CN106887971B - 钳位驱动一体化的压电驱动高精度旋转作动装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种钳位驱动一体化的压电驱动高精度旋转作动装置及方法，该作动器包括作动器底座，安装于底座上，可以承受轴向方向载荷的推力球轴承，在底座上方的下层驱动结构，与下层驱动结构3连接为一体的上层驱动结构，安装完成后能够被下层驱动结构以及上层驱动结构钳位约束的输出轴，安装在输出轴上方的推力球轴承，安装在推力球轴承上方的顶盖；本发明还公开了该作动器的作动方法，按照一定次序驱动压电陶瓷，能够实现双向大角度旋转驱动；本发明作动器的上层、下层驱动结构具有完全相同的几何尺寸，因此通过慢走丝一次加工成型，加工装配流程简单，可实施性强；且本发明作动器采用压电陶瓷作为驱动元件，具有输出行程大，输出分辨率高，断电自锁的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种通过压电驱动的步进式旋转作动装置，具体为一种便于加工实施，钳位驱动一体化的压电驱动高精度旋转作动装置及其实现方法。
背景技术
近年来压电驱动装置不断发展，支持了国防、航天，机械制造等重要工业的发展建设，也衍生出了品种繁多的压电作动装置，然而受制于压电材料作动行程小的缺点，一方面压电陶瓷作动器难以实现大行程特别是大转角位移的输出，另一方面也给加工装配提出了更高的要求。因此迫切需要一种结构简单，便于加工实施，驱动行程大，分辨率高的步进式旋转作动装置。
发明内容
为了满足上述需求，本发明的目的在于提供一种钳位驱动一体化的压电驱动高精度旋转作动装置及方法，使用六个压电陶瓷相互配合实现大角度的旋转运动，并且断电锁止功能，具有结构简单，便于加工实施，能够输出大扭矩、大转角的特点。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种钳位驱动一体化的压电驱动高精度旋转作动装置，包括作动器底座1，安装于底座1上，能够承受轴向方向载荷的下部推力球轴承2，在底座1上方的下层驱动结构3，与下层驱动结构3一体化设置的上层驱动结构4，安装在下部推力球轴承2上能够被下层驱动结构3以及上层驱动结构4钳位约束的输出轴5，安装在输出轴5上方的上部推力球轴承6，安装在推力球轴承上方的顶盖7，输出轴5顶部伸出顶盖7。
所述下层驱动结构3以及上层驱动结构4能够驱动输出轴5圆周转动，下层驱动结构3与上层驱动结构4具有完全相同的几何尺寸；下层驱动结构3包括下层外侧固定框架31，与下层外侧固定框架31使用柔性铰连接的下层内侧旋转框架32，与下层内侧旋转框架32通过柔性铰连接的下层钳位框架33，安装在下层钳位框架33中并位于输出轴5两侧的的下层第一钳位压电陶瓷34和下层第二钳位压电陶瓷35；上层驱动结构4包括上层外侧固定框架41，与上层外侧固定框架41使用柔性铰连接的上层内侧旋转框架42，与上层内侧旋转框架42通过柔性铰连接的上层钳位框架43，安装在上层钳位框架43中并位于输出轴5两侧的的上层第一钳位压电陶瓷44和上层第二钳位压电陶瓷45，安装在上层外侧固定框架41与上层内侧旋转框架42之间并位于上层内侧旋转框架42与上层外侧固定框架41连接端异侧的上层第一驱动压电陶瓷46与上层第二驱动压电陶瓷47；输出轴5位于下层钳位框架33和上层钳位框架43中心的圆孔中，当未加电时，下层钳位框架33和上层钳位框架43能够钳位约束输出轴5。
所述下层驱动结构3与上层驱动结构4采用慢走丝工艺一次加工成型，极大的简化了作动器的加工、装配工艺流程，降低了加工装配难度，提升了作动器的可实施性。
所述的钳位驱动一体化的压电驱动高精度旋转作动装置的作动方法，能够实现双向大角度旋转运动，顺时针作动步骤如下：第一步，下层驱动结构3的下层第一钳位压电陶瓷34和下层第二钳位压电陶瓷35通电伸长，推动下层钳位框架33扩张，下层钳位框架33与输出轴5之前脱离钳位接触；第二步，上层第一驱动压电陶瓷46和上层第二驱动压电陶瓷47通电伸长，推动上层内侧旋转框架42沿顺时针方向转动，同时由于上层内侧旋转框架42所连接的上层钳位框架43与输出轴5处于接触钳位状态，上层内侧旋转框架42的转动也推动了输出轴5顺时针转过一微小角度；第三步，下层驱动结构3的下层第一钳位压电陶瓷34和下层第二钳位压电陶瓷35断电缩短，下层钳位框架33的扩张弹性恢复，下层钳位框架33与输出轴5之钳位接触；第四步，上层驱动结构4的上层第一钳位压电陶瓷44和上层第二钳位压电陶瓷45通电伸长，推动上层钳位框架43扩张，上层钳位框架43与输出轴5之脱离钳位接触；第五步，驱动上层第一驱动压电陶瓷46和上层第二驱动压电陶瓷47断电缩短，上层内侧旋转框架42在柔性铰约束下的转动变形弹性恢复，沿逆时针方向转动；第六步，上层驱动结构4的上层第一钳位压电陶瓷44和上层第二钳位压电陶瓷45断电缩短，上层钳位框架43的扩张弹性恢复，上层钳位框架43与输出轴5之钳位接触；至此作动器装置恢复到作动前的初始状态，并且与初始状态相比，输出轴5在下层驱动结构3以及上层驱动结构4的推动下向顺时针方向发生微小角度的转动，循环上述过程即实现输出轴5顺时针大角度旋转作动；
逆时针作动步骤如下：第一步，上层驱动结构4的上层第一钳位压电陶瓷44和上层第二钳位压电陶瓷45通电伸长，推动上层钳位框架43扩张，上层钳位框架43与输出轴5之前脱离钳位接触；第二步，驱动上层第一驱动压电陶瓷46和上层第二驱动压电陶瓷47通电伸长，推动上层内侧旋转框架42沿顺时针方向转动一微小角度；第三步，上层驱动结构4的上层第一钳位压电陶瓷44和上层第二钳位压电陶瓷45断电缩短，上层钳位框架43的扩张弹性恢复，上层钳位框架43与输出轴5之钳位接触；第四步，下层驱动结构3的下层第一钳位压电陶瓷34和下层第二钳位压电陶瓷35通电伸长，下层推动钳位框架33扩张，下层钳位框架33与输出轴5之脱离钳位接触；第五步，驱动上层第一驱动压电陶瓷46和上层第二驱动压电陶瓷47断电缩短，上层内侧旋转框架42在柔性铰约束下的转动变形弹性恢复，沿逆时针方向转动，同时由于上层内侧旋转框架42所连接的上层钳位框架43与输出轴5处于接触钳位状态，上层内侧旋转框架42的转动也推动了输出轴5逆时针转过一微小角度；第六步，下层驱动结构3的下层第一钳位压电陶瓷34和下层第二钳位压电陶瓷35断电缩短，下层钳位框架33的扩张弹性恢复，下层钳位框架33与输出轴5之钳位接触；至此作动器装置恢复到作动前的初始状态，并且与初始状态相比，输出轴5在下层驱动结构3以及上层驱动结构4的推动下向逆时针方向发生微小角度的转动，循环上述过程即实现输出轴5逆时针大角度旋转作动。
与现有技术相比，本发明具有下述优势：
1、与传统的单纯的电机驱动装置相比，本发明通过压电陶瓷推动驱动，能够实现高精度大扭矩输出。
2、本发明作动器的驱动结构主体具有断电自锁的特点，断电时，驱动结构的钳位环处于闭合状态，输出轴处于钳位状态无法运动，作动器待机功耗低，节能环保。
2、本发明的作动器驱动结构主体可以采用慢走丝工艺加工成型，安装压电陶瓷，调节预紧力即可使用，与其他形式的压电旋转作动器相比加工安装工艺简单，容易保证作动器加工精度，作动装置易于实现。
3、本压电作动装置输出旋转作动过程中，压电陶瓷所处的上下层驱动结构未发生旋转运动，压电陶瓷的驱动线路不会受到旋转运动的影响，容易实现360°以上的大范围转角输出。
4、本发明所设计的旋转作动器装置输出的轴向运动被推力球轴承限制，因此在输出高精度旋转驱动的同时，可以承载较大的轴向载荷。
附图说明
图1为作动器爆炸示意图。
图2为作动器装配示意图。
图3为作动器驱动结构局部示意图。
图4为作动器顺时针作动原理图。
图5为作动器逆时针作动原理图。
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，本发明一种钳位驱动一体化的压电驱动高精度旋转作动装置，包括作动器底座1，安装于底座1上，可以承受轴向方向载荷的下部推力球轴承2，在底座1上方的下层驱动结构3，与下层驱动结构3一体化设置的的上层驱动结构4，安装在下部推力球轴承2上能够被下层驱动结构3以及上层驱动结构4钳位控制的输出轴5，安装在输出轴5上方的上部推力球轴承6，安装在推力球轴承上方的顶盖7，输出轴5顶部伸出顶盖7。
如图4所示，所述下层驱动结构3以及上层驱动结构4能够驱动输出轴5圆周转动，下层驱动结构3与上层驱动结构4具有完全相同的几何尺寸；下层驱动结构3包括下层外侧固定框架31，与下层外侧固定框架31使用柔性铰连接的下层内侧旋转框架32，与下层内侧旋转框架32通过柔性铰连接的下层钳位框架33，安装在下层钳位框架33中并位于输出轴5两侧的的下层第一钳位压电陶瓷34和下层第二钳位压电陶瓷35；上层驱动结构4包括上层外侧固定框架41，与上层外侧固定框架41使用柔性铰连接的上层内侧旋转框架42，与上层内侧旋转框架42通过柔性铰连接的上层钳位框架43，安装在上层钳位框架43中并位于输出轴5两侧的的上层第一钳位压电陶瓷44和上层第二钳位压电陶瓷45，安装在上层外侧固定框架41与上层内侧旋转框架42之间并位于上层内侧旋转框架42与上层外侧固定框架41连接端异侧的上层第一驱动压电陶瓷46与上层第二驱动压电陶瓷47；输出轴5位于下层钳位框架33和上层钳位框架43中心的圆孔中，当未加电时，下层钳位框架33和上层钳位框架43能够钳位约束输出轴5。
上述结构的俯视图中下层驱动结构3与上层驱动结构4具有完全相同的几何尺寸，因此该作动器装置的主要驱动结构可以采用慢走丝工艺一次加工成型，安装、预紧压电陶瓷后即可使用，极大的简化了作动器的组装流程，与其他形式的旋转作动器相比，生产装配过程简单，便于操作，同时减小了生产安装误差，提升了作动器装置的稳定性。
如图3和图4所示，上述钳位驱动一体化的压电驱动高精度旋转作动装置能实现双向旋转运动输出，结构作动前处于初始状态，所有钳位压电陶瓷以及驱动压电陶瓷都处于断电缩短状态；当旋转作动器驱动输出轴顺时针旋转(俯视图)时采用如下步骤：第一步，下层驱动结构3的下层第一钳位压电陶瓷34和下层第二钳位压电陶瓷35通电伸长，推动下层钳位框架33扩张，下层钳位框架33与输出轴5之前脱离钳位接触；第二步，上层第一驱动压电陶瓷46和上层第二驱动压电陶瓷47通电伸长，推动上层内侧旋转框架42沿顺时针方向转动，同时由于上层内侧旋转框架42所连接的上层钳位框架43与输出轴5处于接触钳位状态，上层内侧旋转框架42的转动也推动了输出轴5顺时针转过一微小角度；第三步，下层驱动结构3的下层第一钳位压电陶瓷34和下层第二钳位压电陶瓷35断电缩短，下层钳位框架33的扩张弹性恢复，下层钳位框架33与输出轴5之钳位接触；第四步，上层驱动结构4的上层第一钳位压电陶瓷44和上层第二钳位压电陶瓷45通电伸长，推动上层钳位框架43扩张，上层钳位框架43与输出轴5之脱离钳位接触；第五步，驱动上层第一驱动压电陶瓷46和上层第二驱动压电陶瓷47断电缩短，上层内侧旋转框架42在柔性铰约束下的转动变形弹性恢复，沿逆时针方向转动；第六步，上层驱动结构4的上层第一钳位压电陶瓷44和上层第二钳位压电陶瓷45断电缩短，上层钳位框架43的扩张弹性恢复，上层钳位框架43与输出轴5之钳位接触；至此作动器装置恢复到作动前的初始状态，并且与初始状态相比，输出轴5在下层驱动结构3以及上层驱动结构4的推动下向顺时针方向发生微小角度的转动，循环上述过程即实现输出轴5顺时针大角度旋转作动。
如图3和图5所示，当旋转作动器驱动输出轴逆时针旋转(俯视图)时采用如下步骤：第一步，上层驱动结构4的上层第一钳位压电陶瓷44和上层第二钳位压电陶瓷45通电伸长，推动上层钳位框架43扩张，上层钳位框架43与输出轴5之前脱离钳位接触；第二步，驱动上层第一驱动压电陶瓷46和上层第二驱动压电陶瓷47通电伸长，推动上层内侧旋转框架42沿顺时针方向转动一微小角度；第三步，上层驱动结构4的上层第一钳位压电陶瓷44和上层第二钳位压电陶瓷45断电缩短，上层钳位框架43的扩张弹性恢复，上层钳位框架43与输出轴5之钳位接触；第四步，下层驱动结构3的下层第一钳位压电陶瓷34和下层第二钳位压电陶瓷35通电伸长，下层推动钳位框架33扩张，下层钳位框架33与输出轴5之脱离钳位接触；第五步，驱动上层第一驱动压电陶瓷46和上层第二驱动压电陶瓷47断电缩短，上层内侧旋转框架42在柔性铰约束下的转动变形弹性恢复，沿逆时针方向转动，同时由于上层内侧旋转框架42所连接的上层钳位框架43与输出轴5处于接触钳位状态，上层内侧旋转框架42的转动也推动了输出轴5逆时针转过一微小角度；第六步，下层驱动结构3的下层第一钳位压电陶瓷34和下层第二钳位压电陶瓷35断电缩短，下层钳位框架33的扩张弹性恢复，下层钳位框架33与输出轴5之钳位接触；至此作动器装置恢复到作动前的初始状态，并且与初始状态相比，输出轴5在下层驱动结构3以及上层驱动结构4的推动下向逆时针方向发生微小角度的转动，循环上述过程即实现输出轴5逆时针大角度旋转作动。
Claims (3)
1.一种钳位驱动一体化的压电驱动高精度旋转作动装置，其特征在于：包括作动器底座(1)，安装于底座(1)上，能够承受轴向方向载荷的下部推力球轴承(2)，在底座(1)上方的下层驱动结构(3)，与下层驱动结构(3)一体化设置的上层驱动结构(4)，安装在下部推力球轴承(2)上能够被下层驱动结构(3)以及上层驱动结构(4)钳位约束的输出轴(5)，安装在输出轴(5)上方的上部推力球轴承(6)，安装在推力球轴承上方的顶盖(7)，输出轴(5)顶部伸出顶盖(7)；
所述下层驱动结构(3)以及上层驱动结构(4)能够驱动输出轴(5)圆周转动，下层驱动结构(3)与上层驱动结构(4)具有完全相同的几何尺寸；下层驱动结构(3)包括下层外侧固定框架(31)，与下层外侧固定框架(31)使用柔性铰连接的下层内侧旋转框架(32)，与下层内侧旋转框架(32)通过柔性铰连接的下层钳位框架(33)，安装在下层钳位框架(33)中并位于输出轴(5)两侧的的下层第一钳位压电陶瓷(34)和下层第二钳位压电陶瓷(35)；上层驱动结构(4)包括上层外侧固定框架(41)，与上层外侧固定框架(41)使用柔性铰连接的上层内侧旋转框架(42)，与上层内侧旋转框架(42)通过柔性铰连接的上层钳位框架(43)，安装在上层钳位框架(43)中并位于输出轴(5)两侧的的上层第一钳位压电陶瓷(44)和上层第二钳位压电陶瓷(45)，安装在上层外侧固定框架(41)与上层内侧旋转框架(42)之间并位于上层内侧旋转框架(42)与上层外侧固定框架(41)连接端异侧的上层第一驱动压电陶瓷(46)与上层第二驱动压电陶瓷(47)；输出轴(5)位于下层钳位框架(33)和上层钳位框架(43)中心的圆孔中，当未加电时，下层钳位框架(33)和上层钳位框架(43)能够钳位约束输出轴(5)。
2.根据权利要求1所述的一种钳位驱动一体化的压电驱动高精度旋转作动装置，其特征在于：所述下层驱动结构(3)与上层驱动结构(4)采用慢走丝工艺一次加工成型。
3.权利要求1所述的钳位驱动一体化的压电驱动高精度旋转作动装置的作动方法，其特征在于：能够实现双向大角度旋转运动，顺时针作动步骤如下：第一步，下层驱动结构(3)的下层第一钳位压电陶瓷(34)和下层第二钳位压电陶瓷(35)通电伸长，推动下层钳位框架(33)扩张，下层钳位框架(33)与输出轴(5)之前脱离钳位接触；第二步，上层第一驱动压电陶瓷(46)和上层第二驱动压电陶瓷(47)通电伸长，推动上层内侧旋转框架(42)沿顺时针方向转动，同时由于上层内侧旋转框架(42)所连接的上层钳位框架(43)与输出轴(5)处于接触钳位状态，上层内侧旋转框架(42)的转动也推动了输出轴(5)顺时针转过一微小角度；第三步，下层驱动结构(3)的下层第一钳位压电陶瓷(34)和下层第二钳位压电陶瓷(35)断电缩短，下层钳位框架(33)的扩张弹性恢复，下层钳位框架(33)与输出轴(5)之钳位接触；第四步，上层驱动结构(4)的上层第一钳位压电陶瓷(44)和上层第二钳位压电陶瓷(45)通电伸长，推动上层钳位框架(43)扩张，上层钳位框架(43)与输出轴(5)之脱离钳位接触；第五步，驱动上层第一驱动压电陶瓷(46)和上层第二驱动压电陶瓷(47)断电缩短，上层内侧旋转框架(42)在柔性铰约束下的转动变形弹性恢复，沿逆时针方向转动；第六步，上层驱动结构(4)的上层第一钳位压电陶瓷(44)和上层第二钳位压电陶瓷(45)断电缩短，上层钳位框架(43)的扩张弹性恢复，上层钳位框架(43)与输出轴(5)之钳位接触；至此作动器装置恢复到作动前的初始状态，并且与初始状态相比，输出轴(5)在下层驱动结构(3)以及上层驱动结构(4)的推动下向顺时针方向发生微小角度的转动，循环上述过程即实现输出轴(5)顺时针大角度旋转作动；
逆时针作动步骤如下：第一步，上层驱动结构(4)的上层第一钳位压电陶瓷(44)和上层第二钳位压电陶瓷(45)通电伸长，推动上层钳位框架(43)扩张，上层钳位框架(43)与输出轴(5)之前脱离钳位接触；第二步，驱动上层第一驱动压电陶瓷(46)和上层第二驱动压电陶瓷(47)通电伸长，推动上层内侧旋转框架(42)沿顺时针方向转动一微小角度；第三步，上层驱动结构(4)的上层第一钳位压电陶瓷(44)和上层第二钳位压电陶瓷(45)断电缩短，上层钳位框架(43)的扩张弹性恢复，上层钳位框架(43)与输出轴(5)之钳位接触；第四步，下层驱动结构(3)的下层第一钳位压电陶瓷(34)和下层第二钳位压电陶瓷(35)通电伸长，下层推动钳位框架(33)扩张，下层钳位框架(33)与输出轴(5)之脱离钳位接触；第五步，驱动上层第一驱动压电陶瓷(46)和上层第二驱动压电陶瓷(47)断电缩短，上层内侧旋转框架(42)在柔性铰约束下的转动变形弹性恢复，沿逆时针方向转动，同时由于上层内侧旋转框架(42)所连接的上层钳位框架(43)与输出轴(5)处于接触钳位状态，上层内侧旋转框架(42)的转动也推动了输出轴(5)逆时针转过一微小角度；第六步，下层驱动结构(3)的下层第一钳位压电陶瓷(34)和下层第二钳位压电陶瓷(35)断电缩短，下层钳位框架(33)的扩张弹性恢复，下层钳位框架(33)与输出轴(5)之钳位接触；至此作动器装置恢复到作动前的初始状态，并且与初始状态相比，输出轴(5)在下层驱动结构(3)以及上层驱动结构(4)的推动下向逆时针方向发生微小角度的转动，循环上述过程即实现输出轴(5)逆时针大角度旋转作动。
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