CN114172405B - 一种压电旋转驱动器及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压电旋转驱动器及其使用方法，属于压电驱动器技术领域，包括间隔设置的第一底座和第二底座，第一底座和第二底座之间设有旋转件，第一底座上设有第一箝位驱动件和旋转驱动件，第一箝位驱动件和旋转驱动件输出端共同连接第一贴合件，第一箝位驱动件带动第一贴合件在X轴方向上移动与旋转件接触并将其固定住形成箝位状态，旋转驱动件带动第一贴合件在Y轴方向上移动带动旋转件旋转形成驱动状态，第二底座上设有第二箝位驱动件，第二箝位驱动件连接第二贴合件，第二箝位驱动件带动第二贴合件在X轴方向上移动与旋转件接触并将其固定住形成箝位状态。该旋转驱动器结构简单，且控制方便。

Description

一种压电旋转驱动器及其使用方法

技术领域

本发明属于压电驱动器技术领域，具体是涉及一种压电旋转驱动器及其使用方法。

背景技术

目前为了实现产品零件的精密加工需要合适的高精度驱动装置，传动的驱动装置，如电机、丝杠螺母、涡轮蜗杆等宏观大尺寸驱动装置以不能满足其精度要求，压电驱动器具有体积小、分辨率高、响应快、能耗低等优点，适用于精密定位系统，其中压电驱动器中的尺蠖驱动器具有运动范围大、输出转矩大等特点。

现有技术公开了一种仿生尺蠖型压电旋转驱动器，授权公开号CN103501129B,该旋转驱动器包括压电叠堆驱动器、驱动臂以及驱动轴，其中驱动臂为两个分别安装在驱动轴的两侧，每个驱动臂连接一个驱动压电叠堆，同时在驱动轴的外壁上下位置设置两个环形箝位压电叠堆，首先通过驱动一个环形箝位压电叠堆，使得驱动轴处于游动状态，然后推动驱动臂与驱动轴接触将其箝住，同时控制两个驱动压电叠堆来实现驱动轴的转动一定的角度，最后再控制另一个环形箝位压电叠堆再次将驱动轴箝住；这种压电旋转驱动器结构存在着以下缺点：

(1)、该装置为了将驱动轴箝住，需要在驱动轴周围上下各设置一个环形箝位压电叠堆，通过给环形箝位压电叠堆通电带动底座与驱动轴接触来实现箝位状态，这样造成该装置整体高度增加，增大其占用空间。

(2)、为了实现驱动轴旋转，需要通过两个驱动压电叠堆同时控制驱动臂，控制精度高，如果一个驱动压电叠堆未能启动或者启动慢的话就会出现卡顿现象。

发明内容

针对现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种压电旋转驱动器及其使用方法。

本发明实施例提供了一种压电旋转驱动器，包括间隔设置的第一底座和第二底座，第一底座和第二底座之间设有旋转件，第一底座上设有第一箝位驱动件和旋转驱动件，第一箝位驱动件和旋转驱动件输出端共同连接第一贴合件，第一箝位驱动件带动第一贴合件在X轴方向上移动与旋转件接触并将其固定住形成箝位状态，旋转驱动件带动第一贴合件在Y轴方向上移动带动旋转件旋转形成驱动状态，第二底座上设有第二箝位驱动件，第二箝位驱动件连接第二贴合件，第二箝位驱动件带动第二贴合件在X轴方向上移动与旋转件接触并将其固定住形成箝位状态。

进一步地，第一贴合件为柔性件，且包括相互连接箝位部分和驱动部分，箝位部分与第一箝位驱动件的输出端连接，驱动部分与旋转驱动件的输出端连接，第二贴合的箝位部分和第一贴合件的箝位部分结构相同。

进一步地，箝位部分和驱动部分一体设置。

进一步地，所述箝位部分包括相互连接的箝位旋转件，箝位衔接件以及箝位夹持件，其中箝位衔接件与第一箝位驱动件连接，箝位旋转件和箝位夹持件设置在箝位衔接件的两侧，所述箝位旋转件固定在第一底座上，箝位夹持件与驱动部分固定连接。

进一步地，在所述第一底座上设有柔性导向梁，柔性导向梁与箝位夹持件相连接，通过所述柔性导向梁来使箝位夹持件输出X方向位移。

进一步地，所述箝位夹持件与箝位衔接件之间通过柔性铰链相连接。

进一步地，所述驱动部分包括相互连接的驱动旋转部和驱动衔接部，其中驱动旋转部固定在第一底座上，驱动衔接部分别与驱动旋转部、旋转驱动件以及箝位夹持件连接。

进一步地，驱动衔接件与驱动旋转件通过柔性铰链相连接。

进一步地，第一底座和第二底座安装在操作平台上，第一底座和第二底座分别通过位移平台滑动安装在操作平台上，且第一底座和第二底座能够独立移动从而控制第一贴合件和第二贴合件之间的间隙。

本发明实施例还提供了基于上述任一项所述的一种压电旋转驱动器的使用方法，所述使用方法包括如下过程:

步骤一：通过第一箝位驱动件控制第一贴合件在X轴方向上运动与旋转件相接触从而固定住旋转件形成箝位状态；

步骤二：通过旋转驱动件控制制第一贴合件在Y轴方向上运动给旋转件的外表面切向力，从而驱动旋转件旋转形成驱动状态；

步骤三：通过第二箝位驱动件控制第二贴合件在X轴方向上运动再次固定住旋转件形成箝位状态，然后第一贴合件退回到最初位置；

步骤四：第二贴合件退回到其所在的最初位置，然后重复上述步骤。

本发明的有益效果如下：

本发明提供的压电旋转驱动器是在旋转件的两侧各设置一个箝位驱动件，每个箝位驱动件带动贴合件在X轴方向上移动与旋转件的外壁贴合都能实现箝位状态，这样就减小了旋转驱动器的高度，同时其中一个箝位驱动件连接的贴合件也连接旋转驱动件，在旋转驱动件的控制下能够通过该贴合件带动旋转件，这样通过一个贴合件既能实现对旋转件的驱动旋转，又能实现对旋转件的箝位，且不易出现旋转件卡顿现象，相比于目前需要分别设置驱动臂和定位件来分别实现驱动轴的旋转和箝位，该旋转驱动器仅通过一个贴合件就能实现，简化了结构。

附图说明

图1为本发明实施例提供的箝位增强型大负载尺蠖旋转驱动器整体结构图；

图2为本发明实施例提供的箝位增强型大负载尺蠖旋转驱动器的驱动——箝位部分结构示意图；

图3为本发明实施例提供的箝位增强型大负载尺蠖旋转驱动器中第一贴合件的结构图；

图4为本发明实施例提供的箝位增强型大负载尺蠖旋转驱动器的运动原理示意图；

图5为本发明箝位增强型大负载尺蠖旋转驱动器的输入电压时序图。

图中：1、操作平台，2、第一底座，3.第二底座，4、第一位移平台，5.第二位移平台，6、叠堆型压电陶瓷驱动器，7、第一微型直线伺服驱动器，71、仿形卡扣，72、预紧装置，73、预紧螺钉，8、第一贴合件，81、箝位部分，810、箝位衔接件，811、箝位旋转件，812、箝位夹持部，813、第二柔性铰链，814、第一柔性铰链，815、第三柔性铰链，82、驱动部分，820、驱动旋转件，821、驱动衔接件，822、第四柔性铰链，9、旋转件，10、第二微型直线伺服驱动器，11、第二贴合件，12、柔性导向梁。

具体实施方式

参见图1和图2所示，本发明实施例提供了一种箝位增强型大负载尺蠖旋转驱动器，该旋转驱动器包括操作平台1，其中操作平台1上间隔设置的第一底座2和第二底座3，其中第一底座2和第二底座3之间设有旋转件9。

在所述第一底座2上设有竖直放置的第一微型直线伺服驱动器7和叠堆型压电陶瓷驱动器6，其中第一微型直线伺服驱动器7设置在叠堆型压电陶瓷驱动器6的上方，第一微型直线伺服驱动器7的输出端在下方，所述第一微型直线伺服驱动器7设置在叠堆型压电陶瓷驱动器6之间共同连接第一贴合件8。

其中驱动第一微型直线伺服驱动器7能够带动第一贴合件8产生X轴方向上的位移和驱动力，从而与旋转件9的外壁面相接触，从而将旋转件9处于锁紧状态。

进一步地，所述叠堆型压电陶瓷驱动器6能够带动第一贴合件8产生Y轴方向上的移动，在第一贴合件8与旋转件9外壁面相接触的时候，从而给旋转件9一个切向力，带动旋转件9旋转一定的角度。

所述第二底座3上设有第二微型直线伺服驱动器10，所述第二微型直线伺服驱动器10的输出端连接第二贴合件11，所述第二贴合件11与第一贴合件8的运动方式是相同的。

所以，本实施例提供的尺蠖旋转驱动器是在旋转件的两侧各设置一个箝位驱动件，每个箝位驱动件带动贴合件在X轴方向上移动与旋转件的外壁贴合都能实现箝位状态，这样就减小了旋转驱动器的高度，同时其中一个箝位驱动件的连接的贴合件也连接旋转驱动件，在旋转驱动件的控制下能够通过该贴合件带动旋转件，这样通过一个贴合件既能实现对旋转件的驱动旋转，又能实现对旋转件的箝位，相比于目前需要分别设置驱动臂和定位件来分别实现驱动轴的旋转和箝位，该旋转驱动器仅通过一个贴合件就能实现，简化了结构。

具体地，参见图1所示，本实例中第一底座2通过第一位移平台4固定在操作盘平台上，第二底座3通过第二位移平台5固定在操作平台1，第一底座2和第二底座3均能够通过各自的位移平台控制水平移动控制两者之间的距离，这样当第一贴合件8或者第二贴合件11与旋转件9存在的间隙过大，贴合件与旋转件9的外壁面相接触无法产生较大的箝位力时，可以调整位移平台和旋转件9的间隙，用以减小旋转件9与第一贴合件8和第二贴合件11的微隙，从而增大贴合件与旋转机之间的箝位力，提供可靠性。

本实施例中的旋转件9可以为交叉滚子轴承，其中轴承内圈与轴承基座之间采用过盈配合，内圈固定，轴承基座通过螺栓定位、安装在操作平台1上。

参见图2所示，本实施例中的第一贴合件8包括箝位部分81和驱动部分82，两者连接形成一体，且第一贴合件8整体为柔性件，能够压缩变形，其中第一微型直线伺服驱动器7的输出端直接连接箝位部分81，叠堆型压电陶瓷驱动器6的输出端连接驱动部分82。

所述第二贴合件11仅仅包括箝位部分81，其中第一贴合件8和第二贴合件11的箝位部分81结构相同，关于第一底座2和第二底座3之间的中心线对称设置。

参见图3所示，本实施例中的箝位部分81包括相互连接的箝位衔接件810、箝位旋转件811以及箝位夹持部812，箝位衔接件810直接与第一微型直线伺服驱动器7的输出端连接，所述箝位旋转件811通过螺栓固定在底座上，且能够围绕柔性铰链转动。

所述箝位夹持部812和箝位旋转件811均与箝位衔接件810连接，这样在驱动第一微型直线驱动电机的时候，所述箝位衔接件810能够在所述箝位旋转件811的约束以及导向梁的限位作用下，实现所述箝位夹持部812向着靠近旋转件9的方向移动，通过该结构的方式可以对第一微型直线伺服驱动器7的输出位移进行缩小，同时对输入力进行放大，产生X方向大的输出力作用在轴承上，在末端输出位置产生X方向位移，实现对旋转件9的夹紧。

参见图3所示，所述箝位夹持部812与所述箝位衔接件810之间通过第一柔性铰链814相连接，所述箝位旋转件811的水平部分和竖直部分通过第二柔性铰链813相连接，箝位夹持部812和箝位衔接件810之间通过第三柔性铰链815相连接，这样利用柔性铰链来代替传统旋转副，减小整体尺寸。

需要说明的就是，本实施例中的第一柔性铰链814、第二柔性铰链813以及第三柔性铰链815是一个条状的板材件，考虑到第一贴合件8为一体件，所以第一柔性铰链814和第二柔性铰链813可以采用特殊加工技术线切割方式，这样就减小了装配误差，提高驱动器的可靠性。

进一步地，本实施例中的第一微型直线伺服驱动器7通过仿形卡扣71限制其在X轴方向的振动和位移，仿形卡扣71与第一微型直线伺服驱动器7之间为间隙配合。通过第一微型直线伺服驱动器预紧装置72上的预紧螺钉73来调节微型直线伺服驱动器在Y轴方向上的位置并起到预紧的作用。

需要说明的就是，本实施例中的箝位衔接件810、箝位旋转件811以及箝位夹持部812三者为一体结构，可以通过线切割设备一体加工而成，提高其装配性，这个三个部分的表面均利用化学气相沉积技术镀上了金刚石薄膜，再经过离子束刻蚀在表面形成规则的微凸起，提高了箝位机构的耐磨能力，有效提升驱动器的驱动效率和负载能力。

为了实现箝位夹持部812的水平移动，本实施例中的第一底座2上设有柔性导向梁12，柔性导向梁12与箝位夹持部812相连接，通过所述柔性导向梁12来使箝位夹持部812输出X方向位移，从而保证箝位夹持部812水平运动实现与旋转件9的外壁面相接触，从而将旋转件9夹紧。

另外，本实施例中第二底座3上的第二贴合件11仅仅包括箝位部分81，其中第一贴合件8上的箝位部分81和第二贴合件11上的箝位部分81结构相同，对称设置，所以不再进行过多的赘述。

进一步地，参见图3所示，本实施例中的驱动部分82包括驱动旋转件820和驱动衔接件821，其中驱动旋转件820放置在所述叠堆型压电叠堆驱动器的左侧，所述驱动旋转件820通过第二螺栓固定在底座上。

所述驱动衔接件821设置在叠堆型压电叠堆驱动器的上侧，直接与驱动器的输出端连接，同时驱动衔接件821的水平部分与驱动旋转件的竖直部分之间通过第四柔性铰链822相连接，所述驱动衔接件821的的竖直部分与箝位夹持部812固定连接或者一体设置，且具有竖直贴合面823，由于第一贴合件8整体具有柔性，所以当所述竖直贴合面823与旋转件9的外壁面相贴合的时候，能够变成弧形面与旋转件外壁面紧密贴合。这样通过控制叠堆型压电叠堆驱动器在驱动旋转件和驱动衔接件的相互制约下能够使得所述驱动部分82产生Y轴方向上的位移，这样当箝位部分81水平运动将旋转件9固定住的时候，通过控制驱动部分82运动能够为旋转件9提供一个向上的切向力实现旋转件9的旋转。

另外，本实施例中驱动旋转件820和驱动衔接件821组成的柔性部分能够起到增大位移的功能，驱动旋转件820和驱动衔接件821的排列方式能够更加适应尺寸很小的底座。

本实例中驱动旋转件820和驱动衔接件821之间通过第四柔性铰链822相连接，所述第四柔性铰链822和第一以及第三柔性铰链结构方式一样，这里就不再进行过多的赘述。

参见图2所示，本实施例中的第一叠堆型压电叠堆驱动器6的底部通过调节预紧螺钉61，从而改变柔性机构施加在所述压电堆叠陶瓷上的压力。

所以，本实施例提供的旋转驱动器通过所述箝位部分81和驱动部分82组成的第一贴合件8能够产生Y方向大的输出力和Y方向的位移，同时通过放大后的X轴方向的位移来驱动旋转件9旋转，能够应用于大负载的情况，同时本实施例提供的尺蠖旋转驱动器中箝位部分81的主运动方向位移为百微米级别，远大于一般压电陶瓷的十微米级的输出行程，与以往的尺蠖旋转驱动器相比大大降低了箝位单元调整初始位置时的难度。

下面结合图4和图5来详细说明一下基于上述一种旋转驱动器的使用方法：

步骤一：通过第一直线伺服驱动器控制第一贴合件在X轴方向上运动与旋转件的外壁面相接触，从而固定住旋转件形成箝位状态；

具体地，参见图4(a)-图4(b)所示，其中图4(a)表示初始t₀时刻，驱动——箝位部分和箝位部分均处于低电平状态，各机构位于初始位置；

图4(b)表示t₁时刻，第一微型直线伺服驱动器通电，处于高电平状态，第二微型直线伺服驱动器处于低电平状态，第一叠堆型压电叠堆驱动器和第一微型直线伺服驱动器带动第一贴合件贴紧旋转件；

步骤二：通过第二压电叠堆驱动器控制制第一贴合件在Y轴方向上运动给旋转件的外表面切向力，从而驱动旋转件旋转一定的角度形成驱动状态；

具体地，参见图4(c)所示，图4(c)表示t₂时刻第一叠堆型压电叠堆驱动器通电处于高电平状态。第一叠堆型压电叠堆驱动器通电带动第一贴合件一起推动旋转件顺时针转过一角度，角度为θ；

步骤三：通过第二直线伺服驱动器控制第二贴合件在X轴方向上运动再次固定住旋转件形成箝位状态，然后第一贴合件退回到最初位置；

参见图4(d)和图4(e)所示，图4(d)表示t₃时刻第二微型直线伺服驱动器通电，处于高电平状态；第二贴合件末端夹紧旋转件，旋转件处于锁紧状态；

图4(e)表示t₄时刻第一微型直线伺服驱动器变成低电平，第一贴合件的末端整体远离旋转件，第二贴合件继续夹紧旋转件，旋转件继续处于锁紧状态；

步骤四：第二贴合件退回到其所在的最初位置，然后重复上述步骤。

参见图(f)所示，图4(f)表示t₅时刻第一微型直线伺服驱动器、第二微型直线伺服驱动器以及第一叠堆型压电叠堆驱动器均变成低电平状态，第一贴合件整体回退至初始位置，第二贴合件远离旋转件，回到初始位置。至此，完成一个周期的运动，最后重复上述操作。

上述提供的旋转驱动器使用方法，在当第一贴合件固定住旋转件的时候，通过叠堆型压电陶瓷驱动器给第一贴合件一个向上的力转换成旋转件的切向力就可以实现旋转件的旋转，这样相比于通过两个驱动臂来同时控制旋转件旋转，该控制方法简单。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种压电旋转驱动器，包括间隔设置的第一底座和第二底座，第一底座和第二底座之间设有旋转件，其特征在于，第一底座上设有第一箝位驱动件和旋转驱动件，第一箝位驱动件和旋转驱动件输出端共同连接第一贴合件，第一箝位驱动件带动第一贴合件在X轴方向上移动与旋转件接触并将其固定住形成箝位状态，旋转驱动件带动第一贴合件在Y轴方向上移动带动旋转件旋转形成驱动状态，第二底座上设有第二箝位驱动件，第二箝位驱动件连接第二贴合件，第二箝位驱动件带动第二贴合件在X轴方向上移动与旋转件接触并将其固定住形成箝位状态；

所述第一贴合件为柔性件，且包括相互连接箝位部分和驱动部分，箝位部分与第一箝位驱动件的输出端连接，驱动部分与旋转驱动件的输出端连接，第二贴合的箝位部分和第一贴合件的箝位部分结构相同；

箝位部分包括相互连接的箝位旋转件，箝位衔接件以及箝位夹持件，其中箝位衔接件与第一箝位驱动件连接，箝位旋转件和箝位夹持件设置在箝位衔接件的两侧，所述箝位旋转件固定在第一底座上，箝位夹持件与驱动部分固定连接；

驱动部分包括相互连接的驱动旋转部和驱动衔接部，其中驱动旋转部固定在第一底座上，驱动衔接部分别与驱动旋转部、旋转驱动件以及箝位夹持件连接。

2.如权利要求1所述的一种压电旋转驱动器，其特征在于，箝位部分和驱动部分一体设置。

3.如权利要求1所述的一种压电旋转驱动器，其特征在于，在所述第一底座上设有柔性导向梁，柔性导向梁与箝位夹持件相连接，通过所述柔性导向梁来使箝位夹持件输出X方向位移。

4.如权利要求1所述的一种压电旋转驱动器，其特征在于，所述箝位夹持件与箝位衔接件之间通过柔性铰链相连接。

5.如权利要求1所述的一种压电旋转驱动器，其特征在于，驱动衔接件与驱动旋转件通过柔性铰链相连接。

6.如权利要求1所述的一种压电旋转驱动器，其特征在于，第一底座和第二底座安装在操作平台上，第一底座和第二底座分别通过位移平台滑动安装在操作平台上，且第一底座和第二底座能够独立移动从而控制第一贴合件和第二贴合件之间的间隙。

7.基于权利要求1-6任一项所述的一种压电旋转驱动器的使用方法，其特征在于，所述使用方法包括如下过程:

步骤一：通过第一箝位驱动件控制第一贴合件在X轴方向上运动与旋转件相接触从而固定住旋转件形成箝位状态；

步骤二：通过旋转驱动件控制制第一贴合件在Y轴方向上运动给旋转件的外表面切向力，从而驱动旋转件旋转形成驱动状态；

步骤三：通过第二箝位驱动件控制第二贴合件在X轴方向上运动再次固定住旋转件形成箝位状态，然后第一贴合件退回到最初位置；

步骤四：第二贴合件退回到其所在的最初位置，然后重复上述步骤。