CN108054949B - 一种多压电振子双向旋转驱动器 - Google Patents

一种多压电振子双向旋转驱动器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种多压电振子双向旋转驱动器，包括：底座、中心转轴、第一连接板、第二连接板、第一周向压电驱动器和第二周向压电驱动器，其中：底座固定，中心转轴与底座间隙配合形成转动副，周向压电驱动器通过连接板旋转对称布置在中心转轴四周。工作时，在周向压电驱动器的驱动压电振子上施加电压使其变形，同时，对换向压电振子加一定相位的驱动电压使脚支座发生小角度扭动，促使脚支座上不同摩擦系数材料分别与工作面接触，使脚支座产生不同的位移，实现周向压电驱动器的定向移动，带动中心转轴的定向转动输出转矩。本发明实现了双向驱动，且具有结构简单、维护成本低、对工作面的要求较低和延长驱动器中压电陶瓷的使用寿命的优点。

Description

一种多压电振子双向旋转驱动器
技术领域
本发明属于压电驱动领域，具体涉及一种多压电振子双向旋转驱动器。
背景技术
驱动器的性能直接影响自动化设备的性能，由于压电驱动元件具有体积小、响应速度快、可控精度高、换能效率高和无电磁干扰等优越性能，在超精密仪器、微机器人、精密定位和生物医学等领域得到广泛的应用。压电驱动主要分为直线驱动和旋转驱动，压电直线驱动现已取得较多成就，而旋转驱动还有待进行深入研究。现有的旋转驱动主要有压电惯性驱动和仿生驱动两类，其中仿生驱动主要是仿尺蠖型蠕动式驱动，这种驱动方法需要多个压电钳位堆叠，成本较高，同时需要一级甚至多级位移放大机构和运动转换机机构，结构较为复杂；压电惯性驱动主要有电控式和摩擦式，电控式主要利用非对称激励信号实现驱动，因此控制系统复杂。压电摩擦式驱动具有驱动结构简单、驱动机理新颖和驱动信号简单易于控制等优点，对压电摩擦式驱动器进行深入的研究将有利于压电驱动器进一步的推广和应用。
发明内容
为了解决目前压电旋转驱动器结构较为复杂，多与工作面刚性接触，对工作环境要求高，控制系统复杂的问题，提出了一种多压电振子双向旋转驱动器，该驱动器由底座、中心转轴、第一连接板、第二连接板、第一周向压电驱动器和第二周向压电驱动器组成。其中所述底座为中心带圆形凹槽的圆柱体且位置固定，所述中心转轴包括定位段、驱动段和输出段，所述中心转轴的定位段与底座凹槽间隙配合连接形成转动副，所述中心转轴可绕其轴线转动，所述第一连接板和第二连接板为凹形薄板，所述第一周向压电驱动器和第二周向压电驱动器分别通过第一连接板和第二连接板旋转对称布置在中心转轴的驱动段两侧；所述第一周向压电驱动器包括：驱动压电振子、第一换向压电振子和第二换向压电振子、第一脚支座和第二脚支座；其中所述驱动压电振子由压电薄片材料粘贴在矩形弹性基体上构成，所述第一换向压电振子和第二换向压电振子为相同的带压电材料的矩形薄片构件且具有一定的弹性，所述第一换向压电振子一端端布置在驱动压电振子一端下表面、另一端为自由端，所述第二换向压电振子一端连接在驱动压电振子另一端下表面、另一端为自由端，所述第一脚支座由第一高摩擦系数材料和第一低摩擦系数材料复合而成，所述第二脚支座结构、大小和材料与第一脚支座完全相同，所述第一脚支座的第一高摩擦系数材料布置在外侧，所述第二脚支座的第二高摩擦系数材料布置在内侧；所述第二周向压电驱动器和第一周向压电驱动器结构完全相同且两周向压电驱动器关于中心转轴呈旋转对称。
所述中心转轴驱动段可为正N(N大于等于4)面体，所述第一周向压电驱动器的个数可为K(K大于等于2)且各周向压电驱动器由第一连接板连接呈旋转对称布置在与中心转轴四周。
工作时，底座位置固定，在所述周向压电驱动器的驱动压电振子上施加交流电压使其发生往复弯曲变形，同时，对脚支座上的换向压电振子施加一定相位的驱动电压使脚支座发生小角度的扭动，促使脚支座上不同摩擦系数的材料分别与工作面相接触，从而使脚支座受到与移动方向相反的摩擦力不同，进而使脚支座产生不同的位移，实现周向压电驱动器的定向移动，各周向压电驱动器的运动状态和方向完全相同，最终周向压电驱动器通过连接板带动中心转轴的定向转动输出转矩。第一周向压电驱动器的逆时针驱动工作原理示意图如图4所示：第一周向驱动器第一脚支座和第二脚支座的左半侧部分分别为第一高摩擦系数材料和第二高摩擦系数材料，右半侧部分分别为第一低摩擦系数材料和第二低摩擦系数材料，当压电振子未通电时，驱动器呈自然状态，如图4(a)所示；当驱动压电振子通电产生凹变形时，带动第一脚支座和第二脚支座相互远离，同时第一换向压电振子和第二换向压电振子受到与驱动压电振子驱动电压同相的交变电压驱动，使支撑腿和脚支座发生一定扭动，致使第一脚支座的第一高摩擦系数材料和第二脚支座的第二低摩擦系数材料与工作面接触，此时第一周向压电振子向右移动，通过连接板带动中心转轴逆时针转过角度θ1，如图4(b)所示；当驱动压电振子通电产生凸变形时，带动第一脚支座和第二脚支座相互靠近，同时第一换向压电振子和第二换向压电振子受到与驱动压电振子驱动电压同相的电压驱动，使支撑腿和脚支座发生一定扭动，致使第一脚支座的第一低摩擦系数材料和第二脚支座的第二高摩擦系数材料与工作面接触，此时第一周向压电振子向右移动，通过连接板带动中心转轴继续逆时针转过角度θ2，如图4(c)所示；当压电振子再次回到平衡位置时完成一个工作循环，如图4(d)所示。在压电振子通电往复弯曲变形的一个周期内，带动第一脚支座和第二脚支座相互远离或相互靠近，第一周向压电驱动器向右移动，通过连接板带动中心转轴逆时针转过一个角度。第一周向压电驱动器的顺时针驱动工作原理示意图如图5所示：当压电振子未通电时，驱动器呈自然状态，如图5(a)所示：当驱动压电振子通电产生凹变形时，带动第一脚支座和第二脚支座相互远离，同时第一换向压电振子和第二换向压电振子受到与驱动压电振子驱动电压反相的交变电压驱动，致使第一脚支座的第一低摩擦系数材料和第二脚支座的第二高摩擦系数材料与工作面接触，此时第一周向压电振子向左移动，通过连接板带动中心转轴顺时针转过角度θ3，如图5(b)所示；当驱动压电振子通电产生凸变形时，带动第一脚支座和第二脚支座相互靠近，同时第一换向压电振子和第二换向压电振子受到与驱动压电振子驱动电压反相的电压驱动，致使第一脚支座的第一高摩擦系数材料和第二脚支座的第二低摩擦系数材料与工作面接触，此时第一周向压电振子向左移动，通过连接板带动中心转轴继续顺时针转过角度θ4，如图5(c)所示；当压电振子再次回到平衡位置时完成一个工作循环，如图5(d)所示。在压电振子通电往复弯曲变形的一个周期内，带动第一脚支座和第二脚支座相互远离或相互靠近，第一周向压电驱动器向左移动，通过连接板带动中心转轴顺时针转过一个角度。因此，当第一换向压电振子和第二换向压电振子与驱动压电振子驱动电压同相时，该驱动器实现逆时针驱动；当第一换向压电振子和第二换向压电振子与驱动压电振子驱动电压反相时，该驱动器实现顺时针驱动。
第二周向压电驱动器与第一周向压电驱动器的驱动原理完全相同，且两周向压电驱动器的运动方向相同，最终的输出驱动转矩为两周向压电驱动器驱动转矩的矢量叠加。
中心转轴的驱动段为正N(N大于等于4)面体，周向压电驱动器的个数可为K(K大于等于2)时，各周向压电驱动器关于中心转轴呈旋转对称布置且同时向顺时针方向或逆时针方向转动，中心转轴输出的驱动转矩为各周向质量块的驱动转矩的叠加。
本发明实现了双向旋转驱动，且具有结构简单、维护成本低、对工作面的要求较低和延长驱动器中压电陶瓷的使用寿命的优点。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明一种多压电振子双向旋转驱动器，该驱动器由底座、中心转轴、第一连接板、第二连接板、第一周向压电驱动器和第二周向压电驱动器组成。其中所述底座为中心带圆形凹槽的圆柱体且位置固定，所述中心转轴包括定位段、驱动段和输出段，所述中心转轴的定位段与底座凹槽间隙配合连接形成转动副，所述中心转轴可绕其轴线转动，所述第一连接板和第二连接板为凹形薄板，所述第一周向压电驱动器和第二周向压电驱动器分别通过第一连接板和第二连接板旋转对称布置在中心转轴的驱动段两侧；所述第一周向压电驱动器包括：驱动压电振子、第一换向压电振子和第二换向压电振子、第一脚支座和第二脚支座；其中所述驱动压电振子由压电薄片材料粘贴在矩形弹性基体上构成，所述第一换向压电振子和第二换向压电振子为相同的带压电材料的矩形薄片构件且具有一定的弹性，所述第一换向压电振子一端端布置在驱动压电振子一端下表面、另一端为自由端，所述第二换向压电振子一端连接在驱动压电振子另一端下表面、另一端为自由端，所述第一脚支座由第一高摩擦系数材料和第一低摩擦系数材料复合而成，所述第二脚支座结构、大小和材料与第一脚支座完全相同，所述第一脚支座的第一高摩擦系数材料布置在外侧，所述第二脚支座的第二高摩擦系数材料布置在内侧；所述第二周向压电驱动器和第一周向压电驱动器结构完全相同且两周向压电驱动器关于中心转轴呈旋转对称。
所述中心转轴驱动段可为正N(N大于等于4)面体，所述第一周向压电驱动器的个数可为K(K大于等于2)且各周向压电驱动器由第一连接板连接呈旋转对称布置在与中心转轴四周。
工作时，底座位置固定，在所述周向压电驱动器的驱动压电振子上施加交流电压使其发生往复弯曲变形，同时，对脚支座上的换向压电振子施加一定相位的驱动电压使脚支座发生小角度的扭动，促使脚支座上不同摩擦系数的材料分别与工作面相接触，从而使脚支座受到与移动方向相反的摩擦力不同，进而使脚支座产生不同的位移，实现周向压电驱动器的定向移动，各周向压电驱动器的运动状态和方向完全相同，最终周向压电驱动器通过连接板带动中心转轴的定向转动输出转矩。第一周向压电驱动器的逆时针驱动工作原理示意图如图4所示：第一周向驱动器第一脚支座和第二脚支座的左半侧部分分别为第一高摩擦系数材料和第二高摩擦系数材料，右半侧部分分别为第一低摩擦系数材料和第二低摩擦系数材料，当压电振子未通电时，驱动器呈自然状态，如图4(a)所示；当驱动压电振子通电产生凹变形时，带动第一脚支座和第二脚支座相互远离，同时第一换向压电振子和第二换向压电振子受到与驱动压电振子驱动电压同相的交变电压驱动，使支撑腿和脚支座发生一定扭动，致使第一脚支座的第一高摩擦系数材料和第二脚支座的第二低摩擦系数材料与工作面接触，此时第一周向压电振子向右移动，通过连接板带动中心转轴逆时针转过角度θ1，如图4(b)所示；当驱动压电振子通电产生凸变形时，带动第一脚支座和第二脚支座相互靠近，同时第一换向压电振子和第二换向压电振子受到与驱动压电振子驱动电压同相的电压驱动，使支撑腿和脚支座发生一定扭动，致使第一脚支座的第一低摩擦系数材料和第二脚支座的第二高摩擦系数材料与工作面接触，此时第一周向压电振子向右移动，通过连接板带动中心转轴继续逆时针转过角度θ2，如图4(c)所示；当压电振子再次回到平衡位置时完成一个工作循环，如图4(d)所示。在压电振子通电往复弯曲变形的一个周期内，带动第一脚支座和第二脚支座相互远离或相互靠近，第一周向压电驱动器向右移动，通过连接板带动中心转轴逆时针转过一个角度。第一周向压电驱动器的顺时针驱动工作原理示意图如图5所示：当压电振子未通电时，驱动器呈自然状态，如图5(a)所示：当驱动压电振子通电产生凹变形时，带动第一脚支座和第二脚支座相互远离，同时第一换向压电振子和第二换向压电振子受到与驱动压电振子驱动电压反相的交变电压驱动，致使第一脚支座的第一低摩擦系数材料和第二脚支座的第二高摩擦系数材料与工作面接触，此时第一周向压电振子向左移动，通过连接板带动中心转轴顺时针转过角度θ3，如图5(b)所示；当驱动压电振子通电产生凸变形时，带动第一脚支座和第二脚支座相互靠近，同时第一换向压电振子和第二换向压电振子受到与驱动压电振子驱动电压反相的电压驱动，致使第一脚支座的第一高摩擦系数材料和第二脚支座的第二低摩擦系数材料与工作面接触，此时第一周向压电振子向左移动，通过连接板带动中心转轴继续顺时针转过角度θ4，如图5(c)所示；当压电振子再次回到平衡位置时完成一个工作循环，如图5(d)所示。在压电振子通电往复弯曲变形的一个周期内，带动第一脚支座和第二脚支座相互远离或相互靠近，第一周向压电驱动器向左移动，通过连接板带动中心转轴顺时针转过一个角度。因此，当第一换向压电振子和第二换向压电振子与驱动压电振子驱动电压同相时，该驱动器实现逆时针驱动；当第一换向压电振子和第二换向压电振子与驱动压电振子驱动电压反相时，该驱动器实现顺时针驱动。
第二周向压电驱动器与第一周向压电驱动器的驱动原理完全相同，且两周向压电驱动器的运动方向相同，最终的输出驱动转矩为两周向压电驱动器驱动转矩的矢量叠加。
中心转轴的驱动段为正N(N大于等于4)面体，周向压电驱动器的个数可为K(K大于等于2)时，各周向压电驱动器关于中心转轴呈旋转对称布置且同时向顺时针方向或逆时针方向转动，中心转轴输出的驱动转矩为各周向质量块的驱动转矩的叠加。
本发明实现了双向旋转驱动，且具有结构简单、维护成本低、对工作面的要求较低和延长驱动器中压电陶瓷的使用寿命的优点。
附图说明
图1是本发明一种多压电振子双向旋转驱动器结构示意图。
图2是本发明一种多压电振子双向旋转驱动器中心转轴结构示意图。
图3是本发明一种多压电振子双向旋转驱动器第一周向压电驱动器结构示意图。
图4是本发明一种多压电振子双向旋转驱动器逆时针驱动过程示意图。
图5是本发明一种多压电振子双向旋转驱动器顺时针驱动过程示意图。
具体实施方式
参照图1、图2、图3、图4和图5，本发明一种多压电振子双向旋转驱动器是由底座1、中心转轴2、第一连接板3和第二连接板4、第一周向压电驱动器5和第二周向压电驱动器6组成，其中：
所述底座1为中心带圆形凹槽的圆柱体且位置固定，所述中心转轴2包括定位段21、驱动段22和输出段23，所述中心转轴2的定位段与底座1凹槽间隙配合连接形成转动副，所述中心转轴2可绕其轴线转动，所述第一连接板3和第二连接板4为凹形薄板，所述第一周向压电驱动器5和第二周向压电驱动器6分别通过第一连接板3和第二连接板4旋转对称布置在中心转轴2的驱动段22两侧；所述第一周向压电驱动器5包括：驱动压电振子51、第一换向压电振子52和第二换向压电振子53、第一脚支座54和第二脚支座55；其中所述驱动压电振子51由压电薄片材料粘贴在矩形弹性基体上构成，所述第一换向压电振子52和第二换向压电振子53为相同的带压电材料的矩形薄片构件且具有一定的弹性，所述第一换向压电振子52一端端布置在驱动压电振子51一端下表面、另一端为自由端，所述第二换向压电振子53一端连接在驱动压电振子51另一端下表面、另一端为自由端，所述第一脚支座54由第一高摩擦系数材料541和第一低摩擦系数材料542复合而成，所述第二脚支座55结构、大小和材料与第一脚支座54完全相同，所述第一脚支座54的第一高摩擦系数材料541布置在外侧，所述第二脚支座55的第二高摩擦系数材料551布置在内侧；所述第二周向压电驱动器6和第一周向压电驱动器5结构完全相同且两周向压电驱动器关于中心转轴2呈旋转对称。
所述中心转轴2驱动段22可为正N(N大于等于4)面体，所述第一周向压电驱动器4的个数可为K(K大于等于2)且各周向压电驱动器由第一连接板3连接呈旋转对称布置在与中心转轴2四周。
工作时，底座位置固定，在所述周向压电驱动器的驱动压电振子上施加交流电压使其发生往复弯曲变形，同时，对脚支座上的换向压电振子施加一定相位的驱动电压使脚支座发生小角度的扭动，促使脚支座上不同摩擦系数的材料分别与工作面相接触，从而使脚支座受到与移动方向相反的摩擦力不同，进而使脚支座产生不同的位移，实现周向压电驱动器的定向移动，各周向压电驱动器的运动状态和方向完全相同，最终周向压电驱动器通过连接板带动中心转轴的定向转动输出转矩。第一周向压电驱动器的逆时针驱动工作原理示意图如图4所示：第一周向驱动器第一脚支座和第二脚支座的左半侧部分分别为第一高摩擦系数材料和第二高摩擦系数材料，右半侧部分分别为第一低摩擦系数材料和第二低摩擦系数材料，当压电振子未通电时，驱动器呈自然状态，如图4(a)所示；当驱动压电振子通电产生凹变形时，带动第一脚支座和第二脚支座相互远离，同时第一换向压电振子和第二换向压电振子受到与驱动压电振子驱动电压同相的交变电压驱动，使支撑腿和脚支座发生一定扭动，致使第一脚支座的第一高摩擦系数材料和第二脚支座的第二低摩擦系数材料与工作面接触，此时第一周向压电振子向右移动，通过连接板带动中心转轴逆时针转过角度θ1，如图4(b)所示；当驱动压电振子通电产生凸变形时，带动第一脚支座和第二脚支座相互靠近，同时第一换向压电振子和第二换向压电振子受到与驱动压电振子驱动电压同相的电压驱动，使支撑腿和脚支座发生一定扭动，致使第一脚支座的第一低摩擦系数材料和第二脚支座的第二高摩擦系数材料与工作面接触，此时第一周向压电振子向右移动，通过连接板带动中心转轴继续逆时针转过角度θ2，如图4(c)所示；当压电振子再次回到平衡位置时完成一个工作循环，如图4(d)所示。在压电振子通电往复弯曲变形的一个周期内，带动第一脚支座和第二脚支座相互远离或相互靠近，第一周向压电驱动器向右移动，通过连接板带动中心转轴逆时针转过一个角度。第一周向压电驱动器的顺时针驱动工作原理示意图如图5所示：当压电振子未通电时，驱动器呈自然状态，如图5(a)所示：当驱动压电振子通电产生凹变形时，带动第一脚支座和第二脚支座相互远离，同时第一换向压电振子和第二换向压电振子受到与驱动压电振子驱动电压反相的交变电压驱动，致使第一脚支座的第一低摩擦系数材料和第二脚支座的第二高摩擦系数材料与工作面接触，此时第一周向压电振子向左移动，通过连接板带动中心转轴顺时针转过角度θ3，如图5(b)所示；当驱动压电振子通电产生凸变形时，带动第一脚支座和第二脚支座相互靠近，同时第一换向压电振子和第二换向压电振子受到与驱动压电振子驱动电压反相的电压驱动，致使第一脚支座的第一高摩擦系数材料和第二脚支座的第二低摩擦系数材料与工作面接触，此时第一周向压电振子向左移动，通过连接板带动中心转轴继续顺时针转过角度θ4，如图5(c)所示；当压电振子再次回到平衡位置时完成一个工作循环，如图5(d)所示。在压电振子通电往复弯曲变形的一个周期内，带动第一脚支座和第二脚支座相互远离或相互靠近，第一周向压电驱动器向左移动，通过连接板带动中心转轴顺时针转过一个角度。因此，当第一换向压电振子和第二换向压电振子与驱动压电振子驱动电压同相时，该驱动器实现逆时针驱动；当第一换向压电振子和第二换向压电振子与驱动压电振子驱动电压反相时，该驱动器实现顺时针驱动。
第二周向压电驱动器与第一周向压电驱动器的驱动原理完全相同，且两周向压电驱动器的运动方向相同，最终的输出驱动转矩为两周向压电驱动器驱动转矩的矢量叠加。
中心转轴的驱动段为正N(N大于等于4)面体，周向压电驱动器的个数可为K(K大于等于2)时，各周向压电驱动器关于中心转轴呈旋转对称布置且同时向顺时针方向或逆时针方向转动，中心转轴输出的驱动转矩为各周向质量块的驱动转矩的叠加。
本发明实现了双向旋转驱动，且具有结构简单、维护成本低、对工作面的要求较低和延长驱动器中压电陶瓷的使用寿命的优点。

Claims (2)

1.一种多压电振子双向旋转驱动器，包括：底座（1）、中心转轴（2）、第一连接板（3）和第二连接板（4），其特征在于还包括实现双向驱动的第一周向压电驱动器（5）和第二周向压电驱动器（6）；其中所述底座（1）为中心带圆形凹槽的圆柱体且位置固定，所述中心转轴（2）包括定位段（21）、驱动段（22）和输出段（23），所述中心转轴（2）的定位段与底座（1）凹槽间隙配合连接形成转动副，所述中心转轴（2）可绕其轴线转动，所述第一连接板（3）和第二连接板（4）为凹形薄板，所述第一周向压电驱动器（5）和第二周向压电驱动器（6）分别通过第一连接板（3）和第二连接板（4）旋转对称布置在中心转轴（2）的驱动段（22）两侧；所述第一周向压电驱动器（5）包括：驱动压电振子（51）、第一换向压电振子（52）和第二换向压电振子（53）、第一脚支座（54）和第二脚支座（55）；其中所述驱动压电振子（51）由压电薄片材料粘贴在矩形弹性基体上构成，所述第一换向压电振子（52）和第二换向压电振子（53）为相同的带压电材料的矩形薄片构件且具有一定的弹性，所述第一换向压电振子（52）一端布置在驱动压电振子（51）一端下表面，另一端为自由端，所述第二换向压电振子（53）一端连接在驱动压电振子（51）另一端下表面、另一端为自由端，所述第一脚支座（54）由第一高摩擦系数材料（541）和第一低摩擦系数材料（542）复合而成，所述第二脚支座（55）结构、大小和材料与第一脚支座（54）完全相同，所述第一脚支座（54）的第一高摩擦系数材料（541）布置在外侧，所述第二脚支座（55）的第二高摩擦系数材料（551）布置在内侧；所述第二周向压电驱动器（6）和第一周向压电驱动器（5）结构完全相同且两周向压电驱动器关于中心转轴（2）呈旋转对称。
2.根据权利要求1所述的多压电振子双向旋转驱动器，其特征在于：所述中心转轴（2）驱动段（22）可为正N面体，N大于等于4，所述第一周向压电驱动器（5）的个数可为K，K大于等于2，且各周向压电驱动器由第一连接板（3）连接呈旋转对称布置在与中心转轴（2）四周。
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