CN103916045B - 一种基于压电陶瓷的步进式旋转驱动装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于压电陶瓷的步进式旋转驱动装置及方法，该驱动装置包括定子，外圈固定于定子内孔中的精密轴承，输出轴一端固定于精密轴承内圈，另一端固定于转子机构，箝位环和第一驱动环、第二驱动环通过柔性铰链与转子机构连为一体，箝位环的轴向方向与定子的直径方向一致，第一驱动环和第二驱动环的轴向方向偏离定子的直径方向，第一压电陶瓷驱动器安装于箝位环内部，第二压电陶瓷驱动器安装于第一驱动环内部，第三压电陶瓷驱动器安装于第二驱动环内部；本发明还提供该驱动装置实现步进式旋转运动的方法；将压电陶瓷驱动器输出的直线位移转变为角位移，并通过多个压电陶瓷驱动器的协调步进实现大行程的角位移输出，同时具备结构紧凑，体积小，重量轻的特点。

Description

一种基于压电陶瓷的步进式旋转驱动装置及方法
技术领域
本发明属于压电陶瓷驱动装置，具体涉及一种基于压电陶瓷的步进式旋转驱动装置及方法。
背景技术
近年来随着微纳米技术的迅猛发展，压电驱动装置在光学、电子、航空、航天、机械制造、医学及遗传工程等技术领域取得广泛应用。尤其是在航天领域，迫切需要一种体积小，质量轻，驱动力大，分辨力高的驱动装置。压电陶瓷驱动器虽然具有体积小，位移输出分辨力高，易于控制，无杂散磁场等特点，但是由于其位移输出行程较小且只能输出直线位移因此应用范围被大大减小。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于压电陶瓷的步进式旋转驱动装置及方法，将压电陶瓷驱动器输出的直线位移转变为角位移，并通过U多压电陶瓷驱动器的协调步进实现大行程的角位移输出，并且同时具备结构紧凑，体积小，重量轻的特点。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种基于压电陶瓷的步进式旋转驱动装置及方法，包括包括定子1，外圈固定于定子1内孔中的精密轴承2，输出轴3一端固定于精密轴承2内圈，另一端固定于转子机构4，箝位环6、第一驱动环5和第二驱动环7通过柔性铰链与转子机构4连为一体，箝位环6的轴向方向与定子1的直径方向一致，第一驱动环5和第二驱动环7的轴向方向偏离定子1的直径方向，第一压电陶瓷驱动器8安装于箝位环6内部，第二压电陶瓷驱动器9安装于第一驱动环5内部，第三压电陶瓷驱动器10安装于第二驱动环7内部。
上述所述驱动装置实现步进式旋转运动的方法，初始状态：第一压电陶瓷驱动器8、第二压电陶瓷驱动器9和第三压电陶瓷驱动器10均不带电，转子机构4处于自由状态；第一步：给第二压电陶瓷驱动器9通电，由于逆压电效应，第二压电陶瓷驱动器9伸长，第一驱动环5的轴向长度增加，与定子1相接触，由于第一驱动环5的轴向方向偏离定子1的直径方向，因此将推动转子机构4旋转，同时第一驱动环5所属柔性铰链发生弯曲；第二步：给第一压电陶瓷驱动器8通电，由于逆压电效应，第一压电陶瓷驱动器8伸长，箝位环6轴向长度增加，与定子1相接触，由于箝位环6的轴向方向与定子1的直径方向一致，因此在箝位环6与定子1间的静摩擦力作用下转子机构4处于锁止状态，不再旋转；第三步：第二压电陶瓷驱动器9断电，第一驱动环5随第二压电陶瓷驱动器9恢复原长，柔性铰链恢复原形，转子机构4完成一次旋转步进；重复上述三步，实现旋转步进；上述过程中，第三压电陶瓷驱动器10始终处于断电状态；
当转子机构4需要向相反方向旋转，同样需要三步，原理相同；第一步：第三压电陶瓷驱动器10通电，由于逆压电效应，第三压电陶瓷驱动器10伸长，第二驱动环7轴向长度增加，与定子1相接触，由于第二驱动环7的轴向方向偏离定子1的直径方向，因此将推动转子机构4旋转，同时第二驱动环7所属柔性铰链发生弯曲；第二步：第一压电陶瓷驱动器8通电，由于逆压电效应，第一压电陶瓷驱动器8伸长，箝位环6轴向长度增加，与定子1相接触，由于箝位环6的轴向方向与定子1的直径方向一致，因此在箝位环6与定子1间的静摩擦力作用下转子机构4处于锁止状态，不再旋转；第三步：第三压电陶瓷驱动器10断电，第二驱动环7随第三压电陶瓷驱动器10恢复原长，柔性铰链恢复原形，转子完成一次旋转步进；重复上述三步，实现旋转步进；上述过程中，第二压电陶瓷驱动器9始终处于断电状态。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
由于箝位环6和第一驱动环5、第二驱动环7通过柔性铰链与转子机构4连为一体，因此在加工时可采用精密慢走丝线切割机构将上述机构一体加工成型，从而避免了后续加工误差，提高了该装置工作的可靠性及稳定性。同时通过借助压电陶瓷驱动器轴向方向与偏离定子的直径方向的偏离，将压电陶瓷驱动器输出的直线位移转化为装置的角位移，并采用步进的方式使装置可以连续不断的输出角位移，具有驱动方式新颖的特点。
附图说明
图1为本发明驱动装置的结构爆炸示意图。
图2为本发明转子机构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1和图2所示，本发明一种基于压电陶瓷的步进式旋转驱动装置及方法，包括包括定子1，外圈固定于定子1内孔中的精密轴承2，输出轴3一端固定于精密轴承2内圈，另一端固定于转子机构4，箝位环6、第一驱动环5和第二驱动环7通过柔性铰链与转子机构4连为一体，箝位环6的轴向方向与定子1的直径方向一致，第一驱动环5和第二驱动环7的轴向方向偏离定子1的直径方向，第一压电陶瓷驱动器8安装于箝位环6内部，第二压电陶瓷驱动器9安装于第一驱动环5内部，第三压电陶瓷驱动器10安装于第二驱动环7内部。
本发明还提供上述所述驱动装置实现步进式旋转运动的方法，具体如下：
初始状态：第一压电陶瓷驱动器8、第二压电陶瓷驱动器9和第三压电陶瓷驱动器10均不带电，转子机构4处于自由状态；第一步：给第二压电陶瓷驱动器9通电，由于逆压电效应，第二压电陶瓷驱动器9伸长，第一驱动环5的轴向长度增加，与定子1相接触，由于第一驱动环5的轴向方向偏离定子1的直径方向，因此将推动转子机构4旋转，同时第一驱动环5所属柔性铰链发生弯曲；第二步：给第一压电陶瓷驱动器8通电，由于逆压电效应，第一压电陶瓷驱动器8伸长，箝位环6轴向长度增加，与定子1相接触，由于箝位环6的轴向方向与定子1的直径方向一致，因此在箝位环6与定子1间的静摩擦力作用下转子机构4处于锁止状态，不再旋转；第三步：第二压电陶瓷驱动器9断电，第一驱动环5随第二压电陶瓷驱动器9恢复原长，柔性铰链恢复原形，转子机构4完成一次旋转步进；重复上述三步，实现旋转步进；上述过程中，第三压电陶瓷驱动器10始终处于断电状态；
当转子机构4需要向相反方向旋转，同样需要三步，原理相同；第一步：第三压电陶瓷驱动器10通电，由于逆压电效应，第三压电陶瓷驱动器10伸长，第二驱动环7轴向长度增加，与定子1相接触，由于第二驱动环7的轴向方向偏离定子1的直径方向，因此将推动转子机构4旋转，同时第二驱动环7所属柔性铰链发生弯曲；第二步：第一压电陶瓷驱动器8通电，由于逆压电效应，第一压电陶瓷驱动器8伸长，箝位环6轴向长度增加，与定子1相接触，由于箝位环6的轴向方向与定子1的直径方向一致，因此在箝位环6与定子1间的静摩擦力作用下转子机构4处于锁止状态，不再旋转；第三步：第三压电陶瓷驱动器10断电，第二驱动环7随第三压电陶瓷驱动器10恢复原长，柔性铰链恢复原形，转子完成一次旋转步进；重复上述三步，实现旋转步进；上述过程中，第二压电陶瓷驱动器9始终处于断电状态。

Claims (1)

1.一种基于压电陶瓷的步进式旋转驱动装置实现步进式旋转的方法，所述驱动装置包括定子(1)，外圈固定于定子(1)内孔中的精密轴承(2)，输出轴(3)一端固定于精密轴承(2)内圈，另一端固定于转子机构(4)，箝位环(6)、第一驱动环(5)和第二驱动环(7)通过柔性铰链与转子机构(4)连为一体，箝位环(6)的轴向方向与定子(1)的直径方向一致，第一驱动环(5)和第二驱动环(7)的轴向方向偏离定子(1)的直径方向，第一压电陶瓷驱动器(8)安装于箝位环(6)内部，第二压电陶瓷驱动器(9)安装于第一驱动环(5)内部，第三压电陶瓷驱动器(10)安装于第二驱动环(7)内部；
特征在于：所述方法如下：
初始状态：第一压电陶瓷驱动器(8)、第二压电陶瓷驱动器(9)和第三压电陶瓷驱动器(10)均不带电，转子机构(4)处于自由状态；第一步：给第二压电陶瓷驱动器(9)通电，由于逆压电效应，第二压电陶瓷驱动器(9)伸长，第一驱动环(5)的轴向长度增加，与定子(1)相接触，由于第一驱动环(5)的轴向方向偏离定子(1)的直径方向，因此将推动转子机构(4)旋转，同时第一驱动环(5)所属柔性铰链发生弯曲；第二步：给第一压电陶瓷驱动器(8)通电，由于逆压电效应，第一压电陶瓷驱动器(8)伸长，箝位环(6)轴向长度增加，与定子(1)相接触，由于箝位环(6)的轴向方向与定子(1)的直径方向一致，因此在箝位环(6)与定子(1)间的静摩擦力作用下转子机构(4)处于锁止状态，不再旋转；第三步：第二压电陶瓷驱动器(9)断电，第一驱动环(5)随第二压电陶瓷驱动器(9)恢复原长，柔性铰链恢复原形，转子机构(4)完成一次旋转步进；重复上述三步，实现旋转步进；上述过程中，第三压电陶瓷驱动器(10)始终处于断电状态；
当转子机构(4)需要向相反方向旋转，同样需要三步，原理相同；第一步：第三压电陶瓷驱动器(10)通电，由于逆压电效应，第三压电陶瓷驱动器(10)伸长，第二驱动环(7)轴向长度增加，与定子(1)相接触，由于第二驱动环(7)的轴向方向偏离定子(1)的直径方向，因此将推动转子机构(4)旋转，同时第二驱动环(7)所属柔性铰链发生弯曲；第二步：第一压电陶瓷驱动器(8)通电，由于逆压电效应，第一压电陶瓷驱动器(8)伸长，箝位环(6)轴向长度增加，与定子(1)相接触，由于箝位环(6)的轴向方向与定子(1)的直径方向一致，因此在箝位环(6)与定子(1)间的静摩擦力作用下转子机构(4)处于锁止状态，不再旋转；第三步：第三压电陶瓷驱动器(10)断电，第二驱动环(7)随第三压电陶瓷驱动器(10)恢复原长，柔性铰链恢复原形，转子完成一次旋转步进；重复上述三步，实现旋转步进；上述过程中，第二压电陶瓷驱动器(9)始终处于断电状态。
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