CN115441769B - 一种基于惯性驱动的直线-旋转两自由度压电执行器 - Google Patents
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Abstract
一种基于惯性驱动的直线‑旋转两自由度压电执行器，涉及压电电机技术领域。包括基座、动‑转子、驱动机构A和驱动机构B，所述驱动机构A包括定子A和压电陶瓷A，所述定子A包括驱动杆A、柔性机构A和柔性机构D，所述驱动机构B包括定子B和压电陶瓷B，所述定子B包括驱动杆B、柔性机构B和柔性机构C，所述动‑转子安装于所述驱动杆A和所述驱动杆B共同组成的导轨上，且可沿导轨滑动或转动；所述压电陶瓷的驱动信号为同相或异相锯齿波信号。本发明利用两个压电陶瓷的时序应变推动四个柔性机构产生周期性形变，从而带动驱动杆对动‑转子产生摩擦力或力矩，进而驱动动‑转子实现直线位移和旋转角位移两自由度运动。
Description
技术领域
本发明属于压电电机技术领域，尤其涉及一种基于惯性驱动的直线-旋转两自由度压电执行器。
背景技术
科学技术的飞速发展使得光学仪器、精密与超精密加工、集成电路、微型机器人等高尖端技术领域对精密驱动提出了更高的需求。随着材料学的发展，磁致伸缩材料、形状记忆材料、压电材料等智能材料成为精密驱动领域研究的热点，其中，基于压电材料逆压电效应的压电执行器因其结构简单、高精度、快速响应、无磁场干扰等优点，在精密驱动领域引起了广泛关注。步进型压电执行器根据结构组成和驱动原理的不同，主要分为尺蠖式压电执行器、惯性式压电执行器和海豹式压电执行器，其中惯性式压电执行器根据进给单元、钳位单元、惯性块与定子和转子的装配位置又可分为冲击式压电执行器、粘滑式压电执行器和混合式压电执行器。
但现有的压电执行器多为单自由度结构，输出形式比较单一， 难以满足既需要输出旋转运动又需要输出直线位移的两自由度要求，限制了压电执行器在更广范围内的应用。
发明内容
本发明针对现有的压电执行器多为单自由度结构，输出形式单一，难以满足既需要输出旋转运动又需要输出直线位移的两自由度要求，限制了压电执行器在更广范围内的应用这一问题，提出一种基于惯性驱动的直线-旋转两自由度压电执行器，其能够实现直线-旋转两自由度的运动输出。
一种基于惯性驱动的直线-旋转两自由度压电执行器，包括基座、动-转子、驱动机构A和驱动机构B，所述驱动机构A和驱动机构B均安装于所述基座上，且所述驱动机构A和所述驱动机构B相互平行设置；
所述驱动机构A包括定子A和压电陶瓷A，所述定子A包括驱动杆A、柔性机构A和柔性机构D，所述柔性机构A和所述柔性机构D分别连接于所述驱动杆A的两端，所述压电陶瓷A安装在柔性机构A的安装槽内，所述柔性机构D的安装槽内不安装压电陶瓷；
所述驱动机构B包括定子B和压电陶瓷B，所述定子B包括驱动杆B、柔性机构B和柔性机构C，所述柔性机构B和所述柔性机构C分别连接于所述驱动杆B的两端，所述压电陶瓷B安装在所述柔性机构B的安装槽内，所述柔性机构C的安装槽内不安装压电陶瓷；
所述动-转子安装于所述驱动杆A和所述驱动杆B共同组成的导轨上，所述动-转子外侧面与所述驱动杆A和所述驱动杆B摩擦接触。
进一步地，所述驱动杆A和所述驱动杆B为圆形杆，所述动-转子的外侧面为半圆形槽。
进一步地，所述定子A还包括紧固螺栓A和紧固螺栓D，所述驱动杆A一端通过所述紧固螺栓A与柔性机构A固定连接，所述驱动杆A另一端通过所述紧固螺栓D与柔性机构D固定连接；
所述定子B还包括紧固螺栓B和紧固螺栓C，所述驱动杆B一端通过紧固螺栓B与柔性机构B固定连接，所述驱动杆B另一端通过紧固螺栓C与柔性机构C固定连接。
进一步地，所述柔性机构A、柔性机构B、柔性机构C和柔性机构D均包含一对板型柔性铰链。
进一步地，所述柔性机构A、柔性机构B、柔性机构C和柔性机构D均由一整块弹性金属材料整体加工而成。
进一步地，所述定子A通过螺栓穿过柔性机构A和柔性机构D上的螺纹孔与基座固定连接；所述定子B通过螺栓穿过柔性机构B和柔性机构C上的螺纹孔与基座固定连接。
进一步地，所述驱动机构A还包括预紧螺栓A和预紧垫片A，所述预紧螺栓A和预紧垫片A用于为压电陶瓷A提供预紧力；
所述驱动机构B还包括预紧螺栓B和预紧垫片B，所述预紧垫片B和预紧螺栓B用于为压电陶瓷B提供预紧力。
进一步地，所述压电陶瓷A和所述压电陶瓷B的驱动信号为同相或异相的锯齿波信号。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明的一种基于惯性驱动的直线-旋转两自由度压电执行器，利用两个压电陶瓷的时序应变推动两个驱动杆完成周期性运动，从而带动动-转子产生步进阶梯型位移或旋转角位移，进而驱动动-转子实现直线-旋转两自由度的运动输出。
2、通过对两个压电陶瓷施加同相或异相的锯齿波信号，动-转子可完成沿某一方向的直线运动或旋转运动，当采用与之相反的锯齿波驱动信号时，动-转子能够实现相反方向的直线运动或旋转运动。
3、本发明在光学仪器、半导体制造、精密与超精密加工、集成电路、微型机器人等高尖端技术领域具有良好的应用前景，直线-旋转两自由度的运动输出进一步扩宽了压电执行器在精密驱动领域内的应用范围。
附图说明
图1为一种基于惯性驱动的直线-旋转两自由度压电执行器的立体结构示意图；
图2为一种基于惯性驱动的直线-旋转两自由度压电执行器的俯视图；
图3为一种基于惯性驱动的直线-旋转两自由度压电执行器的驱动信号波形图，其中，（a）为同相的锯齿波信号，（b）为异相的锯齿波信号；
图4为一种基于惯性驱动的直线-旋转两自由度压电执行器在不同驱动信号驱动下的驱动原理图，其中，（a）为同相的锯齿波信号驱动下的驱动原理图，（b）为异相的锯齿波信号驱动下的驱动原理图。
具体实施方式
实施例1
参照图1至图2，本实施方式所述的一种基于惯性驱动的直线-旋转两自由度压电执行器，包括基座1、动-转子2、驱动机构A和驱动机构B，所述驱动机构A和驱动机构B均安装于所述基座1上，且所述驱动机构A和所述驱动机构B相互平行设置，优选地，驱动机构A和驱动机构B位于基座1上表面的两侧，且关于基座1中心线呈对称分布。
所述驱动机构A包括定子A和压电陶瓷A5，所述定子A包括驱动杆A3、柔性机构A8和柔性机构D17，所述柔性机构A8和所述柔性机构D17分别连接于所述驱动杆A3的两端，所述压电陶瓷A5安装在柔性机构A8的安装槽内，所述柔性机构D17的安装槽内不安装压电陶瓷，所述柔性机构D17起到固定定子A的作用。
优选地，所述定子A还包括紧固螺栓A4和紧固螺栓D18，所述驱动杆A3一端通过所述紧固螺栓A4与柔性机构A8固定连接，所述驱动杆A3另一端通过所述紧固螺栓D18与柔性机构D17固定连接，紧固螺栓A4和紧固螺栓D18的设置能够保证驱动杆A3无法在柔性机构A8和柔性机构D17对应的安装孔内滑移和旋转；当然，驱动杆A3与柔性机构A8、柔性机构D17之间的连接也可以采用其它可替代的固定连接方式。
所述驱动机构B包括定子B和压电陶瓷B12，所述定子B包括驱动杆B14、柔性机构B10和柔性机构C16，所述柔性机构B10和所述柔性机构C16分别连接于所述驱动杆B14的两端，所述压电陶瓷B12安装在所述柔性机构B10的安装槽内，所述柔性机构C16的安装槽内不安装压电陶瓷，所述柔性机构C16起到固定定子B的作用。
优选地，所述定子B还包括紧固螺栓B13和紧固螺栓C15，所述驱动杆B14一端通过紧固螺栓B13与柔性机构B10固定连接，所述驱动杆B14另一端通过紧固螺栓C15与柔性机构C16固定连接，紧固螺栓B13和紧固螺栓C15的设置能够保证驱动杆B14无法在柔性机构B10和柔性机构C16对应的安装孔内滑移和旋转；当然，驱动杆B14与柔性机构B10、柔性机构C16之间的连接也可以采用其它可替代的固定连接方式。
优选地，所述驱动机构A还包括预紧螺栓A7和预紧垫片A6，所述驱动机构B还包括预紧螺栓B9和预紧垫片B11，压电陶瓷A5和预紧垫片A6安装在柔性机构A8的安装槽内，且通过预紧垫片A6和预紧螺栓A7为压电陶瓷A5提供一定的预紧力，压电陶瓷B12和预紧垫片B11安装在柔性机构B10的安装槽内，且通过预紧垫片B11和预紧螺栓B9为压电陶瓷B12提供一定的预紧力。
所述动-转子2安装于所述驱动杆A3和所述驱动杆B14共同组成的导轨上，所述动-转子2外侧面与所述驱动杆A3和所述驱动杆B14摩擦接触，动-转子2可在导轨驱动力或力矩作用下实现大行程直线移动和在导轨内的大角度旋转运动，当载荷通过螺栓安装在动-转子2上时，就能够利用动-转子2沿导轨的直线移动或关于其自身的旋转运动实现压电执行器直线-旋转两自由度的运动输出。
本实施方式中，驱动机构A和驱动机构B具有完全相同的结构，且在基座1上对称设置。压电陶瓷A5和压电陶瓷B12在不同驱动信号的驱动下能够推动驱动杆A3和驱动杆B14产生周期性位移变化，利用驱动杆A3 和驱动杆B14缓慢移动时对动-转子2产生的摩擦力或力矩，带动动-转子2实现沿导轨的直线位移或旋转角位移，利用驱动杆A3和驱动杆B14快速移动时与动-转子2产生的相对滑动实现初始动作的恢复，进而压电执行器产生步进型运动，通过直线位移与旋转角位移的不断累积，最终实现基于惯性驱动的直线-旋转两自由度压电执行器的大行程位移输出和大角度旋转输出。
进一步地，所述驱动杆A3和所述驱动杆B14为圆形杆，所述动-转子2的外侧面为半圆形槽；此种结构的设置一方面能够使得驱动杆A3、驱动杆B14与动-转子2之间具有更大的摩擦接触面，另一方面，圆形杆与半圆形槽配合能够起到滑动导引及转动导引动-转子2的效果，从而提高压电执行器的载荷输出以及运动平稳性。
进一步地，所述柔性机构A8、柔性机构B10、柔性机构C16和柔性机构D17均包含一对板型柔性铰链。优选地，为了保证柔性机构具有更优的形变精度，所述柔性机构A8、柔性机构B10、柔性机构C16和柔性机构D17均由一整块弹性金属材料整体加工而成，优选地，所述弹性金属材料为经过淬火处理的65Mn弹簧钢。
进一步地，所述定子A通过螺栓穿过柔性机构A8和柔性机构D17上的螺纹孔与基座1固定连接；所述定子B通过螺栓穿过柔性机构B10和柔性机构C16上的螺纹孔与基座1固定连接。优选地，每个柔性机构均通过两个螺栓与基座1固定连接，这样，定子A和定子B共通过八个螺栓与基座1固定连接，为保证驱动杆A3和驱动杆B14对动-转子2产生有效摩擦驱动，定子A和定子B安装时应保证四个柔性机构的平面度。
进一步地，所述压电陶瓷A5和所述压电陶瓷B12的驱动信号为同相或异相的锯齿波信号。当然，所述压电陶瓷A5和所述压电陶瓷B12的驱动信号也可以为同相或异相的具有平滑上升又陡然下降特点的其它有规律的电压信号，如1/4正弦波信号等。
实施例2
参照图3-4具体说明本实施方式，本实施方式是对实施例1所述的一种基于惯性驱动的直线-旋转两自由度压电执行器的工作原理作进一步说明，本实施例中，压电陶瓷A5和压电陶瓷B12的驱动信号均采用锯齿波信号。当对压电陶瓷A5和压电陶瓷B12施加图3（a）所示同相锯齿波信号时，动-转子2将实现直线位移输出，动作原理如图4（a）所示；当对压电陶瓷A5和压电陶瓷B12施加图3（b）所示异相锯齿波信号时，动-转子2将实现旋转角位移输出,动作原理如图4（b）所示。
如图4所示，本发明的具体工作过程如下：
1.如图4（a）所示，当对压电陶瓷A5和压电陶瓷B12施加同相锯齿波信号时，两个压电陶瓷初始态信号电压为0，压电陶瓷A5和压电陶瓷B12处于原长位置。随着锯齿波的波形直线上升，驱动电压逐渐增加至电压U，在逆压电作用下，此时压电陶瓷A5和压电陶瓷B12缓慢伸长距离L使柔性机构A8和柔性机构B10产生微小形变，从而推动驱动杆A3和驱动杆B14产生缓慢的直线位移，动-转子2在载荷及其自重状态下通过与驱动杆A3和驱动杆B14之间产生摩擦驱动力，从而带动动-转子2实现沿导轨方向直线位移L的输出。当锯齿波波形陡然下降时，压电陶瓷A5和压电陶瓷B12快速回缩，导致板型柔性铰链迅速恢复原样且带动驱动杆A3和驱动杆B14退回原位置，此时动-转子2与驱动杆A3和驱动杆B14产生相对滑动，在惯性力作用下动-转子回退微小位移l。经过一个锯齿波波形的驱动，动-转子2相对于基座1向左移动距离为（L-l），经多个同相锯齿波波形的驱动，动-转子2实现步进直线位移输出。通过对压电陶瓷A5和压电陶瓷B12施加反向的锯齿波驱动信号，动-转子2可以实现向右方向移动的位移输出。
2. 如图4（b）所示，当对压电陶瓷A5和压电陶瓷B12施加异相锯齿波信号时，压电陶瓷A5初始态信号电压为0，压电陶瓷B12初始态信号电压为U，在逆压电作用下，压电陶瓷A5位移输出为0，压电陶瓷B12位移输出为L。随着压电陶瓷A5驱动电压的不断增加和压电陶瓷B12驱动电压的不断减小，驱动杆A3在柔性机构A8的形变带动下不断向左运动，驱动杆B14在柔性机构B10的形变带动下不断向右运动，动-转子2在载荷及其自重状态下通过与驱动杆A3和驱动杆B14之间产生摩擦驱动力矩，从而带动动-转子2以其中心为轴旋转角度θ1，当压电陶瓷A5的驱动电压陡然下降至0和压电陶瓷B12的驱动电压陡然增加至U时，压电陶瓷A5的快速回缩导致驱动杆A退回原位置，压电陶瓷B12快速输出并带动驱动杆B14移动位移L，此时动-转子2与驱动杆A3和驱动杆B14产生相对滑动，在惯性力作用下动-转子回转微小角位移θ2。经过一个异相锯齿波波形的驱动，动-转子2相对于基座1逆时针旋转角度为（θ1-θ2），经多个异相锯齿波波形的驱动，动-转子2实现步进旋转角位移输出。通过对压电陶瓷A5和压电陶瓷B12施加反向的锯齿波驱动信号，动-转子2可以实现顺时针方向的旋转角位移输出。
执行器经过一个锯齿波波形的动作，在两个压电陶瓷驱动和四个柔性机构形变带动下，两个驱动杆对动-转子产生驱动摩擦力或力矩，动-转子实现一次沿导轨直线位移输出或沿中心旋转角位移输出。循环往复此过程，动-转子可实现直线位移和旋转角位移两自由度运动。
以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于惯性驱动的直线-旋转两自由度压电执行器，其特征在于，包括基座（1）、动-转子（2）、驱动机构A和驱动机构B，所述驱动机构A和驱动机构B均安装于所述基座（1）上，且所述驱动机构A和所述驱动机构B相互平行设置；
所述驱动机构A包括定子A和压电陶瓷A（5），所述定子A包括驱动杆A（3）、柔性机构A（8）和柔性机构D（17），所述柔性机构A（8）和所述柔性机构D（17）分别连接于所述驱动杆A（3）的两端，所述压电陶瓷A（5）安装在柔性机构A（8）的安装槽内，所述柔性机构D（17）的安装槽内不安装压电陶瓷；
所述驱动机构B包括定子B和压电陶瓷B（12），所述定子B包括驱动杆B（14）、柔性机构B（10）和柔性机构C（16），所述柔性机构B（10）和所述柔性机构C（16）分别连接于所述驱动杆B（14）的两端，所述压电陶瓷B（12）安装在所述柔性机构B（10）的安装槽内，所述柔性机构C（16）的安装槽内不安装压电陶瓷；
所述动-转子（2）安装于所述驱动杆A（3）和所述驱动杆B（14）共同组成的导轨上，所述动-转子（2）外侧面与所述驱动杆A（3）和所述驱动杆B（14）摩擦接触。
2.根据权利要求1所述的一种基于惯性驱动的直线-旋转两自由度压电执行器，其特征在于，所述驱动杆A（3）和所述驱动杆B（14）为圆形杆，所述动-转子（2）的外侧面为半圆形槽。
3.根据权利要求2所述的一种基于惯性驱动的直线-旋转两自由度压电执行器，其特征在于，所述定子A还包括紧固螺栓A（4）和紧固螺栓D（18），所述驱动杆A（3）一端通过所述紧固螺栓A（4）与柔性机构A（8）固定连接，所述驱动杆A（3）另一端通过所述紧固螺栓D（18）与柔性机构D（17）固定连接；
所述定子B还包括紧固螺栓B（13）和紧固螺栓C（15），所述驱动杆B（14）一端通过紧固螺栓B（13）与柔性机构B（10）固定连接，所述驱动杆B（14）另一端通过紧固螺栓C（15）与柔性机构C（16）固定连接。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于惯性驱动的直线-旋转两自由度压电执行器，其特征在于，所述柔性机构A（8）、柔性机构B（10）、柔性机构C（16）和柔性机构D（17）均包含一对板型柔性铰链。
5.根据权利要求4所述的一种基于惯性驱动的直线-旋转两自由度压电执行器，其特征在于，所述柔性机构A（8）、柔性机构B（10）、柔性机构C（16）和柔性机构D（17）均由一整块弹性金属材料整体加工而成。
6.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于惯性驱动的直线-旋转两自由度压电执行器，其特征在于，所述定子A通过螺栓穿过柔性机构A（8）和柔性机构D（17）上的螺纹孔与基座（1）固定连接；所述定子B通过螺栓穿过柔性机构B（10）和柔性机构C（16）上的螺纹孔与基座（1）固定连接。
7.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于惯性驱动的直线-旋转两自由度压电执行器，其特征在于，所述驱动机构A还包括预紧螺栓A（7）和预紧垫片A（6），所述预紧螺栓A（7）和预紧垫片A（6）用于为压电陶瓷A（5）提供预紧力；
所述驱动机构B还包括预紧螺栓B（9）和预紧垫片B（11），所述预紧螺栓B（9）和预紧垫片B（11）用于为压电陶瓷B（12）提供预紧力。
8.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于惯性驱动的直线-旋转两自由度压电执行器，其特征在于，所述压电陶瓷A（5）和所述压电陶瓷B（12）的驱动信号为同相或异相的锯齿波信号。
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2022
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