CN103219916B - 直线旋转耦合输出型压电驱动装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种直线旋转耦合输出型压电驱动装置，包括：堆叠安装座、圆柱销、压电堆叠、应变片、殷钢片、钢珠、耦合输出构件、输出轴。压电堆叠侧面贴应变片，底面与堆叠安装座粘接，顶面粘殷钢片并与输出轴球窝内钢珠接触；耦合输出构件顶部与输出轴过盈嵌套，底部与堆叠安装座间用圆柱销定位和紧定螺钉固定。压电堆叠施加电压后，推动输出轴和耦合输出构件顶部一起沿轴向伸长；由于耦合输出构件的变形耦合特性，其顶部和输出轴将同时绕轴向旋转一定角度，且该角度与轴向伸长量成正比。本发明能在轴向同时输出直线和旋转运动，具有结构简单，控制容易，转角范围大，位移和转角精度高的优点。
Description
技术领域：
本发明涉及压电微位移、微转角驱动装置，具体指单根压电堆叠驱动柔性结构实现轴向微位移和微转角耦合输出的驱动装置。
背景技术：
压电堆叠位移精度高、响应速度快，已广泛用于高精度位移平台、加工精度补偿装置以及偏转执行装置中。高精度位移平台和加工补偿装置是利用压电堆叠的位移特性，通过薄壁结构或铰链结构的变形，在原方向或其它方向产生等量、放大或缩小的位移输出；偏转执行装置则主要采用铰链结构，利用杠杆原理将压电堆叠的线位移转化为转角输出。在已出现的压电堆叠驱动偏转执行装置中，只有二维(X,Y向)偏转机构可实现(Z向)直线位移输出，其在结构上分为三根压电堆叠驱动和四根压电堆叠驱动两种：前者需解耦控制，增加了整个应用系统的复杂度；后者存在过四点过定位的情况，给四点的同高度修配带来难度；并且，这两种结构对所使用的压电堆叠位移输出特性的一致性有一定程度的要求。迄今为止，压电堆叠驱动装置要实现n自由度的驱动，都需要n根或更多根压电堆叠来共同完成，且也未发现轴向既有位移输出又有转角输出的压电驱动装置。
发明内容：
本发明的目的是提供一种轴向位移输出又有转角输出的压电驱动装置的压电驱动装置，包括：紧定螺钉1、堆叠安装座2、圆柱销3、压电堆叠4、应变片5、殷钢片6、钢珠7、耦合输出构件8、输出轴9。
所述的堆叠安装座2为2Cr13不锈钢材质、下端为法兰的圆柱状零件，上端圆柱体长度不小于7.5mm，直径不小于15mm，圆柱体上端面中心有一个深1mm、直径D1+0.1mm的平底圆孔2-1，其中D1为压电堆叠4方形截面的外接圆直径；圆柱上端面距中心R1-2.5mm处有一个用于通导线的通孔2-2，其中R1为上圆柱体的半径；圆柱体侧面距上端面3.2mm处有一道顶角120°等腰三角形的环形凹槽2-3，凹槽宽度4.4mm；圆柱体侧面有一对夹角为60°的平面2-4，两平面与圆柱体中心距离均为38R1/51mm，且从圆柱体顶面至其下4.8mm，平面切除部分环形槽2-3但避开通孔2-2；法兰厚4mm至5mm，直径比上圆柱直径大6mm至7mm，底面均布有三个深4mm的M3螺纹孔2-5，用于装置与外部的安装固定；法兰上端面距法兰中心R1+1.6mm处有一个深3mm的销钉孔2-6，用于安装圆柱销3；
所述的压电堆叠4为轴向截面方形的长方体；
所述的应变片5为基底为长方形的单向测量应变片，测量方向长度不超过压电堆叠4轴向长度的1/3，宽度不超过压电堆叠4的宽度；
所述的殷钢片6形状与压电堆叠4轴向截面相同，厚度比l-h大0.02mm至0.03mm，其中l为耦合输出构件8、输出轴9和钢珠7安装后钢珠7最低点距离耦合输出构件8底面的距离，h为压电堆叠4粘接到堆叠安装座2后压电堆叠4顶面到堆叠安装座2法兰上端面的距离；
所述的耦合输出构件8为0Cr17Ni7Al不锈钢材质圆管状零件，外径与堆叠安装座2法兰直径相同，按内径可分为三段，上段长度3mm至5mm，内径8mm至10mm，下段长度比堆叠安装座2上圆柱体长度大0.5mm至1mm，内径比堆叠安装座2上圆柱直径大0.02mm至0.03mm，中间段壁厚1.5mm至2.5mm，中间段和下段的长度总和比l1+l2+R2大1mm至1.5mm，其中l1为堆叠安装座2顶面圆孔2-1底平面到法兰上端面的距离，l2为压电堆叠2长度，R2为钢珠7半径；下段圆管侧面距底面l1-2mm处有均布的3个M3螺纹通孔8-1；下段圆管侧面距底面l1-1mm高度有2个孔中心线成60°角的M3螺纹通孔8-2，且二者与螺纹孔8-1中一个的夹角均为30°；圆管底面距中心R1+1.6mm处有安装圆柱销3的销钉孔8-3，深6mm，其位置满足安装时侧向3个螺孔8-1均能对准堆叠安装座2侧面的凹槽2-3,且另2个螺纹孔8-2正对着堆叠安装座2侧面的两个平面2-4；中间段侧面有3根或3根以上螺旋槽8-4贯穿管壁，螺旋槽宽度2mm到4mm，导程大于D2而小于10D2，螺旋槽上下边缘距中间段圆管的上下端均为1mm；
所述的输出轴9为2Cr13不锈钢材质短轴，中间有一法兰，底端面有一个底部为半球形的圆孔9-1，用于安装钢珠7，圆孔圆柱段长0.5mm，下段轴轴径为D2+0.01mm，长l3+0.5mm，其中D2为耦合输出构件8上段圆管内径，l3为上段圆管长度；法兰盘直径比轴径大4mm，厚度2mm至4mm；上段轴轴径8mm至10mm，长度不小于10mm；
堆叠安装座2圆孔2-1底面粘接压电堆叠4底面，压电堆叠4侧面粘贴应变片5，顶面粘贴殷钢片6，压电堆叠4和应变片5的导线从堆叠安装座2上通孔2-2引出；输出轴9下段轴嵌套在耦合输出构件8上段圆管内，法兰下端面与耦合输出构件8顶面贴合，输出轴9底端小孔9-1装钢珠7，钢珠7与殷钢片6上端面接触，耦合输出构件8下段圆管与堆叠安装座2上圆柱套合，其底面与堆叠安装座2法兰贴合；圆柱销3安装在堆叠安装座2的销钉孔2-6和耦合输出构件8的销钉孔8-3内，耦合输出构件8侧面螺纹孔8-1内的紧定螺钉1顶端圆锥面抵住堆叠安装座2环向凹槽的上斜面，螺纹孔8-2内的紧定螺钉1顶端圆锥面分别抵住堆叠安装座2侧面的两平面2-4。
本发明直线旋转耦合输出型压电驱动装置的装配步骤如下：
I.输出轴9下端圆柱与耦合输出构件8顶部内圆过盈嵌套，直至输出轴9法兰面与耦合输出构件8顶面贴合，再在输出轴9底部小孔内装入钢珠7；
II.压电堆叠4侧面粘贴应变片5，粘接其底端面至堆叠安装座2顶部圆孔的底平面，粘接时尽可能不遮挡端面的通孔，再在压电堆叠2上端面粘贴殷钢片6；待粘接剂固化后，整理压电堆叠4和应变片5的导线并从堆叠安装座2的端面通孔引出，并在堆叠安装座2销钉孔内装入圆柱销3；
III.耦合输出构件8底部内圆与堆叠安装座2上圆柱间隙套合，圆柱销3上端插入耦合输出构件8的销钉孔，旋入3颗均布的紧定螺钉1，使耦合输出构件8底面与堆叠安装座2法兰面贴合，再旋入另2颗紧定螺钉1，使其顶端与堆叠安装座2的两个平面接触。
本发明直线旋转耦合输出型压电驱动装置的工作原理如下：
输出耦合构件8中间段为周向均匀分布3根或3根以上螺旋槽的圆管，这类结构在上端相对下端发生轴向位移时，会自发产生相对旋转，即上端面相对于下端绕中心轴旋转一定角度，旋转方向由螺旋槽上升旋转方向和轴向位移的方向决定，旋转角度大小与轴向位移量成正比。
耦合输出构件8底部固定在堆叠安装座2上，压电堆叠4底面也固定在堆叠安装座2上，压电堆叠4顶端经过钢珠7、输出轴9传递轴向的力和位移给耦合输出构件8顶端。当压电堆叠4通电沿轴向伸长ΔL时，输出轴9也随之伸长ΔL；同时，由于耦合输出构件8的关系，输出轴9还随着耦合输出构件8的上端一起绕中心轴线旋转一定的角度α，旋转角度α与伸长量ΔL间关系如下：
α＝k·ΔL
其中，k为耦合输出构件8的直线旋转耦合系数，与螺旋槽导程、螺旋槽宽度、该段圆管内外径以及螺旋槽根数等结构参数有关。
应变片5用于监测压电堆叠4的应变，其阻值变化值与轴向伸长量ΔL和轴向转角α成正比，以此装作为置闭环控制的反馈参数。应变片5阻值变化量ΔR与伸长量ΔL和轴向转角α间有如下关系：
ΔR＝η·ΔL＝η/k·α
其中，η为与压电堆叠2轴向长度、应变片5阻值和灵敏度相关的比例系数。本发明有如下有益效果：
1)结构简单、装配容易、体积小、质量轻；
2)控制简单，只需对单根压电堆叠进行线位移输出控制；
3)单根压电堆叠驱动下即可实现轴向位移输出和轴向转角输出；
4)同一根压电堆叠，选取合适的耦合输出构件参数即可实现比杠杆式结构转角输出大很多的转角范围；
附图说明：
图1为本发明直线旋转耦合输出型压电驱动装置的剖视图；
其中：1.紧定螺钉、2.堆叠安装座、3.圆柱销、4.压电堆叠、5.应变片、6.殷钢片、7.钢珠、8.耦合输出构件、9.输出轴。
图2(a)为本发明装置中堆叠安装座2的主视图，图2(b)为图2(a)的下视图，图2(c)为图2(b)的A-A剖视图，图2(d)为图2(c)的左视图；
图3(a)为本发明装置中耦合输出构件8的主视图，图3(b)为图3(a)的A-A剖视图，图3(c)为图3(a)的左视图，图3(d)和图3(e)分别为图3(a)的B-B剖视图和C-C剖视图。
图4(a)为本发明装置中输出轴9的主视图，图4(b)为图4(a)的A-A剖视图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
紧定螺钉1为GB/T78中M3×4(顶角120°)规格标准件，圆柱销3为GB/T119.2中1×8C1规格标准件；压电堆叠4为PI公司P-887.90型压电堆叠，外形尺寸为7mm×7mm×36mm；应变片5为中航电测仪器股份有限公司生产的BF350-3AA(9)N9型应变片；钢珠7为直径4mm的标准钢珠，精度等级G15。
堆叠安装座2结构材料为2Cr13不锈钢，上部圆柱直径15.2mm、高6.8mm，其上端面中心有一个深1mm、直径10mm的平底圆孔；圆柱上端面距中心5.1mm处有一个直径2.6mm的通孔；圆柱体侧面距上端面3.2mm处有一道顶角120°等腰三角形的环形凹槽，凹槽宽度4.4mm；圆柱体侧面有一对夹角为60°的平面，两平面距圆柱体中心均为5.7mm，且从圆柱体顶面至其下4.8mm，平面避开引线通孔而切除部分环形槽；法兰底面有均布的三个深4mm的M3螺纹孔，用于装置与外部的安装固定；法兰直径21.4mm、厚4mm，其上端面距法兰中心9.2mm处有一个直径1mm，深3mm的圆孔，用于安装圆柱销3；
耦合输出构件8材料为0Cr17Ni7Al不锈钢，外径为21.4mm，总长49mm，按内径可分为三段，上段长度4mm，内径9mm，中间段内径16.5mm，长37.5mm，下段内径15.22mm；下段圆管侧面距底面4mm处有均布的3个M3螺纹通孔；下段圆管侧面距底面5mm高度有2个孔中心线成60°角的M3螺纹通孔，且二者与均布螺纹孔中一个的夹角均为30°；圆管底面距中心9.2mm处有直径1mm、深6mm的销钉孔，用于安装圆柱销3，其位置满足安装时侧向3个均布的螺孔均能对准堆叠安装座2侧面的凹槽,且另2个螺纹孔正对着堆叠安装座2侧面的两个平面；中间段侧面有3根宽3mm的螺旋槽贯穿管壁，导程为70mm，螺旋槽上边缘距底面9.5mm，轴向长34.3mm；
输出轴9采用2Cr13不锈钢，为带有法兰圆盘的短轴，底端面有一底部为半球形直径4mm的圆孔，用于安装钢珠7，圆孔圆柱段深度0.5mm，上段轴外径9mm，长10mm，法兰直径13mm、厚2mm，下段轴外径9.01mm，轴长4.5mm。
将以上零件按相互间连接关系和装配步骤进行组装即得图1所示装置。
Claims (1)
1.一种直线旋转耦合输出型压电驱动装置，包括：堆叠安装座(2)、圆柱销(3)、压电堆叠(4)、应变片(5)、殷钢片(6)、钢珠(7)、耦合输出构件(8)、输出轴(9)，其特征在于：
所述的堆叠安装座(2)为2Cr13不锈钢材质、下端为法兰的圆柱状零件，上端圆柱体长度不小于7.5mm，直径不小于15mm，圆柱体上端面中心有一个深1mm、直径D1+0.1mm的平底圆孔(2-1)，其中D1为压电堆叠(4)方形截面的外接圆直径；圆柱上端面距中心R1-2.5mm处有一个用于通导线的通孔(2-2)，其中R1为上端圆柱体的半径；圆柱体侧面距上端面3.2mm处有一道顶角120°等腰三角形的环形凹槽(2-3)，凹槽宽度4.4mm；圆柱体侧面有一对夹角为60°的平面(2-4)，两平面与圆柱体中心距离均为38R1/51mm，且从圆柱体顶面至其下4.8mm，平面切除部分环形槽(2-3)但避开通孔(2-2)；法兰厚4mm至5mm，直径比上端圆柱体直径大6mm至7mm，底面有周向均布的三个深4mm的M3螺纹孔(2-5)，用于装置与外部的安装固定；法兰上端面距法兰中心R1+1.6mm处有一个深3mm的销钉孔(2-6)，用于安装圆柱销(3)；
所述的压电堆叠(4)为轴向截面方形的长方体；
所述的应变片(5)为基底为长方形的单向测量应变片，测量方向长度不超过压电堆叠(4)轴向长度的1/3，宽度不超过压电堆叠(4)的宽度；
所述的殷钢片(6)形状与压电堆叠(4)轴向截面相同，厚度比l-h大0.02mm至0.03mm，其中l为耦合输出构件(8)、输出轴(9)和钢珠(7)安装后钢珠(7)最低点距离耦合输出构件(8)底面的距离，h为压电堆叠(4)粘接到堆叠安装座(2)后压电堆叠(4)顶面到堆叠安装座(2)法兰上端面的距离；
所述的耦合输出构件(8)为0Cr17Ni7Al不锈钢材质圆管状零件，外径与堆叠安装座(2)法兰直径相同，按内径可分为三段，上段长度3mm至5mm，内径8mm至10mm，下段长度比堆叠安装座(2)上端圆柱体长度大0.5mm至1mm，内径比堆叠安装座(2)上端圆柱体直径大0.02mm至0.03mm，中间段壁厚1.5mm至2.5mm，中间段和下段的长度总和比l1+l2+R2大1mm至1.5mm，其中l1为堆叠安装座(2)顶面圆孔(2-1)底平面到法兰上端面的距离，l2为压电堆叠(4)长度，R2为钢珠(7)半径；下段圆管侧面距底面l1-2mm处有周向均布的3个M3螺纹通孔(8-1)；下段圆管侧面距底面l1-1mm高度有2个孔中心线成60°角的M3螺纹通孔(8-2)，且二者与螺纹孔(8-1)中一个的夹角均为30°；圆管底面距中心R1+1.6mm处有安装圆柱销(3)的销钉孔(8-3)，深6mm，其位置满足安装时侧向3个螺孔(8-1)均能对准堆叠安装座(2)侧面的凹槽(2-3),且另2个螺纹孔(8-2)正对着堆叠安装座(2)侧面的两个平面(2-4)；中间段侧面有3根或3根以上螺旋槽(8-4)贯穿管壁，螺旋槽宽度2mm到4mm，导程大于D2而小于10D2，螺旋槽上下边缘距中间段圆管的上下端均为1mm；
所述的输出轴(9)为2Cr13不锈钢材质短轴，中间有一法兰，底端面有一个底部为半球形的圆孔(9-1)，用于安装钢珠(7)，圆孔圆柱段长0.5mm，下段轴轴径为D2+0.01mm，长l3+0.5mm，其中D2为耦合输出构件(8)上段圆管内径，l3为上段圆管长度；法兰盘直径比轴径大4mm，厚度2mm至4mm；上段轴轴径8mm至10mm，长度不小于10mm；
堆叠安装座(2)圆孔(2-1)底面粘接压电堆叠(4)底面，压电堆叠(4)侧面粘贴应变片(5)，顶面粘贴殷钢片(6)，压电堆叠(4)和应变片(5)的导线从堆叠安装座(2)上通孔(2-2)引出；输出轴(9)下段轴嵌套在耦合输出构件(8)上段圆管内，法兰下端面与耦合输出构件(8)顶面贴合，输出轴(9)底端小孔(9-1)装钢珠(7)，钢珠(7)与殷钢片(6)上端面接触，耦合输出构件(8)下段圆管与堆叠安装座(2)上端圆柱体套合，其底面与堆叠安装座(2)法兰贴合；圆柱销(3)安装在堆叠安装座(2)的销钉孔(2-6)和耦合输出构件(8)的销钉孔(8-3)内，耦合输出构件(8)侧面螺纹孔(8-1)内的紧定螺钉(1)顶端圆锥面抵住堆叠安装座(2)环向凹槽的上斜面，螺纹孔(8-2)内的紧定螺钉(1)顶端圆锥面分别抵住堆叠安装座(2)侧面的两平面(2-4)。
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| CN102198825A (zh) * | 2010-03-16 | 2011-09-28 | 罗伯特·博世有限公司 | 用于适配变形元件刚度的促动器和方法 |
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