CN111193435A - 一种旋转作动器 - Google Patents

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万嫩
温建明
张昱
马继杰
胡意立
陈世楚
蔡俊杰
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Abstract

本发明属于精密驱动领域，具体涉及一种旋转作动器。本发明解决了惯性式压电驱动器因回退现象导致输出效率降低的技术问题。该作动器包括驱动单元、弹簧机构、转子、螺钉和底座；驱动单元与转子接触，通过螺钉安装在底座上；弹簧机构一端与转子接触，另一端安装在底座上；在电压信号激励下，该作动器驱动单元可驱动转子旋转，弹簧机构与转子在运动过程中接触并产生摩擦力，可消除运动过程中转子的回退，实现高效旋转运动。该作动器可应用于精密超精密机械加工、微机电系统、微操作机器人、生物技术、航空航天等领域。

Description

一种旋转作动器
技术领域
本发明涉及一种微纳精密作动器，特别涉及一种旋转作动器。
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、智能机器人、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作动器的精度提出了更高要求。传统的作动器输出精度低，整体尺寸大，无法满足现代先进科技技术中精密系统对微/纳米级高精度和作动器尺寸微小的要求。压电作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。压电作动器主要分为超声型，尺蠖型和惯性型，超声型压电作动器结构紧凑，噪声低，但输出功率小，效率较低，磨损问题严重导致其寿命短；尺蠖型压电作动器输出精度和承载能力较高，但结构复杂，控制困难；惯性型压电作动器结构简单，易于控制，能实现大行程高精度运动，但在运动过程中常出现回退现象导致输出效率降低。因此，有必要设计一种能消除回退现象的惯性型压电作动器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种旋转作动器，解决现有技术存在的上述问题。在电压信号激励下，本发明作动器驱动单元可驱动转子旋转，弹簧机构与转子在运动过程中接触并产生摩擦力，可消除运动过程中转子的回退，实现高效旋转运动。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种旋转作动器，包括驱动单元、弹簧机构、转子、螺钉和底座，驱动单元与转子接触，通过螺钉安装在底座上；弹簧机构一端与转子接触，另一端安装在底座上；在电压信号激励下，该作动器驱动单元可驱动转子旋转，弹簧机构与转子在运动过程中接触并产生摩擦力，可消除运动过程中转子的回退.实现旋转运动。
所述的驱动单元包含压电叠堆、预紧楔块、柔性铰链机构，压电叠堆和预紧楔块安装在柔性铰链机构内，通过预紧楔块可调节预紧力，柔性铰链机构通过螺钉安装在底座上，柔性铰链机构顶部弧形凸起与转子接触，通过螺钉可调节柔性铰链机构与转子间初始预紧力；柔性铰链机构包含四个半圆弧形薄壁柔性铰链，安装在柔性铰链机构内任意一个压电叠堆得电伸长可推动弧形凸起顶紧转子并带动转子旋转。
所述的弹簧机构由弧形块、弹簧和螺纹旋钮固定连接为一体，弧形块与转子接触，螺纹旋钮安装在底座上，通过螺纹旋钮可调节弧形块与转子间的预紧力。
本发明的主要优势在于：在电压信号激励下，该作动器驱动单元可驱动转子旋转，弹簧机构与转子在运动过程中接触并产生摩擦力，可消除运动过程中转子的回退，实现高效旋转运动。该作动器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。
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是本发明的驱动单元柔性铰链机构示意图；
图3是本发明的弹簧机构柔性铰链机构示意图；
图中：
1.驱动单元；2.转子；3.底座；
4.弹簧机构；5.螺钉；1-1.柔性铰链机构；
1-2.压电叠堆I；1-3.预紧楔块I；1-4.压电叠堆II；
1-5.预紧楔块II；4-1.螺纹旋钮；4-2.弹簧；
4-3.弧形块。
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3所示，一种旋转作动器，主要包括驱动单元(1)、弹簧机构(4)、转子(2)、螺钉(5)和底座(3)，驱动单元(1)与转子(2)接触，通过螺钉(5)安装在底座(3)上；弹簧机构(4)一端与转子(2)接触，另一端安装在底座(3)上；在电压信号激励下，该作动器驱动单元(1)可驱动转子(2)旋转，弹簧机构(4)与转子(2)在运动过程中接触并产生摩擦力，可消除运动过程中转子(2)的回退，实现旋转运动。
所述的驱动单元(1)包含压电叠堆I(1-2)、预紧楔块I(1-3)、柔性铰链机构(1-1)、压电叠堆II(1-4)和预紧楔块II(1-5)，压电叠堆I(1-2)、预紧楔块I(1-3)、压电叠堆II(1-4)和预紧楔块II(1-5)安装在柔性铰链机构(1-1)内，通过预紧楔块I(1-3)、预紧楔块II(1-5)可调节预紧力，柔性铰链机构(1-1)通过螺钉(5)安装在底座(3)上，柔性铰链机构(1-1)顶部弧形凸起与转子(2)接触，通过螺钉(5)可调节柔性铰链机构(1-1)与转子(2)间初始预紧力；柔性铰链机构(1-1)包含四个半圆弧形薄壁柔性铰链，安装在柔性铰链机构内的压电叠堆I(1-2)或压电叠堆II(1-4)得电伸长可推动弧形凸起顶紧转子并带动转子旋转。
所述的弹簧机构(4)由弧形块(4-3)、弹簧(4-2)和螺纹旋钮(4-1)固定连接为一体，弧形块(4-3)与转子(2)接触，螺纹旋钮(4-1)安装在底座(3)上，通过螺纹旋钮(4-1)可调节弧形块(4-3)与转子(2)间的预紧力。
参见图1至图3所示，本发明的具体工作过程如下：
初始状态：调节螺钉(5)控制柔性铰链机构(1-1)与转子(2)间的初始预紧力，调节螺纹旋钮(4-3)控制弧形块(4-3)与转子(2)间的预紧力。采用锯齿形或脉冲型电压信号加载在压电叠堆I(1-2)上。压电叠堆I(1-2)不带电；
以锯齿形电压信号为例，当电压缓慢上升，压电叠堆I(1-2)通电，通过逆压电效应压电叠堆I(1-2)伸长，驱动柔性铰链机构(1-1)变形，柔性铰链机构(1-1)的圆弧形凸起压紧转子(2)，同时带动转子(2)旋转；
当电压急速下降，压电叠堆I(1-2)开始失电回复初始状态，柔性铰链机构(1-1)也回复初始状态，在这个过程中，柔性铰链机构(1-1)与转子(2)间的摩擦力会引起转子(2)产生回退运动，而弧形块(4-3)与转子(2)间会产生防止转子(2)回退的反向摩擦力，阻止转子(2)产生回退，转子(2)仍保持在旋转后的位置；
重复上述步骤，该作动器可实现大行程高效旋转运动。
在驱动单元(1)中的压电叠堆II(1-4)上加载同样电压信号，重复上述步骤，可以实现相反方向的大行程高效旋转运动。
本发明涉及的一种旋转作动器，在电压信号激励下，该作动器驱动单元(1)可驱动转子(2)旋转，弹簧机构(4)与转子(2)在运动过程中接触并产生摩擦力，可消除运动过程中转子(2)的回退，实现大行程正反向旋转运动，具有发热小、驱动平稳、可靠、高效的特点。

Claims (3)

1.一种旋转作动器，其特征在于：包括驱动单元、弹簧机构、转子、螺钉和底座；驱动单元与转子接触，通过螺钉安装在底座上；弹簧机构一端与转子接触，另一端安装在底座上；在电压信号激励下，该作动器驱动单元可驱动转子旋转，弹簧机构与转子在运动过程中接触并产生摩擦力，可消除运动过程中转子的回退，实现旋转运动。
2.根据权利要求1所述的一种旋转作动器，其特征在于：所述的驱动单元包含压电叠堆、预紧楔块、柔性铰链机构，压电叠堆和预紧楔块安装在柔性铰链机构内，通过预紧楔块可调节预紧力，柔性铰链机构通过螺钉安装在底座上，柔性铰链机构顶部弧形凸起与转子接触，通过螺钉可调节柔性铰链机构与转子间初始预紧力；柔性铰链机构包含四个半圆弧形薄壁柔性铰链，安装在柔性铰链机构内任意一个压电叠堆得电伸长可推动弧形凸起顶紧转子并带动转子旋转。
3.根据权利要求1所述的一种旋转作动器，其特征在于：所述的弹簧机构由弧形块、弹簧和螺纹旋钮固定连接为一体，弧形块与转子接触，螺纹旋钮安装在底座上，通过螺纹旋钮可调节弧形块与转子间的预紧力。
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