CN109347363A - 一种蠕动式柔性铰链组合压电驱动器 - Google Patents
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Abstract
一种蠕动式柔性铰链组合压电驱动器，它涉及一种精密压电蠕动驱动器，它包括导轨、驱动机构和两个箝位机构；每个箝位机构包含第一压电陶瓷叠堆、箝位预紧机构和箝位体；驱动机构包含第二压电陶瓷叠堆、驱动预紧机构和两个驱动体；两个箝位体和两个驱动体一体制成构成本体，两个箝位体之间布置有相隔设置的两个驱动体；两个卡槽远离的两端分别加工有一个第一柔性铰链，两个卡槽分别通过一个第二柔性铰链与三角放大结构连接。本发明箝位性能好，可以自动定位，结构简单，装配容易，可以实现大行程精密直线运动。
Description
技术领域
本发明涉及一种精密压电蠕动驱动器，具体涉及一种蠕动式柔性铰链组合压电驱动器，可用于位置精密调节场所，例如质心精密调节、高分辨率显微镜镜头精密对焦调节，工作台精密位移调节等需要精密位移调节的领域，且能胜任电磁干扰工作环境。
背景技术
具有微/纳米级定位精度的精密驱动技术是超精密加工与测量、生物工程、航空航天科技、光学工程、现代医疗等尖端科学技术领域中的关键技术。基于逆压电效应的压电驱动器具有一系列的优势，特别是精密度高、响应快、控制特性好、能量密度大、不受电磁干扰等特性，这些使得压电驱动技术成为目前全球精密驱动技术领域的热门研究之一。其基本原理是基于压电陶瓷材料的逆压电效应。依据驱动频率的高低，压电驱动器通常可分为超声压电驱动器和低频压电驱动器。从控制的角度，低频驱动形式更易实现精密步进式运动，使得精密运动更易于控制。蠕动式压电驱动器是一种低频压电驱动器，其主要应用在精密驱动、大输出力、小空间和低速运行的环境。目前国内的蠕动压电驱动器的研究较少、且大都出于实验室研究阶段，并未得到广泛应用。制约蠕动式驱动器应用的一些关键问题在于：(1)加工、制造要求高；(2)驱动器与导轨间的可靠配合形式。
目前已有的蠕动式压电驱动器普遍有2个结构特点，一是采用箝位机构与驱动机构分离的形式；二是箝位机构与导轨的配合上没有实现确定的空间约束。箝位机构与驱动机构的分离式设计，一方面使单个机械机构的加工精度有所降低，但对于装配精度、检测装置精度提出极高的要求，并且使得调试、装配过程极为繁琐复杂；另一方面由于连接结合面的接触刚度低，有接触间隙，吃掉微小的输出变形，使得输出变形(力)明显减小，达不到预期的驱动效果。在箝位机构与导轨配合结构设计上不能实现确定的空间位置约束，普遍的设计是要么仅在水平方向对导轨约束，要么仅在垂直方向对导轨约束，几乎没有在两个方向上同时约束导轨直线运动的箝位机构设计，这使得驱动器大行程下的导轨直线度很难保证，箝位结构缺少控制导轨位置的功能，如果使导轨或者驱动体实现精确的直线运行，需要附加支承系统，整体结构变得复杂。
发明内容
本发明为克服现有技术不足，提供一种箝位性能好的蠕动式柔性铰链组合压电驱动器。
一种蠕动式柔性铰链组合压电驱动器，它包括导轨、驱动机构和两个箝位机构；
每个箝位机构包含第一压电陶瓷叠堆、第一压电陶瓷预紧机构和箝位体；驱动机构包含第二压电陶瓷叠堆、第二压电陶瓷预紧机构和两个驱动体；两个箝位体和两个驱动体一体制成构成本体，两个箝位体相隔设置，两个箝位体之间布置有相隔设置的两个驱动体；每个箝位体为板状结构，板面上加工有三角放大结构和两个卡槽，两个卡槽被箝位体隔开，两个卡槽远离的两端分别加工有一个第一柔性铰链，两个卡槽分别通过一个第二柔性铰链与三角放大结构连接，三角放大结构下方的箝位体上加工有夹持导轨的豁口；两个卡槽内分别放置有第一压电陶瓷叠堆，两个卡槽内布置有用于对第一压电陶瓷叠堆预紧的第一压电陶瓷预紧机构，第一压电陶瓷预紧机构与箝位体可拆卸连接；两个驱动体相隔空间内布置有第二压电陶瓷叠堆，第二压电陶瓷叠堆与箝位体之间布置有用于对第二压电陶瓷叠堆预紧的驱动预紧机构，第二压电陶瓷预紧机构与箝位体可拆卸连接，第二压电陶瓷叠堆的长度方向与导轨的长度方向相同，与第一压电陶瓷叠堆的长度方向垂直。
进一步地，所述三角放大结构由两个第三柔性铰链和三个箝位块组成，相邻两个箝位块通过第三柔性铰链连接，中间的箝位块水平设置，第二柔性铰链分别与箝位块和卡槽连接。
本发明相比现有技术的有益效果是：
1)将两个箝位机构与驱动机构有机结合，一体化设计，没有接触间隙损失，可以使驱动机构的驱动变形(力)无损失传递给箝位机构，提高驱动效果；2)在箝位机构设计上，利用柔性铰链将三角形放大结构和杠杆放大结构有机结合，实现组合放大的功能，提高了箝位机构性能。3)由组合放大机构衍生出三足三角箝位结构(方式)，使得驱动机构和两个箝位机构在装配过程中，依据力平衡原理，实现了箝位足与导轨相对位置的自适应，无需人工精调，降低了装配精度要求。4)在运动过程中，利用三足三角箝位结构可以约束导轨两个方向的位置，确保驱动器在导轨上可靠定位，保证电机大行程下的直线度，使得本发明压电驱动器可以实现长距离下的位置精密调节。
附图说明
图1为本发明的梯形导轨、驱动机构和箝位机构连接关系的结构示意图，图2为图1的左视图，图3为箝位体结构图，图4为图2中沿A-A方向的全剖视图，图5为图2中沿B-B方向的全剖视图，图6为梯形导轨与箝位机构三箝位足的配合关系局部放大图，图7为箝位体和驱动体构成的本体结构图，图8为半圆柱导轨、驱动机构和箝位机构连接关系的整体结构示意图，图9为半圆柱导轨与箝位机构三箝位足的配合关系局部放大图，图10为本发明蠕动式柔性铰链组合压电驱动器驱动时序图，图11为柔性铰链组合机构图，图12为本发明蠕动式柔性铰链组合压电驱动器结构简化组成图，图13为驱动器运动原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然以下所描述的实施例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。
参见图1-图4所示，一种蠕动式柔性铰链组合压电驱动器，它包括导轨1、驱动机构和两个箝位机构；
每个箝位机构包含第一压电陶瓷叠堆9、第一压电陶瓷预紧机构10和箝位体41；
驱动机构包含第二压电陶瓷叠堆11、第二压电陶瓷预紧机构12和两个驱动体42；
两个箝位体41和两个驱动体42一体制成构成本体4，两个箝位体41相隔设置，两个箝位体41之间布置有相隔设置的两个驱动体42；
每个箝位体41为板状结构，板面上加工有三角放大结构413和两个卡槽410，两个卡槽410被箝位体41隔开，两个卡槽410远离的两端分别加工有一个第一柔性铰链411，两个卡槽410分别通过一个第二柔性铰链412与三角放大结构413连接，三角放大结构413下方的箝位体41上加工有夹持导轨的豁口414；
两个卡槽410内分别放置有第一压电陶瓷叠堆9，两个卡槽410内布置有用于对第一压电陶瓷叠堆9预紧的第一压电陶瓷预紧机构10，第一压电陶瓷预紧机构10与箝位体41可拆卸连接；
两个驱动体42相隔空间内布置有第二压电陶瓷叠堆11，第二压电陶瓷叠堆11与箝位体41之间布置有用于对第二压电陶瓷叠堆11预紧的第二压电陶瓷预紧机构12，第二压电陶瓷预紧机构12与箝位体41可拆卸连接，第二压电陶瓷叠堆11的长度方向与导轨1的长度方向相同，与第一压电陶瓷叠堆9的长度方向垂直。
较佳地，如图3所示，所述三角放大结构413由两个第三柔性铰链4130和三个箝位块4131组成，相邻两个箝位块4131通过第三柔性铰链4130连接，中间的箝位块4131水平设置，第二柔性铰链412分别与箝位块4131和卡槽410连接。
两个箝位体41和两个驱动体42一体制成构成本体4成为一体式结构，通过其与不同零件组合，分别实现箝位、驱动功能。其中箝位体41上下段是由第一柔性铰链411组成第一杠杆放大结构，由两个第三柔性铰链4130和三个箝位块4131组成三角放大结构，由第二柔性铰链412将三角放大结构与杠杆放大结构有机结合，形成组合结构。由三角放大结构在箝位豁口414衍生出三足三角箝位结构K。
较佳地，如图4和图5所示，所述第一压电陶瓷预紧机构10包含第一挡板100、第一预紧螺钉101和两对第一楔形预紧块102，每个卡槽410内第一压电陶瓷叠堆9与箝位体41之间布置一对楔形预紧块102，箝位体41上布置有用于预紧第一压电陶瓷叠堆9的第一挡板100，第一挡板100通过旋拧在箝位体41上的第一预紧螺钉101顶压两对第一楔形预紧块102中向外延伸的两个第一楔形预紧块1020。
较佳地，如图4所示，所述第二压电陶瓷预紧机构12包含第二挡板120、第二预紧螺钉121和一对第二楔形预紧块122；第二压电陶瓷叠堆11与箝位体41之间布置有一对第二楔形预紧块122，箝位体41上端布置有用于预紧第二压电陶瓷叠堆11的第二挡板120，第二挡板120通过旋拧在箝位体41上的第二预紧螺钉121顶压一对第二楔形预紧块122中向外延伸的第二楔形预紧块1220。
上述中，第一压电陶瓷叠堆9的装配可通过旋拧第一预紧螺钉101，给第一挡板100施力，第一挡板100将力传递至一对第一楔形预紧块102，一对第一楔形预紧块102包括结构相同的斜面对接的第一楔形预紧块102，从而实现对第一压电陶瓷叠堆9的预紧，通过调整预紧力的大小，来调节三足三角箝位结构K与导轨1装配的松紧程度，从而获得合适的静态箝位力。对于驱动机构的第二压电陶瓷叠堆11的预紧，是通过旋拧第二预紧螺钉121将力传至第二挡板120，进而传递到一对第二楔形预紧块122，实现对第二压电陶瓷叠堆11的预紧，其中一对第二楔形预紧块122包括结构相同的斜面对接的第二楔形预紧块122。其中图11中的F表示第一压电陶瓷叠施加的力。
实施例1
参见图1-图7所示，本实施例的一种蠕动式柔性铰链组合压电驱动器包括导轨1、驱动机构和两个箝位机构；
每个箝位机构包含第一压电陶瓷叠堆9、第一压电陶瓷预紧机构10和箝位体41；
驱动机构包含第二压电陶瓷叠堆11、第二压电陶瓷预紧机构12和两个驱动体42
两个箝位体41和两个驱动体42一体制成构成本体4，两个箝位体41相隔设置，两个箝位体41之间布置有相隔设置的两个驱动体42；
每个箝位体41为板状结构，板面上加工有三角放大结构413和两个卡槽410，两个卡槽410被箝位体41隔开，两个卡槽410远离的两端分别加工有一个第一柔性铰链411，两个卡槽410分别通过一个第二柔性铰链412与三角放大结构3连接，三角放大结构3下方的箝位体41上加工有夹持导轨的豁口414；三角放大结构413由两个第三柔性铰链4130和三个箝位块4131组成，相邻两个箝位块4131通过第三柔性铰链4130连接，中间的箝位块4131水平设置，第二柔性铰链412分别与箝位块4131和卡槽410连接；两个卡槽410内分别放置有第一压电陶瓷叠堆9，第一压电陶瓷预紧机构10包含第一挡板100、第一预紧螺钉101和两对第一楔形预紧块102，每个卡槽410内第一压电陶瓷叠堆9与箝位体41之间布置一对楔形预紧块102，箝位体41上布置有用于预紧第一压电陶瓷叠堆9的第一挡板100，第一挡板100通过旋拧在箝位体41上的第一预紧螺钉101顶压两对第一楔形预紧块102中向外延伸的两个第一楔形预紧块1020，两个驱动体42相隔空间内布置有第二压电陶瓷叠堆11，所述第二压电陶瓷预紧机构12包含第二挡板120、第二预紧螺钉121和一对第二楔形预紧块122；第二压电陶瓷叠堆11与箝位体41之间布置有一对第二楔形预紧块122，箝位体41上端布置有用于预紧第二压电陶瓷叠堆11的第二挡板120，第二挡板120通过旋拧在箝位体41上的第二预紧螺钉121顶压一对第二楔形预紧块122中向外延伸的第二楔形预紧块1220，驱动预紧机构12与箝位体41可拆卸连接，第二压电陶瓷叠堆11的长度方向与导轨1的长度方向相同，与第一压电陶瓷叠堆9的长度方向垂直。
本发明蠕动驱动器在整体结构设计上采用一体式设计，将驱动体与两个箝位体结合，没有接触间隙，驱动体产生的变形(力)可以无损失传递给箝位体，采用线切割技术或者激光加工，即可一次性将两个箝体加工好，降低了制造、安装精度要求，保证了蠕动式驱动器工作过程的稳定性。箝位机构与驱动机构有机结合，可以通过一次性加工完成整个驱动体，既减少加工过程中的重装夹次数，且避免了加工完成后对驱动体、箝位体的整体装配。加工过程、装配过程的误差减少或消除，使得驱动体的精度要求下降，达到提高制作效率，且大幅降低成本的目的；采用柔性铰链将三角形放大和杠杆放大有机结合，实现组合放大的功能，实现了箝位位移量与箝位力的平衡，提高了箝位性能。由组合放大结构衍生出的三足三角箝位结构或方式，实现箝位、释放动作的三足联动，由力平衡原理，不仅实现驱动体与导轨装配过程中的位置自平衡，进一步降低了装配要求，而且驱动体在导轨上运动时能实现周向定位功能、还具有微量磨损自补偿的特色，这使得本发明驱动器能实现高精密、长寿命、大行程的直线运动；本实施例组件少，运动可靠性高，结构紧凑。
实施例2
作为上述实施例1的改进，参见图1和图6所示，本实施例的导轨1可选用梯形导轨或半圆柱导轨，即完成实施方式二的结构装配工作。相比于实施方式一的梯形导轨，半圆柱导轨具有更好的可加工性。
实施例3
导轨1装配是通过对两个第一压电陶瓷叠堆9同时通电，使其同时撑开箝位机构10的三足三角箝位结构的豁口414，将导轨1从三足三角箝位结构的豁口414穿至合理位置，对第一压电陶瓷叠堆9同时断电，即完成整个驱动器的结构装配。
工作原理
结合图10-图13说明本发明的工作过程：
第一步：初始，压电驱动器第一个箝位机构、驱动机构和第二个箝位机构中的第一压电陶瓷叠堆9和第二压电陶瓷叠堆11均断电，各机构通电状态如图13的时序6所示。此时第一个箝位机构，第二个箝位机构均箝住导轨1，驱动机构处于未伸长状态。
第二步：第二个箝位机构的第一压电陶瓷叠堆9通电，而第一个箝位机构与驱动机构的第一压电陶瓷叠堆9和第二压电陶瓷叠堆11均处于断电状态，各机构通电状态如图13的时序1所示。此时第二个箝位机构实现对导轨1的箝位释放动作，其三足三角箝位结构K脱离导轨，而第一个箝位机构仍箝住导轨1，驱动机构处于未伸长状态。
第三步：驱动机构的第二压电陶瓷叠堆11通电，第二个箝位机构的第一压电陶瓷叠堆9维持通电状态，第一个箝位机构的第一压电陶瓷叠堆9仍处于断电状态，各机构通电状态如图13的时序2所示。此时第二个箝位机构仍保持对导轨1的箝位释放状态，即其三足三角箝位结构K仍脱离导轨，而第一个箝位机构仍箝住导轨1。驱动机构的驱动体42实现伸长动作，由于第一个箝位机构箝住导轨1，第二个箝位机构脱离导轨1，因而驱动机构的驱动体42推动第二个箝位机构向远离第一个箝位机构的方向伸长。
第四步：驱动机构的第二压电陶瓷叠堆11维持通电，而第二个箝位机构和第一个箝位机构的第一压电陶瓷叠堆9处于断电状态，各机构通电状态如图13的时序3所示。此时第二个箝位机构又恢复至箝位状态，箝住导轨1，第一个箝位机构仍保持箝住导轨1，驱动机构的驱动体42也仍处于伸长状态。
第五步：驱动机构的第二压电陶瓷叠堆11维持通电，第一个箝位机构的第一压电陶瓷叠堆9通电，而第二个箝位机构仍处于断电状态，各机构通电状态如图13的时序4所示。此时第二个箝位机构保持箝位状态，箝住导轨1，而第一个箝位机构实现对导轨1的箝位释放动作，其三足三角箝位结构K脱离导轨，驱动机构也仍处于伸长状态。
第六步：驱动机构的第二压电陶瓷叠堆11断电，第一个箝位机构的第一压电陶瓷叠堆9维持通电，第二个箝位机构的第一压电陶瓷叠堆9仍保持断电状态，各机构通电状态如图13的时序5所示。此时第二个箝位机构保持箝位状态，箝住导轨1，而第一个箝位机构仍保持对导轨1的箝位释放状态，即其三足三角箝位结构K仍脱离导轨1。驱动机构回复至原长状态，由于第二个箝位机构箝住导轨1，而第一个箝位机构脱离导轨1，因而驱动机构回复原长时，带动了第一个箝位机构向第二个箝位机构的靠拢。
第七步：压电驱动器的第二个箝位机构、驱动机构和第一个箝位机构的第一和第二压电陶瓷叠堆均断电，各机构通电状态如图13的时序6所示。此时第一个箝位机构又恢复至箝位状态，箝住导轨1，第二个箝位机构仍保持箝住导轨1，驱动机构处于未伸长状态。至此，整个本体4完成在导轨1上的一次步进式直线运动，整体向右运动了一步。如此循环，在周期性电信号驱动下，压电驱动器实现向右(第二个箝位机构方向)微量运动，步长大小由驱动机构的第二压电陶瓷叠堆11的伸缩量决定，即压电陶瓷的通电电压，以及结构的力学特性。反之，若将控制信号反向控制，则可实现压电驱动器的反向直线运动。
本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。
Claims (6)
1.一种蠕动式柔性铰链组合压电驱动器，其特征在于：它包括导轨(1)、驱动机构和两个箝位机构；
每个箝位机构包含第一压电陶瓷叠堆(9)、第一压电陶瓷预紧机构(10)和箝位体(41)；
驱动机构包含第二压电陶瓷叠堆(11)、第二压电陶瓷预紧机构(12)和两个驱动体(42)；
两个箝位体(41)和两个驱动体(42)一体制成构成本体(4)，两个箝位体(41)相隔设置，两个箝位体(41)之间布置有相隔设置的两个驱动体(42)；
每个箝位体(41)为板状结构，板面上加工有三角放大结构(413)和两个卡槽(410)，两个卡槽(410)被箝位体(41)隔开，两个卡槽(410)远离的两端分别加工有一个第一柔性铰链(411)，两个卡槽(410)分别通过一个第二柔性铰链(412)与三角放大结构(413)连接，三角放大结构(413)下方的箝位体(41)上加工有夹持导轨的豁口(414)；
两个卡槽(410)内分别放置有第一压电陶瓷叠堆(9)，两个卡槽(410)内布置有用于对第一压电陶瓷叠堆(9)预紧的第一压电陶瓷预紧机构(10)，第一压电陶瓷预紧机构(10)与箝位体(41)可拆卸连接；
两个驱动体(42)相隔空间内布置有第二压电陶瓷叠堆(11)，第二压电陶瓷叠堆(11)与箝位体(41)之间布置有用于对第二压电陶瓷叠堆(11)预紧的第二压电陶瓷预紧机构(12)，第二压电陶瓷预紧机构(12)与箝位体(41)可拆卸连接，第二压电陶瓷叠堆(11)的长度方向与导轨(1)的长度方向相同，与第一压电陶瓷叠堆(9)的长度方向垂直。
2.根据权利要求1所述一种蠕动式柔性铰链组合压电驱动器，其特征在于：所述三角放大结构(413)由两个第三柔性铰链(4130)和三个箝位块(4131)组成，相邻两个箝位块(4131)通过第三柔性铰链(4130)连接，中间的箝位块(4131)水平设置，第二柔性铰链(412)分别与箝位块(4131)和卡槽(410)连接。
3.根据权利要求2所述一种蠕动式柔性铰链组合压电驱动器，其特征在于：所述第一压电陶瓷预紧机构(10)包含第一挡板(100)、第一预紧螺钉(101)和两对第一楔形预紧块(102)，每个卡槽(410)内第一压电陶瓷叠堆(9)与箝位体(41)之间布置一对楔形预紧块(102)，箝位体(41)上布置有用于预紧第一压电陶瓷叠堆(9)的第一挡板(100)，第一挡板(100)通过旋拧在箝位体(41)上的第一预紧螺钉(101)顶压两对第一楔形预紧块(102)中向外延伸的两个第一楔形预紧块(1020)。
4.根据权利要求3所述一种蠕动式柔性铰链组合压电驱动器，其特征在于：所述第二压电陶瓷预紧机构(12)包含第二挡板(120)、第二预紧螺钉(121)和一对第二楔形预紧块(122)；第二压电陶瓷叠堆(11)与箝位体(41)之间布置有一对第二楔形预紧块(122)，箝位体(41)上端布置有用于预紧第二压电陶瓷叠堆(11)的第二挡板(120)，第二挡板(120)通过旋拧在箝位体(41)上的第二预紧螺钉(121)顶压一对第二楔形预紧块(122)中向外延伸的第二楔形预紧块(1220)。
5.根据权利要求1、2、3或4所述一种蠕动式柔性铰链组合压电驱动器，其特征在于：其特征在于：所述导轨(1)为梯形导轨。
6.根据权利要求1、2、3或4所述一种蠕动式柔性铰链组合压电驱动器，其特征在于：其特征在于：所述导轨(1)为半圆柱体导轨。
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