CN103973159A - 微型尺蠖式压电驱动旋转关节机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型尺蠖式压电驱动旋转关节机构，包括U型基座、轴承座、轴承支架、轴承套圈、压电陶瓷片、旋转轴、旋转套筒和端盖，轴承套圈分割为两半圈，通过一对轴承支架与轴承座联结；四个压电陶瓷片一端固定于轴承座上，另一端与轴承套圈联结，在电压驱动下伸缩变形，驱动轴承套圈实现夹紧、松开、旋转等微小运动；U型基座两边对称各安装一副轴承驱动模块，旋转轴支承于两个轴承套圈上，通过控制两个轴承驱动模块的夹紧、松开和旋转时序，实现旋转轴步进运动。本发明结构改进巧妙，采用对称结构布局，且采用双箝位双旋转控制方式，夹持力保持稳定，提高了运行效率和稳定性，优化压电陶瓷片布局，降低驱动电路的复杂性同时方便控制。

Description

微型尺蠖式压电驱动旋转关节机构

技术领域

本发明涉及驱动器领域，主要是一种微型尺蠖式压电驱动旋转关节机构。

背景技术

近年来，随着物理化学、信息电子、生物医疗、环境能源、材料制造、航空航天等学科的迅猛发展，涉及微米、纳米尺度下精密测量、精密操作和精密加工的场合越来越多，人们对微纳米级精密定位和微纳米级精密驱动技术有着迫切的需求。作为精密定位驱动系统中的主要功能部件，驱动器的原理结构、制造装配和驱动控制对整个系统的性能有着决定性的影响。因此，新型驱动器的开发研制成为微纳米级精密定位驱动技术发展的关键环节之一。

传统的精密驱动器一般采用基于电磁原理的步进电机，它在大尺寸、普通精度要求下具有较大的优势，但进入微米、纳米级的定位精度以及毫米、亚毫米级的结构尺寸要求时失去了优势，设计制造存在很大的难度，且发热严重、效率低下，已无法满足现代高新技术的发展需求。伴随着压电驱动技术的发展，以压电陶瓷为核心功能材料的驱动器在超精密定位驱动领域脱颖而出。压电陶瓷驱动器具有能量密度大、响应速度快、分辨率高、抗电磁干扰、耐低温真空环境等优势。压电马达利用摩擦传动将压电元件微振动转换为输出轴单向连续运动，克服了压电元件自身行程小的缺陷，同时具有结构简单、易于微型化、低速大力矩、能自锁等特点。基于惯性冲击、尺蠖等原理的压电步进马达，具有精密微步距调整的能力，有效缓解了大行程和高精度之间的矛盾，在大行程、超精密定位驱动系统中表现出良好的发展前景。

作为一种典型的精密定位驱动系统，微型精密操作手在诸如细胞注射、微粒搬运、微观检测等前沿科学研究、先进工业生产中的众多场合都有应用价值，旋转关节作为微型精密操作手的基本功能元件，旋转关节机构的微型化和新型压电驱动旋转关节机构的发明具有重要的意义。

发明内容 本发明所要解决的技术问题是提供一种微型尺蠖式压电驱动旋转关节机构，其结构改进巧妙，适宜于微型化，关节整体机构采用对称结构布局，且采用双箝位双旋转控制方式，夹持力保持稳定，提高了运行效率和稳定性，优化压电陶瓷片布局，降低驱动电路的复杂性同时方便控制。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种微型尺蠖式压电驱动旋转关节机构，包括有U形基座，及水平夹持在U形基座上U形口中的旋转套筒，其特征在于：所述旋转套筒的中心轴位置转动安装有旋转轴，所述U形基座U形两端分别连接有环形座，且两环形座分别共中心轴对应连接在旋转套筒两端筒口处，每个环形座中分别安装有环形轴承座，轴承座中内环壁沿某一径向连接有轴承架，轴承架中间位置断开并连接有由两半圈构成的整环形轴承套圈，所述轴承套圈与轴承座共圆心，轴承套圈每个半圈所连接的轴承架两侧分别对称设置有压电陶瓷片，每个压电陶瓷片分别平行于轴承架，且压电陶瓷片一端分别连接在轴承座内壁、另一端分别连接在对应的轴承架所连接的轴承套圈半圈对应侧圈端，每个压电陶瓷片朝向轴承架的内侧面以及远离轴承架的外侧面分别沉积有电极，由轴承座、轴承架、轴承套圈构成轴承单元，由轴承单元、压电陶瓷片构成轴承驱动模块，所述旋转套筒中旋转轴两端分别穿过环形座内轴承单元的轴承套圈，且轴承套圈对旋转轴施加一定的预夹紧力。

每侧环形座远离旋转套筒的一端分别盖合有端盖。

所述压电陶瓷片为单层结构，或者是多层叠片式结构。

所述轴承单元整体采用不锈钢材料制成，其中轴承套圈内圈作表面耐磨处理或喷涂耐磨材料。

所述压电陶瓷片两端分别采用环氧树脂胶或AB胶与轴承座、轴承套圈粘结连接。

所述轴承座采用环氧树脂胶或者AB胶粘结在环形座中，或者采用螺合方式螺入环形座中。

所述端盖通过环氧树脂胶或AB胶粘结在环形座一端，或者采用螺合方式螺合在环形座一端，或者采用卡环方式卡接于环形座一端。

本发明中，压电陶瓷片在电压驱动下伸缩变形，驱动轴承套圈实现夹紧、松开、旋转等微小运动，通过控制压电陶瓷片的夹紧、松开和旋转时序，实现旋转轴步进运动。

本发明中，轴承座、轴承支架、轴承套圈构成轴承单元，采用整体加工成型；轴承单元和压电陶瓷片构成轴承驱动模块，压电陶瓷片与轴承座、轴承套圈连接并对称分布于轴承单元内部；轴承驱动模块通过轴承座与环形座连接；轴承套圈和旋转轴在未施加电压情况下保持一定的预夹紧力；旋转轴转动安装于旋转套筒内，并用于安装后续操作部件；端盖用于保护基座中的轴承驱动模块。

本发明中，轴承驱动模块在电压驱动下，压电陶瓷片同时伸长实现轴承套圈夹紧旋转轴的运动；四个压电陶瓷片同时缩短实现轴承套圈松开旋转轴的运动；压电陶瓷片交错伸长和缩短实现轴承套圈旋转位移，带动旋转轴正向或反向微小旋转运动。

本发明的优点是：

本发明将尺蠖式压电步进马达技术应用于微型精密操作手关节驱动机构，箝位和旋转功能部件集成在一个轴承驱动模块内，结构简单，适宜于微型化，关节整体机构采用对称结构布局，采用双箝位双旋转控制方式，夹持力保持稳定，提高运行效率和稳定性，优化压电陶瓷片布局，降低驱动电路的复杂性同时方便控制。

附图说明

图1为本发明微型尺蠖式压电驱动旋转关节机构的轴测图。

图2为本发明微型尺蠖式压电驱动旋转关节机构的主剖视图。

图3为本发明微型尺蠖式压电驱动旋转关节机构中轴承驱动模块的主剖视图。

图4为本发明微型尺蠖式压电驱动旋转关节机构的第一种驱动方案的电极布局图。

图5为本发明微型尺蠖式压电驱动旋转关节机构的第一种驱动方案的极化方向图。

图6为本发明微型尺蠖式压电驱动旋转关节机构的第一种驱动方案的驱动方式示意图。

图7为本发明微型尺蠖式压电驱动旋转关节机构的第二种驱动方案的电极布局图。

图8为本发明微型尺蠖式压电驱动旋转关节机构的第二种驱动方案的极化方向图。

图9为本发明微型尺蠖式压电驱动旋转关节机构的第二种驱动方案的驱动方式示意图。

图10为本发明微型尺蠖式压电驱动旋转关节机构用于箝位和旋转控制的信号波形图。

具体实施方式

参见图1、2、3、4，一种微型尺蠖式压电驱动旋转关节机构，包括有U形基座5，及水平夹持在U形基座5上U形口中的旋转套筒7，旋转套筒7上中心轴位置转动安装有旋转轴6，U形基座5上U形两端分别连接有环形座10，且两环形座10分别共中心轴对应连接在旋转套筒7两端筒口处，每个环形座中分别安装有环形轴承座1，轴承座1中内环壁沿某一径向连接有轴承架2，轴承架2中间位置断开并连接有由两半圈构成的整环形轴承套圈3，轴承套圈3与轴承座1共圆心，轴承套圈3每个半圈所连接的轴承架2两侧分别对称设置有压电陶瓷片4，每个压电陶瓷片4分别平行于轴承架2，且压电陶瓷片4一端分别连接在轴承座1内壁、另一端分别连接在对应的轴承架2所连接的轴承套圈3半圈对应侧圈端，每个压电陶瓷片4朝向轴承架2的内侧面以及远离轴承架2的外侧面分别沉积有电极，由轴承座1、轴承架2、轴承套圈3构成轴承单元9，由轴承单元9、压电陶瓷片4构成轴承驱动模块，旋转套筒7中旋转轴6两端分别穿过环形座10内轴承单元9的轴承套圈3，且轴承套圈3对旋转轴6施加一定的预夹紧力。

每侧环形座10远离旋转套筒7的一端分别盖合有端盖8。

压电陶瓷片4为单层结构，或者是多层叠片式结构。

轴承单元9整体采用不锈钢材料制成，其中轴承套圈3内圈作表面耐磨处理或喷涂耐磨材料。

压电陶瓷片4两端分别采用环氧树脂胶或AB胶与轴承座1、轴承套圈3粘结连接。

轴承座1采用环氧树脂胶或者AB胶粘结在环形座10中，或者采用螺合方式螺入环形座10中。

端盖8通过环氧树脂胶或AB胶粘结在环形座10一端，或者采用螺合方式螺合在环形座20一端，或者采用卡环方式卡接于环形座10一端。

本发明根据微型操作手的结构特点，将尺蠖式压电步进马达技术应用于微型精密操作手，提出一种新型微型化压电驱动旋转关节机构。

本发明压中压电陶瓷片4在一定的电压驱动下能实现长度方向的伸缩变形，驱动轴承套圈3带动旋转轴6实现夹紧、松开、旋转等微小运动。单个轴承驱动模块同时具有箝位和旋转功能，两个轴承驱动模块11、12分别安装于两基座5的两侧，并以一定预夹紧力支承旋转轴6，通过控制两个轴承驱动模块11、12的夹紧、松开和旋转的时序，实现旋转轴6步进运动。调整箝位信号和旋转信号电压的幅值，则可以调整夹紧力和步进旋转角；调整控制信号的频率，则可以调整步进运动的频率。

轴承驱动模块包含两种控制方案，如图2所示，其一为两个轴承驱动模块11、12同时完成箝位和旋转的功能，交替带动旋转轴6旋转，则一个工作循环可实现两次步进运动，其二为其中一个轴承驱动模块负责箝位和旋转功能，另一个轴承驱动模块仅负责箝位功能，则一个工作循环仅实现一次步进运动。

对于第一种控制方案，其具体的实现方式是：

初始状态两个轴承驱动模块以一定预夹紧力支承旋转轴；工作循环开始，轴承驱动模块11夹紧旋转轴，轴承驱动模块12松开旋转轴同时产生微小旋转位移；轴承驱动模块11保持夹紧状态并带动旋转轴实现微小步进旋转，轴承驱动模块12保持松开状态并旋转返回初始位置；轴承驱动模块11松开旋转轴，轴承驱动模块12夹紧旋转轴；轴承驱动模块12保持夹紧状态并带动旋转轴实现微小步进旋转，轴承驱动模块11保持松开状态并旋转返回初始位置；进入下一个工作循环，轴承驱动模块11夹紧旋转轴，同时轴承驱动模块12松开旋转轴，依时序交替运行，一个工作循环实现两次步进旋转运动。

对于第二种控制方案，其具体的实现方式是：

初始状态两个轴承驱动模块以一定预夹紧力支承旋转轴；工作循环开始，轴承驱动模块11夹紧旋转轴，轴承驱动模块12松开旋转轴；轴承驱动模块11保持夹紧状态并带动旋转轴实现微小步进旋转，轴承驱动模块12保持松开状态；轴承驱动模块11松开旋转轴，轴承驱动模块12夹紧旋转轴；轴承驱动模块11保持松开状态并旋转返回初始位置，轴承驱动模块12保持夹紧状态；进入下一个工作循环，轴承驱动模块11夹紧旋转轴，同时轴承驱动模块12松开旋转轴，同样依时序交替运行，一个工作循环仅实现一次步进旋转运动。与第一种控制方案相比，失去一半的步进旋转速度，但避免了两个轴承驱动模块由于步进位移差异带来的问题。

本发明轴承驱动模块包含四个压电陶瓷片，如图3所示，四个压电陶瓷片4-1，4-2，4-3，4-4同时伸长实现轴承套圈夹紧旋转轴的运动，四个压电陶瓷片4-1，4-2，4-3，4-4同时缩短实现轴承套圈松开旋转轴的运动，压电陶瓷片4-1，4-3伸长、压电陶瓷片4-2，4-4缩短实现轴承套圈正向微小旋转运动，压电陶瓷片4-1，4-3缩短、压电陶瓷片4-2，4-4伸长实现轴承套圈反向微小旋转运动。由于轴承驱动模块同时具有箝位和旋转功能，采用不同的压电陶瓷片的电极分割方式、极化方式以及电压驱动方式，存在两种基本的驱动方案，其一为箝位和旋转功能由整个压电陶瓷片完成，施加箝位和旋转控制的叠加信号，其二为箝位和旋转功能分别由压电陶瓷片两部分完成，分别施加箝位和旋转控制信号。

对于第一种驱动方案，其具体的实现方式是：

四个压电陶瓷片每片的电极为一个整体，如图4所示，压电陶瓷片两面整体镀有电极13，其极化方式如图5所示，采用统一的极化方式，其电压驱动方式如图6所示。驱动过程中，压电陶瓷片的内电极统一接地，由于极化方式一致，四个压电陶瓷片的箝位控制信号相同，而相邻压电陶瓷片的旋转控制信号相反，故需要两路驱动电路分别激励。A为箝位控制信号，B为旋转控制信号，压电陶瓷片4-1，4-3的驱动信号为A+B，则压电陶瓷片4-2，4-4的驱动信号为A-B。A+B、A-B信号的电压范围应在压电陶瓷片的许用范围内，A、B信号的幅值分配可根据夹紧力和步进旋转角的需求调整。

对于第二种驱动方案，其具体的实现方式是：

四个压电陶瓷片每片的电极分割为两个部分，如图7所示，每个部分分别镀有电极14,15，一部分电极14用于箝位控制，一部分电极15用于旋转控制，两部分的比例可根据夹紧力和步进旋转角的需求调整，其极化方式如图8所示，为了使四个陶瓷片的箝位控制共用一路信号，则极化方式一致，为了使四个陶瓷片的旋转控制共用一路信号，则相邻陶瓷片的极化方式相反，其电压驱动方式如图9所示。驱动过程中，压电陶瓷片的内电极统一接地，由于箝位部分极化方式一致，四个压电陶瓷片的箝位控制信号相同，由于旋转部分极化方式交错方向，四个压电陶瓷片的旋转控制信号也相同，故仅需要两路驱动电路分别控制箝位和旋转运动。A为箝位控制信号，B为旋转控制信号。A、B信号的电压范围应在压电陶瓷片的许用范围内，A、B信号的幅值可根据夹紧力和步进旋转角的需求调整。

下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明如下：

这里以第一种控制方案和第二种驱动方案为典型实例，说明本发明微型尺蠖式压电驱动旋转关节机构的具体制作过程和驱动方法。

轴承座、轴承支架和轴承套圈构成轴承单元，每个旋转关节机构需要两个轴承单元，如图3所示。轴承单元直径为10～25mm，厚度为1～5mm，轴承座为圆环结构，有凹口结构用于联结压电陶瓷片，圆环宽度为1～4mm，轴承支架为矩形截面梁结构，用于连接轴承座与轴承套圈，宽度为0.5～2mm，轴承套圈为圆环结构，两边有凸台结构用于联结压电陶瓷片，内径为0.5～5mm，与旋转轴直径匹配。轴承单元为整体加工成型结构，可采用线切割、精密铣床等方法加工得到，轴承套圈内圈可作表面耐磨处理或喷涂耐磨材料，轴承套圈采用线切割分割为两半圈，间隙为0.1～0.5mm。

压电陶瓷片为基本驱动输出元件，每个旋转关节结构需要八个压电陶瓷片，分别安装于两个轴承单元上，构成轴承驱动模块，如图3所示。压电陶瓷片长度为3～10mm，宽度为1～5mm，厚度为0.2～2mm，两面电极分割为两部分，电极14用于箝位控制，电极15用于旋转控制，可采用电镀工艺沉积在陶瓷片的表面，电极材料为银，如图7所示，陶瓷表面边缘预留绝缘空间用于安装陶瓷片。安装前，压电陶瓷片需进行极化处理，极化在80°C的硅油环境中进行，极化电场为厚度方向，大小为2000～2500V/mm，持续25分钟以上。分两类极化形式，一类两部分极化方向相同，一类两部分极化方向相反，标记电极极化时的正负极。极化后压电陶瓷片使用丙酮等清洗干净，对照图8极化布局形式，安装于轴承单元上，两端用环氧树脂胶或AB胶分别固定于轴承座的凹口里和轴承套圈的凸台上。四片压电陶瓷片的内电极统一连接引出线并接地，用于箝位的四个外电极统一连接引出线，用于旋转的四个外电极统一连接引出线。

U型基座具体尺寸可以根据需要灵活设计，采用铝合金或不锈钢等材料。两个轴承驱动模块分别安装于U型基座两侧，左侧为轴承驱动模块11, 右侧为轴承驱动模块12，如图2所示，使用环氧树脂胶或AB胶将轴承座与U型基座刚性联结。旋转轴采用不锈钢光轴材料，其长度与U型基座两端跨度匹配，直径与轴承套圈匹配，使得轴承套圈和旋转轴在未施加电压情况下保持一定的预夹紧力，具有自锁功能。旋转套筒用于保护轴承驱动模块，可设计安装其他后续操作部件，旋转套筒与旋转轴可采用环氧树脂胶、AB胶或焊接方式固结。两个端盖通过环氧树脂胶、AB胶或卡环结构安装在环形座上，用于保护轴承驱动模块

两个轴承驱动模块所加的控制信号如图10所示，初始状态两个轴承驱动模块以一定预夹紧力支承旋转轴，一个工作循环包含以下分解过程：

1）工作循环开始，左箝位施加反向电压，左侧四个压电陶瓷片由d31压电效应伸长，左侧轴承驱动模块11夹紧旋转轴；右箝位施加正向电压，右侧四个压电陶瓷片缩短，右侧轴承驱动模块12松开旋转轴；右旋转初始为正向电压，右侧轴承驱动模块存在微小旋转位移，但由于脱离旋转轴，对旋转轴影响可以忽略。

2）左箝位保持反向电压，左侧轴承驱动模块11保持夹紧状态；左旋转施加正向电压，左侧轴承驱动模块11在静摩擦力作用下带动旋转轴实现微小步进旋转；右箝位保持正向电压，右侧轴承驱动模块12保持松开状态；右旋转电压降为零，右侧轴承驱动模块12旋转返回初始位置。

3）左箝位施加正向电压，左侧轴承驱动模块11松开旋转轴；右箝位施加反向电压，右侧轴承驱动模块12夹紧旋转轴；两边旋转控制电压保持不变，两边轴承驱动模块和旋转轴位置不变。

4）左箝位保持正向电压，左侧轴承驱动模块11保持松开状态；左旋转电压降为零，左侧轴承驱动模块11旋转返回初始位置；右箝位保持反向电压，右侧轴承驱动模块12保持夹紧状态；右旋转施加正向电压，右侧轴承驱动模块12在静摩擦力作用下带动旋转轴实现微小步进旋转。

5）左箝位施加反向电压，左侧轴承驱动模块11夹紧旋转轴；右箝位施加正向电压，右侧轴承驱动模块12松开旋转轴；两边旋转控制电压保持不变，两边轴承驱动模块和旋转轴位置不变，开始下一个工作循环。

可见，两个轴承驱动模块同时完成箝位和旋转的功能，交替带动旋转轴旋转，一个工作循环可实现两次步进运动。当两边施加反向旋转电压，则可带动旋转轴反向步进运动。

Claims (7)

1.一种微型尺蠖式压电驱动旋转关节机构，包括有U形基座，及水平夹持在U形基座上U形口中的旋转套筒，其特征在于：所述旋转套筒的中心轴位置转动安装有旋转轴，所述U形基座上U形两端分别连接有环形座，且两环形座分别共中心轴对应连接在旋转套筒两端筒口处，所述每个环形座中分别安装有环形轴承座，轴承座中内环壁沿某一径向连接有轴承架，所述的轴承架中间位置断开并连接有由两半圈构成的整环形轴承套圈，所述轴承套圈与轴承座共圆心，轴承套圈每个半圈所连接的轴承架两侧分别对称设置有压电陶瓷片，每个压电陶瓷片分别平行于轴承架，且压电陶瓷片一端分别连接在轴承座内壁、另一端分别连接在对应的轴承架所连接的轴承套圈半圈对应侧圈端，所述每个压电陶瓷片朝向轴承架的内侧面以及远离轴承架的外侧面分别沉积有电极，由轴承座、轴承架、轴承套圈构成轴承单元，由轴承单元、压电陶瓷片构成轴承驱动模块，所述旋转套筒中旋转轴两端分别穿过环形座内轴承单元的轴承套圈，且轴承套圈对旋转轴施加一定的预夹紧力。

2.根据权利要求1所述的一种微型尺蠖式压电驱动旋转关节机构，其特征在于：所述每侧环形座远离旋转套筒的一端分别盖合有端盖。

3.根据权利要求1所述的一种微型尺蠖式压电驱动旋转关节机构，其特征在于：所述压电陶瓷片为单层结构或者是多层叠片式结构。

4.根据权利要求1所述的一种微型尺蠖式压电驱动旋转关节机构，其特征在于：所述轴承单元整体采用不锈钢材料制成，其中轴承套圈内圈作表面耐磨处理或喷涂耐磨材料。

5.根据权利要求1所述的一种微型尺蠖式压电驱动旋转关节机构，其特征在于：所述压电陶瓷片两端分别采用环氧树脂胶或AB胶与轴承座、轴承套圈粘结连接。

6.根据权利要求1所述的一种微型尺蠖式压电驱动旋转关节机构，其特征在于：所述轴承座采用环氧树脂胶或者AB胶粘结在环形座中，或者采用螺合方式螺入环形座中。

7.根据权利要求1所述的一种微型尺蠖式压电驱动旋转关节机构，其特征在于：所述的端盖通过环氧树脂胶或AB胶粘结在环形座一端，或者采用螺合方式螺合在环形座一端，或者采用卡环方式卡接于环形座一端。