CN107086813B - 尺蠖型旋转压电驱动平台 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种尺蠖型旋转压电驱动平台，属于精密驱动领域。转子单元为一圆柱体，用于输出旋转位移；上层钳位单元由压电叠堆、带有三爪自定心结构柔性铰链的定子上层和预紧螺栓组成，压电叠堆伸长时可使定子上层夹紧转子；下层钳位单元与上层钳位单元结构一致，由压电叠堆、带有三爪自定心结构柔性铰链的定子下层和预紧螺栓组成，压电叠堆伸长时可使定子下层夹紧转子；驱动单元由压电叠堆、辅助驱动块组成，可实现转子的步进运动。定子上下层通过直板型柔性铰链相连接。具有结构简单，成本低，控制方便，工作稳定可靠、行程大等优点。
Description
技术领域
本发明涉及精密驱动领域，特别涉及一种尺蠖型旋转压电驱动平台。可应用于精密与超精密加工、微机电系统、生物医学工程、航空航天、大规模及超大规模集成电路制造等领域。
背景技术
对于微观领域的探索早已是现代科技的研究热点，而基于此类研究的装置也不断推陈出新，以满足行业不断提高的对精密定位、结构微小型化的要求。尤其在精密与超精密加工、微机电系统、微小机器人等领域，传统的驱动、传动装置如普通电机、齿轮传动等方式以不能满足精度要求。由于压电驱动具有体积小、精度高、响应快、能耗低、不受磁场影响等优点而在众多驱动方式中崭露头角，被越来越多的应用于精密与超精密加工、微机电系统、生物医学工程等领域。
目前，一般的尺蠖型压电驱动平台存在结构复杂、成本高、工作可靠性差等缺点，这大大限制了在精密驱动等领域的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种尺蠖型旋转压电驱动平台，解决了目前驱动平台结构复杂、制造成本高、工作可靠性差等问题。本发明采用了驱动单元、钳位单元和转子单元实现了转子绕其轴线进行步进式旋转运动的功能。本发明共采用三个压电叠堆实现了驱动单元、上下两层钳位单元的动力来源，大大简化了驱动平台的结构，并提高其工作可靠性。其中两个压电叠堆分别作用上下两层钳位单元，一个压电叠堆作用于驱动单元，三个压电叠堆通过信号控制互相配合，按相应时序交替运动，共同实现转子的步进式旋转运动。整体具在结构简单、工作稳定等特征。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
尺蠖型旋转压电驱动平台，包括转子单元、驱动单元、上层钳位单元和下层钳位单元，所述转子单元的转子10与上层钳位足7和下层钳位足6以过渡配合关系装配，所述驱动单元的辅助驱动块14与定子下层15的凹槽以过盈配合关系装配，所述上层钳位单元的定子上层1与所述下层钳位单元的定子下层15通过直板型柔性铰链16相连。
所述的转子单元为一圆柱体转子10，用于输出旋转位移，在上、下层钳位单元与驱动单元的配合工作下，实现步进式旋转运动。
所述的驱动单元包括压电叠堆C13和辅助驱动块14，所述辅助驱动块14与定子下层15的凹槽以过盈配合关系装配；所述压电叠堆C13以过渡配合关系装配于辅助驱动块14与定子上层1组成的槽中；对压电叠堆C13施加驱动电压后，压电叠堆C13伸长并在直板型柔性铰链16的配合工作下推动定子上层1产生相对于定子下层15的旋转位移。
所述的上层钳位单元包括压电叠堆B3、定子上层1、预紧螺栓B12、预紧螺栓D18、预紧螺栓F20，所述压电叠堆B3以过渡配合关系装配于上层桥式柔性铰链放大结构5内；上层钳位足7与转子10间的预紧程度通过预紧螺栓B12、预紧螺栓D18、预紧螺栓F20调节；上层钳位足7能够在夹持转子时实现自定心功能；所述压电叠堆B3通过对应信号控制，按照相应时序夹紧和松开转子，与驱动单元配合驱动转子进行步进式旋转运动。
所述的下层钳位单元与上层钳位单元结构相同，包括压电叠堆A2、定子下层15、预紧螺栓A11、预紧螺栓C17、预紧螺栓E19，所述压电叠堆A2以过渡配合关系装配于下层桥式柔性铰链放大结构4内；下层钳位足6与转子10间的预紧程度通过预紧螺栓A11、预紧螺栓C17、预紧螺栓E19调节；下层钳位足6能够在夹持转子时实现自定心功能；所述压电叠堆A2通过对应信号控制，按照相应时序夹紧和松开转子，与驱动单元配合驱动转子进行步进式旋转运动。
所述定子上层1中包含了由上层桥式柔性铰链放大结构5与其两侧的上层杠杆式柔性铰链放大结构9串联的结构，起到放大压电叠堆B3的位移输出及改变其方向的作用，上层桥式柔性铰链放大结构5的近中心端以及上层杠杆式柔性铰链放大结构9的近中心端为上层钳位足7，其沿圆周均匀分布以起到自定心作用；所述定子下层15与定子上层1结构相同，包含了由下层桥式柔性铰链放大结构4与其两侧的下层杠杆式柔性铰链放大结构8串联的结构，起到放大压电叠堆A2的位移输出及改变其方向的作用，下层桥式柔性铰链放大结构4的近中心端以及下层杠杆式柔性铰链放大结构8的近中心端为下层钳位足6，其沿圆周均匀分布以起到自定心作用。
本发明的有益效果在于：体积小、结构简单、成本低、工作可靠性高，能够提供连续、稳定的精密旋转位移。可用于精密与超精密加工、生物医学工程、微机电系统等领域。减小了结构尺寸、减少了所需的压电叠堆数量、降低了成本，同时提高驱动平台工作可靠性。具有控制简单、运动过程稳定可靠、结构紧凑等优点，在微/纳米精密驱动领域中具有广泛的应用前景。
附图说明
此处所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为本发明的轴向结构示意图；
图2为本发明的仰视结构示意图
图3为本发明的辅助驱动块结构示意图。
图中：1、定子上层；2、压电叠堆A；3、压电叠堆B；4、下层桥式柔性铰链放大结构；5、上层桥式柔性铰链放大结构；6、下层钳位足；7、上层钳位足；8、下层杠杆式柔性铰链放大结构；9、上层杠杆式柔性铰链放大结构；10、转子；11、预紧螺栓A；12、预紧螺栓B；13、压电叠堆C；14、辅助驱动块；15、定子下层；16、直板型柔性铰链；17、预紧螺栓C；18、预紧螺栓D；19、预紧螺栓E；20、预紧螺栓F。
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3所示，本发明的尺蠖型旋转压电驱动平台，转子单元为一圆柱体，用于输出旋转位移；上层钳位单元由压电叠堆、定子上层、上层桥式柔性铰链放大结构、上层杠杆式柔性铰链放大结构和预紧螺栓组成，压电叠堆伸长时可使定子上层夹紧转子；下层钳位单元与上层钳位单元结构一致，由压电叠堆、定子下层、下层桥式柔性铰链放大结构、下层杠杆式柔性铰链放大结构和预紧螺栓组成，压电叠堆伸长时可使定子下层夹紧转子；驱动单元由压电叠堆、辅助驱动块组成，可实现转子的步进旋转运动。定子上、下层通过直板型柔性铰链相连接。该驱动平台具有结构简单，成本低，控制方便，工作稳定可靠、行程大等优点。具体结构包括转子单元、驱动单元、上层钳位单元和下层钳位单元，所述转子单元的转子10与上层钳位足7和下层钳位足6以过渡配合关系装配，所述驱动单元的辅助驱动块14与定子下层15的凹槽以过盈配合关系装配，所述上层钳位单元的定子上层1与所述下层钳位单元的定子下层15通过直板型柔性铰链16相连，。
所述的转子单元为一圆柱体转子10，用于输出旋转位移，在上、下层钳位单元与驱动单元的配合工作下，实现步进式旋转运动。
所述的驱动单元包括压电叠堆C13和辅助驱动块14，所述辅助驱动块14与定子下层15的凹槽以过盈配合关系装配；所述压电叠堆C13以过渡配合关系装配于辅助驱动块14与定子上层1组成的槽中；对压电叠堆C13施加驱动电压后，压电叠堆C13伸长并在直板型柔性铰链16的配合工作下推动定子上层1产生相对于定子下层15的旋转位移。
所述的上层钳位单元包括压电叠堆B3、定子上层1、预紧螺栓B12、预紧螺栓D18、预紧螺栓F20，所述压电叠堆B3以过渡配合关系装配于上层桥式柔性铰链放大结构5内；上层钳位足7与转子10间的预紧程度通过预紧螺栓B12、预紧螺栓D18、预紧螺栓F20调节；上层钳位足7能够在夹持转子时实现自定心功能；所述压电叠堆B3通过对应信号控制，按照相应时序夹紧和松开转子，与驱动单元配合驱动转子进行步进式旋转运动。
所述的下层钳位单元与上层钳位单元结构相同，包括压电叠堆A2、定子下层15、预紧螺栓A11、预紧螺栓C17、预紧螺栓E19，所述压电叠堆A2以过渡配合关系装配于下层桥式柔性铰链放大结构4内；下层钳位足6与转子10间的预紧程度通过预紧螺栓A11、预紧螺栓C17、预紧螺栓E19调节；下层钳位足6能够在夹持转子时实现自定心功能；所述压电叠堆A2通过对应信号控制，按照相应时序夹紧和松开转子，与驱动单元配合驱动转子进行步进式旋转运动。
所述定子上层1中包含了由上层桥式柔性铰链放大结构5与其两侧的上层杠杆式柔性铰链放大结构9串联的结构，起到放大压电叠堆B3的位移输出及改变其方向的作用，上层桥式柔性铰链放大结构5的近中心端以及上层杠杆式柔性铰链放大结构9的近中心端为上层钳位足7，其沿圆周均匀分布以起到自定心作用；所述定子下层15与定子上层1结构相同，包含了由下层桥式柔性铰链放大结构4与其两侧的下层杠杆式柔性铰链放大结构8串联的结构，起到放大压电叠堆A2的位移输出及改变其方向的作用，下层桥式柔性铰链放大结构4的近中心端以及下层杠杆式柔性铰链放大结构8的近中心端为下层钳位足6，其沿圆周均匀分布以起到自定心作用。
参见图1至图3所示，本发明的具体工作过程如下：
转子步进式旋转运动的实现，初始状态时，上、下层钳位单元与驱动单元的压电叠堆A2、压电叠堆B3、压电叠堆C13均处于失电状态，整个驱动平台处于静止状态；首先对定子上层钳位单元的压电叠堆B3施加电压，压电叠堆B3伸长推动上层桥式柔性铰链放大结构5变形，上层桥式柔性铰链放大结构5推动与之串联的上层杠杆式柔性铰链放大结构9产生变形，与此同时，上层桥式柔性铰链放大结构5与上层杠杆式柔性铰链放大结构9共同带动上层钳位足7夹紧转子10，完成了定子上层钳位单元对转子10的夹紧过程；然后在保持压电叠堆B3电压的同时，对驱动单元的压电叠堆C13施加电压，压电叠堆C13伸长，推动定子上层钳位单元产生相对定子下层钳位单元的旋转位移，转子10也在上层钳位单元的上层钳位足7的摩擦力作用下产生旋转位移；之后对定子下层钳位单元的压电叠堆A2施加电压，其夹紧转子过程与定子上层钳位单元一致；再之后撤销施加在定子上层钳位单元的压电叠堆B3上的电压，使得定子上层钳位单元松开转子；最后撤销施加在驱动单元的压电叠堆C13上的电压，定子上层钳位单元在与定子下层钳位单元连接的直板型柔性铰链的弹性作用下回复至初始位置，至此完成一个运动周期。通过施加对应信号，不断重复上述过程，实现转子连续、稳定的步进式旋转位移。
尺蠖型旋转压电驱动平台的控制信号有着严格的时序要求，通过改变时序可以改变转子10的旋转方向。由于采用了压电叠堆驱动，该驱动平台还具有能量利用率高、输出载荷大等特点。
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 (2)
1.一种尺蠖型旋转压电驱动平台，其特征在于：包括转子单元、驱动单元、上层钳位单元和下层钳位单元，所述转子单元的转子（10）与上层钳位足（7）和下层钳位足（6）以过渡配合关系装配，定子上层（1）与定子下层（15）通过直板型柔性铰链（16）相连，驱动单元的辅助驱动块（14）与定子下层（15）的凹槽以过盈配合关系装配；
所述的驱动单元包括压电叠堆C（13）和辅助驱动块（14），所述辅助驱动块（14）与定子下层（15）的凹槽以过盈配合关系装配；所述压电叠堆C（13）以过渡配合关系装配于辅助驱动块（14）与定子上层（1）组成的槽中；对压电叠堆C（13）施加驱动电压后，压电叠堆C（13）伸长并在直板型柔性铰链（16）的配合工作下推动定子上层（1）产生相对于定子下层（15）的旋转位移；
所述的上层钳位单元包括压电叠堆B（3）、定子上层（1）、预紧螺栓B（12）、预紧螺栓D（18）、预紧螺栓F（20），所述压电叠堆B（3）以过渡配合关系装配于上层桥式柔性铰链放大结构（5）内；上层钳位足（7）与转子（10）间的预紧程度通过预紧螺栓B（12）、预紧螺栓D（18）、预紧螺栓F（20）调节；所述上层钳位足（7）能够在夹持转子时实现自定心功能；所述压电叠堆B（3）通过对应信号控制，按照相应时序夹紧和松开转子，与驱动单元配合驱动转子进行步进式旋转运动；
所述的下层钳位单元与上层钳位单元结构相同，包括压电叠堆A（2）、定子下层（15）、预紧螺栓A（11）、预紧螺栓C（17）、预紧螺栓E（19），所述压电叠堆A（2）以过渡配合关系装配于下层桥式柔性铰链放大结构（4）内；下层钳位足（6）与转子（10）间的预紧程度通过预紧螺栓A（11）、预紧螺栓C（17）、预紧螺栓E（19）调节；所述下层钳位足（6）能够在夹持转子时实现自定心功能；所述压电叠堆A（2）通过对应信号控制，按照相应时序夹紧和松开转子，与驱动单元配合驱动转子进行步进式旋转运动；
所述定子上层（1）中包含了由上层桥式柔性铰链放大结构（5）与其两侧的上层杠杆式柔性铰链放大结构（9）串联的结构，起到放大压电叠堆B（3）的位移输出及改变其方向的作用，上层桥式柔性铰链放大结构（5）的近中心端以及上层杠杆式柔性铰链放大结构（9）的近中心端为上层钳位足（7），其沿圆周均匀分布以起到自定心作用；所述定子下层（15）与定子上层（1）结构相同，包含了由下层桥式柔性铰链放大结构（4）与其两侧的下层杠杆式柔性铰链放大结构（8）串联的结构，起到放大压电叠堆A（2）的位移输出及改变其方向的作用，下层桥式柔性铰链放大结构（4）的近中心端以及下层杠杆式柔性铰链放大结构（8）的近中心端为下层钳位足（6），其沿圆周均匀分布以起到自定心作用。
2.根据权利要求1所述的尺蠖型旋转压电驱动平台，其特征在于：所述的转子单元为一圆柱体转子（10），用于输出旋转位移，在上、下层钳位单元与驱动单元的配合工作下，实现步进式旋转运动。
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