CN111245289A - 一种压电驱动的旋转运动装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于精密驱动领域，具体涉及一种压电驱动的旋转运动装置及其控制方法。本发明解决了尺蠖型压电驱动装置结构复杂、控制困难的技术问题。该装置包括驱动单元、钳位单元、转子、螺钉和底座；驱动单元和钳位单元通过螺钉安装在底座上；该装置通过对电压信号的时序控制，使驱动单元和钳位单元交替协同工作，可实现大行程高精度旋转运动，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

一种压电驱动的旋转运动装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种微纳精密驱动装置，特别涉及压电驱动的旋转运动装置及其控制方法。
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。压电驱动装置具有体积尺寸小、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。尺蠖压电驱动装置在获得较大输出行程的同时能够保证较高的输出精度与承载能力，受到了研究学者的广泛关注。尺蠖型驱动装置通常需采用两路钳位单元、一路驱动单元，多路时序控制，存在结构复杂、控制困难的问题，不利于尺蠖型压电驱动的实际应用。因此，有必要设计一种能简化结构和控制的压电驱动装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种压电驱动的旋转运动装置及其控制方法，解决现有技术存在的上述问题。本发明通过电压信号的时序控制，使一组驱动单元和一组钳位单元交替协同工作，可实现大行程高精度旋转驱动，同时能有效简化装置结构和控制。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种压电驱动的旋转运动装置，包括驱动单元、钳位单元、转子、螺钉和底座，驱动单元和钳位单元通过螺钉安装在底座上；所述装置通过时序控制使驱动单元和钳位单元交替协同工作，驱动转子做旋转运动。
所述的驱动单元包括压电叠堆、柔性铰链机构、预紧楔块；压电叠堆安装于柔性铰链机构内，通过预紧楔块进行预紧；柔性铰链机构为“伞型”，包含四个半圆弧形薄壁柔性铰链，通过螺钉可调节柔性铰链机构与转子间的初始预紧力，顶部弧形凸起部分与转子接触，压电叠堆得电伸长可推动弧形凸起部分顶紧转子并带动转子旋转。
所述的钳位单元包括压电叠堆、柔性铰链机构、预紧楔块；压电叠堆安装于柔性铰链机构内，通过预紧楔块进行预紧；柔性铰链机构包含四个薄壁柔性铰链，通过螺钉可调节柔性铰链机构与转子间的初始预紧力，弧形凸起部分与转子接触，压电叠堆得电伸长可推动弧形凸起部分顶住转子实现钳位。
一种压电驱动的旋转运动装置的控制方法，包括以下步骤：
第①步，初始状态：调节螺钉来控制柔性铰链机构与转子间的初始预紧力；采用两组电压信号分别控制驱动单元、钳位单元；驱动单元和钳位单元的压电叠堆都不带电；
第②步，驱动单元推动转子旋转；
第③步，钳位单元对转子进行钳位；
第④步，驱动单元恢复到初始状态；
第⑤步，钳位单元恢复到初始状态，一个运动周期结束；
第⑥步，重复上述步骤，驱动单元和钳位单元交替工作，该驱动装置可实现大行程高精度旋转运动。
本发明的主要优势在于：通过电压信号的时序控制使一组驱动单元和一组钳位单元交替协同工作，可实现微纳米级大行程旋转运动，同时可以有效简化装置结构和控制。该装置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是本发明的钳位单元柔性铰链机构示意图；
图4是加载在驱动单元压电叠堆、钳位单元压电叠堆上的电压信号。
图中：
1，驱动单元； 2.转子； 3.底座；
4.钳位单元； 5.螺钉； 1-1.压电叠堆I；
1-2.预紧楔块I； 1-3.柔性铰链机构I； 1-4.压电叠堆III；
1-5.预紧楔块III； 4-1.压电叠堆II； 4-2.预紧楔块II；
4-3.柔性铰链机构II。
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，一种压电驱动的旋转运动装置，主要包括驱动单元(1)、钳位单元(4)、转子(2)、螺钉(5)和底座(3)，驱动单元(1)和钳位单元(4)通过螺钉(5)安装在底座(3)上；所述装置通过时序控制使驱动单元(1)和钳位单元(4)协同工作，驱动转子(2)做旋转运动。
所述的驱动单元(1)包括柔性铰链机构I(1-3)、预紧楔块I(1-2)、压电叠堆I(1-1)、压电叠堆III(1-4)、预紧楔块III(1-5)；压电叠堆I(1-1)、压电叠堆III(1-4)安装于柔性铰链机构I(1-3)内，分别通过预紧楔块I(1-2)、预紧楔块III(1-5)进行预紧；柔性铰链机构I(1-3)为“伞型”，包含四个半圆弧形薄壁柔性铰链，通过螺钉(5)可调节柔性铰链机构I(1-3)与转子(2)间的初始预紧力，顶部弧形凸起部分与转子(2)接触，压电叠堆I(1-1)、压电叠堆III(1-4)分别得电伸长可推动弧形凸起部分顶紧转子(2)并带动转子(2)旋转。
所述的钳位单元(4)包括压电叠堆II(4-1)、预紧楔块II(4-2)、柔性铰链机构II(4-3)；压电叠堆II(4-1)安装于柔性铰链机构II(4-3)内，通过预紧楔块II(4-2)进行预紧；柔性铰链机构II(4-3)包含四个薄壁柔性铰链，通过螺钉(5)可调节柔性铰链机构II(4-3)与转子(2)间的初始预紧力，弧形凸起部分与转子(2)接触，压电叠堆II(4-1)得电伸长可推动弧形凸起部分顶住转子(2)实现钳位。
一种压电驱动的旋转运动装置的控制方法，包括以下步骤：
第①步，初始状态：调节螺钉(5)来控制柔性铰链机构I(1-3)、柔性铰链机构II(4-3)与转子(2)间的初始预紧力；采用两组电压信号分别控制驱动单元(1)、钳位单元(4)；驱动单元(1)和钳位单元(4)的压电叠堆都不带电；
第②步，驱动单元(1)推动转子(2)旋转；
第③步，钳位单元(4)对转子(2)进行钳位；
第④步，驱动单元(1)恢复到初始状态；
第⑤步，钳位单元(4)恢复到初始状态，一个运动周期结束；
第⑥步，重复上述步骤，驱动单元(1)和钳位单元(4)交替工作，该驱动装置可实现大行程高精度旋转运动。
参见图1至图4所示，本发明的具体工作过程如下：
第①步，初始状态：调节螺钉(5)来控制柔性铰链机构I(1-3)、柔性铰链机构II(4-3)与转子(2)间的初始预紧力。采用两组电压信号U1、U2分别控制驱动单元(1)、钳位单元(4)，电压信号U1加载在驱动单元(1)中压电叠堆I(1-1)和压电叠堆III(1-4)上，电压信号U2加载在钳位单元(4)中压电叠堆II(4-1)上。压电叠堆I(1-1)、压电叠堆III(1-4)、压电叠堆II(4-1)都不带电；
第②步，U1上升信号，驱动单元(1)动作：当压电叠堆I(1-1)通电后，通过逆压电效应伸长，驱动柔性铰链机构I(1-3)变形，导致柔性铰链机构I(1-3)的圆弧形凸起压紧转子(2)，同时带动转子(2)旋转；
第③步，U2上升信号，钳位单元(4)动作：在压电叠堆I(1-1)失电回退前，钳位单元(4)的压电叠堆II(4-1)通电，推动柔性铰链机构II(4-3)的圆弧形凸起顶紧转子(2)进行钳位；
第④步，U1下降信号，驱动单元(1)恢复：压电叠堆I(1-1)失电，回复初始状态，柔性铰链机构I(1-3)也回复初始状态，转子(2)仍保持在转动一个角度后的位置；
第⑤步，U2下降信号，钳位单元(4)恢复：压电叠堆II(4-1)失电，回复初始状态，柔性铰链机构II(4-3)也回复初始状态，一个运动周期结束；
第⑥步，重复上述步骤，驱动单元(1)和钳位单元(4)交替工作，该驱动装置可实现大行程高精度旋转运动。
在驱动单元(1)中的压电叠堆III(1-4)、钳位单元(4)中的压电叠堆II(4-1)上分别加载同样电压信号U1、U2，重复上述步骤，可以实现相反方向的大行程旋转运动。
本发明涉及的一种压电驱动的旋转运动装置及其控制方法，通过对电压信号的时序控制，使一组驱动单元和一组钳位单元交替协同工作，可实现大行程正反向精密旋转驱动，具有发热小、驱动平稳、可靠、高效的特点。

Claims (4)

1.一种压电驱动的旋转运动装置，其特征在于：包括驱动单元、钳位单元、转子、螺钉和底座，驱动单元和钳位单元通过螺钉安装在底座上；所述装置通过对信号的时序控制使驱动单元和钳位单元交替协同工作，可实现旋转运动。
2.根据权利要求1所述的一种压电驱动的旋转运动装置，其特征在于：所述的驱动单元包括压电叠堆、柔性铰链机构、预紧楔块；压电叠堆安装于柔性铰链机构内，通过预紧楔块进行预紧；柔性铰链机构为“伞型”，包含四个半圆弧形薄壁柔性铰链，通过螺钉可调节柔性铰链机构与转子间的初始预紧力，顶部弧形凸起部分与转子接触，压电叠堆得电伸长可推动弧形凸起部分顶紧转子并带动转子旋转。
3.根据权利要求1所述的一种压电驱动的旋转运动装置，其特征在于：所述的钳位单元包括压电叠堆、柔性铰链机构、预紧楔块；压电叠堆安装于柔性铰链机构内，通过预紧楔块进行预紧；柔性铰链机构包含四个薄壁柔性铰链，通过螺钉可调节柔性铰链机构与转子间的初始预紧力，弧形凸起部分与转子接触，压电叠堆得电伸长可推动弧形凸起部分顶住转子实现钳位。
4.一种如权利要求1所述的压电驱动的旋转运动装置的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
第①步，初始状态：调节螺钉来控制柔性铰链机构与转子间的初始预紧力；采用两组电压信号分别控制驱动单元、钳位单元；驱动单元和钳位单元的压电叠堆都不带电；
第②步，驱动单元推动转子旋转；
第③步，钳位单元对转子进行钳位；
第④步，驱动单元恢复到初始状态；
第⑤步，钳位单元恢复到初始状态，一个运动周期结束；
第⑥步，重复上述步骤，驱动单元和钳位单元交替工作，该驱动装置可实现旋转运动。
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