CN104201934A - 一种微型冲击式压电驱动旋转关节及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型冲击式压电驱动旋转关节，其特征是采用U形基座，旋转套筒水平夹持在U形基座，在旋转套筒的中心轴位置转动安装有旋转轴，本发明由轴承单元和压电陶瓷片构成轴承驱动模块，由轴承套圈对旋转轴施加设定的预夹紧力。本发明通过控制两端轴承驱动模块的同步锯齿形旋转时序，在惯性冲击作用下实现旋转轴步进运动，可以有效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。

Description

一种微型冲击式压电驱动旋转关节及其控制方法

技术领域

本发明涉及驱动器领域，主要是一种微型冲击式压电驱动旋转关节。本发明属于精密机械中的微纳操作技术领域，是一种利用冲击式原理实现微型操作手关节步进旋转运动的压电马达机构，特别涉及到该压电驱动旋转关节机构及其控制方法。

背景技术

在精密定位驱动系统中，驱动器对整个系统的性能有着决定性的影响。传统的机械驱动结构尺寸较大，精度不高，难以达到微纳米级的定位精度，无法满足诸多前沿领域微纳米级的定位精度的需要。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。随着智能材料与结构迅速发展，驱动器设计趋于微型化、集成化，并且可以达到更高的精度，以压电陶瓷为核心的新型驱动器是一种典型的精密定位驱动系统。

压电驱动器具有换能效率高，体积小，重量轻，结构刚度大，优良的力(力矩)和输出保持能力，亚毫秒级以上的响应速度，动态范围宽等优点，因此被广泛应用于微定位领域。国内外压电精密驱动器按照运动方式一般分为直接驱动式、尺蠖式和冲击式。直接驱动式压电驱动器一般将压电元件与柔性铰链结合，通过柔性铰链放大或缩小压电元件的位移输出；尺蠖式压电驱动器利用仿生学的概念，一般采取两个箝位机构和一个伸缩机构，通过它们之间的相互配合实现可连续的微小步进运动；冲击式驱动器是利用压电陶瓷快速变形产生的惯性冲击来实现微位移的一种微型驱动机构，其结构简单，控制方便，分辨率能达到纳米级，受到广泛的关注。德国Kleindiek Nanotechnik公司的微操纵手的驱动单元是由压电陶瓷构成的微型冲击式马达，其最大的特点是能够进行微纳米级精密旋转运动，在保证纳米级分辨率的同时其专利的设计可以同时做到毫米级的运动范围，整个操纵手装置全部由微型压电马达驱动，从而能够将系统的体积做的非常小，可以很容易地放入电子显微镜等观测设备的腔室内。

国内冲击式马达的发展起步较晚，目前冲击式马达主要集中在直线结构，关于旋转型结构马达的较少，其微型化设计存在很大的难度，冲击式旋转结构驱动力弱、效率低等问题明显。发展微型化压电冲击式马达，用于微型精密操作手的基本驱动旋转关节，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有着重要的应用价值。

发明内容

本发明是为了克服上述现有冲击式压电旋转马达微型化程度低、驱动力不足、效率不高等技术问题，提供一种适宜于微型精密操作手的微型化冲击式压电驱动旋转关节及其控制方法，提高运行效率和稳定性，并降低驱动电路的复杂性以便于控制。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明微型冲击式压电驱动旋转关节的结构特点是：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，在所述旋转套筒的中心轴位置转动安装有旋转轴，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的两端筒口处，在各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，所述轴承架在中间位置断开并连接有呈整环的轴承套圈，所述轴承套圈与轴承座为共圆心，在所述轴承套圈的外圆周面上，位于与所述轴承架构成“十”字的位置上悬伸有横向支架，在所述轴承架的两侧对称设置有压电陶瓷片，所述压电陶瓷片平行于轴承架，各压电陶瓷片的一端连接在轴承座的内壁、另一端连接至对应位置的横向支架；所述各压电陶瓷片的朝向轴承架的内侧面以及远离轴承架的外侧面上分别沉积有电极；由所述轴承座、轴承架、横向支架以及轴承套圈构成轴承单元，由轴承单元和压电陶瓷片构成轴承驱动模块，所述旋转套筒中旋转轴的两端贯穿轴承套圈的中心，并且由所述两端轴承套圈内侧面对旋转轴施加有设定的轴向预夹紧力。

本发明微型冲击式压电驱动旋转关节的结构特点也在于：在所述环形座上有对称分布在所述轴承架的两侧的四个销钉，轴承座上对应开设有通孔，所述轴承座利用销钉可以调节轴向位置。

本发明微型冲击式压电驱动旋转关节的结构特点也在于：所述环形座在远离旋转套筒的一端设置端盖并形成中空腔，在所述中空腔中放置碟形弹簧，在所述端盖的中心开设为螺纹孔，配合设置在螺纹孔中的螺钉以前端面抵于设置在所述中空腔中的短阶梯轴，由所述短阶梯轴通过碟形弹簧向所述轴承单元施加轴向压力，通过所述轴承单元中的轴承套圈向旋转轴提供轴向预紧力，利用碟形弹簧的变形使轴承单元夹紧在旋转轴的两端。

本发明微型冲击式压电驱动旋转关节的结构特点也在于：所述压电陶瓷片为单层结构或者多层叠片式结构。

本发明微型冲击式压电驱动旋转关节的结构特点也在于：所述轴承单元整体采用不锈钢材料制成，在与所述旋转轴相接触的轴承套圈的内侧端面作表面耐磨处理或喷涂耐磨材料。

本发明微型冲击式压电驱动旋转关节的结构特点也在于：所述压电陶瓷片两端分别采用环氧树脂胶或AB胶与轴承座和横向支架粘结连接；在所述端盖与环形座之间采用环氧树脂胶或AB胶粘结连接，或采用螺纹连接，或者采用卡环连接。

本发明微型冲击式压电驱动旋转关节的控制方法的特点是按如下步骤进行：

步骤a、两端轴承驱动模块处于初始位置，工作循环开始，施加正向电压，两端轴承驱动模块中的第二压电陶瓷片和第四压电陶瓷片由于d₃₁压电效应缩短，第一压电陶瓷片和第三压电陶瓷片由于d₃₁压电效应伸长，由此产生正向旋转力矩，驱动电压沿锯齿的前沿爬升，轴承单元逆时针旋转，两端轴承驱动模块与旋转轴之间的作用力小于其间的最大静摩擦力，旋转轴随两端轴承驱动模块同步旋转，实现微小旋转运动；

步骤b、当驱动电压达到锯齿的后沿并从最大值下落时，两端轴承驱动模块中的第二压电陶瓷片和第四压电陶瓷片由于d₃₁压电效应而伸长，第一压电陶瓷片和第三压电陶瓷片由于d₃₁压电效应缩短，产生反向旋转力矩，两端轴承驱动模块顺时针旋转并且很快回到初始位置，两端驱动轴承模块与旋转轴之间的最大静摩擦力不足以提供使旋转轴跟随两端轴承驱动模块同步旋转的摩擦力矩，至使旋转轴与两端轴承驱动模块之间形成相对旋转位移，实现一次步进；

所述第一压电陶瓷片和第三压电陶瓷片处在对角位置上，第二压电陶瓷片和第四压电陶瓷片处在对角位置上，并且第一压电陶瓷片与第四压电陶瓷片处在同一竖起位置上，第二压电陶瓷片与第三压电陶瓷片处在同一竖起位置上。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

本发明将冲击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，其结构紧凑，驱动方式简单，适宜于微型化，关节整体机构采用对称结构布局，采用左右同步旋转的控制方式，左右两端夹持力保持稳定，且左右运动平稳，运行效率高，结构稳定，能够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为本发明轴测示意图；

图2为本发明主剖视示意图；

图3为本发明中轴承驱动模块主剖视示意图；

图4为本发明中驱动方案的电极布局示意图；

图5为本发明中驱动方案的极化方式示意图；

图6为本发明中驱动方案的驱动方式示意图。

图7为本发明中电压信号锯齿波波形图。

图中标号：1轴承座，2轴承架，2a横向支架，3轴承套圈，4压电陶瓷片，5为U形基座，6旋转轴，7旋转套筒，8端盖，9轴承单元，10环形座，11第一轴承驱动模块，12第二轴承驱动模块，13销钉，14碟形弹簧，15短阶梯轴，16螺钉，17电极；4-1第一压电陶瓷片，4-2第二压电陶瓷片，4-3第三压电陶瓷片，4-4第四压电陶瓷片；

具体实施方式

参见图1、图2、图3和图4，本实施例中微型冲击式压电驱动旋转关节包括有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的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的两端筒口处，在各环形座10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在中间位置断开并连接有呈整环的轴承套圈3，轴承套圈3与轴承座1为共圆心，在轴承套圈3的外圆周面上，位于与轴承架2构成“十”字的位置上悬伸有横向支架2a，在轴承架2的两侧对称设置有压电陶瓷片4，压电陶瓷片4平行于轴承架2，各压电陶瓷片4的一端连接在轴承座1的内壁、另一端连接至对应位置的横向支架2a；各压电陶瓷片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、横向支架2a以及轴承套圈3构成轴承单元9，由轴承单元9和压电陶瓷片4构成轴承驱动模块，旋转套筒7中旋转轴6两端贯穿轴承套圈3的中心，并且由两端轴承套圈3内侧面对旋转轴6施加设定的轴向预夹紧力。

具体实施中，相应的结构设置也包括：

在环形座10上有对称分布在轴承架2的两侧的四个销钉13，轴承座1上对应开设有通孔，轴承座1利用销钉13可以调节轴向位置。

环形座10在远离旋转套筒7的一端设置端盖8并形成中空腔，在中空腔中放置碟形弹簧14，在端盖8的中心开设为螺纹孔，配合设置在螺纹孔中的螺钉16以前端面抵于设置在中空腔中的短阶梯轴15，由短阶梯轴15通过碟形弹簧14向轴承单元9施加轴向压力，通过轴承单元9中的轴承套圈3向旋转轴6提供轴向预紧力，利用碟形弹簧14的变形使轴承单元9夹紧在旋转轴6的两端。

压电陶瓷片4可以是单层结构，也可以是多层叠片式结构；轴承单元9整体采用不锈钢材料制成，在与旋转轴6相接触的轴承套圈3的内侧端面作表面耐磨处理或喷涂耐磨材料。

压电陶瓷片4的两端分别采用环氧树脂胶或AB胶与轴承座1和横向支架2a粘结连接；端盖8与环形座10之间采用环氧树脂胶或AB胶粘结连接，或采用螺纹连接，或者采用卡环连接。

本实施例中，压电陶瓷片4在设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扭转带动旋转轴6作旋转运动。如图1和图2所示，第一轴承驱动模块11和第二轴承驱动模块12分别安装于U形基座5的两侧，旋紧螺钉16对短阶梯轴15施加压力，使碟形弹簧14发生变形，从而使第一轴承驱动模块11和第二轴承驱动模块12夹紧旋转轴6，通过控制第一轴承驱动模块11和第二轴承驱动模块12作锯齿形旋转振动，利用惯性冲击作用实现旋转轴6的步进运动。调整旋转信号电压的幅值，可以调整步进旋转角；调整控制信号的频率，进而调整步进运动的频率。

本实施例中压电驱动旋转关节控制方案如图2所示，第一轴承驱动模块11和第二轴承驱动模块12同步完成锯齿形旋转振动，一个工作循环可实现一次步进运动，两只轴承驱动模块周期性锯齿形来回旋转振动，旋转轴6则单方向连续步进旋转运动；改变两只轴承驱动模块的锯齿形振动的方向，旋转轴6则反方向步进运动。

如图3所示，本实施例中轴承驱动模块包含有四个压电陶瓷片，其中，第一压电陶瓷片4-1和第三压电陶瓷片4-3处在对角位置上，第二压电陶瓷片4-2和第四压电陶瓷片4-4处在对角位置上，并且第一压电陶瓷片4-1与第四压电陶瓷片4-4处在同一竖起位置上，第二压电陶瓷片4-2与第三压电陶瓷片4-3处在同一竖起位置上。控制方式如下：

第一压电陶瓷片4-1和第三压电陶瓷片4-3伸长，第二压电陶瓷片4-2和第四压电陶瓷片4-4缩短，实现轴承套圈正向微小旋转运动；第一压电陶瓷片4-1和第三压电陶瓷片4-3缩短，第二压电陶瓷片4-2和第四压电陶瓷片4-4伸长实现轴承套圈反向微小旋转运动。

如图4所示，四个压电陶瓷片在两面整体镀有电极17，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，由于第二压电陶瓷片4-2和第四压电陶瓷片4-4的极化方式与电压方向相一致，由于d₃₁压电效应，第二压电陶瓷片4-2和第四压电陶瓷片4-4是缩短的，而第一压电陶瓷片4-1和第三压电陶瓷片4-3的极化方式与电压方向相反，由于d₃₁压电效应，第一压电陶瓷片4-1和第三压电陶瓷片4-3是伸长的。图6中A信号为施加的电压控制信号。A信号的电压范围应在压电陶瓷片的许用范围内，A信号的幅值分配可根据对步进旋转角的需求调整。

具体实施中，以轴承座、轴承架、横向支架和轴承套圈构成轴承单元，每个旋转关节需要两个轴承单元，如图3所示。轴承单元的直径为10～25mm，厚度为1～5mm，轴承座为圆环结构，用于联结各压电陶瓷片，轴承座的圆环宽度为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，两边用于联结压电陶瓷片，内径为0.5～5mm，与旋转轴端面小直径匹配。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。

压电陶瓷片为基本驱动输出元件，每个旋转关节机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。压电陶瓷片的长度为3～10mm，宽度为1～5mm，厚度为0.2～2mm，电极可采用电镀工艺沉积在陶瓷片的表面，材料为银，如图4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℃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，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5极化布局形式，安装于轴承单元9上，两端用环氧树脂胶或AB胶分别固定于轴承座和对应的横向支架上。四片压电陶瓷片的内电极统一连接引出线并接地，四个外电极统一连接另一引出线。

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。两个轴承驱动模块通过环形座内侧的销钉分别安装于U型基座两侧，左侧为第一轴承驱动模块11，右侧为第二轴承驱动模块12，如图2所示，两侧端盖上设计开设有螺纹孔，通过螺钉的旋转配合使碟形弹簧发生形变，从而能调整轴承驱动模块的左右位置，使轴承套圈和旋转轴接触并施加一定的预紧力。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，两端采用阶梯结构，末端直径与轴承套圈内径匹配，阶梯旋转轴的阶梯面与轴承套圈内侧端面始终保持一定的预夹紧力，具有自锁功能。旋转套筒用于设计安装其他后续操作部件。

两个轴承驱动模块所加的控制信号如图7所示，初始状态通过调整螺钉使得两个轴承驱动模块以一定预紧力左右夹紧旋转轴，一个工作循环包含以下分解过程：

步骤a、两端轴承驱动模块处于初始位置，工作循环开始，施加正向电压，两端轴承驱动模块中的第二压电陶瓷片4-2和第四压电陶瓷片4-4由于d₃₁压电效应缩短，第一压电陶瓷片4-1和第三压电陶瓷片4-3由于d₃₁压电效应伸长，由此产生正向旋转力矩，驱动电压沿锯齿的前沿缓慢上升，轴承单元逆时针旋转，驱动电压上升速率要保证两端轴承驱动模块驱动旋转轴同步运动所需的驱动力小于其间的最大静摩擦力，旋转轴随两端轴承驱动模块同步旋转，实现微小旋转运动。

步骤b、当驱动电压达到锯齿的后沿并从最大值降低时，两端轴承驱动模块中的第二压电陶瓷片4-2和第四压电陶瓷片4-4由于d₃₁压电效应而伸长，第一压电陶瓷片4-1和第三压电陶瓷片4-3由于d₃₁压电效应缩短，产生反向旋转力矩，两端轴承驱动模块顺时针旋转并且很快回到初始位置，驱动电压下降速率要保证两端轴承驱动模块驱动旋转轴同步运动所需的驱动力大于其间的最大静摩擦力，两端驱动轴承模块与旋转轴之间的最大静摩擦力不足以提供使旋转轴跟随两端轴承驱动模块同步旋转的摩擦力矩，至使旋转轴与两端轴承驱动模块之间形成相对旋转位移，实现一次步进；

一个工作循环结束即实现一次步进运动。经过连续的工作循环的累积，旋转轴便能实现连续的单方向步进旋转运动。而当施加的电压是先快速上升而后慢速下降的电压，则可带动旋转轴实现反向步进运动。

Claims (7)

1.一种微型冲击式压电驱动旋转关节，其特征是：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)，在所述旋转套筒(7)的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)的两端筒口处，在各环形座(10)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)，所述轴承架(2)在中间位置断开并连接有呈整环的轴承套圈(3)，所述轴承套圈(3)与轴承座(1)为共圆心，在所述轴承套圈(3)的外圆周面上，位于与所述轴承架(2)构成“十”字的位置上悬伸有横向支架(2a)，在所述轴承架(2)的两侧对称设置有压电陶瓷片(4)，所述压电陶瓷片(4)平行于轴承架(2)，各压电陶瓷片(4)的一端连接在轴承座(1)的内壁、另一端连接至对应位置的横向支架(2a)；所述各压电陶瓷片(4)的朝向轴承架(2)的内侧面以及远离轴承架(2)的外侧面上分别沉积有电极；由所述轴承座(1)、轴承架(2)、横向支架(2a)以及轴承套圈(3)构成轴承单元(9)，由轴承单元(9)和压电陶瓷片(4)构成轴承驱动模块，所述旋转套筒(7)中旋转轴(6)的两端贯穿轴承套圈(3)的中心，并且由所述两端轴承套圈(3)内侧面对旋转轴(6)施加有设定的轴向预夹紧力。

2.根据权利要求1所述的微型冲击式压电驱动旋转关节，其特征是：在所述环形座(10)上有对称分布在所述轴承架(2)的两侧的四个销钉(13)，轴承座(1)上对应开设有通孔，所述轴承座(1)利用销钉(13)可以调节轴向位置。

3.根据权利要求1所述的微型冲击式压电驱动旋转关节，其特征是：所述环形座(10)在远离旋转套筒(7)的一端设置端盖(8)并形成中空腔，在所述中空腔中放置碟形弹簧(14)，在所述端盖(8)的中心开设为螺纹孔，配合设置在螺纹孔中的螺钉(16)以前端面抵于设置在所述中空腔中的短阶梯轴(15)，由所述短阶梯轴(15)通过碟形弹簧(14)向所述轴承单元(9)施加轴向压力，通过所述轴承单元(9)中的轴承套圈(3)向旋转轴(6)提供轴向预紧力，利用碟形弹簧(14)的变形使轴承单元(9)夹紧在旋转轴(6)的两端。

4.根据权利要求1所述的微型冲击式压电驱动旋转关节，其特征是：所述压电陶瓷片(4)为单层结构或者多层叠片式结构。

5.根据权利要求1所述的微型冲击式压电驱动旋转关节，其特征是：所述轴承单元(9)整体采用不锈钢材料制成，在与所述旋转轴(6)相接触的轴承套圈(3)的内侧端面作表面耐磨处理或喷涂耐磨材料。

6.根据权利要求1所述的微型冲击式压电驱动旋转关节，其特征是：所述压电陶瓷片(4)两端分别采用环氧树脂胶或AB胶与轴承座(1)和横向支架(2a)粘结连接；在所述端盖(8)与环形座(10)之间采用环氧树脂胶或AB胶粘结连接，或采用螺纹连接，或者采用卡环连接。

7.一种微型冲击式压电驱动旋转关节的控制方法，其特征是按如下步骤进行：

步骤a、两端轴承驱动模块处于初始位置，工作循环开始，施加正向电压，两端轴承驱动模块中的第二压电陶瓷片(4-2)和第四压电陶瓷片(4-4)由于d₃₁压电效应缩短，第一压电陶瓷片(4-1)和第三压电陶瓷片(4-3)由于d₃₁压电效应伸长，由此产生正向旋转力矩，驱动电压沿锯齿的前沿爬升，轴承单元逆时针旋转，两端轴承驱动模块与旋转轴之间的作用力小于其间的最大静摩擦力，旋转轴随两端轴承驱动模块同步旋转，实现微小旋转运动；

步骤b、当驱动电压达到锯齿的后沿并从最大值下落时，两端轴承驱动模块中的第二压电陶瓷片(4-2)和第四压电陶瓷片(4-4)由于d₃₁压电效应而伸长，第一压电陶瓷片(4-1)和第三压电陶瓷片(4-3)由于d₃₁压电效应缩短，产生反向旋转力矩，两端轴承驱动模块顺时针旋转并且很快回到初始位置，两端驱动轴承模块与旋转轴之间的最大静摩擦力不足以提供使旋转轴跟随两端轴承驱动模块同步旋转的摩擦力矩，至使旋转轴与两端轴承驱动模块之间形成相对旋转位移，实现一次步进；

所述第一压电陶瓷片(4-1)和第三压电陶瓷片(4-3)处在对角位置上，第二压电陶瓷片(4-2)和第四压电陶瓷片(4-4)处在对角位置上，并且第一压电陶瓷片(4-1)与第四压电陶瓷片(4-4)处在同一竖起位置上，第二压电陶瓷片(4-2)与第三压电陶瓷片(4-3)处在同一竖起位置上。