CN115603608B - 一种基于惯性驱动的步进式三自由度压电执行器 - Google Patents

Abstract

一种基于惯性驱动的步进式三自由度压电执行器，涉及压电电机技术领域，包括基座、支柱、关节球、关节套和四个驱动机构，四个驱动机构均布于关节套顶部，所述驱动机构均包括压电陶瓷和惯性球，其中四个驱动机构以关节套为中心呈圆周等距分布；所述关节套装配于关节球外侧，可实现沿关节球Z轴方向直线运动和以关节球为中心绕关节球X轴或Y轴的旋转运动；所述压电陶瓷的驱动控制信号采用同相或异相锯齿波信号，且相反的锯齿波信号能够实现关节套的反向移动或转动。本发明利用四个压电陶瓷的时序应变推动关节套产生周期性运动，从而对关节套产生摩擦力或力矩，进而在关节球固定配合下驱动关节套实现一直线、两旋转三个自由度运动。

Description

一种基于惯性驱动的步进式三自由度压电执行器

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步进式三自由度压电执行器。

背景技术

随着科技的发展，定位驱动器已广泛应用到光学仪器、微电子制造、航空航天以及生物医疗工程等技术领域，传统的定位驱动器主要以电磁电机为驱动力，此种驱动方式定位精度偏低且存在电磁干扰。随着压电材料的发展，基于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，在精密定位平台领域引起了广泛关注。此外，传统的定位驱动系统在满足多自由度的使用条件下需多个零件共同配合，易使结构变复杂、占用空间变大，从而增加整体控制难度。压电执行器因其压电陶瓷的结构集成可大大减小工作空间，但现有技术中还缺乏能够实现一直线两旋转三个自由度的运动输出的压电执行器。

发明内容

本发明是针对传统电磁电机定位驱动系统定位精度偏低、易存在电磁干扰，结构复杂易造成控制难度增大，不能满足诸多高精尖技术领域对多自由度精密驱动器的工作要求等问题。现提出一种基于惯性驱动的步进式三自由度压电执行器，可以实现两轴旋转运动和单轴直线运动，通过柔性铰链机构的形变进一步提高了压电执行器的输出精度，推进了压电定位平台在诸多领域的进一步应用。

一种基于惯性驱动的步进式三自由度压电执行器，其特征在于，包括基座、支柱、关节球、关节套和四个驱动机构；

所述支柱设置于所述基座上，所述关节球设置于所述支柱上端；四个驱动机构安装于所述关节套的顶部，相邻两个驱动机构之间夹角为90度；所述关节球位于所述关节套内；

每个驱动机构均包括一个压电陶瓷和一个惯性球，所述压电陶瓷一端固定于所述关节套的顶部，另一端与所述惯性球固定连接。

进一步地，所述关节套包括预紧足、预紧柔性铰链、调节柔性铰链和外壳，所述调节柔性铰链的形状为圆环，所述外壳与所述调节柔性铰链之间通过四个均布的直线铰链A连接，所述预紧柔性铰链的形状为弧形段，其个数为四个，四个所述预紧柔性铰链分别通过直线铰链B均布连接于所述调节柔性铰链的内侧，且所述直线铰链B的连接位置位于相邻的两个直线铰链A之间，每个所述预紧柔性铰链的两端分别连接一个预紧足。

进一步地，所述预紧足的两侧边沿所述关节套的径向延伸，且八个所述预紧足的内边位于同一圆周上。

进一步地，所述关节套由一整块弹性金属材料整体加工而成。

进一步地，所述外壳的外侧表面上安装有多组调节螺栓，每组调节螺栓包含上下共线分布的两个调节螺栓，各个调节螺栓的底部均与调节柔性铰链外侧接触。

进一步地，所述外壳的外侧表面上安装有四组调节螺栓，相邻两组调节螺栓之间夹角为90度。

进一步地，所述外壳的外侧设置有四个压电陶瓷座，四个所述压电陶瓷通过螺栓固定连接在对应的压电陶瓷座内。

进一步地，所述关节球采用胶粘剂粘连方式与支柱顶部固定连接，所述关节球的材质为耐磨陶瓷。

进一步地，所述关节套顶部用于安装载荷平台。

进一步地，在驱动机构驱动下，所述关节套能够沿关节球Z轴方向做直线移动、绕关节球X轴方向做旋转运动以及绕关节球Y轴方向做旋转运动。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、所述的一种基于惯性驱动的步进式三自由度压电执行器，利用四个压电陶瓷的时序应变推动四个驱动机构完成周期性运动，从而带动关节套产生步进阶梯型位移或旋转角位移，进而驱动关节套实现一直线两旋转三个自由度的运动输出。

2、通过对四个压电陶瓷施加同相的锯齿波驱动信号，关节套可完成沿关节球Z轴方向的直线运动，通过对对称布置的压电陶瓷施加异相的锯齿波驱动信号，关节套可完成沿关节球X轴或Y轴方向的旋转运动，当对配合工作的压电陶瓷采用与之相反的锯齿波驱动信号时，关节套能够实现相反方向的直线运动或旋转运动。

本发明在光学仪器、微电子制造、航空航天以及生物医疗工程等技术领域具有良好的应用前景，适于应用于压电定位平台，一直线两旋转三个自由度的运动输出扩宽了压电定位平台在精密定位平台领域内的应用范围。

附图说明

图1为一种基于惯性驱动的步进式三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步进式三自由度压电执行器的俯视图；

图3为图1所述的一种基于惯性驱动的步进式三自由度压电执行器的关节套的俯视图；

图4为一种基于惯性驱动的步进式三自由度压电执行器的驱动信号波形图，其中（a）为同相锯齿波信号，（b）为异相锯齿波信号；

图5为一种基于惯性驱动的步进式三自由度压电执行器产生直线位移输出时的驱动原理图；

图6为一种基于惯性驱动的步进式三自由度压电执行器产生旋转角位移输出时的驱动原理图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

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步进式三自由度压电执行器，包括基座1、支柱2、关节球18、关节套3和四个驱动机构；所述支柱2设置于所述基座1上，所述关节球18设置于所述支柱2上端，所述关节球18位于所述关节套3内；

具体地，支柱2底部采用钎焊连接方式与基座1固定连接，关节球18采用胶粘剂粘连方式与支柱2顶部固定连接，其中，关节球18的材质优选耐磨陶瓷，此处固定连接方式仅是以钎焊和胶粘方式为例，也可采用其他固相连接方式；

四个驱动机构均布安装于所述关节套3的顶部，相邻两个驱动机构之间夹角为90度；每个驱动机构均包括一个压电陶瓷和一个惯性球，所述压电陶瓷一端固定于所述关节套3的顶部，另一端与所述惯性球固定连接。

具体地，四个驱动机构分别为驱动机构A、驱动机构B、驱动机构C和驱动机构D，关节套3顶部外侧设置有四个压电陶瓷座，四个压电陶瓷座分别为压电陶瓷座A7、压电陶瓷座B 9、压电陶瓷座C11、压电陶瓷座D13，所述驱动机构A、驱动机构B、驱动机构C和驱动机构D均通过螺栓固定连接在关节套3顶部的对应的压电陶瓷座内，且驱动机构A、驱动机构B、驱动机构C和驱动机构D中相邻两个驱动机构之间夹角为90度；所述驱动机构A包括压电陶瓷A6、惯性球A4，所述驱动机构B包括压电陶瓷B8、惯性球B5，所述驱动机构C包括压电陶瓷C12、惯性球C15，所述驱动机构D包括压电陶瓷D14、惯性球D16，压电陶瓷外壳的一端与惯性球固定连接，另一端安装在关节套3上的压电陶瓷座内。

本发明所述的一种基于惯性驱动的步进式三自由度压电执行器，通过对四个压电陶瓷施加同相的锯齿波驱动信号，关节套3可完成沿关节球18的Z轴方向的直线运动，通过对对称布置的压电陶瓷施加异相的锯齿波驱动信号，关节套3可完成沿关节球18的X轴或Y轴方向的旋转运动，当对配合工作的压电陶瓷采用与之相反的锯齿波驱动信号时，关节套3能够实现相反方向的直线运动或旋转运动。可见，本发明利用四个压电陶瓷的时序应变推动四个驱动机构完成周期性运动，从而带动关节套3产生步进阶梯型位移或旋转角位移，进而驱动关节套3实现一直线两旋转三个自由度的运动输出。

进一步地，如图3-4所示，所述关节套3包括预紧足21、预紧柔性铰链22、调节柔性铰链23和外壳24，所述调节柔性铰链23的形状为圆环，所述外壳24与所述调节柔性铰链23之间通过四个均布的直线铰链A连接，所述预紧柔性铰链22的形状为弧形段，其个数为四个，四个所述预紧柔性铰链22分别通过直线铰链B均布连接于所述调节柔性铰链23的内侧，且所述直线铰链B的连接位置位于相邻的两个直线铰链A之间，所述预紧柔性铰链22的两端分别连接一个预紧足21。

这样，呈圆周分布的八个预紧足21可形成沿关节套3长度方向的导轨，且八个预紧足21皆与关节球18摩擦接触，关节球18可以在导轨中实现沿Z轴方向的直线运动，也就是关节套3可以实现沿Z轴方向的上下移动，此外，关节套3还可以实现以关节球18为中心绕关节球18的X轴或Y轴的旋转运动。

进一步地，预紧足21两侧边应沿直径方向加工，且最内边应在同一圆周上以保证各个预紧足21对关节球18起到良好的预紧作用。

进一步地，为了保证预紧柔性铰链22和调节柔性铰链23具有更优的形变精度，整个关节套3由一整块弹性金属材料整体加工而成，所述弹性金属材料优选为经过淬火处理的65Mn弹簧钢。

所述外壳24的外侧表面上安装有多组调节螺栓，每组包含上下共线分布的两个调节螺栓，各个调节螺栓的底部与调节柔性铰链23外侧接触，通过调节螺栓的拧紧程度控制各个调节柔性铰链23的变形程度。

具体地，在关节套3的外壳24外侧表面上安装有八颗调节螺栓，八颗调节螺栓可分为调节螺栓A10、调节螺栓B17、调节螺栓C19和调节螺栓D20四组，其中每组包含上下共线分布的两个调节螺栓，相邻两组调节螺栓之间夹角为90度。各个调节螺栓的底部与调节柔性铰链23外侧接触，通过调节螺栓的拧紧程度控制各个调节柔性铰链23的变形程度，进而带动预紧柔性铰链22产生位移变化，从而调节预紧足21与关节球18之间的预紧力，具体为：关节套3外侧表面呈圆周分布的八颗预紧螺栓旋紧时，调节柔性铰链23产生向内的位移，进而带动预紧柔性铰链22和预紧足21向内运动，从而加大预紧足21和关节球18之间的预紧力。

所述关节套3顶部用于安装载荷平台，载荷平台可以通过螺栓安装在关节套3顶部，利用关节套3沿关节球18的Z轴方向的直线移动或关节套3以关节球18为中心绕X轴或Y轴的旋转运动实现压电执行器三个自由度的运动输出。

本实施方式中，驱动机构A、驱动机构B、驱动机构C和驱动机构D具有完全相同的结构，且以关节套3中心线为轴呈圆周等距分布。压电陶瓷A6、压电陶瓷B8、压电陶瓷C12和压电陶瓷D14在不同驱动信号的驱动下能够带动关节套3产生沿Z轴方向直线运动或以关节球18为中心绕X轴或Y轴的旋转运动，在预紧柔性铰链22、调节柔性铰链23以及八个调节螺栓的共同作用下为预紧足21和关节球18提供适当的预紧力，保证关节套3完成正常直线运动和旋转运动的同时，避免关节套3与关节球18之间因自重引起的打滑现象，提高压电执行器的精度。

实施例2

参照图4至图6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步进式三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A6、压电陶瓷B8、压电陶瓷C12和压电陶瓷D14均采用锯齿波电压驱动信号。当对压电陶瓷A6、压电陶瓷B8、压电陶瓷C12和压电陶瓷D14施加图4（a）所示同相锯齿波信号时，关节套3将实现沿Z轴方向的直线位移输出，当对压电陶瓷A6和压电陶瓷C12或者压电陶瓷B8和压电陶瓷D14施加图4（b）所示异相锯齿波信号时，关节套3将实现以关节球18为中心绕Y轴或X轴旋转角位移输出。

如图5-图6所示，本发明的具体工作过程如下：

1.如图5所示，当对压电陶瓷A6、压电陶瓷B8、压电陶瓷C12和压电陶瓷D14均施加图4（a）所示同相锯齿波信号时，四个压电陶瓷初始态信号电压为0，各个压电陶瓷处于原长状态。随着驱动电压逐渐增加至电压U，在逆压电效应下，此时压电陶瓷A6、压电陶瓷B8、压电陶瓷C12和压电陶瓷D14缓慢伸长距离L，关节套3在关节球18的预紧摩擦力作用下保持位置不变。当驱动电压急剧下降时，压电陶瓷A6、压电陶瓷B8、压电陶瓷C12和压电陶瓷D14快速回缩，四个惯性球在惯性作用下向上产生微小位移，进而各个压电陶瓷带动四个压电陶瓷座沿Z轴往下移动距离l，从而关节套3下移距离为l。经过一个锯齿波波形的驱动，关节套3相对于关节球18向下移动距离为l，经多个同相锯齿波波形的驱动，关节套3实现步进直线位移输出。通过对压电陶瓷A6、压电陶瓷B8、压电陶瓷C12和压电陶瓷D14施加反向的锯齿波驱动信号，关节套3可以产生向上方移动的位移输出。

2. 如图6所示，当对压电陶瓷A6和压电陶瓷C12施加图4（b）所示异相锯齿波信号时，压电陶瓷A6初始态信号电压为U，压电陶瓷C12初始态信号电压为0，在逆压电效应下，压电陶瓷A6位移输出为L，压电陶瓷C12位移输出为0。随着压电陶瓷A6的驱动电压逐渐降低至0，压电陶瓷C12的驱动电压逐渐增加至U，在逆压电效应下，压电陶瓷A6恢复原长，压电陶瓷C12输出位移L， 关节套3在预紧足21和关节球18的预紧摩擦力作用下保持位置不变。当压电陶瓷A6的驱动电压突然增加至U和压电陶瓷C12的驱动电压突然降低为0时，压电陶瓷A6快速伸长距离L，压电陶瓷C12快速恢复原长，两个惯性球在惯性作用下产生微小位移，此时压电陶瓷座C11受到向下的牵引力，压电陶瓷座A7受到向上的推动力，在关节球18处表现为关节套3受到逆时针力矩，此时关节套3产生逆时针角位移输出θ，也就是绕Y轴逆时针转动θ。经多个异相锯齿波波形的驱动，关节套3可实现步进旋转角位移输出。通过对压电陶瓷A6和压电陶瓷C12施加反向的锯齿波驱动信号，关节套3可以实现绕Y轴顺时针方向的旋转角位移输出。

同理，对压电陶瓷B8和压电陶瓷D14施加图4（b）所示异相锯齿波信号时，关节套3可实现绕X轴逆时针方向的转动，通过对压电陶瓷B8和压电陶瓷D14施加反向的锯齿波驱动信号，关节套3可以实现绕X轴顺时针方向的旋转角位移输出。

压电执行器经过一个同相锯齿波波形的动作，在四个压电陶瓷驱动下，关节套3可产生沿Z轴方向向上或向下的直线位移输出，在对称布置的两个压电陶瓷驱动下，关节套3可产生绕X轴或Y轴的旋转角位移输出。循环往复此过程，压电执行器可实现一直线两旋转三个自由度运动。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于惯性驱动的步进式三自由度压电执行器，其特征在于，包括基座（1）、支柱（2）、关节球（18）、关节套（3）和四个驱动机构；

所述支柱（2）设置于所述基座（1）上，所述关节球（18）设置于所述支柱（2）上端；四个驱动机构安装于所述关节套（3）的顶部，相邻两个驱动机构之间夹角为90度；所述关节球（18）位于所述关节套（3）内；

每个驱动机构均包括一个压电陶瓷和一个惯性球，所述压电陶瓷一端固定于所述关节套（3）的顶部，另一端与所述惯性球固定连接；

所述关节套（3）包括预紧足（21）、预紧柔性铰链（22）、调节柔性铰链（23）和外壳（24），所述调节柔性铰链（23）的形状为圆环，所述外壳（24）与所述调节柔性铰链（23）之间通过四个均布的直线铰链A连接，所述预紧柔性铰链（22）的形状为弧形段，其个数为四个，四个所述预紧柔性铰链（22）分别通过直线铰链B均布连接于所述调节柔性铰链（23）的内侧，且所述直线铰链B的连接位置位于相邻的两个直线铰链A之间，每个所述预紧柔性铰链（22）的两端分别连接一个预紧足（21）。

2.根据权利要求1所述的一种基于惯性驱动的步进式三自由度压电执行器，其特征在于，所述预紧足（21）的两侧边沿所述关节套（3）的径向延伸，且八个所述预紧足（21）的内边位于同一圆周上。

3.根据权利要求1所述的一种基于惯性驱动的步进式三自由度压电执行器，其特征在于，所述关节套（3）由一整块弹性金属材料整体加工而成。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于惯性驱动的步进式三自由度压电执行器，其特征在于，所述外壳（24）的外侧表面上安装有多组调节螺栓，每组调节螺栓包含上下共线分布的两个调节螺栓，各个调节螺栓的底部均与调节柔性铰链（23）外侧接触。

5.根据权利要求4所述的一种基于惯性驱动的步进式三自由度压电执行器，其特征在于，所述外壳（24）的外侧表面上安装有四组调节螺栓，相邻两组调节螺栓之间夹角为90度。

6.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于惯性驱动的步进式三自由度压电执行器，其特征在于，所述外壳（24）的外侧设置有四个压电陶瓷座，四个所述压电陶瓷通过螺栓固定连接在对应的压电陶瓷座内。

7.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于惯性驱动的步进式三自由度压电执行器，其特征在于，所述关节球（18）采用胶粘剂粘连方式与支柱（2）顶部固定连接，所述关节球（18）的材质为耐磨陶瓷。

8.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于惯性驱动的步进式三自由度压电执行器，其特征在于，所述关节套（3）顶部用于安装载荷平台。

9.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于惯性驱动的步进式三自由度压电执行器，其特征在于，在驱动机构驱动下，所述关节套（3）能够沿关节球（18）的Z轴方向做直线移动、绕关节球（18）的X轴方向做旋转运动以及绕关节球（18）的Y轴方向做旋转运动。

Images