CN107040161B - 压电型多自由度混合驱动式驱动器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种压电型多自由度混合驱动式驱动器，属于精密驱动定位、精密加工领域。可实现精密旋转和步进式直线运动两个自由度的任意组合运动。主要由定子单元、转子单元和直线输出轴组成。其中定子单元中设有对心式压电钳位机构和直线驱动机构。通过锯齿波电源激励驱动压电晶片在缓慢弯曲后迅速反向振动，使得输出轴两端对称分布的压电振子沿着顺/逆时针振动，实现输出轴绕轴心的定向旋转；通过控制定子单元底部环形压电叠堆的伸缩量并匹配上、下层钳位机构动作的时间顺序，实现输出轴沿轴向的步进式直线运动。本发明可应用于精密驱动定位和加工领域，具有承载力大、工作行程长、控制效率高、工作稳定、输出精度高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种精密压电驱动器，特别涉及一种压电型多自由度混合驱动式驱动器，可应用于精密驱动定位、精密加工、航空航天等高尖端的科学技术领域。
背景技术
近年来，在精密加工、测量及控制领域，以压电元件为核心的高精度定位驱动器得到广泛应用。其中，以压电元件优良动态特性的惯性冲击和尺蠖机理运动的制动器，在精密驱动领域发展得尤为突出。传统的压电陶瓷类驱动器主要为单自由度的机械式结构，输出形式比较简单，而且输出位移较小，这严重限制了其自身在更多压电驱动技术领域的应用。此外，对于一些传统的压电双晶片型惯性冲击式驱动装置而言，往往因不能克服重力影响，而无法高效满足竖直方向微/纳米级别高输出精度和高承载能力的要求。因此，设计一种结构紧凑、输出力大、重复定位精度高，且能同时兼具直线运动和旋转运动输出的微小精密压电驱动器是相当重要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种压电型多自由度混合驱动式驱动器，解决了目前压电双晶片型惯性冲击式驱动器驱动力不足，在重力方向无法精密驱动而只能宏观运动，更换驱动机构进行精密运动会造成宏/微切换产生绝对位移偏差，且现有结构尺寸大、输出自由度单一，承载能力小等问题。本发明提出由叠层型和双晶片型压电致动元件，分别构成尺蠖式和惯性式运动机理的混合驱动结构，一体化结构设计中综合了两种驱动机理，发挥了尺蠖式驱动大负载能力的优点，可同时输出精密的直线运动和大量程的旋转驱动，并满足重力场方向的精密驱动要求。本发明采用上、下两层共四个压电叠堆分别作用在复合柔性铰链上、下基板对心式分布钳位机构上，保证了其钳位结构的对中性。钳位机构采用了一种特殊的复合平行四边形柔性铰链机构，每次都同时运动，提高了步进运动的准确性和可靠性。另外，上、下两层基板的四个压电叠堆与安装在两层基板之间的环形压电叠堆通过电源激励时序配合，交替伸缩，可实现输出轴在重力方向上的直线步进式运动。驱动器输出轴采用电源线无绕线设计，可实现任意角度的旋转驱动定位。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种压电型多自由度混合驱动式驱动器，包括定子单元、转子单元和输出轴1；其中所述定子单元包括嵌有压电叠堆钳位的复合柔性铰链14的上、下两层基板和直线驱动机构；所述的转子单元包括两个金属基板、四个压电双晶片、四个惯性质量块；所述的输出轴1为一无绕线轴，轴的输出端开有螺纹孔与复合柔性铰链14上、下层的中心轴孔过渡配合。
所述的定子单元，由复合柔性铰链14的上、下两层基板和环形压电叠堆12组成；所述的复合柔性铰链14的上层基板包括一组对心分布的压电叠堆钳位，分别通过嵌入A型压电叠堆Ⅰ10、A型压电叠堆Ⅲ13实现钳位驱动；所述的A型压电叠堆Ⅰ10、A型压电叠堆Ⅲ13分别通过预紧螺钉Ⅰ9、预紧螺钉Ⅳ17预紧安装在复合柔性铰链14的上层基板对心分布的压电叠堆钳位里；所述的复合柔性铰链14的下层基板包括一组对心分布的压电叠堆钳位，分别通过嵌入A型压电叠堆Ⅱ11、A型压电叠堆Ⅵ15实现钳位驱动；所述的A型压电叠堆Ⅱ11、A型压电叠堆Ⅵ15，分别通过预紧螺钉II26、预紧螺钉Ⅲ16预紧安装在复合柔性铰链14的下层基板对心分布的压电叠堆钳位里；所述的环形压电叠堆12，压紧安装在复合柔性铰链14的上层和下层基板之间；所述的复合柔性铰链14的上层和下层基板通过四组薄壁柔性铰链连接。
所述的转子单元，由金属基板Ⅰ4、金属基板Ⅱ21，压电晶片Ⅰ8、压电晶片Ⅱ22、压电晶片Ⅲ24、压电晶片Ⅳ25，惯性质量块Ⅰ5、惯性质量块Ⅱ6、惯性质量块Ⅲ18、惯性质量块Ⅳ20组成；所述的金属基板Ⅰ4、金属基板Ⅱ21通过锁紧螺钉Ⅰ3、锁紧螺钉Ⅳ23固连在连接轴套2上；所述的连接轴套2过盈配合在输出轴1顶部；所述的压电晶片Ⅰ8、压电晶片Ⅲ24，压电晶片Ⅱ22、压电晶片Ⅳ25分别粘接在金属基板Ⅰ4、金属基板Ⅱ21上；所述的惯性质量块Ⅰ5、惯性质量块Ⅱ6通过锁紧螺钉Ⅱ7固连在金属基板Ⅰ4上，所述的惯性质量块Ⅲ18、惯性质量块Ⅳ20通过锁紧螺钉Ⅲ19固连在金属基板Ⅱ21上。
所述的输出轴1为可变式接口转轴。
所述的转子单元为采用电源线无绕线设计，可实现任意角度的旋转驱动定位。
本发明的有益成果在于：结合叠层式和双晶片式压电驱动元件，可同时输出大行程旋转运动的和直线运动，提高驱动器运动精度和驱动力，且具有结构紧凑、钳位稳定、功能集成化、重复定位精度高等优点。本发明所涉及的一种压电型多自由度混合驱动式驱动器，总体尺寸为110×50×37mm，整体结构尺寸小，可适用于在重力方向有承载要求，且定位精度要求较高的驱动机构，可方便模块化嵌入所需的器械中，用于实现不同物件绕固定转轴的旋转运动和沿固定方向的直线步进式运动，也可以连接在二级放大机构上，以实现大行程精密驱动。本发明对我国微/纳加工、微/纳操作、精密定位等诸多高尖端技术领域的发展有着较为重要的参考意义。
附图说明
此处说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的整体结构俯视示意图；
图3为本发明的整体结构主视示意图；
图4为图3的A-A剖视示意图；
图5为本发明的整体结构左视示意图；
图6为本发明整体结构的爆炸示意图。
图中：1、输出轴；2、连接轴套；3、锁紧螺钉Ⅰ；4、金属基板Ⅰ；5、惯性质量块Ⅰ；6、惯性质量块II；7、锁紧螺钉II；8、压电晶片Ⅰ；9、预紧螺钉Ⅰ；10、A型压电叠堆Ⅰ；11、A型压电叠堆II；12、环形压电叠堆；13、A型压电叠堆Ⅲ；14、复合柔性铰链；15、A型压电叠堆Ⅳ；16、预紧螺钉Ⅲ；17、预紧螺钉Ⅳ；18、惯性质量块Ⅲ；19、锁紧螺钉Ⅲ；20、惯性质量块Ⅳ；21、金属基板II；22、压电晶片II；23、锁紧螺钉Ⅳ；24、压电晶片Ⅲ；25、压电晶片Ⅳ；26、预紧螺钉II。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1至图6，本发明的压电型多自由度混合驱动式驱动器，包括定子单元、转子单元和输出轴1；所述的定子单元，由复合柔性铰链14的上、下两层基板和环形压电叠堆12组成；所述的复合柔性铰链14的上层基板包括一组对心分布的压电叠堆钳位，分别通过嵌入A型压电叠堆Ⅰ10、A型压电叠堆Ⅲ13实现钳位驱动；所述的A型压电叠堆Ⅰ10、A型压电叠堆Ⅲ13分别通过预紧螺钉Ⅰ9、预紧螺钉Ⅳ17预紧安装在复合柔性铰链13的上层基板对心分布的压电叠堆钳位里；所述的复合柔性铰链14的下层基板包括一组对心分布的压电叠堆钳位，分别通过嵌入A型压电叠堆Ⅱ11、A型压电叠堆Ⅵ15实现钳位驱动；所述的A型压电叠堆Ⅱ11、A型压电叠堆Ⅵ15，分别通过预紧螺钉II26、预紧螺钉Ⅲ16预紧安装在复合柔性铰链13的下层基板对心分布的压电叠堆钳位里；所述的环形压电叠堆12，压紧安装在复合柔性铰链14的上层和下层基板之间；所述的复合柔性铰链14的上层和下层基板通过四组薄壁柔性铰链连接，复合柔性铰链14上层基板的A型压电叠堆Ⅰ10、A型压电叠堆Ⅲ13，和下层的A型压电叠堆Ⅱ11、A型压电叠堆Ⅵ15的通电时序逻辑交替变化，能实现输出轴1与复合柔性铰链14上层基板和下层基板交替钳固和松开，再配合环形压电叠堆12动作，能够实现输出轴1的持续步进式直线运动。
参见图1至图3，所述的转子单元，由金属基板Ⅰ4、金属基板Ⅱ21，压电晶片Ⅰ8、压电晶片Ⅱ22、压电晶片Ⅲ24、压电晶片Ⅳ25，惯性质量块Ⅰ5、惯性质量块Ⅱ6、惯性质量块Ⅲ18、惯性质量块Ⅳ20组成；所述的金属基板Ⅰ4、金属基板Ⅱ21通过锁紧螺钉Ⅰ3、锁紧螺钉Ⅳ23固连在连接轴套2上；所述的连接轴套2过盈配合在输出轴1顶部；所述的压电晶片Ⅰ8、压电晶片Ⅲ24，压电晶片Ⅱ22、压电晶片Ⅳ25分别粘接在金属基板Ⅰ4、金属基板Ⅱ21上；所述的惯性质量块Ⅰ5、惯性质量块Ⅱ6通过锁紧螺钉Ⅱ7固连在金属基板Ⅰ4上，所述的惯性质量块Ⅲ18、惯性质量块Ⅳ20通过锁紧螺钉Ⅲ19固连在金属基板Ⅱ21上。
参见图4，所述的输出轴1为一无绕线轴，轴的输出端开有螺纹孔，用于完成旋转、直线运动的输出，可将不同种类的外输出部件通过相应的连接方式连接在输出轴1上，用于部件的旋转和直线运动，轴1的上端与连接轴套2过盈配合在一起，下端与复合柔性铰链14上、下层基板的中心轴孔过渡配合。向压电晶片Ⅰ8、压电晶片Ⅱ22、压电晶片Ⅲ24、压电晶片Ⅳ25同时施加缓慢增加而后急速下降的锯齿波电压信号，输出轴1两端的压电晶片Ⅰ8、压电晶片Ⅲ24同压电晶片Ⅱ22、压电晶片Ⅳ25由于极化方向相反产生方向相反的变形，形成反向的惯性冲击力矩，进而带动输出轴1发生旋转。
参见图1、2、3、4、5、6，本发明的具体工作步骤如下：
输出轴1旋转运动的实现：系统初始状态，复合柔性铰链14上下两层的A型压电叠堆Ⅰ10、A型压电叠堆Ⅱ11、A型压电叠堆Ⅲ13、A型压电叠堆Ⅳ15、和环形压电叠堆12均不带电，输出轴1此时处于游动状态。系统工作状态，向图1中的所示的压电晶片Ⅰ8、压电晶片Ⅱ22、压电晶片Ⅲ24、压电晶片Ⅳ25上同时施加缓慢增加而后急速下降的锯齿波电压信号，输出轴1两端的压电晶片Ⅰ8、压电晶片Ⅲ24同压电晶片Ⅱ22、压电晶片Ⅳ25由于极化方向相反产生方向相反的变形，形成反向的惯性冲击力矩，进而带动输出轴1发生旋转。这样就完成了旋转运动的第一步，重复以上过程可以使得输出轴1实现持续式旋转运动，且其理论位移为无限大。
输出轴1步进式直线运动的实现：系统初始状态，复合柔性铰链14上下两层的A型压电叠堆Ⅰ10、A型压电叠堆Ⅱ11、A型压电叠堆Ⅲ13、A型压电叠堆Ⅳ15、和环形压电叠堆12均不带电，输出轴1此时处于游动状态。系统工作状态，给分别安装在复合柔性铰链14上层的A型压电叠堆Ⅰ10、A型压电叠堆Ⅲ13同时提供驱动电压，由于逆压电效应，A型压电叠堆Ⅰ10、A型压电叠堆Ⅲ13同时伸长，推动复合柔性铰链14上层基板的钳位单元柔性铰链变形进而钳住输出轴1，使得复合柔性铰链13的上层基板与输出轴1形成紧固。然后再给安装在复合柔性铰链14上、层基板之间的环形压电叠堆12提供驱动电压，环形压电叠堆12由于逆压电效应伸长，在复合柔性铰链14上、下层基板之间的四组柔性薄壁的变形作用下，带动输出轴1沿着轴线方向输出精密位移；再给安装在复合柔性铰链14下层基板的A型压电叠堆Ⅱ11、A型压电叠堆Ⅳ15同时提供驱动电压，A型压电叠堆Ⅱ11、A型压电叠堆Ⅳ15同时通电伸长，通过推动复合柔性铰链14下层基板的钳位单元柔性铰链变形进而钳住输出轴1，使得复合柔性铰链14的下层基板与输出轴1形成紧固。当A型压电叠堆Ⅰ10、A型压电叠堆Ⅱ11、A型压电叠堆Ⅲ13、A型压电叠堆Ⅳ15同时失电时，压电叠堆都恢复到原始长度，使得复合柔性铰链14的上层基板的钳位单元与输出轴1松开。然后让环形压电叠堆12失电，在四组柔性薄壁的恢复变形作用下，复合柔性铰链14的上层基板沿轴线向上的运动回到初始状态，又因为输出轴1和复合柔性铰链14的下层基板继续钳固，所以输出轴1相对于下层基板做沿轴向向上的直线运动。这样就完成了步进式直线运动的第一步，重复以上过程可以使得输出轴1实现持续步进式直线运动，且其理论位移为无限大。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明型可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种压电型多自由度混合驱动式驱动器，其特征在于：包括定子单元、转子单元和输出轴(1)；其中所述定子单元包括嵌有压电叠堆钳位的复合柔性铰链(14)的上、下两层基板和直线驱动机构；所述的转子单元包括两个金属基板、四个压电双晶片、四个惯性质量块；所述的输出轴(1)为一无绕线轴，轴的输出端开有螺纹孔与复合柔性铰链(14)上、下层的中心轴孔过渡配合；
所述的定子单元，由复合柔性铰链(14)的上、下两层基板和环形压电叠堆(12)组成；所述的复合柔性铰链(14)的上层基板包括一组对心分布的压电叠堆钳位，分别通过嵌入A型压电叠堆Ⅰ(10)、A型压电叠堆Ⅲ(13)实现钳位驱动；所述的A型压电叠堆Ⅰ(10)、A型压电叠堆Ⅲ(13)分别通过预紧螺钉Ⅰ(9)、预紧螺钉Ⅳ(17)预紧安装在复合柔性铰链(14)的上层基板对心分布的压电叠堆钳位里；所述的复合柔性铰链(14)的下层基板包括一组对心分布的压电叠堆钳位，分别通过嵌入A型压电叠堆Ⅱ(11)、A型压电叠堆Ⅵ(15)实现钳位驱动；所述的A型压电叠堆Ⅱ(11)、A型压电叠堆Ⅵ(15)，分别通过预紧螺钉II(26)、预紧螺钉Ⅲ(16)预紧安装在复合柔性铰链(14)的下层基板对心分布的压电叠堆钳位里；所述的环形压电叠堆(12)，压紧安装在复合柔性铰链(14)的上层和下层基板之间；所述的复合柔性铰链(14)的上层和下层基板通过四组薄壁柔性铰链连接；
所述的转子单元，由金属基板Ⅰ(4)、金属基板Ⅱ(21)，压电晶片Ⅰ(8)、压电晶片Ⅱ(22)、压电晶片Ⅲ(24)、压电晶片Ⅳ(25)，惯性质量块Ⅰ(5)、惯性质量块Ⅱ(6)、惯性质量块Ⅲ(18)、惯性质量块Ⅳ(20)组成；所述的金属基板Ⅰ(4)、金属基板Ⅱ(21)通过锁紧螺钉Ⅰ(3)、锁紧螺钉Ⅳ(23)固连在连接轴套(2)上；所述的连接轴套(2)过盈配合在输出轴(1)顶部；所述的压电晶片Ⅰ(8)、压电晶片Ⅲ(24)，压电晶片Ⅱ(22)、压电晶片Ⅳ(25)分别粘接在金属基板Ⅰ(4)、金属基板Ⅱ(21)上；所述的惯性质量块Ⅰ(5)、惯性质量块II(6)通过锁紧螺钉Ⅱ(7)固连在金属基板Ⅰ(4)上，所述的惯性质量块Ⅲ(18)、惯性质量块Ⅳ(20)通过锁紧螺钉Ⅲ(19)固连在金属基板Ⅱ(21)上。
2.根据权利要求1所述的一种压电型多自由度混合驱动式驱动器,其特征在于：所述的输出轴(1)为可变式接口转轴。
3.根据权利要求1所述的一种压电型多自由度混合驱动式驱动器,其特征在于：所述的转子单元采用电源线无绕线设计，可实现任意角度的旋转驱动定位。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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