CN117277866B - 一种基于压电驱动的四自由度跨尺度步进执行器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于压电驱动的四自由度跨尺度步进执行器，涉及精密驱动技术领域，包括固定平台、关节球、关节盖板、驱动机构和驱动杆，其中驱动机构由柔性变形架、惯性块、压电陶瓷和紧固螺栓组成，四个驱动机构均匀安装在驱动杆底端，驱动杆另一端贯穿于安装在固定平台和关节盖板中间的关节球中心，本发明利用压电陶瓷片逆压电效应的有序变形以及惯性块的惯性作用，驱动杆可产生绕自身轴线的旋转运动和沿关节球中心孔的直线运动共两个自由度运动，关节球在驱动杠带动下可产生绕球心旋转的两个自由度运动，执行器整体可实现一直线三旋转共四个自由度运动输出。
Description
技术领域
本发明属于精密驱动技术领域，尤其涉及一种基于压电驱动的四自由度跨尺度步进执行器。
背景技术
随着科技的发展，高精密化和微型化是现代高尖端技术领域的重要发展方向，其中超精密加工、微电子技术、微机电系统、精密光学、计算机通讯、航空航天以及机器人领域对精密驱动技术的要求也日益增高。传统驱动技术虽易实现大行程、高承载，但精度很难达到微纳米级，且难以实现微型化。压电执行器作为新型精密执行器，因其精度高、响应快、能耗低、不受电磁干扰、操作稳定等优势被广泛应用于超精密加工、精密光学工程、机器人以及诸多民用领域。
传统的多自由度执行器多由多台单自由度执行器串联或并联方式实现，整个系统结构控制复杂、能量损耗大。基于压电材料逆压电效应的多自由度执行器可以满足复杂机电系统在多个方向进行驱动的要求，与单自由度执行器相比可以提高机构整体的紧凑性和集成性，减少机构占用空间，在机器人关节、航空航天、生物工程等领域具有良好的应用前景。球型执行器具有两个或三个旋转自由度，可绕其多条轴线旋转，进一步简化了系统结构和传动过程。本发明根据步进原理，基于高精度压电陶瓷的逆压电效应配合关节球结构，提出了一种基于压电驱动的四自由度跨尺度步进执行器，可以实现三轴旋转运动与单轴直线运动，完成长位移和大角度的大行程跨尺度运动输出，对拓宽压电驱动技术在现代高精尖装备领域中的应用具有十分重要的指导意义。
发明内容
本发明是针对传统多自由度执行器控制复杂、能量损耗大，现有两自由度或三自由度执行器驱动范围受限，多自由度动力学特性不平衡，急需进一步解决压电执行器多自由度与大行程、高精度之间难以平衡等问题。现提出一种基于压电驱动的四自由度跨尺度步进执行器。
一种基于压电驱动的四自由度跨尺度步进执行器，包括固定平台、预紧螺栓、关节盖板、关节球、驱动杆和四个驱动机构；
固定平台下端固定安装在工作区域，固定平台上端固定连接有四个支柱，固定平台上与关节球接触边缘加工有同尺寸圆弧，关节盖板通过四个预紧螺栓与四个支柱固定连接，且关节盖板中心加工有通孔，与关节球接触一侧通孔边缘加工有同尺寸圆弧，固定平台和关节盖板的圆弧特征与关节球紧密贴合；
关节球加工有中心孔，关节球外侧设置有与驱动杆配合的预紧装置；
驱动杆末端固定连接有带有螺纹孔的方形安装座，驱动杆中间部分加工成与关节球中心孔配合安装的柱状轴，驱动杆能沿关节球中心孔相对滑动，实现直线位移运动输出，也能绕自身轴线产生相对转动，实现旋转运动输出，驱动杆首端固定连接有分体式工件安装台；
四个驱动机构两两对称均布在方形安装座上，相邻两个驱动机构之间夹角为90度，单个驱动机构由柔性变形架、惯性块、紧固螺栓和四个压电陶瓷片组成；
柔性变形架包括内安装座、外安装座和四个柔性板，内安装座和外安装座通过四个柔性板相连，压电陶瓷片安装在柔性板外侧面，四个压电陶瓷片安装位置应保持一致，柔性板在压电陶瓷片变形过程中能保持同步弯曲，且在压电陶瓷片断电后能迅速恢复原状，外安装座通过连接螺栓与方形安装座固定连接，惯性块通过紧固螺栓与内安装座固定连接。
优选的，柔性变形架由一整块弹性金属材料整体加工而成。
优选的，通过调整预紧螺栓的预紧力能控制关节球的转动灵活度。
优选的，压电陶瓷片通过环氧树脂粘结在对应的柔性板外侧面。
优选的，关节球为金属材质，关节球外表面涂敷有耐磨涂层。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明利用粘贴在柔性板上的压电陶瓷片的时序应变带动四个驱动机构完成周期性有序运动，从而带动驱动杆和关节球产生步进直线位移或旋转角位移，进而实现执行器一平动三转动四个自由度的运动输出；
本发明通过对特定驱动机构中的压电陶瓷片施加同相的锯齿波驱动信号，驱动杆可完成沿Z轴方向的直线运动或绕Z轴方向的旋转运动，通过给相对的驱动机构压电陶瓷片施加异相的锯齿波驱动信号，驱动杆可完成沿关节球X轴或Y轴方向的旋转运动，当对不同运动要求下的压电陶瓷片采用与之相反的锯齿波驱动信号时，驱动杆能够输出相反方向的直线运动或旋转运动；
本发明基于步进原理可实现大行程、跨尺度的运动输出，关节球的引入简化了多自由度执行器的复杂结构，结构设计与功能需求集成化程度高，两处预紧机构可进一步提高执行器的输出精度；
本发明在超精密加工、微电子技术、精密光学、航空航天以及机器人等技术领域具有良好的应用前景，四自由度设计可应用于高精度操作系统，进一步扩宽了压电多自由度执行器在精密驱动技术领域内的应用范围。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图；
图2为本发明的正视图；
图3为固定平台的立体结构示意图；
图4为关节盖板的立体结构示意图；
图5为驱动机构的立体剖视图；
图6为柔性变形架的立体剖视图；
图7为本发明的驱动信号波形图，其中（a）为同相锯齿波信号，（b）为异相锯齿波信号；
图8为本发明驱动机构的通电与变形示意图；
图9为驱动杆沿Z轴方向直线位移输出时的驱动原理图；
图10为驱动杆绕Z轴旋转角位移输出时的驱动原理图；
图11为驱动杆绕X轴旋转角位移输出时的驱动原理图；
图12为驱动杆绕Y轴旋转角位移输出时的驱动原理图。
图中：1、固定平台；2、方形安装座；3、预紧螺栓；4、关节盖板；5、支柱；6、关节球；7、驱动杆；8、惯性块；9、紧固螺栓；10、压电陶瓷片；11、外安装座；12、内安装座；13、柔性板。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
参照图1至图6，一种基于压电驱动的四自由度跨尺度步进执行器，包括固定平台1、预紧螺栓3、关节盖板4、关节球6、驱动杆7和四个驱动机构；
固定平台1下端固定安装在工作区域，固定平台1上端固定连接有四个支柱5，固定平台1上与关节球6接触边缘加工有同尺寸圆弧，关节盖板4通过四个预紧螺栓3与四个支柱5固定连接，起到限位关节球6的作用，且关节盖板4中心加工有通孔，与关节球6接触一侧通孔边缘加工有同尺寸圆弧，固定平台1和关节盖板4的圆弧特征与关节球6紧密贴合，通过调节预紧螺栓3的预紧力能调节关节球6的转动灵活度，在限制关节球6滚动的基础上进一步提高了执行器旋转精度；
关节球6加工有中心孔，该中心孔为驱动杆7起到了导向作用，关节球6外侧设置有与驱动杆7配合的预紧装置，可采用螺栓预紧方式，通过调节预紧力实现不同分辨率的运动输出，基于行业共识，本发明为清晰展示驱动杆7与关节球6的运动关系，此处已忽略预紧装置；
驱动杆7末端固定连接有带有螺纹孔的方形安装座2，驱动杆7中间部分加工成与关节球6中心孔配合安装的柱状轴，驱动杆7能沿关节球6中心孔相对滑动，实现直线位移运动输出，也能绕自身轴线产生相对转动，实现旋转运动输出，驱动杆7首端固定连接有分体式工件安装台，以满足不同系统的工况要求；
四个驱动机构两两对称均布在方形安装座2上，相邻两个驱动机构之间夹角为90度，单个驱动机构由柔性变形架、惯性块8、紧固螺栓9和四个压电陶瓷片10组成；
柔性变形架包括内安装座12、外安装座11和四个柔性板13，内安装座12和外安装座11通过四个柔性板13相连，压电陶瓷片10安装在柔性板13外侧面，四个压电陶瓷片10安装位置应保持一致，柔性板13在压电陶瓷片10变形过程中可保持同步弯曲，且在压电陶瓷片10断电后能迅速恢复原状，外安装座11的中心通孔尺寸小于内安装座12的中心通孔尺寸，外安装座11通过连接螺栓与方形安装座2固定连接，惯性块8通过紧固螺栓9与内安装座12固定连接。
更进一步的，参照图1至图6，柔性变形架由一整块弹性金属材料整体加工而成。
更进一步的，参照图1至图6，通过调整预紧螺栓3的预紧力能控制关节球6的转动灵活度。
更进一步的，参照图1至图6，压电陶瓷片10通过环氧树脂粘结在对应的柔性板13外侧面。
更进一步的，参照图1至图6，关节球6为金属材质，关节球6外表面可涂敷耐磨涂层，提高执行器的工作寿命。
更进一步的，参照图1至图12，通过对四个驱动机构的压电陶瓷片10施加同相的锯齿波驱动信号，驱动杆7可完成沿Z轴方向的直线运动和绕Z轴方向的旋转运动，通过对对称布置的驱动机构施加异相的锯齿波驱动信号，驱动杆7带动关节球6可完成绕关节球6的X轴或Y轴方向的旋转运动，当对配合工作的压电陶瓷片10采用与之相反的锯齿波驱动信号时，执行器能够输出相反方向的直线运动或旋转运动，可见，本发明利用多个压电陶瓷片10的时序应变带动四个驱动机构完成周期性运动，从而带动驱动杆7及关节球6产生步进阶梯形位移或旋转角位移，进而实现执行器一直线三旋转四个自由度的运动输出。
如图1－图12所示，本发明的具体工作过程如下：
各驱动机构包含的压电陶瓷片10均采用锯齿波电压驱动信号。当以与柔性变形架外安装座11连接的柔性板13为正视图时，如图8（a）所示，左侧压电陶瓷片10外侧面为正极，右侧压电陶瓷片10外侧面为负极，压电陶瓷片10外侧面均与电源正极连接，且压电陶瓷片10内侧面共极与电源负极相连。施加图7（a）所示正电压时，左侧压电陶瓷片10伸长，右侧压电陶瓷片10缩短，内安装座12在柔性板13带动下向右移动，规定为正方向；当以与柔性变形架内安装座12连接的柔性板13为正视图时，如图8（b）所示，左侧压电陶瓷片10外侧面为正极，右侧压电陶瓷片10外侧面为负极，压电陶瓷片10外侧面均与电源正极连接，且压电陶瓷片10内侧面共极与电源负极相连，施加图7（a）所示正电压时，左侧压电陶瓷片10伸长，右侧压电陶瓷片10缩短，内安装座12在柔性板13带动下向右移动，规定为正方向；
为了更加便于理解本发明的工作过程，对驱动机构作出如下限定，驱动机构包括驱动机构A、驱动机构B、驱动机构C和驱动机构D；
1.驱动杆7沿Z轴方向移动位移输出的实现：
如图1、图5、图6和9所示，在YZ平面内，此时以与柔性变形架外安装座11连接的柔性板13为正视方向：
定义上方的驱动机构为驱动机构C，下方的驱动机构为驱动机构A，对四个驱动机构的压电陶瓷片10施加图7（a）同相锯齿波信号时：
阶段（0）：各压电陶瓷片10初始状态信号电压为0，压电陶瓷片10处于原长状态；
阶段（1）：随着驱动电压逐渐增加至U，在逆压电效应下，驱动机构C和驱动机构A左侧压电陶瓷片10缓慢伸长，驱动机构C和驱动机构A右侧压电陶瓷片10缓慢缩短，惯性块8及内安装座12在柔性板13的带动下沿Z轴偏移距离L1，驱动杆7在关节球6的预紧摩擦力作用下保持位置不变；
阶段（2）/（0）：当驱动电压急剧下降时，驱动机构C和驱动机构A两侧压电陶瓷片10快速回缩，惯性块8及内安装座12在惯性作用下回退微小距离L2，从而驱动杆7沿Z轴正方向移动距离为（L1-L2）；
经过一个锯齿波波形的驱动，驱动杆7相对于关节球6向右移动距离为（L1-L2），经多个同相锯齿波波形的驱动，驱动杆7可实现步进直线位移输出，通过对各压电陶瓷片10施加反向的锯齿波驱动信号，驱动杆7可产生沿Z轴负方向移动的位移输出。
2.驱动杆7绕Z轴顺时针方向旋转角位移输出的实现：
如图1、图5、图6和图10所示，在XY平面内，此时以与柔性变形架内安装座12连接的柔性板13为正视方向；
定义上方的驱动机构为驱动机构C，下方的驱动机构为驱动机构A，左侧的驱动机构为驱动机构D，右侧的驱动机构为驱动机构B，对四个驱动机构的压电陶瓷片10施加图7（a）同相锯齿波信号时：
阶段（0）：各压电陶瓷片10初始状态信号电压为0，压电陶瓷片10处于原长状态；
阶段（1）：随着驱动电压逐渐增加至U，在逆压电效应下，驱动机构C左侧压电陶瓷片10缓慢伸长，驱动机构C右侧压电陶瓷片10缓慢缩短；驱动机构B上方的压电陶瓷片10缓慢伸长，驱动机构B下方的压电陶瓷片10缓慢缩短；驱动机构A左侧压电陶瓷片10缓慢缩短，驱动机构A右侧压电陶瓷片10缓慢伸长；驱动机构D上方的压电陶瓷片10缓慢缩短，驱动机构D下方的压电陶瓷片10缓慢伸长；惯性块8及内安装座12在柔性板13的带动下偏转角度为θ1；
阶段（2）/（0）：当驱动电压急剧下降时，驱动机构C、驱动机构A、驱动机构D和驱动机构B两侧的压电陶瓷片10快速回缩，惯性块8及内安装座12在惯性作用下回转角度θ2，从而驱动杆7绕Z轴顺时针方向旋转角度为（θ1-θ2）；
经过一个锯齿波波形的驱动，驱动杆7相对于关节球6顺时针方向旋转角度为（θ1-θ2），经多个同相锯齿波波形的驱动，驱动杆7可实现绕Z轴顺时针方向旋转角位移输出，通过对各压电陶瓷片10施加反向的锯齿波驱动信号，驱动杆7可产生绕Z轴逆时针方向转动的角位移输出。
3.驱动杆7绕X轴顺时针方向旋转角位移输出的实现：
如图1、图5、图6和图11所示，在YZ平面内，此时以与驱动机构柔性变形架外安装座11连接的柔性板13为正视方向；
定义上方的驱动机构为驱动机构C，下方的驱动机构为驱动机构A，对驱动机构A和驱动机构C内的压电陶瓷片10施加图7（b）异相锯齿波信号；
阶段（0）：各压电陶瓷片10初始状态信号电压为0，压电陶瓷片10处于原长状态；
阶段（1）：随着驱动电压逐渐增加至电压U，在逆压电效应下，驱动机构C左侧压电陶瓷片10缓慢伸长，驱动机构C右侧压电陶瓷片10缓慢缩短；驱动机构A左侧压电陶瓷片10缓慢缩短，驱动机构A右侧压电陶瓷片10缓慢伸长；
阶段（2）/（0）：当驱动电压急剧下降时，驱动机构A和驱动机构C两侧压电陶瓷片10快速回缩，方形安装座2在驱动机构A和驱动机构C的共同作用下受到顺时针力矩，从而驱动杆7带动关节球6绕X轴方向顺时针旋转角度θ3；
经多个异相锯齿波波形的驱动，驱动杆7可实现绕X轴顺时针方向旋转角位移输出，通过对各压电陶瓷片10施加反向的锯齿波驱动信号，驱动杆7可产生绕X轴逆时针方向转动的角位移输出。
4.驱动杆7绕Y轴顺时针方向旋转角位移输出的实现：
如图1、图5、图6和图12所示，在XZ平面内，此时以与柔性变形架外安装座11连接的柔性板13为正视方向；
定义上方的驱动机构为驱动机构为B，下方的驱动机构为驱动机构为D，对驱动机构B和驱动机构D的压电陶瓷片10施加图7（b）异相锯齿波信号：
阶段（0）：各压电陶瓷片10初始状态信号电压为0，压电陶瓷片10处于原长状态；
阶段（1）：随着驱动电压逐渐增加至电压U，在逆压电效应下，驱动机构B左侧压电陶瓷片10缓慢伸长，驱动机构B右侧压电陶瓷片10缓慢缩短；驱动机构D左侧压电陶瓷片10缓慢缩短，驱动机构D右侧压电陶瓷片10缓慢伸长；
阶段（2）/（0）：当驱动电压急剧下降时，驱动机构B和驱动机构D两侧压电陶瓷片10快速回缩，方形安装座2在驱动机构B和驱动机构D的共同作用下受到顺时针力矩，从而驱动杆7带动关节球6绕Y轴方向顺时针旋转角度θ4；
经多个异相锯齿波波形的驱动，驱动杆7可实现绕Y轴顺时针方向旋转角位移输出，通过对各压电陶瓷片10施加反向的锯齿波驱动信号，驱动杆7可产生绕Y轴逆时针方向转动的角位移输出。
压电驱动器经过一个同相锯齿波波形的动作，在四个驱动机构带动下，驱动杆7可产生沿Z轴方向的直线位移输出和绕Z轴方向的旋转角位移输出，在对称布置的两个驱动机构带动下，驱动杆7及关节球6可产生绕X轴或Y轴的旋转角位移输出。循环往复此过程，压电驱动器可实现一直线三旋转四个自由度运动。
Claims (5)
1.一种基于压电驱动的四自由度跨尺度步进执行器，其特征在于：包括固定平台（1）、预紧螺栓（3）、关节盖板（4）、关节球（6）、驱动杆（7）和四个驱动机构；
固定平台（1）下端固定安装在工作区域，固定平台（1）上端固定连接有四个支柱（5），固定平台（1）上与关节球（6）接触边缘加工有同尺寸圆弧，关节盖板（4）通过四个预紧螺栓（3）与四个支柱（5）固定连接，且关节盖板（4）中心加工有通孔，与关节球（6）接触一侧通孔边缘加工有同尺寸圆弧，固定平台（1）和关节盖板（4）的圆弧特征与关节球（6）紧密贴合；
关节球（6）加工有中心孔，关节球（6）外侧设置有与驱动杆（7）配合的预紧装置；
驱动杆（7）末端固定连接有带有螺纹孔的方形安装座（2），驱动杆（7）中间部分加工成与关节球（6）中心孔配合安装的柱状轴，驱动杆（7）能沿关节球（6）中心孔相对滑动，实现直线位移运动输出，也能绕自身轴线产生相对转动，实现旋转运动输出，驱动杆（7）首端固定连接有分体式工件安装台；
四个驱动机构两两对称均布在方形安装座（2）上，相邻两个驱动机构之间夹角为90度，单个驱动机构由柔性变形架、惯性块（8）、紧固螺栓（9）和四个压电陶瓷片（10）组成；
柔性变形架包括内安装座（12）、外安装座（11）和四个柔性板（13），内安装座（12）和外安装座（11）通过四个柔性板（13）相连，压电陶瓷片（10）安装在柔性板（13）外侧面，四个压电陶瓷片（10）安装位置应保持一致，柔性板（13）在压电陶瓷片（10）变形过程中能保持同步弯曲，且在压电陶瓷片（10）断电后能迅速恢复原状，外安装座（11）通过连接螺栓与方形安装座（2）固定连接，惯性块（8）通过紧固螺栓（9）与内安装座（12）固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于压电驱动的四自由度跨尺度步进执行器，其特征在于：柔性变形架由一整块弹性金属材料整体加工而成。
3.根据权利要求1所述的一种基于压电驱动的四自由度跨尺度步进执行器，其特征在于：通过调整预紧螺栓（3）的预紧力能控制关节球（6）的转动灵活度。
4.根据权利要求1所述的一种基于压电驱动的四自由度跨尺度步进执行器，其特征在于：压电陶瓷片（10）通过环氧树脂粘结在对应的柔性板（13）外侧面。
5.根据权利要求1所述的一种基于压电驱动的四自由度跨尺度步进执行器，其特征在于：关节球（6）为金属材质，关节球（6）外表面涂敷有耐磨涂层。
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