CN107863900A - 一种微型冲击式压电驱动的耦合装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型冲击式压电驱动的耦合装置，包括直线和旋转自由度由独立电压控制的压电直线旋转换能器，压电直线旋转换能器中设置有输出光轴，压电直线旋转换能器外设有基座，输出光轴上设有耦合器；耦合器包括卡环、轴瓦套圈、圆环轴套，轴瓦套圈与套筒接触摩擦传递扭矩；设有封装压紧筒，封装压紧筒与基座内侧面配合；耦合器设置在封装压紧筒内，圆环轴套为输出光轴轴向移动提供导向。本发明同时具备串联控制简单与并联结构紧凑的优点，其结构紧凑、效率高、易于微型化、响应速度快、定位精度高；直线和旋转运动分别通过两个摩擦界面驱动传递，不存在两种摩擦界面耦合现象，适应当今复杂曲线运动操控的需求，具有广泛的应用前景。

Description

一种微型冲击式压电驱动的耦合装置

技术领域

本发明涉及微型驱动器领域，尤其涉及一种微型冲击式压电驱动的耦合装置。

背景技术

常见的单自由度摩擦驱动的冲击式驱动马达利用锯齿波激励电压驱动压电定子产生不对称的周期性运动，在缓慢伸长与快速收缩的过程中依靠定动子摩擦界面之间的静、动摩擦作用力现分别产生粘、滑运动，通过定动子工作周期内的粘着去程和滑动回程产生的相对运动实现动子单方向的步进位移，在较高的激励频率下，定转子之间的粘-滑步进运动转变为滑-滑连续运动。其两种工作方式可兼顾小行程、高位移分辨率和大行程、高速度运动的控制需求。常见的多自由度的压电马达在单自由度机构的基础上通过串联形式或并联叠加可以构造多自由度定位平台或操作手。串联形式由多个相互独立的驱动单元顺序叠加而成，单元之间没有运动耦合关系，控制方便，但是其结构往往复杂不利于微型化，并联形式利用多个压电元件组成具有多个振动方式的复合定子，通过单一摩擦界面实现动子的多自由度运动，其结构紧凑，但是当多个自由度同时运动时，其各自由度之间由于摩擦力分配存在运动耦合现象，多自由度同时驱动不可视为各自由度单独驱动的简单叠加，避免这种多自由度同时运动的简单方法是采用分时驱动方式，但这种方式无疑将限制复杂曲线运动的效率、精度和灵活性，而采用闭环控制又将面临增加传感器带来的价格昂贵、安装困难、性能制约等问题。

申请人最早于2015年1月份提交的申请号为2015100210644，专利名称为《一种行走式压电旋转马达》，公开了一种行走式压电旋转马达，采用由一个压电扭转驱动器、两个压电箝位轴承构成的共轴结构，其中压电扭转驱动器由压电陶瓷圆管和设置在压电陶瓷圆管外表面的螺旋叉指电极构成，实现达到扭转位移大，驱动力矩高，提高马达的运行效率和稳定性。

申请人于2015年6月提交的申请号为2015103309219，专利名称为《一种压电冲击式直线旋转马达》，公开了一种压电冲击式直线旋转马达，解决了现有技术多自由度压电轴类惯性驱动机构微型化过程中存在的问题。

申请人于2017年4月提交的申请号为2017102322889，专利名称为《一种谐振冲击式压电旋转马达》，公开了一种由压电扭转圆管、金属圆管和金属套管构成具有对称结构的压电复合定子，解决了传统冲击式马达定子振幅小，运行速度难提升，两个振动模态固有频率难调整的问题。

在之后的研究中，申请人发现，前述申请的发明创造《一种压电冲击式直线旋转马达》中耦合器的结构存在不足，在多自由度同时运动时，存在摩擦力分配的问题，随着激励频率的增加，某自由度方向的摩擦突破临界点发生滑动后，会对其它自由度的运动产生不可控的影响，该直线旋转马达在分时驱动情况下性能正常，不能满足多自由度同时运动的复杂曲线运动。针对这一发现，申请人对该型直线旋转马达进行改造升级，从而产生本发明创造。

发明内容

本发明的目的是提出一种结构紧凑、效率高、易于微型化、响应速度快、定位精度高，同时具备串联控制简单与并联结构紧凑的优点的多自由度的一种微型冲击式压电直线旋转驱动装置。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：一种微型冲击式压电驱动的耦合装置，包括压电直线旋转换能器，所述压电直线旋转换能器直线和旋转自由度由独立电压控制，压电直线旋转换能器中设置有输出光轴，压电直线旋转换能器外设有基座，基座为一端敞开一端封闭的圆筒，基座封闭一端设有供输出光轴穿过的第一端部通孔，第一端部通孔内侧设有阶梯平面，所述压电直线旋转换能器一端安装在阶梯平面内；所述压电直线旋转换能器另一端的输出光轴上设有耦合器；

所述压电直线旋转换能器端部固定连接有套筒，套筒传递压电直线旋转换能器的端部运动；所述耦合器包括一对直接扣合在输出光轴上的轴瓦套圈， 所述轴瓦套圈与所述套筒接触，相对摩擦传递扭矩；所述轴瓦套圈接触套筒一端经倒角处理成接触圆台，所述接触圆台的顶圆直径小于所述套筒内径，底圆直径大于所述套筒内径，所述套筒内侧面边缘与轴瓦套圈的接触圆台侧面接触；所述轴瓦套圈通过卡接在其外表面的卡环提供轴向预紧力，所述轴瓦套圈外还设有圆环轴套；

所述基座敞开的一端设有封装压紧筒，封装压紧筒也是一端敞开一端封闭的圆筒，封装压紧筒封闭一端也设有供输出光轴穿过的第二端部通孔，封装压紧筒敞开一端伸入基座内，与基座内侧面配合；所述耦合器设置在封装压紧筒内，圆环轴套外侧面与封装压紧筒内侧面滑动接触，为输出光轴轴向移动提供导向，所述耦合器与封装压紧筒底面之间的输出光轴上设有弹簧，弹簧为耦合器提供轴向预紧力和轴向回复力。

所述基座的外壁上设有用于引出压电直线旋转换能器的导线的导线孔。

所述封装压紧筒外侧面与基座敞口一端内侧面螺纹连接，控制封装压紧筒和基座旋合长度，调整所述弹簧施加在耦合器的轴向预紧力和轴向回复力。

所述封装压紧筒封闭端的第二端部通孔内侧设有阶梯状的阶梯槽，所述弹簧插入阶梯槽内固定，弹簧内侧面与输出光轴表面不接触。

所述压电直线旋转换能器通过胶结固定安装在阶梯平面内。

所述封装压紧筒封闭端的第二端部通孔外侧设有手动调节封装压紧筒与基座配合长度的手动端面。

本发明的有益效果是：

本发明的一种微型冲击式压电驱动的耦合装置同时具备串联控制简单与并联结构紧凑的优点，其结构紧凑、效率高、易于微型化、响应速度快、定位精度高；利用特殊结构的耦合器，当分别施加单一锯齿直线和旋转激励电压于压电直线旋转换能器，其直线和旋转运动分别通过两个摩擦界面（轴瓦套圈的内侧面与端部圆台）驱动传递，利用摩擦驱动的冲击式原理使耦合器在直线和旋转运动作用下具备不同的功能，通过不同卡环、弹簧预紧力的调整，输出光轴实现单自由度沿轴直线和单自由度绕轴旋转输出运动；当同时施加独立的直线位移和旋转运动驱动的激励电压，由于其通过两个独立摩擦界面传输运动，不存在两种摩擦界面耦合现象，输出光轴具有多种形式的沿轴直线旋转运动的能力，并且可以根据压电冲击驱动机构的动力学模型分析其具体的运动情况，适应当今复杂曲线运动操控的需求，在航天航空、医疗机械、智能机器人等驱动领域具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明的结构爆炸示图；

图2为本发明的整装示意图；

图3为本发明的主剖视图；

图4为锯齿形直线激励电压波形图；

图5为锯齿形旋转激励电压波形图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1-3所示，一种微型冲击式压电驱动的耦合装置，包括压电直线旋转换能器2，所述压电直线旋转换能器2直线和旋转自由度由独立电压控制，压电直线旋转换能器2中设置有输出光轴8，压电直线旋转换能器2外设有基座1，基座1为一端敞开一端封闭的圆筒，基座封闭一端设有供输出光轴8穿过的第一端部通孔1-3，第一端部通孔1-3内侧设有阶梯平面1-1，所述压电直线旋转换能器2一端通过胶结固定安装在阶梯平面1-1内；所述压电直线旋转换能器2另一端的输出光轴8上设有耦合器7；所述基座1的外壁上设有用于引出压电直线旋转换能器2的导线的导线孔1-2。

所述压电直线旋转换能器2端部固定连接有套筒3，套筒3传递压电直线旋转换能器2的端部运动，所述耦合器7包括一对直接扣合在输出光轴8上的轴瓦套圈4，所述轴瓦套圈4与所述套筒3接触，相对摩擦传递扭矩。为了增加摩擦传动的可靠性，所述轴瓦套圈4接触套筒3一端经倒角处理成接触圆台（图中未标注），所述接触圆台的顶圆直径小于所述套筒3内径，底圆直径大于所述套筒3内径，当轴瓦套圈4与套筒3接触时，接触圆台的顶圆伸入套筒3内，套筒3内侧面的边缘与轴瓦套圈4倒角的圆台侧面接触。

所述轴瓦套圈4通过卡接在其外表面的第一卡环5-1、第二卡环5-2提供轴向预紧力，所述轴瓦套圈4外还设有圆环轴套6。第一卡环5-1、第二卡环5-2和轴瓦套圈4通过实际需要选择合适的配合实现轴瓦套圈4与输出光轴8的径向预紧力。

所述基座1敞开的一端设有封装压紧筒10，封装压紧筒10也是一端敞开一端封闭的圆筒，封装压紧筒10封闭一端也设有供输出光轴8穿过的第二端部通孔10-1，封装压紧筒10敞开一端伸入基座1内，所述封装压紧筒10外侧面与基座1敞口一端内侧面螺纹配合连接。所述耦合器7设置在封装压紧筒10内，圆环轴套6外侧面与封装压紧筒10内侧面滑动接触，为输出光轴8的轴向移动提供导向，所述耦合器7与封装压紧筒10底面之间的输出光轴8上设有弹簧9，弹簧9为耦合器7提供轴向预紧力和轴向回复力。控制封装压紧筒10和基座1配合长度，就可以调整所述弹簧9施加在耦合器7的轴向预紧力和轴向回复力。

所述封装压紧筒封闭端10的第二端部通孔10-1内侧设有阶梯状的阶梯槽10-3，所述弹簧9插入阶梯槽10-3内固定，弹簧9的另一端抵紧在轴瓦套圈4上，弹簧9内侧面与输出光轴8表面不接触，避免了弹簧9划伤输出光轴8的表面。所述封装压紧筒10封闭端的第二端部通孔10-1外侧设有手动调节封装压紧筒10与基座1配合长度的手动端面10-2。手动端面10-2可以加工成标准螺母状，或在环形表面设置防滑条纹。

当压电直线旋转换能器2只施加直线激励电压，传输输出运动的摩擦副接触形式为面接触，主要取决于与输出光轴8接触的轴瓦套圈4的内侧面，摩擦力大小由第一卡环5-1和第二卡环5-2调整设定；当压电直线旋转换能器2只施加旋转激励电压，传输输出运动的摩擦副接触形式为线接触，主要取决于轴瓦套圈4的接触圆台端面与套筒3的线接触，摩擦力矩大小由弹簧9调整设定（封装压紧筒10和基座1的配合长度决定预紧力大小）；所述压电直线旋转换能器2同时施加直线和旋转激励电压，由于直线和旋转运动的摩擦界面分离、独立，不存在单一摩擦界面耦合的现象，输出光轴8的直线和旋转的单一运动模式可以根据压电冲击驱动机构的一维动力学模型分别分析得到，并通过简单耦合即可得到输出光轴8的最终直线旋转耦合运动形式；通过所述第一卡环5-1、第二卡环5-2和弹簧9的结构尺寸调整和不同方式的激励电压的作用，所述输出光轴8可以实现单自由度沿轴直线和单自由度绕轴旋转输出运动，同时具有多种形式的沿轴直线旋转运动的能力。

机构封装时，通过封装压紧筒10与基座1的螺纹配合调整使得弹簧9以一定预紧力压在轴瓦套圈4端部上，使得轴瓦套圈4的接触圆台端面沿轴向压紧在套筒3上，弹簧9可以更换为不同刚度弹簧，从而根据驱动需要提供不同的轴向力。第一卡环5-1和第二卡环5-2是根据径向力需要可以调整替换，即两个卡环提供的预紧力可以相同或不同。压电直线旋转换能器2其直线和旋转驱动电压独立，采用锯齿波激励，且运动分别通过轴瓦套圈4的内侧面和接触圆台侧面两个独立摩擦界面传递，两个自由度的运动不存在耦合现象，因此，当激励电压为单一直线或旋转电压时，输出光轴8实现单自由度沿轴直线输出运动（模式A）和单自由度绕轴旋转输出运动（模式B），当同时施加直线位移和旋转运动驱动的激励电压，输出光轴8具有沿轴直线旋转输出运动（模式C）的能力。

压电直线旋转换能器2施加单一锯齿波，对于模式A如图4所示，和模式B如图5所示，一个锯齿波周期内运动分解如下：

模式A：

步骤a:、工作循环开始，只施加缓慢上升的正向直线运动的激励电压，压电直线旋转换能器2缓慢正向直线运动，由于压电直线旋转换能器2与套筒3胶粘固定，因此套筒3跟随压电直线旋转换能器2同步缓慢直线运动，由于卡环径向力作用致使轴瓦套圈4内侧面提供的最大静摩擦力大于其跟随输出光轴8所需的驱动力，因此耦合器7与输出光轴8同步正向沿轴直线运动；

步骤b、当激励电压达到锯齿的后沿并从最大值快速降低时，压电直线旋转换能器2与套筒3快速反向运动回到初始位置，同时由于弹簧9在步骤a的作用下进一步压缩致使耦合器7在弹簧9的回复力作用下同步回到初始位置，而此时轴瓦套圈4内侧面提供的摩擦力不足以提供使输出光轴8跟随耦合器7同步运动驱动力，因此输出光轴8基本保持不动，至使输出光轴8与耦合器7或压电直线旋转换能器2之间形成相对轴向位移，实现一次步进正向直线运动。

当施加先快速上升而后慢速下降的激励电压，输出运动反向。

模式B：

步骤a:、工作循环开始，只施加缓慢上升的正向旋转运动的激励电压，套筒3跟随压电直线旋转换能器2同步缓慢正向旋转运动，由于弹簧9的调整作用，套筒3与轴瓦套圈4圆台端面线接触，其摩擦界面之间的最大静摩擦力矩大于其跟随套筒3所需的驱动力矩而卡环径向力作用致使轴瓦套圈4内侧面提供的最大静摩擦力矩大于其跟随输出光轴8所需的驱动力矩，致使耦合器7与输出光轴8同步正向沿轴旋转运动；

步骤b、当激励电压达到锯齿的后沿并从最大值快速降低时，压电直线旋转换能器2与套筒3快速反向旋转运动回到初始位置，而此时轴瓦套圈4与套筒3之间的摩擦力矩不足以提供使耦合器7跟随套筒3或压电直线旋转换能器2同步运动驱动力矩，即耦合器7基本保持不动；且由于结构设计，输出光轴8只与耦合器7接触而不与压电直线旋转换能器2或套筒3有任何直接接触，从而至使输出光轴8和耦合器7保持基本不动的状态，由此至使输出光轴8和耦合器7与压电直线旋转换能器2之间形成相对旋转位移，实现一次步进正向旋转运动。

当施加先快速上升而后慢速下降的激励电压，输出运动反向。

模式C：

压电直线旋转换能器2同时施加直线和旋转激励电压，当施加直线和旋转激励电压同步同频时或同频不同步或同步不同频等其他驱动方式，由于其直线和旋转运动摩擦界面分离、独立，不存在单一摩擦界面耦合的现象，其运动过程描述比较复杂，但输出光轴8的运动情况可利用压电冲击驱动机构的一维动力学模型分析，并通过简单耦合得到其最终直线旋转耦合运动形式。并且在一个周期内冲击式压电在低频时定转子之间为粘-滑步进运动而当频率增加时其转变为滑-滑连续运动，由此输出光轴8可以实现双向的各种复杂直线旋转曲线运动。

所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一种微型冲击式压电驱动的耦合装置，其特征在于，包括压电直线旋转换能器，所述压电直线旋转换能器直线和旋转自由度由独立电压控制，压电直线旋转换能器中设置有输出光轴，压电直线旋转换能器外设有基座，基座为一端敞开一端封闭的圆筒，基座封闭一端设有供输出光轴穿过的第一端部通孔，第一端部通孔内侧设有阶梯平面，所述压电直线旋转换能器一端安装在阶梯平面内；所述压电直线旋转换能器另一端的输出光轴上设有耦合器；

所述压电直线旋转换能器端部固定连接有套筒，套筒传递压电直线旋转换能器的端部运动；所述耦合器包括一对直接扣合在输出光轴上的轴瓦套圈， 所述轴瓦套圈与所述套筒接触，相对摩擦传递扭矩；所述轴瓦套圈接触套筒一端经倒角处理成接触圆台，所述接触圆台的顶圆直径小于所述套筒内径，底圆直径大于所述套筒内径，所述套筒内侧面边缘与轴瓦套圈的接触圆台侧面接触；所述轴瓦套圈通过卡接在其外表面的卡环提供径向预紧力，所述轴瓦套圈外还设有圆环轴套；

所述基座敞开的一端设有封装压紧筒，封装压紧筒也是一端敞开一端封闭的圆筒，封装压紧筒封闭一端设有供输出光轴穿过的第二端部通孔，封装压紧筒敞开一端伸入基座内，与基座内侧面配合；所述耦合器设置在封装压紧筒内，圆环轴套外侧面与封装压紧筒内侧面滑动接触，为输出光轴轴向移动提供导向，所述耦合器与封装压紧筒底面之间的输出光轴上设有弹簧，弹簧为耦合器提供轴向预紧力和轴向回复力。

2.根据权利要求1所述的微型冲击式压电驱动的耦合装置，其特征在于，所述封装压紧筒外侧面与基座敞口一端内侧面螺纹连接，控制封装压紧筒和基座旋合长度，调整所述弹簧施加在耦合器的轴向预紧力和轴向回复力。

3.根据权利要求1所述的微型冲击式压电驱动的耦合装置，其特征在于，所述封装压紧筒封闭端的第二端部通孔内侧设有阶梯状的阶梯槽，所述弹簧插入阶梯槽内固定，弹簧内侧面与输出光轴表面不接触。

4.根据权利要求1所述的微型冲击式压电驱动的耦合装置，其特征在于，所述压电直线旋转换能器通过胶结固定安装在阶梯平面内。

5.根据权利要求1所述的微型冲击式压电驱动的耦合装置，其特征在于，所述基座的外壁上设有用于引出压电直线旋转换能器导线的导线孔。

6.根据权利要求1所述的微型冲击式压电驱动的耦合装置，其特征在于，所述封装压紧筒封闭端的第二端部通孔外侧设有手动调节封装压紧筒与基座配合长度的手动端面。