CN114044319B - 一种中心定轴式微小型分度盘及其控制方法 - Google Patents

一种中心定轴式微小型分度盘及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种中心定轴式微小型分度盘及其控制方法，属于精密机械领域。从内到外依次设置有中心轴（2）、旋转轴（6）、外壳（1）；所述中心轴（2）中部安装有压电驱动器（5）；所述中间体（62）内部表面均匀布置有多个驱动齿（621）；所述驱动齿（621）与压电驱动器（5）配套使用；所述外壳（1）内部表面均布有分度凸点（101）；所述中间体（62）外表面均布有卡点（622）；所述压电驱动器（5）在中心轴外围右部组成组A；所述压电驱动器（5）在中心轴外围左部组成组B；组A和组B交叉进行驱动实现分度盘的连续旋转运动。本发明提出的一种中心定轴式微小型分度盘具有结构简单、功耗低、控制方便、稳定性好和工作寿命长的优势。

Description

一种中心定轴式微小型分度盘及其控制方法
技术领域
本发明属于精密机械领域，具体涉及一种中心定轴式微小型分度盘及其控制方法。
背景技术
分度盘是将工件旋转、分度和定位的核心设备，广泛应用于自动化设备、机器人及机床中，如中国发明专利CN202110459691.1提出一种分度定位机构，其通过直线气缸推动并结合导向块和分度槽实现分度定位的功能，此方案解决了现有技术中分度定位机构使用成本高的问题。但是当前分度盘主要采用电动机或气缸驱动，存在结构大、功耗高、电磁干扰等缺点，难以满足微小型集成系统的要求。
压电驱动具有能量密度高、功耗低、结构简单、易驱动及无电磁干扰等特点，在微小型分度盘领域具有广泛的应用前景。现有压电驱动旋转机构中，大都利用摩擦力进行驱动，如中国发明专利CN202110602176.4提出一种微小型粘滑式压电电机及其驱动方法，其采用压电叠堆得电伸长经杠杆式柔性铰链带动轴承旋转，通过摩擦力实现滑块的定向驱动。但现有压电驱动旋转机构通过摩擦力来产生和传递运动，故驱动力相对较小且对部件加工精度要求高、磨损严重时无法使用。
发明内容
针对现有分度盘的不足，本发明提出一种结构简单、功耗低、控制方便、稳定性好和工作寿命长的中心定轴式微小型分度盘。
本发明实施例提供了一种中心定轴式微小型分度盘及其控制方法，采用以下技术方案：从内到外依次设置有中心轴、旋转轴、外壳；所述中心轴上表面与上盖固定连接；所述旋转轴从上至下依次设置有上体、中间体以及下体；所述中心轴上部与上体之间安装有第一轴承；所述上盖压紧第一轴承的内圈，确保第一轴承的正常旋转工作；所述中心轴下部与下体之间安装有第二轴承；所述中心轴下表面与下盖固定连接；所述下盖压紧第二轴承的内圈，确保第二轴承的正常旋转工作；所述第一轴承和第二轴承用于实现中心轴与旋转轴之间的相对转动；所述上体的上表面与分度平台固定相连；所述外壳上表面设置有定位环；所述定位环与分度平台下表面的凹槽之间滑动配合，实现分度平台的安装定位并起到防尘的作用；所述下盖与外壳固定连接，这实现了中心轴相对外壳固定不动，进而获得了中心定轴；所述中心轴中部安装有压电驱动器；所述压电驱动器由压电薄膜和弹性基板粘结而成；所述弹性基板一端与中心轴相连，压电驱动器为悬臂梁姿态，这可以加大压电驱动器的位移输出；所述中间体内部表面均匀布置有多个驱动齿；所述驱动齿与压电驱动器配套使用；所述驱动齿相邻齿之间的夹角为2θ；所述驱动齿顶端的旋转半径R2大于压电驱动器在复位状态下顶端以旋转轴旋转中心为圆心构成的圆半径R1,这样防止压电驱动器在旋转过程中与驱动齿发生干涉碰撞；所述外壳内部表面均布有多个分度凸点，相邻分度凸点的夹角为θ；所述中间体外表面均布有卡点；所述卡点配套设置有弹簧；所述弹簧安装于中间体的安装孔内；所述卡点卡在两个分度凸点之间；所述卡点与中间体滑动配合，在旋转轴旋转运动时，分度凸点挤压卡点使其挤压弹簧并收缩，进而卡入下一组两个分度凸点之间，实现分度盘的一个步进角度θ；
所述压电驱动器在中心轴外围右部组成组A；所述压电驱动器在中心轴外围左部组成组B；所述组A和组B中相邻的压电驱动器之间的夹角为2θ，与相邻驱动齿之间的夹角相同；在完全复位状态下，所述组A中压电驱动器的顶端触点与相对应的驱动齿之间的夹角为α，组B中压电驱动器的顶端触点与相对应的驱动齿之间夹角的为β，其中
Figure 407713DEST_PATH_IMAGE001
，这可以实现组A和组B交叉驱动实现分度盘的步进旋转运动并杜绝了压电驱动器与驱动齿的碰撞干涉。
进一步的，所述压电驱动器预弯成一定弧度。
进一步的，所述压电薄膜的材料为压电陶瓷复合纤维材料，可以加大压电驱动器的预弯弧度，同时压电陶瓷复合纤维材料具有大的位移输出，所以也可加大压电驱动器的位移输出。
进一步的，所述驱动齿设置有受力面和避让斜面，避让斜面可以防止压电驱动器在复位过程中与驱动齿产生干涉和碰撞，受力面在压电驱动器驱动过程中充分受力，实现旋转轴的有效驱动。
一种中心定轴式微小型分度盘分为第一工作状态、第二工作状态、第三工作状态、第四工作状态，本实施例的具体工作过程，叙述如下：
第一工作状态：同时也是初始状态，不施加电压信号，组A和组B中压电驱动器5保持预定弯曲状态。
第二工作状态：组A中所有压电驱动器施加与压电薄膜极化方向相同的电压，压电驱动器中的压电薄膜收缩，压电驱动器向外拉伸，组A中压电驱动器顶端推动驱动齿的受力面向前推进θ，卡点在推动力作用下挤压弹簧并径向收缩，进而卡入下一组分度凸点之间，实现分度盘的一个步进角度θ。
第三工作状态：去除施加在组A中压电驱动器的驱动电压，组A中压电驱动器在自身弹力作用下复位，驱动齿设置的避让斜面防止压电驱动器与驱动齿之间在复位过程中发生干涉。
第四工作状态：组B中所有压电驱动器施加与压电薄膜极化方向相同的电压，组B中压电驱动器中的压电薄膜收缩，压电驱动器向外拉伸，组B中压电驱动器顶端推动驱动齿的受力面向前推进θ，卡点在推动力作用下挤压弹簧并径向收缩，进而卡入下一组分度凸点之间，实现分度盘的下一个步进角度θ。
在交变电压信号的驱动下，第一、第二、第三、第四工作状态反复转变，旋转轴不断以步进角度θ转动，通过控制步进数量获得不同角度的分度功能。
本发明的特色及优势在于： 1、通过组A和组B进行错位驱动，可获得稳定的角度输出；2、采用悬臂梁式压电驱动器结合驱动齿进行驱动，系统的稳定性好和工作寿命长；3、采用压电驱动，结构简单、功耗低、控制方便且不存在电磁干扰。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例的结构剖面图；
图2是本发明一个较佳实施例中第一工作状态的E-E向结构剖面图；
图3是本发明一个较佳实施例中第二工作状态的E-E向结构剖面图；
图4是本发明一个较佳实施例中第三工作状态的E-E向结构剖面图；
图5是本发明一个较佳实施例中第四工作状态的E-E向结构剖面图；
图6是图2中组A单个压电驱动器（5）周边的局部放大图；
图7是图3中组A单个压电驱动器（5）周边的局部放大图；
图8是图4中组A单个压电驱动器（5）周边的局部放大图；
图9是本发明一个较佳实施例的驱动信号图；
其中： 1-外壳；101-分度凸点；102-定位环；2-中心轴；21-上盖；22-下盖；3-分度平台；41-第一轴承；42-第二轴承；5-压电驱动器；501-压电薄膜；502-弹性基板； 6-旋转轴；61-下体；62-中间体；63-上体；621-驱动齿；622-卡点；623-弹簧；631-避让斜面；632-受力面。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
请参阅图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8和图9，本发明提出一种中心定轴式微小型分度盘及其控制方法，包括：从内到外依次设置有中心轴2、旋转轴6、外壳1；所述中心轴2上表面与上盖21固定连接；所述旋转轴6从上至下依次设置有上体63、中间体62以及下体61；所述中心轴2上部与上体63之间安装有第一轴承41；所述上盖21压紧第一轴承41的内圈，确保第一轴承41的正常旋转工作；所述中心轴2下部与下体61之间安装有第二轴承42；所述中心轴2下表面与下盖22固定连接；所述下盖22压紧第二轴承42的内圈，确保第二轴承42的正常旋转工作；所述第一轴承41和第二轴承42用于实现中心轴2与旋转轴6之间的相对转动；所述上体63的上表面与分度平台3固定相连；所述外壳1上表面设置有定位环102；所述定位环102与分度平台3下表面的凹槽滑动配合，实现分度平台3的安装定位并起到防尘的作用；所述下盖22与外壳1固定连接，这实现了中心轴2的相对外壳1固定不动，进而获得了中心定轴；所述中心轴2中部安装有压电驱动器5；所述压电驱动器5由压电薄膜501和弹性基板502粘结而成；所述弹性基板502一端与中心轴2相连，压电驱动器5为悬臂梁姿态，这可以加大压电驱动器5的位移输出；所述中间体62内部表面均匀布置有多个驱动齿621；所述驱动齿621与压电驱动器5配套使用；所述驱动齿621相邻齿之间的夹角为2θ；如图6所示，所述驱动齿621顶端的旋转半径R2大于压电驱动器5在复位状态下顶端以旋转轴6旋转中心为圆心构成的圆半径R1，这样防止压电驱动器5在旋转过程中与驱动齿621发生干涉碰撞；所述外壳1内部表面均布有多个分度凸点101，相邻分度凸点101的夹角为θ；所述中间体62外表面均布有卡点622；所述卡点622配套设置有弹簧623；所述弹簧623安装于中间体62的安装孔内；所述卡点622卡在两个分度凸点101之间；所述卡点622与中间体62滑动配合，在旋转轴6旋转运动时，分度凸点101挤压卡点622使其挤压弹簧623并收缩，进而卡入下一组两个分度凸点101之间，实现分度盘的一个步进角度θ；
所述压电驱动器5在中心轴2外围右部组成组A；所述压电驱动器5在中心轴2外围左部组成组B；如图4所示，所述组A和组B中相邻的压电驱动器5之间的夹角为2θ，与相邻驱动齿621之间的夹角相同；在完全复位状态下，所述组A中压电驱动器5的顶端触点与相对应的驱动齿621之间的夹角为α，组B中压电驱动器5的顶端触点与相对应的驱动齿621之间夹角的为β，其中
Figure 305131DEST_PATH_IMAGE001
，这可以实现组A和组B交叉驱动实现分度盘的步进旋转运动并杜绝了压电驱动器与驱动齿621的碰撞干涉。
进一步的，所述压电驱动器5预弯成一定弧度。
进一步的，所述压电薄膜501的材料为压电陶瓷复合纤维材料，可以加大压电驱动器5的预弯弧度，同时压电陶瓷复合纤维材料具有大的位移输出，所以也可加大压电驱动器5的位移输出。
进一步的，所述驱动齿621设置有受力面632和避让斜面631，避让斜面631可以防止压电驱动器5在复位过程中与驱动齿621产生干涉和碰撞，受力面632在压电驱动器5驱动过程中充分受力，实现旋转轴6的有效驱动。
一种中心定轴式微小型分度盘分为第一工作状态、第二工作状态、第三工作状态、第四工作状态，本实施例的具体工作过程，叙述如下：
第一工作状态：同时也是初始状态，如图2和图6所示，不施加电压信号，组A和组B中压电驱动器5保持预定弯曲状态，即为复位状态。
第二工作状态：如图3和图7所示，组A中所有压电驱动器5施加与压电薄膜501极化方向相同的电压，压电驱动器5中的压电薄膜501收缩，压电驱动器5向外拉伸，组A压电驱动器5顶端推动驱动齿621的受力面632向前推进θ，卡点622在推动力作用下挤压弹簧并径向收缩，进而卡入下一组分度凸点101之间，实现分度盘的一个步进角度θ。
第三工作状态：如图 4和图8所示，去除施加在组A中压电驱动器5的驱动电压，组A中压电驱动器5在自身弹力作用下复位，驱动齿621设置的避让斜面631防止压电驱动器5与驱动齿621之间在复位过程中发生干涉。
第四工作状态：如图5所示，组B中所有压电驱动器5施加与压电薄膜501极化方向相同的电压，组B中压电驱动器5中的压电薄膜501收缩，压电驱动器5向外拉伸，组B中压电驱动器5顶端推动驱动齿621的受力面632向前推进θ，卡点622在推动力作用下挤压弹簧并径向收缩，进而卡入下一组分度凸点101之间，实现分度盘的下一个步进角度θ。
如图9所示，在交变电压信号的驱动下，第一、第二、第三、第四工作状态反复转变，旋转轴6不断以步进角度θ转动，通过控制步进数量获得设定角度旋转，实现分度功能。

Claims (5)

1.一种中心定轴式微小型分度盘，其特征在于：从内到外依次设置有中心轴、旋转轴、外壳；所述中心轴上表面与上盖固定连接；所述旋转轴从上至下依次设置有上体、中间体以及下体；所述中心轴上部与上体之间安装有第一轴承；所述上盖压紧第一轴承的内圈；所述中心轴下部与下体之间安装有第二轴承；所述中心轴下表面与下盖固定连接；所述下盖压紧第二轴承的内圈；所述第一轴承和第二轴承用于实现中心轴与旋转轴之间的相对转动；所述上体的上表面与分度平台固定相连；所述外壳上表面设置有定位环；所述定位环与分度平台下表面的凹槽之间滑动配合；所述下盖与外壳固定连接；所述中心轴中部安装有压电驱动器；所述压电驱动器预弯成一定弧度；所述压电驱动器由压电薄膜和弹性基板粘结而成；所述弹性基板一端与中心轴相连，压电驱动器为悬臂梁姿态；所述中间体内部表面均匀布置有多个驱动齿；所述驱动齿与压电驱动器配套使用；所述驱动齿相邻齿之间的夹角为2θ；所述驱动齿顶端的旋转半径R2大于压电驱动器在回复状态下顶端以旋转轴旋转中心为圆心构成的圆半径R1；所述外壳内部表面均布有多个分度凸点，相邻分度凸点的夹角为θ；所述中间体外表面均布有卡点；所述卡点与分度凸点配套使用；所述卡点配套设置有弹性体；所述弹性体安装于中间体的安装孔内；所述卡点卡在两个分度凸点之间；所述卡点与中间体滑动配合，在旋转轴旋转运动时，分度凸点挤压卡点使其挤压弹性体并收缩，进而卡入下一组两个分度凸点之间，实现分度盘的一个步进角度θ；所述压电驱动器在中心轴外围右部组成组A；所述压电驱动器在中心轴外围左部组成组B；所述组A和组B中相邻的压电驱动器之间的夹角为2θ，与相邻驱动齿之间的夹角相同；在压电驱动器完全复位状态下，所述组A中压电驱动器的顶端触点与相对应的驱动齿之间的夹角为α，组B中压电驱动器的顶端触点与相对应的驱动齿之间夹角的为β，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE002
。
2.一种如权利要求 1所述的中心定轴式微小型分度盘，其特征在于：所述压电薄膜的材料为压电陶瓷复合纤维材料。
3.一种如权利要求 1所述的中心定轴式微小型分度盘，其特征在于：所述驱动齿设置有受力面和避让斜面。
4.一种如权利要求 1所述的中心定轴式微小型分度盘，其特征在于：所述弹性体为弹簧。
5.一种控制方法，其特征在于，基于所述权利要求1至4任一项所述中心定轴式微小型分度盘，包括以下步骤：
第
Figure DEST_PATH_IMAGE004
步，不施加电压信号，组A和组B中压电驱动器保持预定弯曲状态；
第
Figure DEST_PATH_IMAGE006
步，组A中所有压电驱动器施加与压电薄膜极化方向相同的电压，压电驱动器中的压电薄膜收缩，压电驱动器向外拉伸，组A中压电驱动器顶端推动驱动齿的受力面向前推进θ，卡点在推动力作用下挤压弹性体并径向收缩，进而卡入下一组分度凸点之间，实现分度盘的一个步进角度θ；
第
Figure DEST_PATH_IMAGE008
步，去除施加在组A中压电驱动器的驱动电压，组A中压电驱动器在自身弹力作用下复位；
第
Figure DEST_PATH_IMAGE010
步，组B中所有压电驱动器施加与压电薄膜极化方向相同的电压，组B中压电驱动器中的压电薄膜收缩，压电驱动器向外拉伸，组B中压电驱动器顶端推动驱动齿的受力面向前推进θ，卡点在推动力作用下挤压弹性体并径向收缩，进而卡入下一组两个分度凸点之间，实现分度盘的下一个步进角度θ；
第
Figure DEST_PATH_IMAGE012
步，重复以上步骤，组A和组B交替驱动，旋转体以步进角度θ转动，通过控制步进数量获得设定的旋转角度。
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