CN112491294B - 一种方向随动式微摩擦二维矢量压电驱动工作台 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种方向随动式微摩擦二维矢量压电驱动工作台，包括工作台、转向板、转向轮、定向轮、驱动电机、转向机构、转向传递轴；定向轮和转向轮的轮毂为十字形板状，轮毂的两面均设有压电晶片，一侧的压电晶片为驱动压电晶片，另一侧的压电晶片为制动压电晶片。本发明是以压电为驱动源的工作平台，压电晶片震动驱动轮子运动，带动工作台实现直线运动，当齿轮转动通过转向传递轴、万向节和转向板并配合控制输出的压电信号的电压实现转向轮两轮的驱动转矩不同和侧向力作用，使工作台实现二维的平面移动，利用压电晶片实现了工作平台微小位移，借助齿轮齿条机械结构，结构简单，对于小位移工作平台的平稳性和安全性有着十分积极意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种压电驱动工作台，特别涉及一种方向随动式微摩擦二维矢量压电驱动工作台。
背景技术
压电陶瓷也称压电晶片，具有压电性，对于正压电性，某些电介质在机械外力作用下，介质内部正负电荷中心发生相对位移而引起极化，从而导致电介质两端表面内出现符号相反的束缚电荷。在外力不太大的情况下，其电荷密度与外力成正比，而且压电陶瓷遵从胡克定律，即有几何变形与载荷的关系，其中弹性系数与电学边界条件有关。压电陶瓷常用于压电驱动，目前压电驱动多为直线移动和旋转运动，压电驱动基本原理是基于压电陶瓷材料的逆压电效应，通过控制其机械变形产生旋转或直线运动。它具有结构简单，低速、大力矩的优点。目前大部分的压电驱动工作台大多是蠕动式与惯性式，带动工作平台移动，主要用于直线运动和旋转，一般压电驱动工作台的角度调整采用压电结构，调整速度和范围比较有限，并且成本和造价高，缺少相对大行程和多角度的二维运动形式。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题，提供一种方向随动式微摩擦二维矢量压电驱动工作台，包括工作台、转向板、转向轮、定向轮、驱动电机、转向机构、转向传递轴；所述的工作台一端的两侧分别设有立柱和转向轮支杆，转向板通过转轴与转向轮支杆枢接，转向板位于转向轮支杆的下方；转向板的自由端设有T形板，转向轮的轮轴枢接在T形板下部，转向轮分别位于工作台一端的两侧；所述的转向机构水平设置工作台一端，转向机构包括一对伸缩气囊和齿条，两伸缩气囊的相对端分别设有气囊轴，齿条的两端分别与两气囊轴相对端相连，两伸缩气囊的外端分别设有气囊固定杆，整个转向机构通过气囊固定杆固定在工作台的两侧立柱上；伸缩气囊、气囊轴、气囊固定杆和齿条位于同一横轴；驱动电机设在工作台上，驱动电机的输出轴与齿轮同轴固连；齿轮与转向机构的齿条啮合；两转向传递轴相对设置，转向传递轴为L形轴杆，每个转向传递轴一端与气囊轴相连，另一端通过万向节与转向板相连；定向轮通过轮轴枢接在工作台另一端的两侧；定向轮和转向轮的轮毂为十字形板状，轮毂的两面均设有压电晶片，一侧的压电晶片为驱动压电晶片，另一侧的压电晶片为制动压电晶片。
进一步的，所述的T形板上部设有套孔，转向板的自由端上部设有螺杆，T形板通过套孔套在转向板的螺杆上，并通过螺母紧固，将T形板与转向板固连；T形板的下部设有枢接孔，转向轮的轮轴设在T形板下部枢接孔内。
进一步的，转向传递轴一端设有套环，另一端与万向节连接；转向传递轴通过套环与气囊轴相连，通过螺栓穿过套环将其紧固。
进一步的，驱动电机设在电机支座上，电机支座固定在工作台上。
进一步的，气囊固定杆上设有凹槽，通过固定板将气囊固定杆夹持在固定板与立柱之间，固定板通过螺栓紧固在立柱上。
本发明的工作原理：
向工作台输入驱动信号A信号，转向轮和定向轮轮毂上的压电晶片在A信号的作用下以一定频率和振幅震动，提供扭矩驱动轮子转动，进而带动工作台直线运动；
当需要转向时，向驱动电机输入转向信号B信号，驱动电机输出转矩，齿轮转动带动齿条运动，压缩一侧的伸缩气囊沿轴向运动，再通过转向传递轴推动转向板绕着转轴在水平方向转动，进而推动转向轮转向；
伸缩气囊提供水平方向的支撑力，转向传递轴提供竖直方向的支撑力，转向传递轴配合万向节的使用，伸缩气囊和转向传递轴共同保证伸缩气囊沿轴向水平运动，始终在同一高度和固定范围内往复运动，避免轮轴偏离损坏轮子；同时相对于B信号延时输入转向驱动信号C和D信号，各作用在两侧转向轮的压电晶片上，分别调节震动频率和幅度使两侧转向轮产生相应的转向驱动力，配合轮轴实现在微摩擦工作平台上的转向和移动。
当工作台需要制动时，利用设在驱动压电晶片另一侧的制动压电晶片实现，A、B、C、D信号停止，通过输入制动信号E信号，使制动压电晶片以一定频率和振幅震动产生反力作用抑制轮子的转动，达到制动效果，同时防止设备损坏。
本发明的有益效果：
本发明是以压电为驱动源的工作平台，不同于简单的直线运动，压电晶片震动驱动轮子运动，带动工作台实现直线运动，采用电机驱动的独立的转矩传递结构对转向结构进行控制，当齿轮转动通过转向传递轴、万向节和转向板并配合控制输出的压电信号的电压实现转向轮两轮的驱动转矩不同和侧向力作用，使工作台实现二维的平面移动，充分发挥了压电晶片的物理特性，从而实现驱动器的平面位置进行任意角度调整，不需进行多个维度的压电驱动器的叠加使用，利用压电晶片实现了工作平台微小位移，通过新颖的转矩传递结构实现了工作台的二维移动。本发明借助齿轮齿条机械结构，结构简单，齿轮齿条结合万向节的转向结构很大程度的扩大了转动角度，而且十分可靠，对于精密位移工作平台的平稳性和安全性有着十分积极意义。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明转向轮连接结构局部示意图；
图3为本发明万向节与转向传递轴连接结构局部示意图；
图4为本发明转向板结构示意图；
图5为本发明转向传递轴结构示意图；
图6为本发明T形板结构示意图；
图7为本发明伸缩气囊与气囊固定杆连接结构示意图；
1、工作台 2、转向板 3、转向轮 4、定向轮 5、驱动电机
6、转向传递轴 7、立柱 8、转向轮支杆 9、转轴 10、T形板
11、伸缩气囊 12、齿条 13、气囊轴 14、气囊固定杆 15、齿轮
16、万向节 17、压电晶片 18、套孔 19、螺杆 20、套环
21、电机支座 22、固定板 23、枢接孔。
具体实施方式
请参阅图1-7所示：
本发明提供的一种方向随动式微摩擦二维矢量压电驱动工作台，包括工作台1、转向板2、转向轮3、定向轮4、驱动电机5、转向机构、转向传递轴6；所述的工作台1一端的两侧分别设有立柱7和转向轮支杆8，转向轮支杆8水平设置，转向板2呈水滴形，转向板2宽部通过转轴9与转向轮支杆8枢接，转向板2位于转向轮支杆8的下方；转向板2的自由端即窄部设有T形板10，所述的T形板10上部设有套孔18，转向板2的自由端即窄部上部设有螺杆19，T形板10通过套孔18套在转向板2的螺杆19上，并通过螺母紧固，将T形板10与转向板2固连；T形板10的下部设有枢接孔，转向轮3的轮轴设在T形板10下部枢接孔23内。
所述的转向机构水平设置在工作台1转向轮的一端，转向机构包括一对伸缩气囊11和一根齿条12，两伸缩气囊11的相对端分别设有气囊轴13，齿条12的两端分别与两气囊轴13相对端相连，两伸缩气囊11的外端分别设有气囊固定杆14，气囊固定杆14上设有凹槽，通过固定板22将气囊固定杆14夹持在固定板22与立柱7之间，固定板22通过螺栓紧固在立柱7上，将转向机构固定在工作台1的两侧立柱7上；
驱动电机5设在电机支座21上，电机支座21固定在工作台1上，驱动电机5的输出轴与齿轮15同轴固连；齿轮15与转向机构的齿条12啮合；转向传递轴6为L形轴杆，一端设有套环20，另一端与万向节16连接；两转向传递轴相对设置，每个转向传递轴6一端通过套环20与气囊轴13相连，通过螺栓穿过套环20将其紧固，另一端通过万向节16与转向板2下部的凸起连接部相连；定向轮4通过轮轴枢接在工作台1另一端的两侧；转向轮3和定向轮4的轮毂为十字形板状，轮毂的两面均设有压电晶片17，一侧的压电晶片17为驱动压电晶片17，另一侧的压电晶片17为制动压电晶片17。
所述的伸缩气囊11为圆柱状，表面为数层可折叠的环形折纹，伸缩气囊11能够被压缩和被拉伸，材质有一定的硬度能起到支撑作用。
本发明的工作原理：
向工作台输入驱动信号A信号，转向轮3和定向轮4轮毂上的压电晶片17在A信号的作用下以一定频率和振幅震动，提供扭矩驱动轮子转动，进而带动工作台1直线运动；
当需要转向时，向驱动电机5输入转向信号B信号，驱动电机5输出转矩，齿轮15转动带动齿条12运动，压缩一侧的伸缩气囊11沿轴向运动，再通过转向传递轴6推动转向板2绕着转轴9在水平方向转动，进而推动转向轮3转向；
伸缩气囊11提供水平方向的支撑力，转向传递轴6提供竖直方向的支撑力，防止伸缩气囊11下沉，转向传递轴6配合万向节16的使用共同保证伸缩气囊11沿轴向水平运动，伸缩气囊11始终在同一高度和固定范围内往复运动，两个伸缩气囊11在轴向上一伸一缩相互配合带动两侧转向轮3转向，避免轮轴偏离损坏轮子；同时相对于B信号延时输入转向驱动信号C和D信号，各作用在两侧转向轮3的压电晶片17上，分别调节震动频率和幅度使两侧转向轮3产生相应的转向驱动力，配合轮轴实现在微摩擦工作平台上的转向和移动。
当工作台需要制动时，利用设在驱动压电晶片17另一侧的制动压电晶片17实现，A、B、C、D信号停止，通过输入制动信号E信号，使制动压电晶片17以一定频率和振幅震动产生反力作用抑制轮子的转动，达到制动效果，同时防止设备损坏。
Claims (5)
1.一种方向随动式微摩擦二维矢量压电驱动工作台，其特征在于：包括工作台、转向板、转向轮、定向轮、驱动电机、转向机构、转向传递轴；所述的工作台一端的两侧分别设有立柱和转向轮支杆，转向板通过转轴与转向轮支杆枢接，转向板位于转向轮支杆的下方；转向板的自由端设有T形板，转向轮的轮轴枢接在T形板下部，转向轮分别位于工作台一端的两侧；所述的转向机构水平设置在工作台一端，转向机构包括一对伸缩气囊和一根齿条，两伸缩气囊的相对端分别设有气囊轴，齿条的两端分别与两气囊轴相对端相连，两伸缩气囊的外端分别设有气囊固定杆，转向机构通过气囊固定杆固定在工作台的两侧立柱上；驱动电机设在工作台上，驱动电机的输出轴与齿轮同轴固连；齿轮与转向机构的齿条啮合；两转向传递轴相对设置，转向传递轴为L形轴杆，每个转向传递轴一端与气囊轴相连，另一端通过万向节与转向板相连；定向轮通过轮轴枢接在工作台另一端的两侧；定向轮和转向轮的轮毂为十字形板状，轮毂的两面均设有压电晶片。
2.根据权利要求1所述的一种方向随动式微摩擦二维矢量压电驱动工作台，其特征在于：所述的T形板上部设有套孔，转向板的自由端上部设有螺杆，T形板通过套孔套在转向板的螺杆上，并通过螺母紧固，将T形板与转向板固连；T形板的下部设有枢接孔，转向轮的轮轴设在T形板下部枢接孔内。
3.根据权利要求1所述的一种方向随动式微摩擦二维矢量压电驱动工作台，其特征在于：转向传递轴一端设有套环，另一端与万向节连接；转向传递轴通过套环与气囊轴相连，通过螺栓穿过套环将其紧固。
4.根据权利要求1所述的一种方向随动式微摩擦二维矢量压电驱动工作台，其特征在于：驱动电机设在电机支座上，电机支座固定在工作台上。
5.根据权利要求1所述的一种方向随动式微摩擦二维矢量压电驱动工作台，其特征在于：气囊固定杆上设有凹槽，通过固定板将气囊固定杆夹持在固定板与立柱之间，固定板通过螺栓紧固在立柱上。
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