CN103501129A - 一种仿生尺蠖型压电旋转驱动器 - Google Patents

一种仿生尺蠖型压电旋转驱动器 Download PDF

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本发明公开了一种仿生尺蠖型压电旋转驱动器，是由输出轴、箝位预紧螺栓、箝位预紧环、复位弹簧、环形箝位压电叠堆、驱动压电叠堆架、驱动臂、驱动压电叠堆、驱动预紧块、驱动预紧螺栓和底座组成；驱动压电叠堆和驱动臂之间仿照齿条齿轮传动的特点，驱动压电叠堆一端加工成齿条齿廓的形状，驱动臂与驱动压电叠堆的接触面加工成齿轮渐开线齿廓的形状，这样的接触表面，使得驱动单元无运动干涉，驱动更加精确；箝位单元采用环形箝位压电叠堆，通过环形箝位压电叠堆的两端伸长，利用平面之间的静摩擦力实现旋转箝位，箝位面积大且箝位面接触充分，能够实现高精度、大载荷输出。

Description

一种仿生尺蠖型压电旋转驱动器
技术领域
本发明涉及一种仿生尺蠖型压电旋转驱动器，属于精密加工领域。该驱动器能够实现高精度、大载荷输出，可被广泛应用于超精密加工机床、精密超精密微细加工与测量技术、材料试件纳米力学性能检测、微机电系统（MEMS）、精密光学、半导体制造、现代医学与生物遗传工程、航空航天、机器人、军事技术等高尖端的科学技术领域，具有较高的科研价值和良好的商业化前景。
背景技术
伴随着科学技术的迅猛发展，对产品加工精度的要求越来越高，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显得格外重要。要想实现产品零件的精密超精密加工，就必须提供一种合适的高精度的驱动装置。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。
所谓新式驱动装置，是指采用新型材料作为电能—机械能转换元件，再通过传动机构，使目标机构产生一定动作的装置。通过各国科研人员的不断探索，相当多的新型驱动装置已经被研制出来了，其中的一些已经在实际中得到了相关的应用。按照驱动元件的不同，新型驱动装置大体可分为以下几类：相变材料驱动装置、热变形驱动装置、形状记忆合金驱动装置、电磁驱动装置、静电驱动装置、磁致伸缩驱动装置、电流变驱动装置、电致伸缩驱动装置、压电驱动装置等。其中能达到纳米级精度的目前只有电致伸缩驱动装置和压电驱动装置。相比于电致伸缩驱动装置，压电驱动装置因为体积小重量轻、响应快(微秒级)、控制特性好、能量密度大、能耗低、不受磁场影响等特点而得到了更广泛的应用。
现有的旋转驱动装置在驱动压电叠堆与驱动臂之间，往往通过简单地平面接触，这样在驱动时便会存在运动的干涉，影响驱动器的精度；并且，现有的旋转驱动器大都通过箝位压电叠堆对曲面进行箝位，由于加工的精度不足，这样的箝位面往往接触不充分，磨损严重，便会对驱动器的承载能力产生影响，甚至影响驱动器的寿命。
因此设计一种驱动精度高、承载能力大的新型压电旋转驱动器十分必要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种仿生尺蠖型压电旋转驱动器，其中驱动单元中驱动压电叠堆和驱动臂之间仿照齿条齿轮传动的特点，驱动压电叠堆一端加工成齿条齿廓的形状，驱动臂与驱动压电叠堆的接触面加工成齿轮渐开线齿廓的形状，这样的接触表面，使得驱动单元无运动干涉，驱动更加精确；箝位单元采用环形箝位压电叠堆，通过环形箝位压电叠堆的两端伸长，利用环形平面之间的静摩擦力实现旋转箝位，箝位面积大且箝位面接触充分，能够实现高精度、大载荷输出。
本发明是由第一输出轴、第一箝位预紧螺栓、第一箝位预紧环、第一复位弹簧、第一环形箝位压电叠堆、第一驱动压电叠堆架、驱动臂、第一驱动压电叠堆、第一驱动预紧块、第一驱动预紧螺栓、底座、第二环形箝位压电叠堆、第二箝位预紧环、第二输出轴、驱动轴、第二复位弹簧、第二驱动压电叠堆架、第二驱动压电叠堆、第二驱动预紧块、第二驱动预紧螺栓、第二箝位预紧螺栓组成；
所述的第一输出轴和第二输出轴分别通过螺栓连接在驱动轴的两端，共同构成了该驱动器的主轴；第一驱动压电叠堆架和第二驱动压电叠堆架分别通过螺栓安装在底座的两侧；第一驱动压电叠堆和第二驱动压电叠堆分别安装在第一驱动压电叠堆和第二驱动压电叠堆架的定位槽内，一侧由第一驱动预紧螺栓和第二驱动预紧螺栓通过第一驱动预紧块和第二驱动预紧块分别对其提供预紧力，另一侧则通过齿条齿廓面分别与驱动臂两侧的齿轮渐开线齿廓面接触；第一复位弹簧和第二复位弹簧分别安装在两驱动压电叠堆架上，另一侧分别紧压驱动臂的两端，为其提供恢复力；驱动轴装配在底座的通孔内；驱动臂套接在驱动轴上；第一环形箝位压电叠堆和第二环形箝位压电叠堆分别安装在驱动臂和底座上，由第一箝位预紧螺栓等和第二箝位预紧螺栓通过第一箝位预紧环和第二箝位预紧环分别为其提供预紧力。
所述的第一驱动压电叠堆和第二驱动压电叠堆分别与驱动臂之间仿照齿条齿轮传动的特点，第一驱动压电叠堆和第二驱动压电叠堆一端加工成齿条齿廓的形状，驱动臂与第一驱动压电叠堆和第二驱动压电叠堆的接触面加工成齿轮渐开线齿廓的形状，这样的接触面在驱动时，好比是通过齿条向齿轮传递动力，通过齿条齿轮传动的特点可知，这样的结构可以避免运动干涉，有利于提高驱动器的精度。
所述的箝位部分采用环形箝位压电叠堆，通过第一环形箝位压电叠堆和第二环形箝位压电叠堆的两端伸长，利用环形平面之间的静摩擦力实现旋转箝位，相对于现有的旋转驱动器通过曲面进行箝位来说，这样的箝位结构箝位面积大且箝位面接触充分，有利于提高驱动器的承载能力。
本发明的有益效果：
驱动单元中驱动压电叠堆和驱动臂之间仿照齿条齿轮传动的特点，驱动压电叠堆一端加工成齿条齿廓的形状，驱动臂与驱动压电叠堆的接触面加工成齿轮渐开线齿廓的形状，这样的接触表面，使得驱动单元无运动干涉，驱动更加精确；箝位单元采用环形箝位压电叠堆，通过环形箝位压电叠堆的两端伸长，利用环形平面之间的静摩擦力实现旋转箝位，箝位面积大且箝位面接触充分，该驱动器能够实现高精度、大载荷的动力输出。
附图说明
图1是本发明的立体示意图。
图2是本发明的立体剖视图。
图3是本发明的剖视图。
图4是本发明的俯视图。
图5是齿条齿轮传动原理图。
图6是本发明的驱动原理图。
图中：1、第一输出轴；2、第一箝位预紧螺栓；3、第一箝位预紧环；4、第一复位弹簧；5、第一环形箝位压电叠堆；6、第一驱动压电叠堆架；7、驱动臂；8、第一驱动压电叠堆；9、第一驱动预紧块；10、第一驱动预紧螺栓；11、底座；12、第二环形箝位压电叠堆；13、第二箝位预紧环；14、第二输出轴；15、驱动轴；16、第二复位弹簧；17、第二驱动压电叠堆架；18第二驱动压电叠堆；19、第二驱动预紧块；20、第二驱动预紧螺栓；21、第二箝位预紧螺栓。
具体实施方式
请参阅图1至图4所示，本实施例是由第一输出轴1、第一箝位预紧螺栓2、第一箝位预紧环3、第一复位弹簧4、第一环形箝位压电叠堆5、第一驱动压电叠堆架6、驱动臂7、第一驱动压电叠堆8、第一驱动预紧块9、第一驱动预紧螺栓10、底座11、第二环形箝位压电叠堆12、第二箝位预紧环13、第二输出轴14、驱动轴15、第二复位弹簧16、第二驱动压电叠堆架17、第二驱动压电叠堆18、第二驱动预紧块19、第二驱动预紧螺栓20、第二箝位预紧螺栓21组成；
所述的第一输出轴1和第二输出轴14分别通过螺栓连接在驱动轴15的两端，共同构成了该驱动器的主轴；第一驱动压电叠堆架6和第二驱动压电叠堆架17分别通过螺栓安装在底座11的两侧；第一驱动压电叠堆8和第二驱动压电叠堆18分别安装在第一驱动压电叠堆6和第二驱动压电叠堆架17的定位槽内，一侧由第一驱动预紧螺栓10和第二驱动预紧螺栓20通过第一驱动预紧块9和第二驱动预紧块19分别对其提供预紧力，另一侧则通过齿条齿廓面分别与驱动臂7两侧的齿轮渐开线齿廓面接触；第一复位弹簧4和第二复位弹簧16分别安装在两驱动压电叠堆架上，另一侧分别紧压驱动臂7的两端，为其提供恢复力；驱动轴15装配在底座11的通孔内；驱动臂7套接在驱动轴15上；第一环形箝位压电叠堆5和第二环形箝位压电叠堆12分别安装在驱动臂7和底座11上，由第一箝位预紧螺栓2等和第二箝位预紧螺栓21通过第一箝位预紧环3和第二箝位预紧环13分别为其提供预紧力。
如图5和图6所示，所述的第一驱动压电叠堆8和第二驱动压电叠堆18分别与驱动臂7之间仿照齿条齿轮传动的特点，第一驱动压电叠堆8和第二驱动压电叠堆18一端加工成齿条齿廓C的形状，驱动臂7与第一驱动压电叠堆8和第二驱动压电叠堆18的接触面加工成齿轮渐开线齿廓D的形状，这样的接触面在驱动时，好比是通过齿条A向齿轮B传递动力，通过齿条齿轮传动的特点可知，这样的结构可以避免运动干涉，有利于提高驱动器的精度。
所述的箝位部分采用环形箝位压电叠堆，通过第一环形箝位压电叠堆5和第二环形箝位压电叠堆12的两端伸长，利用环形平面之间的静摩擦力实现旋转箝位，相对于现有的旋转驱动器通过曲面进行箝位来说，这样的箝位结构箝位面积大且箝位面接触充分，有利于提高驱动器的承载能力。
所述的第一箝位预紧环3和第二箝位预紧环13均为一环形片状结构，分别通过六个第一箝位预紧螺栓2和第二箝位预紧螺栓箝位预紧螺栓21分别为第一环形箝位压电叠堆5和第二环形箝位压电叠堆12提供预紧力。
本发明的具体工作过程如下：
参阅图2和图3所示，初始状态时，第一驱动压电叠堆8、第二驱动压电叠堆18和第一环形箝位压电叠堆5、第二环形箝位压电叠堆12均不带电，系统处于自由状态，此时由第一输出轴1、驱动轴15和第二输出轴14构成的驱动器主轴亦处于游动状态。给驱动器第一环形箝位压电叠堆5提供一定驱动电压，第一环形箝位压电叠堆5在逆压电效应的作用下伸长，推动驱动臂7与驱动轴15箝住，形成了驱动臂7与驱动轴15紧固。然后给第一驱动压电叠堆8、第二驱动压电叠堆18提供一定的驱动电压，第一驱动压电叠堆8、第二驱动压电叠堆18在逆压电效应的作用下伸长，进而推动驱动臂7及与其箝固的驱动轴15相对于底座11做精密步进旋转运动；然后再给第二环形箝位压电叠堆12提供一定的驱动电压，第二环形箝位压电叠堆12在逆压电效应的作用下伸长，推动驱动轴15与底座11箝住，而与此同时第一环形箝位压电叠堆5失电，压电叠堆恢复到原来的长度，形成了驱动轴15与驱动臂7松开而同步与底座11箝固。这时，给第一驱动压电叠堆8、第二驱动压电叠堆18失电，两个驱动压电叠堆恢复到原来的长度，驱动臂7在第一复位弹簧4和第二复位弹簧16的作用下回到原来的位置，接着给第一环形箝位压电叠堆5提供一定的驱动电压，同步给第二环形箝位压电叠堆12失电，形成了驱动轴15与底座11松开而同步与驱动臂7箝固。这样就完成了驱动器精密旋转运动的步进第一步，重复以上过程可使驱动轴15实现持续步进式的旋转运动，且其理论转角为无限大。

Claims (4)

1.一种仿生尺蠖型压电旋转驱动器，其特征在于：是由第一输出轴（1）、第一箝位预紧螺栓（2）、第一箝位预紧环（3）、第一复位弹簧（4）、第一环形箝位压电叠堆（5）、第一驱动压电叠堆架（6）、驱动臂（7）、第一驱动压电叠堆（8）、第一驱动预紧块（9）、第一驱动预紧螺栓（10）、底座（11）、第二环形箝位压电叠堆（12）、第二箝位预紧环（13）、第二输出轴（14）、驱动轴（15）、第二复位弹簧（16）、第二驱动压电叠堆架（17）、第二驱动压电叠堆（18）、第二驱动预紧块（19）、第二驱动预紧螺栓（20）、第二箝位预紧螺栓（21）组成；
所述的第一输出轴1和第二输出轴（14）分别通过螺栓连接在驱动轴（15）的两端，共同构成了该驱动器的主轴；第一驱动压电叠堆架（6）和第二驱动压电叠堆架（17）分别通过螺栓安装在底座（11）的两侧；第一驱动压电叠堆8和第二驱动压电叠堆（18）分别安装在第一驱动压电叠堆（6）和第二驱动压电叠堆架（17）的定位槽内，一侧由第一驱动预紧螺栓（10）和第二驱动预紧螺栓（20）通过第一驱动预紧块（9）和第二驱动预紧块（19）分别对其提供预紧力，另一侧则通过齿条齿廓面分别与驱动臂（7）两侧的齿轮渐开线齿廓面接触；第一复位弹簧（4）和第二复位弹簧（16）分别安装在两驱动压电叠堆架上，另一侧分别紧压驱动臂（7）的两端，为其提供恢复力；驱动轴（15）装配在底座（11）的通孔内；驱动臂（7）套接在驱动轴（15）上；第一环形箝位压电叠堆（5）和第二环形箝位压电叠堆（12）分别安装在驱动臂7和底座（11）上，由第一箝位预紧螺栓（2）等和第二箝位预紧螺栓（21）通过第一箝位预紧环（3）和第二箝位预紧环（13）分别为其提供预紧力。
2.根据权利要求1所述的一种仿生尺蠖型压电旋转驱动器，其特征在于：所述的第一驱动压电叠堆（8）和第二驱动压电叠堆（18）一端加工成齿条齿廓（C）的形状，驱动臂7与第一驱动压电叠堆（8）和第二驱动压电叠堆（18）的接触面加工成齿轮渐开线齿廓（D）的形状。
3.根据权利要求1所述的一种仿生尺蠖型压电旋转驱动器，其特征在于：所述的第一环形箝位压电叠堆（5）和第二环形箝位压电叠堆（12）的两端伸长，利用环形平面之间的静摩擦力实现旋转箝位。
4.根据权利要求1所述的一种仿生尺蠖型压电旋转驱动器，其特征在于：所述的第一箝位预紧环（3）和第二箝位预紧环（13）均为一环形片状结构。
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