CN110768571B - 一种基于寄生惯性原理的仿生爬行式压电精密驱动装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于寄生惯性原理的仿生爬行式压电精密驱动装置,包括压电叠堆、非对称薄壁式柔性铰链机构、动子、预紧螺钉、预紧楔块和底座。压电叠堆在电压信号驱动下可伸长和恢复;非对称薄壁式柔性铰链机构可实现寄生惯性运动;预紧螺钉调节非对称薄壁式柔性铰链机构与动子间的初始预紧力;底座起支撑作用。本发明两个压电叠堆在电压的时序控制下,交替提供驱动,使非对称薄壁式柔性铰链机构做仿生爬行运动,既增加了输出负载,又消除了运动周期内动子的回退现象,提高了装置的输出性能,实现了动子的高效直线运动。该平台可应用于精密超精密机械加工、微机电系统、微操作机器人、大规模集成电路制造、生物技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及精密超精密加工、微纳操作机器人、微机电系统程领域,特别涉及一种基于寄生惯性原理的仿生爬行式压电精密驱动装置。
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、光学工程、现代医疗、航空航天科技等高尖端科学技术领域中的关键技术。为实现微/纳米级的输出精度,现代精密驱动技术的应用对驱动装置的精度提出了更高要求。传统的驱动装置输出精度低,整体尺寸大,无法满足现代先进科技技术中精密系统对微/纳米级高精度和驱动装置尺寸微小的要求。压电陶瓷驱动器具有体积尺寸小、位移分辨率高、输出负载大、能量转换率高等优点,能实现微/纳米级的输出精度,已经越来越多地被应用到微定位和精密超精密加工中。现有的压电惯性驱动装置通常将压电元件和动子质量块平行放置于其运动方向,预紧力垂直于压电元件的主输出方向,整体装置的输出负载主要依赖于预紧力产生的摩擦力。然而压电元件如压电叠堆,通常采用d33的工作模式,其在垂直于主输出方向的截面上刚度较小,产生的预紧力较小,导致整体装置的输出负载大大降低,压电元件在主输出方向的较大刚度没有得到充分的利用;单个压电叠堆提供的输出负载小;运动中的回退现象进一步降低输出性能。因此,有必要设计一种充分利用压电叠堆主输出方向的刚度,消除回退现象,提高输出负载,进一步提高压电驱动装置的输出负载的仿生爬行式压电精密驱动装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于寄生惯性原理的仿生爬行式压电精密驱动装置,解决了现有技术存在的上述问题。本发明具有结构简单紧凑,输出精度高,输出刚度和输出负载大,输出频率高的特点,同时能实现直线运动输出功能。
本发明采用两组压电驱动单元,压电叠堆的主输出方向与动子运动方向垂直布置,采用两个由八个薄壁式柔性铰链连接的非对称柔性铰链机构,在两个压电叠堆的交替驱动下,非对称薄壁式柔性铰链机构按照时序依次实现寄生惯性运动,这种仿生爬行,可消除运动周期内动子(5)的回退现象,大大提高装置的输出性能,实现动子的直线运动。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现:
一种基于寄生惯性原理的仿生爬行式压电精密驱动装置,包括两组压电驱动单元I和II,及动子(5)和非对称薄壁式柔性铰链机构I、II(4、6)、压电叠堆I、II(3、7)、预紧楔块I、II(2、8)、预紧螺钉I、II(1、9)、底座(10),所述精密驱动装置利用寄生惯性原理实现微纳米级仿生爬行式精密直线驱动。动子(5)采用带有滑块的高精度直线导轨,导轨通过螺钉固定在底座(10)上;非对称薄壁式柔性铰链机构I、II(4、6)通过螺钉安装在底座(10)上;预紧楔块I、II(2、8)分别布置在压电叠堆I、II(3、7)和非对称薄壁式柔性铰链机构I,II(4、6)之间,压电叠堆I、II(3、7))可通过预紧楔块I、II(2、8)进行预紧;预紧螺钉I、II(1、9)紧固在底座上(10),与非对称薄壁式铰链机构I、II(4、6)下端接触,调节非对称薄壁式柔性铰链机构I、II(4、6)与动子(5)之间的初始预紧力;非对称薄壁式铰链机构I、II(4、6)由八个薄壁式柔性铰链连接,组成非对称形式,其上端弧形结构与动子(5)接触;底座(10)起支撑和安装固定其他零件作用。
所述压电驱动单元I包括压电叠堆I(3)、非对称薄壁式柔性铰链机构I(4),压电驱动单元II包括压电叠堆II(7)、非对称薄壁式柔性铰链机构II(6),压电叠堆I、II(3、7)分别设置在非对称薄壁式柔性铰链机构I、II(4、6)内,驱动压电叠堆I(3)驱动非对称薄壁式柔性铰链机构I(4)伸长,驱动压电叠堆II(7)驱动非对称薄壁式柔性铰链机构II(6)伸长,通过控制驱动压电叠堆I、II(3、7)之间的时序实现仿生爬行式运动,进而驱动动子(5)直线精密运动;
本发明的优势在于:利用寄生惯性运动原理,将压电叠堆的主输出方向与动子运动方向垂直布置;采用两个由八个薄壁式柔性铰链连接的非对称柔性铰链机构;在两个压电叠堆的交替驱动下,非对称薄壁式柔性铰链机构按照时序依次做寄生惯性运动,这种仿生爬行式的运动,可消除运动周期内动子的回退现象;本发明大大提高了装置的输出性能,实现了动子的直线运动,具有驱动可靠性高、平稳性好、工作效率高等优势,可应用于精密超精密加工、微操作机器人、微机电系统、大规模集成电路制造、生物技术等重要科学工程领域。本发明结构简单、布置紧凑、运动稳定,具有效率高、投资少、效益高等优势,应用前景广阔。
附图说明
此处附图说明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是本发明的等轴测视示意图;
图2是本发明的主视示意图;
图3是本发明的左视示意图;
图4是本发明的非对称薄壁式柔性铰链机构示意图。
图中:
1.预紧螺钉I;2.预紧楔块I; 3.压电叠堆I;
4.非对称薄壁式柔性铰链机构I; 5.动子;6.非对称薄壁式柔性铰链机构II;
7.压电叠堆II; 8.预紧楔块II;9.预紧螺钉II;
10.底座。
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4所示,一种基于寄生惯性原理的爬行式压电精密驱动装置,主要包括动子(5)、压电叠堆I、II(3、7)、预紧楔块I、II(2、8)、预紧螺钉I、II(1、9)、非对称薄壁式柔性铰链机构I、II(4、6)和底座(10),所述精密驱动装置通过寄生惯性原理实现压电直线精密驱动。动子(5)采用带有滑块的高精度直线导轨,导轨通过螺钉固定在底座(10)上;非对称薄壁式柔性铰链机构I、II(4、6)通过螺钉安装在底座(10)上;压电叠堆I、II(3、7)分别安装于非对称薄壁式柔性铰链机构I、II(4、6)内,其主输出方向与动子(5)运动方向垂直布置;预紧楔块I、II(2、8)布置在压电叠堆I、II(3、7)和非对称薄壁式柔性铰链机构I、II(4、6)之间,可通过预紧楔块I、II(2、8)进行预紧;预紧螺钉I、II(1、9)紧固在底座(10)上,与非对称薄壁式铰链机构下端接触,非对称薄壁式柔性铰链机构I、II(4、6)为非对称薄壁式,其上端弧形结构与动子(5)接触;底座(10)起支撑和安装固定其他零件作用,动子(5)和非对称薄壁式柔性铰链机构I、II(4、6)通过螺钉安装在底座(10)上。
所述的压电叠堆I、II(3、7)的主输出方向与动子(5)运动方向垂直布置,将压电叠堆I、II(3、7)主输出方向的较大刚度充分利用;所述的非对称薄壁式柔性铰链机构I、II(4、6)刚度输出性能好,非对称薄壁式柔性铰链机构上端可承受较大的预紧力,运动稳定高效。压电叠堆I、II(3、7)得电提供动子(5)直线运动的驱动力和非对称薄壁式柔性铰链机构I、II(4、6))和动子(5)之间的预紧力,大大提高了压电驱动装置的输出负载,可实现高效直线运动。
参见图1至图4所示,本发明的具体工作过程如下:
动子直线运动的实现,初始状态:调节预紧螺钉I、II(1、9)来调节非对称薄壁式柔性铰链机构I、II(4、6)与动子(5)间的接触距离,即寄生运动过程中的初始预紧力。采用锯齿波或三角波形式的压电信号控制压电叠堆I、II(3、7)。通过控制电压,压电叠堆I、II(3、7)按照时序依次带电。压电叠堆I、II(3、7)不带电,系统处于自由状态;当压电叠堆I(3)通电后,通过逆压电效应伸长,推动非对称薄壁式柔性铰链机构I(4)变形,非对称薄壁式柔性铰链机构I(4)压紧动子(5),非对称薄壁式柔性铰链机构I(4)在与动子(5)间静摩擦力的作用下,带动动子(5)移动;当压电叠堆I(3)将要失电时,压电叠堆II(7)带电。压电叠堆II(7)带电后通过逆压电效应伸长,推动非对称薄壁式柔性铰链机构II(6)变形,非对称薄壁式柔性铰链机构II(6)压紧动子(5),非对称薄壁式柔性铰链机构II(6)在与动子(5)间静摩擦力的作用下,带动动子(5)移动;当压电叠堆II(7)将要失电时,压电叠堆I(3)又带电,从而完成了该驱动装置的一个运动周期。在这个过程中,压电叠堆I(3)失电后回退至初始位置时,非对称薄壁式柔性铰链机构I(4)也回复初始状态,动子(5)仍然保持在移动后的位置;压电叠堆II(7)失电后迅速回退至初始位置时,非对称薄壁式柔性铰链机构II(6)也回复初始状态,动子(5)仍然保持在第二次移动后的位置。重复上述步骤,该驱动装置可实现在所需方向的直线运动,获得较大输出位移。
本发明涉及的一种基于寄生惯性原理的仿生爬行式压电精密驱动装置,由于采用了两组压电叠堆作为驱动源及非对称薄壁式柔性铰链机构作为动力传递元件,具有发热小、驱动平稳、可靠、高效的特点,并能实现直线精密运动等功能。
Claims (4)
1.一种基于寄生惯性原理的仿生爬行式压电精密驱动装置,包括两组压电驱动单元I和II、动子(5)、预紧楔块I、II(2、8)、预紧螺钉I、II(1、9)、底座(10),其特征在于:所述精密驱动装置利用寄生惯性原理实现微纳米级仿生爬行式直线精密驱动;所述压电驱动单元I包括压电叠堆I(3)、非对称薄壁式柔性铰链机构I(4)、压电驱动单元II包括压电叠堆II(7)、非对称薄壁式柔性铰链机构II(6),压电叠堆I、II(3、7)分别设置在非对称薄壁式柔性铰链机构I、II(4、6)内;压电叠堆I(3)驱动非对称薄壁式柔性铰链机构I(4)伸长,压电叠堆II(7)驱动非对称薄壁式柔性铰链机构II(6)伸长,通过控制驱动压电叠堆I、II(3、7)之间的时序实现仿生爬行式运动,进而驱动动子(5)的直线精密运动;所述动子(5)采用带有滑块的高精度直线导轨,导轨通过螺钉固定在底座(10)上,用以实现高精度的直线运动;非对称薄壁式柔性铰链机构I、II(4、6)通过螺钉安装在底座(10)上;压电叠堆I、II(3、7)可通过预紧楔块I、II(2、8)进行预紧;预紧螺钉I、II(1、9)可调节非对称薄壁式柔性铰链机构I、II(4、6)与动子(5)之间的初始预紧力;非对称薄壁式柔性铰链机构I、II(4、6)通过八个薄壁式柔性铰链连接,组成非对称形式的平行四边形结构。
2.根据权利要求1所述的基于寄生惯性原理的仿生爬行式压电精密驱动装置,其特征在于压电叠堆I、II(3、7)的主输出方向与动子(5)运动方向垂直布置。
3.根据权利要求1所述的基于寄生惯性原理的仿生爬行式压电精密驱动装置,其特征在于采用非对称薄壁式柔性铰链机构I、II(4、6)的寄生惯性驱动原理,压电叠堆I、II(3、7)分别得电时,分别推动非对称薄壁式柔性铰链机构I、II(4、6)分别产生两个方向的复合力,一个方向的力作为驱动力推动动子(5)做直线运动;另一个方向的力向上顶紧动子(5)施加预紧力。
4.根据权利要求1所述的基于寄生惯性原理的仿生爬行式压电精密驱动装置,其特征在于通过对两组压电驱动单元I和II的时序控制,交替提供驱动电压;当压电叠堆I(3)通电后,通过非对称薄壁式柔性铰链机构I(4)的寄生惯性运动,推动动子(5)作直线移动;当压电叠堆I(3)将要失电时,压电叠堆II(7)带电;压电叠堆II(7)带电后,通过非对称薄壁式柔性铰链机构II(6)的寄生惯性运动,推动动子(5)继续作直线移动;当压电叠堆II(7)将要失电时,压电叠堆I(3)又带电;在这个过程中,压电叠堆I(3)失电回退至初始位置时,非对称薄壁式柔性铰链机构I(4)也回复初始状态;压电叠堆II(7)失电后迅速回退至初始位置时,非对称薄壁式柔性铰链机构II(6)也回复初始状态;两个非对称薄壁式柔性铰链机构I、II(4、6)分别在两个压电叠堆I、II(3、7)交替驱动下,做仿生爬行运动,可消除运动周期内动子(5)的回退现象。
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