下，定子下层基板转动相同角度从而相对于定子上层基板回到初始状态。这样就完成了转子精密旋转运动的步进第一步，重复以上过程可使转子实现持续步进式的旋转运动，且其理论转角为无限大。
转子步进式直线运动的实现，初始状态时，A型压电叠堆Ⅰ～Ⅵ 、B型压电叠堆Ⅳ8、11、21、25、27、30、33均不带电，系统处于自由状态，此时转子1亦处于游动状态。给定子上层基板中的A型压电叠堆Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ8、11、21提供一定驱动电压，压电叠堆在逆压电效应的作用下伸长，分别推动定子上层的三个钳位柔性铰链产生位移，进而钳住转子，形成了转子与定子上层基板紧固。然后给转子内嵌的B型压电叠堆Ⅳ33提供一定驱动电压，压电叠堆在逆压电效应的作用下伸长，在转子轴向柔性铰链的作用下，进而带动转子沿轴向输出精密位移。然后定子上层中的A型压电叠堆Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ8、11、21失电，压电叠堆恢复到原来长度，与此同时，给定子下层中的A型压电叠堆Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ25、27、30提供一定驱动电压，压电叠堆在逆压电效应的作用下伸长，从而实现转子同定子上层基板松开而同步与定子下层基板钳固。在转子轴向柔性铰链的作用下，转子上端产生相同位移相对于转子下端回复到初始状态。这样就完成了转子精密直线步进第一步，重复以上过程可使转子实现持续步进式直线运动，且其理论位移也为无限大。
整个尺蠖式多自由度压电驱动装置的运动有严格时序逻辑，改变时序可改变驱动器的运动方向。转子上开有螺纹孔，可将外输出部件连接在转子上用于动力和载荷的输出。转子单步的直线位移和旋转角度精度极高，并采用了压电叠堆驱动，该驱动器还具有发热小，输出载荷稳定、输出载荷大等优点。
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 (3)
1.一种尺蠖式多自由度压电驱动装置，其特征在于：包括转子单元、上层钳固单元、下层钳固单元和旋转压电驱动单元，所述的转子单元中的转子（1）与定子（2）中部轴孔实现过渡配合，定子上层基板与定子下层基板通过薄壁柔性铰链相连，旋转压电驱动单元中的驱动缩进Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ（6、15、18）与定子下层基板外围凹槽实现过盈配合连接；
所述转子（1）为一沿轴向开有柔性铰链的转轴，B型压电叠堆Ⅳ（33）过盈嵌在转子（1）槽内；
所述上层钳固单元包括三组对称分布于定子上层基板的A型压电叠堆Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ（8、11、21）、A型楔形块Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ（4、13、19）、B型楔形块Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ（5、12、22）和柔性铰链的定子上层基板，所述的A型压电叠堆Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ（8、11、21）一端紧贴柔性铰链，另一端紧贴B型楔形块Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ（5、12、22）表面，分别通过调节预紧螺钉Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ（3、9、10）来调节A型楔形块Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ（4、13、19）与B型楔形块Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ（5、12、22）的压紧程度，从而预紧A型压电叠堆Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ（8、11、21），三组柔性铰链组成了定子上层的三爪式自定心压电钳位结构；定子上层基板上的预紧螺钉轴线对侧开设调节螺孔，可通过安装调节螺钉来拆卸楔形块组；
所述下层钳固单元与上层钳固单元结构相同，上层钳固单元中的A型压电叠堆Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ（8、11、21）和下层钳固单元中的A型压电叠堆Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ（25、27、30）的通电时序逻辑交替，能实现转子与定子上层基板和定子下层基板交替钳固和松开，从而实现转子的持续步进运动；
所述旋转压电驱动单元包括B型压电叠堆Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ（7、14、20）和驱动缩进Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ（6、15、18），驱动缩进Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ（6、15、18）下端与定子下层基板凹槽实现过盈配合连接，B型压电叠堆Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ（7、14、20）一端分别顶在驱动缩进Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ（6、15、18）的上层侧面上，另一端顶在定子上层基板的凹槽侧面上。
2.根据权利要求1所述的尺蠖式多自由度压电驱动装置，其特征在于：所述的B型压电叠堆Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ（7、14、20）配合定子上下两层的六组A型压电叠堆Ⅰ～Ⅵ（8、11、21、25、27、30）的通电时序逻辑实现定子上层基板和定子下层基板的交替钳位作用，使转子（1）实现持续步进旋转运动。
3.根据权利要求1所述的尺蠖式多自由度压电驱动装置，其特征在于：所述的B型压电叠堆Ⅳ（33）配合定子上下两层的六组A型压电叠堆Ⅰ～Ⅵ（8、11、21、25、27、30）的通电时序逻辑实现定子上层基板和定子下层基板的交替钳位作用，使转子（1）实现沿轴线方向的持续直线步进运动。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |