CN116191927A - 一种基于压电双晶片驱动的平面三自由度执行器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于压电双晶片驱动的平面三自由度执行器，属于压电电机技术领域，包括定子，定子包括固定框，固定框内部四角处均与驱动铰链一端连接，驱动铰链另一端通过连接铰链与连接块连接，连接块与输出块之间通过连接铰链连接，每个驱动铰链的两侧均安装有压电陶瓷；滑动座下端连接有滑块，滑块与输出块上的滑槽配合，滑动座和滑块能将Y轴方向的运动输出转换为X轴方向的运动输出；滑动环沿其中心线方向加工有滑动块，滑动环的滑动块与滑动座的滑动槽配合，能将压电双晶片驱动单元的扭转转化为执行器的旋转角位移输出；输出端内侧面与滑动环外侧面摩擦接触，通过滑动环的转动摩擦带动输出端运动。
Description
技术领域
本发明属于压电电机技术领域，尤其涉及一种基于压电双晶片驱动的平面三自由度执行器。
背景技术
随着工业化进程的加快，各领域对多自由度执行机构的集成化程度、精密度提出了更高的要求，其中压电执行器因其精度高、响应快、不受电磁干扰等优势被广泛应用在诸多工业领域，现有的多自由度压电执行器多采用压电叠堆串联或并联的方式来满足多自由度的要求，基于压电叠堆的多自由度执行器体积较大且结构复杂，此外，压电叠堆无法承受负电压，成本较高，限制了多自由度压电执行器的广泛使用。压电双晶片由两片压电陶瓷及夹在中间的金属片构成，通过控制两侧压电陶瓷的电压可以实现整体弯曲变形，压电双晶片的使用为多自由度压电执行器提供了可靠的驱动单元，为了满足不同工作条件下的使用要求，现提出一种基于压电双晶片驱动的平面三自由度执行器，该执行器体积小、结构集成度高、各自由度转换灵活且控制方便，为平面三自由度压电执行器提供了新的设计思路，极大拓展了三自由度压电执行器的应用范围。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中压电叠堆多自由度执行器结构复杂、成本高、体积大等问题提出一种基于压电双晶片驱动的平面三自由度执行器。
一种基于压电双晶片驱动的平面三自由度执行器，包括定子、压电陶瓷、滑动座、滑动环和输出端；
所述定子包括固定框，固定框内部四角处均与驱动铰链一端连接，驱动铰链另一端通过连接铰链与连接块连接，连接块与输出块之间通过连接铰链连接，输出块上加工有滑槽；
每个驱动铰链的两侧均安装有压电陶瓷，两片压电陶瓷与夹在其中间的驱动铰链组成压电双晶片驱动单元；
滑动座上表面加工有滑动槽，且滑动座下端连接有滑块，滑动槽的中心线与滑块的中心线相互垂直，滑块与输出块上的滑槽配合工作，滑动座和滑块能将Y轴方向的运动输出转换为X轴方向的运动输出；
滑动环沿其中心线方向加工有滑动块，滑动环的滑动块与滑动座的滑动槽配合工作，能将压电双晶片驱动单元的扭转转化为执行器的旋转角位移输出；
输出端内侧面与滑动环外侧面摩擦接触，通过滑动环的转动摩擦带动输出端运动。
更进一步而言，所述的压电陶瓷、驱动铰链、连接铰链采用轴对称的布置方式。
更进一步而言，整个定子由一整块弹性金属材料整体加工而成。
更进一步而言，所述弹性金属材料为经过淬火处理的65Mn弹簧钢。
更进一步而言，通过施加不同的电压激励信号，压电双晶片驱动单元能输出不同方向的弯曲变形。
更进一步而言，滑动环下表面圆环内径与上表面圆环内径保持一致，滑动环下表面圆环外径大于上表面圆环外径，滑动环下端外壁加工有轴肩，轴肩用于承载输出端及负载。
更进一步而言，相互配合的滑动块与滑动槽之间以及滑动环与输出端之间设置有能调节预紧力的预紧机构。
更进一步而言，外部载荷能通过连接件固定安装在输出端上表面，利用压电双晶片驱动单元在不同激励信号驱动下的弯曲变形带动连接铰链、连接块和输出块整体变形，通过滑动座、滑块、滑动环和滑动块将压电双晶片驱动单元的单一方向运动输出转变成不同方向的位移或角位移输出，进而实现执行器能沿X轴方向、Y轴方向的直线位移和绕Z轴方向的旋转角位移共计三个自由度的运动输出。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、利用四个压电双晶片驱动单元在异相锯齿波驱动电压激励下的弯曲变形，带动连接铰链、连接块和输出块产生变形，最终在滑动座、滑动环和输出端的配合下可以实现沿X轴方向、Y轴方向的直线位移和绕Z轴方向的旋转角位移输出；
2、本发明结构集成度高，通过给不同压电双晶片驱动单元施加异相锯齿波驱动信号，在滑动座、滑动环等转换机构配合下即可实现直线位移和旋转角位移运动输出，结构简单且控制灵活，当对压电双晶片驱动单元采用相反的锯齿波驱动信号时，执行器能够实现相反方向的直线运动或旋转运动；
3、本发明各自由度转换灵活，可通过控制压电双晶片驱动单元信号输入形式，在三个自由度之间相互转换，不存在结构干涉问题，响应迅速且转换灵活；
4、本发明结构体积小、响应快、不受电磁干扰、各自由度转换灵活且控制方便，在航空航天、集成电路、光学设备、微机电系统等技术领域具有良好的应用前景，为平面三自由度压电执行器提供了新的设计思路。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图；
图2为本发明的俯视图；
图3为本发明的分解示意图；
图4为本发明定子的俯视图；
图5为本发明的激励电压信号波形图；
图6为本发明的压电双晶片驱动单元在不同激励信号下的变形过程示意图；
图7为负载沿X轴方向直线位移输出时的驱动原理图；
图8为负载沿Y轴方向直线位移输出时的驱动原理图；
图9为负载绕Z轴方向转动角位移输出时的驱动原理图。
图中：1-1、固定端；1-2、驱动铰链；1-3、连接铰链；1-4、连接块；1-5、输出块；2、压电陶瓷；3、滑动座；3-1、滑块；4、滑动环；4-1、滑动块；5、输出端。
具体实施方式
实施例一、
参照图1至图4，一种基于压电双晶片驱动的平面三自由度执行器，包括定子、压电陶瓷2、滑动座3、滑动环4和输出端5；
所述定子包括固定框1-1、四个驱动铰链1-2、六个连接铰链1-3、两个连接块1-4和输出块1-5五部分，固定框1-1内部四角处均与驱动铰链1-2一端连接，驱动铰链1-2另一端通过连接铰链1-3与连接块1-4连接，连接块1-4与输出块1-5之间也通过连接铰链1-3连接并传递驱动力，输出块1-5上加工有滑槽，以达到将压电陶瓷2变形量传递输出的目的；
每个驱动铰链1-2的两侧均安装有压电陶瓷2，两片压电陶瓷2与夹在其中间的驱动铰链1-2组成压电双晶片驱动单元，通过施加不同的电压激励信号，压电双晶片驱动单元可输出不同方向的弯曲变形；
滑动座3上表面加工有滑动槽，且滑动座3下端连接有滑块3-1，其中滑动槽的中心线与滑块3-1的中心线相互垂直，滑块3-1与输出块1-5上的滑槽配合工作，滑动座3和滑块3-1可以将Y轴方向的运动输出转换为X轴方向的运动输出；
滑动环4整体呈现圆环状，沿其中心线方向加工有滑动块4-1，滑动环4下表面圆环内径与上表面圆环内径保持一致，滑动环4下表面圆环外径略大于上表面圆环外径，滑动环4下端外壁加工有轴肩以满足承载输出端5及负载的要求，滑动环4的滑动块4-1与滑动座3的滑动槽配合工作，可将压电双晶片驱动单元的扭转转化为执行器的旋转角位移输出；
输出端5为上表面加工螺纹孔的圆环零件，输出端5内侧面与滑动环4外侧面摩擦接触，通过滑动环4的转动摩擦带动输出端5运动；
相互配合的滑动块4-1与滑动槽之间以及滑动环4与输出端5之间设置有能调节预紧力的预紧机构，即调节滑动块4-1与滑动槽、滑动环4与输出端5之间的摩擦力，可通过预紧机构调节执行器不同方向的输出精度，预紧机构可以为螺栓，预紧机构为现有技术中已知结构，在此不做过多阐述；
外部载荷可以通过连接件固定安装在输出端5上表面，利用压电双晶片驱动单元在不同激励信号驱动下的弯曲变形带动连接铰链1-3、连接块1-4和输出块1-5整体变形，通过滑动座3、滑动环4等结构将压电双晶片驱动单元的单一方向运动输出转变成不同方向的位移或角位移输出，进而执行器可实现沿X轴方向和Y轴方向的直线位移和绕Z轴方向的旋转角位移共计三个自由度的运动输出。
本实施例一中，压电陶瓷2、驱动铰链1-2、连接铰链1-3采用轴对称的布置方式，利用压电双晶片驱动单元在异相激励信号的驱动下产生弯曲变形，进而带动连接铰链1-3、连接块1-4和输出块1-5产生位置变动，在滑动座3、滑块3-1、滑动环4、滑动块4-1和输出端5的共同配合下实现沿X轴方向和Y轴方向的直线位移和绕Z轴方向的旋转角位移输出。
如图4所示，为了保证固定框1-1、驱动铰链1-2、连接铰链1-3、连接块1-4、输出块1-5具有良好的形变精度，整个定子由一整块弹性金属材料整体加工而成，所述弹性金属材料为经过淬火处理的65Mn弹簧钢。
本发明的工作原理：
参照图1至图9，本实施例一中，各压电陶瓷2皆采用锯齿波电压作为激励信号，以单个压电双晶片驱动单元为例；如图6所示，单个压电双晶片驱动单元右侧固定，只有左端可以活动，当对压电双晶片驱动单元两侧的压电陶瓷2同时施加图5（a）所示的异相锯齿波电压信号时，下方压电陶瓷2受正电压信号驱动伸长，上方压电陶瓷2受负电压信号驱动缩短，驱动铰链1-2在两侧压电陶瓷2共同作用时向上弯曲，记作正方向弯曲，当对压电双晶片驱动单元两侧的压电陶瓷2同时施加图5（b）所示的异相锯齿波电压信号时，上方压电陶瓷2受正电压信号驱动伸长，下方压电陶瓷2受负电压信号驱动缩短，驱动铰链1-2在两侧压电陶瓷2共同作用时向下弯曲，记作负方向弯曲。
如图1-图9所示，以压电双晶片驱动单元产生向上弯曲变形时为正方向，压电双晶片驱动单元产生向下弯曲变形时为负方向，右侧小图表示为负载与输出块1-5的相对位置关系，本发明的具体工作过程如下：
1.如图1至图4、图6和图7所示，以压电双晶片驱动单元产生向上弯曲变形时为正方向，压电双晶片驱动单元产生向下弯曲变形时为负方向，本过程执行器可产生沿X轴正方向的直线位移输出；
在阶段（0）内，压电双晶片驱动单元为未通电状态，此时驱动铰链1-2处于原长状态，执行器无输出；
在阶段（1）内，当对左侧两个压电双晶片驱动单元同时施加图5（ｂ）所示的异相锯齿波电压信号且对右侧两个压电双晶片驱动单元同时施加图5（ａ）所示的异相锯齿波电压信号时，四个压电双晶片驱动单元初始状态电压为0，此时执行器无位移输出。当各压电陶瓷2的电压缓慢增加至U或缓慢降低至-U的过程中，左面两个压电双晶片驱动单元产生负方向弯曲，右面两个压电双晶片驱动单元产生正方向弯曲，四个驱动铰链1-2带动连接铰链1-3、连接块1-4和输出块1-5沿X轴正方向移动距离为L1，此时负载在惯性作用下随输出端5移动L1距离；
在阶段（2）内，当驱动电压从Ｕ快速降至0和从-U快速升至０过程中，四个压电双晶片驱动单元快速恢复初始状态，负载、输出端5、滑动环4和滑动块4-1在惯性作用下沿X轴负方向移动距离为L2，L2＜L1，在压电双晶片驱动单元的一次驱动过程中，负载沿X轴正方向移动（L1-L2）距离，即执行器沿X轴正方向的直线位移输出精度为（L1-L2）。
如果不断重复该过程，执行器便可实现沿X轴正方向的大行程步进直线位移输出，通过对各个压电双晶片驱动单元施加反向的锯齿波驱动信号，执行器可以实现沿X轴负方向的大行程步进直线位移输出。
2.如图1至图4、图6和图8所示，以压电双晶片驱动单元产生向上弯曲变形时为正方向，压电双晶片驱动单元产生向下弯曲变形时为负方向，本过程执行器可产生沿Y轴正方向的直线位移输出；
在阶段（0）内，压电双晶片驱动单元为未通电状态，此时驱动铰链1-2处于原长状态，执行器无输出；
在阶段（1）内，当对下面两个压电双晶片驱动单元同时施加图5（ａ）所示的异相锯齿波电压信号且对上面两个压电双晶片驱动单元同时施加图5（ｂ）所示的异相锯齿波电压信号时，四个压电双晶片驱动单元初始状态电压为0，此时执行器无位移输出。当各压电陶瓷2的电压缓慢增加至U或缓慢降低至-U的过程中，下面两个压电双晶片驱动单元产生正方向弯曲，上面两个压电双晶片驱动单元产生负方向弯曲，此时下面连接块1-4受到左右两侧连接铰链1-3的扭矩作用发生逆时针方向偏转，上面连接块1-4受到左右两侧连接铰链1-3的扭矩作用发生顺时针方向偏转，输出块1-5在两侧连接块1-4偏转和连接铰链1-3的变形带动下产生沿Y轴正方向移动距离为L3；
在阶段（2）内，当驱动电压从Ｕ快速降至0和从-Ｕ快速升至０过程中，四个压电双晶片驱动单元快速恢复初始状态，负载、输出端5、滑动环4和滑动块4-1、滑动座3和滑块3-1在惯性作用下沿Y轴负方向移动距离为L4，L4＜L3，在压电双晶片驱动单元的一次驱动过程中，负载沿Y轴正方向移动（L3-L4）距离，即执行器沿Y轴正方向的直线位移输出精度为（L3-L4）。
如果不断重复该过程，执行器便可实现沿Y轴正方向的大行程步进直线位移输出，通过对各个压电双晶片驱动单元施加反向的锯齿波驱动信号，执行器可以实现沿Y轴负方向的大行程步进直线位移输出。
3.如图1至图4、图6和图9所示，以压电双晶片驱动单元产生向上弯曲变形时为正方向，压电双晶片驱动单元产生向下弯曲变形时为负方向，本过程执行器可产生绕Z轴顺时针方向的旋转角位移输出；
在阶段（0）内，压电双晶片为未通电状态，此时驱动铰链1-2处于原长状态，执行器无输出；
在阶段（1）内，当对四个压电双晶片驱动单元同时施加图5（ａ）所示的异相锯齿波电压信号时，四个压电双晶片驱动单元初始状态电压为0，此时执行器无位移输出。当各压电陶瓷2的电压缓慢增加至U或缓慢降低至-U的过程中，四个压电双晶片驱动单元均产生正方向弯曲，此时上面连接块1-4和下面连接块1-4受到左右两侧连接铰链1-3的扭矩作用均发生逆时针方向偏转，输出块1-5在两侧连接块1-4偏转和连接铰链1-3的变形带动下产生绕Z轴顺时针旋转角位移为θ1；
在阶段（2）内，当驱动电压从Ｕ快速降至0和从-Ｕ快速升至０过程中，四个压电双晶片驱动单元快速恢复初始状态，负载、输出端5部分在惯性作用下绕Z轴逆时针旋转角位移为θ2，θ2＜θ1，在压电双晶片驱动单元的一次驱动过程中，负载绕Z轴顺时针旋转角位移为（θ1-θ2），即执行器绕Z轴的旋转角位移输出精度为（θ1-θ2）。
如果不断重复该过程，执行器便可实现绕Z轴顺时针方向的大行程步进旋转角位移输出，通过对各个压电双晶片驱动单元施加反向的锯齿波驱动信号，执行器可以实现绕Z轴逆时针方向的大行程步进旋转角位移输出。
压电执行器经过一个异相锯齿波波形的动作，在四个压电双晶片驱动单元驱动下，负载可产生沿X轴方向或Y轴方向的直线位移输出和绕Z轴方向的旋转角位移输出。循环往复此过程，压电执行器可实现平面三自由度运动输出。
Claims (8)
1.一种基于压电双晶片驱动的平面三自由度执行器，其特征在于：包括定子、压电陶瓷（2）、滑动座（3）、滑动环（4）和输出端（5）；
所述定子包括固定框（1-1），固定框（1-1）内部四角处均与驱动铰链（1-2）一端连接，驱动铰链（1-2）另一端通过连接铰链（1-3）与连接块（1-4）连接，连接块（1-4）与输出块（1-5）之间通过连接铰链（1-3）连接，输出块（1-5）上加工有滑槽；
每个驱动铰链（1-2）的两侧均安装有压电陶瓷（2），两片压电陶瓷（2）与夹在其中间的驱动铰链（1-2）组成压电双晶片驱动单元；
滑动座（3）上表面加工有滑动槽，且滑动座（3）下端连接有滑块（3-1），滑动槽的中心线与滑块（3-1）的中心线相互垂直，滑块（3-1）与输出块（1-5）上的滑槽配合工作，滑动座（3）和滑块（3-1）能将Y轴方向的运动输出转换为X轴方向的运动输出；
滑动环（4）沿其中心线方向加工有滑动块（4-1），滑动环（4）的滑动块（4-1）与滑动座（3）的滑动槽配合工作，能将压电双晶片驱动单元的扭转转化为执行器的旋转角位移输出；
输出端（5）内侧面与滑动环（4）外侧面摩擦接触，通过滑动环（4）的转动摩擦带动输出端（5）运动。
2.根据权利要求1所述的一种基于压电双晶片驱动的平面三自由度执行器，其特征在于：所述的压电陶瓷（2）、驱动铰链（1-2）、连接铰链（1-3）采用轴对称的布置方式。
3.根据权利要求1所述的一种基于压电双晶片驱动的平面三自由度执行器，其特征在于：整个定子由一整块弹性金属材料整体加工而成。
4.根据权利要求1所述的一种基于压电双晶片驱动的平面三自由度执行器，其特征在于：所述弹性金属材料为经过淬火处理的65Mn弹簧钢。
5.根据权利要求1所述的一种基于压电双晶片驱动的平面三自由度执行器，其特征在于：通过施加不同的电压激励信号，压电双晶片驱动单元能输出不同方向的弯曲变形。
6.根据权利要求1所述的一种基于压电双晶片驱动的平面三自由度执行器，其特征在于：滑动环（4）下表面圆环内径与上表面圆环内径保持一致，滑动环（4）下表面圆环外径大于上表面圆环外径，滑动环（4）下端外壁加工有轴肩，轴肩用于承载输出端（5）及负载。
7.根据权利要求1所述的一种基于压电双晶片驱动的平面三自由度执行器，其特征在于：相互配合的滑动块（4-1）与滑动槽之间以及滑动环（4）与输出端（5）之间设置有能调节预紧力的预紧机构。
8.根据权利要求5所述的一种基于压电双晶片驱动的平面三自由度执行器，其特征在于：外部载荷能通过连接件固定安装在输出端（5）上表面，利用压电双晶片驱动单元在不同激励信号驱动下的弯曲变形带动连接铰链（1-3）、连接块（1-4）和输出块（1-5）整体变形，通过滑动座（3）、滑块（3-1）、滑动环（4）和滑动块（4-1）将压电双晶片驱动单元的单一方向运动输出转变成不同方向的位移或角位移输出，进而实现执行器能沿X轴方向、Y轴方向的直线位移和绕Z轴方向的旋转角位移共计三个自由度的运动输出。
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