CN116388610A - 一种二自由度压电驱动器及驱动方法 - Google Patents

一种二自由度压电驱动器及驱动方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种二自由度压电驱动器及驱动方法，属于精密机械领域。该压电驱动器包括W型底座、光轴、压电驱动单元、直线轴承座Ⅰ、直线轴承座Ⅱ，其中压电驱动单元包括柔顺机构和压电陶瓷片组。直线轴承座Ⅰ与直线轴承座Ⅱ对称布置于W型底座两侧板。压电驱动单元呈“回”字形，其下部通过螺钉与W型底座连接。光轴套入两对称安装的直线轴承，同时穿过压电驱动单元，与压电驱动单元的驱动足弹性接触。压电陶瓷片两两一组，对称粘贴于压电驱动单元左、右两侧壁以及上方横梁的两侧。给压电陶瓷片组通电，驱动柔顺机构形变，进而带动光轴实现二自由度运动。本发明的优点在于：结构简单紧凑、运动分辨率高，可广泛用于精密制造、航空航天等领域。

Description

一种二自由度压电驱动器及驱动方法
技术领域
本发明涉及移动精密机械领域，特别涉及一种二自由度压电驱动器及驱动方法。
背景技术
精密加工和航空航天等领域往往需要高精度且具有多自由度运动的驱动装置。传统电磁、液压等驱动器难以满足精密运动要求。压电驱动器是利用压电材料的逆压电效应，将电能转变为机械能，进而实现机械运动的器件。压电驱动器具有运动分辨率高、响应快、结构简单、无电磁干扰等特点，是实现精密运动的有效手段。而现有压电驱动器，单自由度较多。因此，开发一种具有多自由度运动的精密驱动装置十分必要。
本专利通过设计压电驱动单元的结构，运用压电陶瓷片以及粘滑运动原理，发明了一种二自由度压电驱动器。本专利设计的二自由度压电驱动器拥有更紧凑的结构，克服了多个单自由度驱动器串联占用空间大、空间布置困难等问题；同时通过压电驱动单元实现二自由度的驱动具有更高的分辨率，避免了在多个单自由度驱动器串联时运动误差大量累积的问题，使其能够满足激光加工所要求的精密运动。
发明内容
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种二自由度压电驱动器，其特征在于：包括W型底座(1)、光轴(2)、直线轴承座Ⅰ(3)、直线轴承座Ⅱ(4)和压电驱动单元(5)，其中压电驱动单元(5)包括柔顺机构(6)和压电陶瓷片组(7)；
所述的W型底座(1)包括W型底座侧板Ⅰ(1-1)，W型底座侧板Ⅱ(1-2)，W型底座内板(1-3)，直线轴承座导向孔(1-4)，直线轴承座固定孔(1-5)，压电驱动单元固定孔(1-6)；其中直线轴承座导向孔(1-4)，直线轴承座连接孔(1-5)分别设置于W型底座侧板Ⅰ(1-1)和W型底座侧板Ⅱ(1-2)上；
所述的压电驱动单元(5)包括柔顺机构(6)和压电陶瓷片组(7)；所述柔顺机构(6)呈“回字形”，包括侧壁Ⅰ(6-1)、横梁(6-2)、侧壁Ⅱ(6-3)和固定梁(6-4)；侧壁Ⅰ(6-1)、横梁(6-2)、侧壁Ⅱ(6-3)和固定梁(6-4)顺时针围成“回字形”，其中用于固定压电驱动单元(5)的连接孔(6-5)设置于固定梁(6-4)上；用于驱动光轴(2)的驱动足(6-6)设置于横梁(6-2)中部；
所述的压电陶瓷片组(7)包括上压电陶瓷片组(7-1)，侧压电陶瓷片组Ⅰ(7-2)，侧压电陶瓷片组Ⅱ(7-3)；其中，上压电陶瓷片组(7-1)对称粘贴于横梁(6-2)两侧，侧压电陶瓷片组Ⅰ(7-2)对称粘贴于侧壁Ⅰ(6-1)两侧，侧压电陶瓷片组Ⅱ(7-3)对称粘贴于侧壁Ⅱ(6-3)两侧；所述的W型底座(1)中，W型底座侧板Ⅰ(1-1)和W型底座侧板Ⅱ(1-2)通过直线轴承座连接孔(1-5)对称布置直线轴承座Ⅰ(3)与直线轴承座Ⅱ(4)，W型底座内板(1-3)与柔顺机构(6)的固定梁(6-4)通过螺钉相连接；所述的光轴(2)套入两对称安装的直线轴承座Ⅰ(3)和直线轴承座Ⅱ(4)，同时穿过W型底座侧板Ⅰ(1-1)、压电驱动单元(5)和W型底座侧板Ⅱ(1-2)，与柔顺机构(6)的驱动足(6-6)弹性接触。
本发明的另一目的在于提供一种二自由度压电驱动器的驱动方法，其特征在于：包括以下步骤：
a)装配完成后，给上压电陶瓷片组(7-1)施加对称度100％的锯齿形电信号，柔顺机构(6)的横梁(6-2)受上压电陶瓷片组(7-1)的驱动产生形变，根据粘滑运动原理，驱动足(6-4)带动光轴(2)沿+y向移动；给上压电陶瓷片组(7-1)施加对称度0％的锯齿形电信号，光轴(2)沿-y向移动；重复上述步骤可实现双向大行程直线运动；
b)给侧压电陶瓷片组Ⅰ(7-2)和侧压电陶瓷片组Ⅱ(7-3)施加对称度100％锯齿形电信号，柔顺机构(6)的侧壁Ⅰ(6-1)和侧壁Ⅱ(6-3)分别受侧压电陶瓷片组Ⅰ(7-2)和侧压电陶瓷片组Ⅱ(7-3)的驱动产生形变，根据粘滑运动原理，驱动足(6-6)带动光轴(2)沿绕y轴顺时针转动；给侧压电陶瓷片组Ⅰ(7-2)和侧压电陶瓷片组Ⅱ(7-3)施加对称度0％的锯齿形电信号，光轴(2)会绕y轴逆时针转动；重复上述步骤可实现双向大行程旋转运动。
本发明的有益效果是：设计的二自由度压电驱动器拥有更紧凑的结构，克服了多个单自由度驱动器串联使用时占用空间大、空间布置困难等问题。同时通过压电驱动单元实现二自由度的驱动具有更高的分辨率，避免了在多个单自由度驱动器串联时运动误差大量累积的问题，使其能够满足激光加工等所要求的精密运动。
附图说明
此处附图说明用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明W型底座结构示意图；
图3为本发明压电驱动单元中柔顺结构的结构示意图；
图4为本发明压电驱动单元的结构示意图；
图5为本发明压电驱动单元直线工作原理示意图；
图6为本发明压电驱动单元旋转工作原理示意图；
图中：1、W型底座Ⅰ；1-1、W型底座侧板Ⅰ；1-2、W型底座侧板Ⅱ；1-3、W型底座内板；1-4、直线轴承座导向孔；1-5、直线轴承座连接孔；1-6、压电驱动单元连接孔；2、光轴；3、直线轴承座Ⅰ；4、直线轴承座Ⅱ；5、压电驱动单元；6、柔顺机构；6-1、侧壁Ⅰ；6-2、横梁；6-3、侧壁Ⅱ；6-4、固定梁；6-5、连接孔；6-6、驱动足；7、压电陶瓷片组；7-1、上压电陶瓷片组；7-2、侧压电陶瓷片组Ⅰ；7-3、侧压电陶瓷片组Ⅱ。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参考图1-4所示，一种二自由度压电驱动器，其特征在于：包括W型底座(1)、光轴(2)、直线轴承座Ⅰ(3)、直线轴承座Ⅱ(4)和压电驱动单元(5)，其中压电驱动单元(5)包括柔顺机构(6)和压电陶瓷片组(7)；
所述的W型底座(1)包括W型底座侧板Ⅰ(1-1)，W型底座侧板Ⅱ(1-2)，W型底座内板(1-3)，直线轴承座导向孔(1-4)，直线轴承座固定孔(1-5)，压电驱动单元固定孔(1-6)；其中直线轴承座导向孔(1-4)，直线轴承座连接孔(1-5)分别设置于W型底座侧板Ⅰ(1-1)和W型底座侧板Ⅱ(1-2)上；
所述的压电驱动单元(5)包括柔顺机构(6)和压电陶瓷片组(7)；所述柔顺机构(6)呈“回字形”，包括侧壁Ⅰ(6-1)、横梁(6-2)、侧壁Ⅱ(6-3)和固定梁(6-4)；侧壁Ⅰ(6-1)、横梁(6-2)、侧壁Ⅱ(6-3)和固定梁(6-4)顺时针围成“回字形”，其中用于固定压电驱动单元(5)的连接孔(6-5)设置于固定梁(6-4)上；用于驱动光轴(2)的驱动足(6-6)设置于横梁(6-2)中部；
所述的压电陶瓷片组(7)包括上压电陶瓷片组(7-1)，侧压电陶瓷片组Ⅰ(7-2)，侧压电陶瓷片组Ⅱ(7-3)；其中，上压电陶瓷片组(7-1)对称粘贴于横梁(6-2)两侧，侧压电陶瓷片组Ⅰ(7-2)对称粘贴于侧壁Ⅰ(6-1)两侧，侧压电陶瓷片组Ⅱ(7-3)对称粘贴于侧壁Ⅱ(6-3)两侧；所述的W型底座(1)中，W型底座侧板Ⅰ(1-1)和W型底座侧板Ⅱ(1-2)通过直线轴承座连接孔(1-5)对称布置直线轴承座Ⅰ(3)与直线轴承座Ⅱ(4)，W型底座内板(1-3)与柔顺机构(6)的固定梁(6-4)通过螺钉相连接；所述的光轴(2)套入两对称安装的直线轴承座Ⅰ(3)和直线轴承座Ⅱ(4)，同时穿过W型底座侧板Ⅰ(1-1)、压电驱动单元(5)和W型底座侧板Ⅱ(1-2)，与柔顺机构(6)的驱动足(6-6)弹性接触。
参考图5和图6，一种二自由度压电驱动器的驱动方法，其特征在于：包括以下步骤：
a)装配完成后，给上压电陶瓷片组(7-1)施加对称度100％的锯齿形电信号，柔顺机构(6)的横梁(6-2)受上压电陶瓷片组(7-1)的驱动产生形变，根据粘滑运动原理，驱动足(6-4)带动光轴(2)沿+y向移动；给上压电陶瓷片组(7-1)施加对称度0％的锯齿形电信号，光轴(2)沿-y向移动；重复上述步骤可实现双向大行程直线运动；
b)给侧压电陶瓷片组Ⅰ(7-2)和侧压电陶瓷片组Ⅱ(7-3)施加对称度100％锯齿形电信号，柔顺机构(6)的侧壁Ⅰ(6-1)和侧壁Ⅱ(6-3)分别受侧压电陶瓷片组Ⅰ(7-2)和侧压电陶瓷片组Ⅱ(7-3)的驱动产生形变，根据粘滑运动原理，驱动足(6-6)带动光轴(2)沿绕y轴顺时针转动；给侧压电陶瓷片组Ⅰ(7-2)和侧压电陶瓷片组Ⅱ(7-3)施加对称度0％的锯齿形电信号，光轴(2)会绕y轴逆时针转动；重复上述步骤可实现双向大行程旋转运动。

Claims (2)

1.一种二自由度压电驱动器，其特征在于：包括W型底座(1)、光轴(2)、直线轴承座Ⅰ(3)、直线轴承座Ⅱ(4)和压电驱动单元(5)，其中压电驱动单元(5)包括柔顺机构(6)和压电陶瓷片组(7)；
所述的W型底座(1)包括W型底座侧板Ⅰ(1-1)，W型底座侧板Ⅱ(1-2)，W型底座内板(1-3)，直线轴承座导向孔(1-4)，直线轴承座固定孔(1-5)，压电驱动单元固定孔(1-6)；其中直线轴承座导向孔(1-4)，直线轴承座连接孔(1-5)分别设置于W型底座侧板Ⅰ(1-1)和W型底座侧板Ⅱ(1-2)上；
所述的压电驱动单元(5)包括柔顺机构(6)和压电陶瓷片组(7)；所述柔顺机构(6)呈“回字形”，包括侧壁Ⅰ(6-1)、横梁(6-2)、侧壁Ⅱ(6-3)和固定梁(6-4)；侧壁Ⅰ(6-1)、横梁(6-2)、侧壁Ⅱ(6-3)和固定梁(6-4)顺时针围成“回字形”，其中用于固定压电驱动单元(5)的连接孔(6-5)设置于固定梁(6-4)上；用于驱动光轴(2)的驱动足(6-6)设置于横梁(6-2)中部；
所述的压电陶瓷片组(7)包括上压电陶瓷片组(7-1)，侧压电陶瓷片组Ⅰ(7-2)，侧压电陶瓷片组Ⅱ(7-3)；其中，上压电陶瓷片组(7-1)对称粘贴于横梁(6-2)两侧，侧压电陶瓷片组Ⅰ(7-2)对称粘贴于侧壁Ⅰ(6-1)两侧，侧压电陶瓷片组Ⅱ(7-3)对称粘贴于侧壁Ⅱ(6-3)两侧；所述的W型底座(1)中，W型底座侧板Ⅰ(1-1)和W型底座侧板Ⅱ(1-2)通过直线轴承座连接孔(1-5)对称布置直线轴承座Ⅰ(3)与直线轴承座Ⅱ(4)，W型底座内板(1-3)与柔顺机构(6)的固定梁(6-4)通过螺钉相连接；所述的光轴(2)套入两对称安装的直线轴承座Ⅰ(3)和直线轴承座Ⅱ(4)，同时穿过W型底座侧板Ⅰ(1-1)、压电驱动单元(5)和W型底座侧板Ⅱ(1-2)，与柔顺机构(6)的驱动足(6-6)弹性接触。
2.根据权利要求1所述的一种二自由度压电驱动器的驱动方法，其特征在于：包括以下步骤：
a)装配完成后，给上压电陶瓷片组(7-1)施加对称度100％的锯齿形电信号，柔顺机构(6)的横梁(6-2)受上压电陶瓷片组(7-1)的驱动产生形变，根据粘滑运动原理，驱动足(6-4)带动光轴(2)沿+y向移动；给上压电陶瓷片组(7-1)施加对称度0％的锯齿形电信号，光轴(2)沿-y向移动；重复上述步骤可实现双向大行程直线运动；
b)给侧压电陶瓷片组Ⅰ(7-2)和侧压电陶瓷片组Ⅱ(7-3)施加对称度100％锯齿形电信号，柔顺机构(6)的侧壁Ⅰ(6-1)和侧壁Ⅱ(6-3)分别受侧压电陶瓷片组Ⅰ(7-2)和侧压电陶瓷片组Ⅱ(7-3)的驱动产生形变，根据粘滑运动原理，驱动足(6-6)带动光轴(2)沿绕y轴顺时针转动；给侧压电陶瓷片组Ⅰ(7-2)和侧压电陶瓷片组Ⅱ(7-3)施加对称度0％的锯齿形电信号，光轴(2)会绕y轴逆时针转动；重复上述步骤可实现双向大行程旋转运动。
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