CN204190646U - 仿生多自由度精密压电驱动装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种仿生多自由度精密压电驱动装置，属于精密加工领域。由转子和定子组成。定子分为一、二、三层并通过柔性铰链形成整体式结构，内封装有薄壁柔性铰链、旋转驱动机构和直线驱动机构。基于尺蠖运动原理，该装置通过压电叠堆的正向推理作用、柔性铰链的反向弹力作用以及柔性铰链的箝位作用，实现转子的步进正、反双向360°连续旋转运动和直线运动。该压电驱动装置的优点在于：结构紧凑，小巧、位移控制精度高、响应快、驱动功率低、工作频率宽、效益高等。本实用新型可应用于超精密加工机床、微机电系统、精密光学、航空航天和机器人等领域，具有广阔的发展前景和应用价值。

Description

仿生多自由度精密压电驱动装置

技术领域

本发明涉及精密加工领域，特别涉及一种仿生多自由度精密压电驱动装置，可应用于超精密加工机床、微机电系统、精密光学、航空航天和机器人等领域。

背景技术

在科学技术飞速发展的今天，人们的研究领域由已经从宏观拓展入微观，对精密位移及精密定位的要求日益提高，尤其是在航空航天科技、军事技术、精密加工、精密光学、半导体技术、显微镜技术、扫描隧道显微镜、微型零件的操作和装配、半导体制造设备以及光电等等高尖端的科学技术领域中，最新的研究成果和高端技术的应用使精密驱动和定位技术走出了传统思维的限制，越来越多的各式各样的精密驱动及精密定位装置被开发出来，走入了我们的视野。

传统的驱动器如普通电机、杆螺母副、涡轮-凸轮机构、齿轮-杠杆机构等存在结构尺寸大、定位精度低、易出现爬行现象、加工困难等缺点，已经远远不能满足现代精密驱动器的技术要求。尤其是当需要自由度的运动输出时，需要将多个单自由度驱动机构组合使用，这样的组合使上述缺点更加突出。因此，在这样的背景下，设计一种具有多自由度且定位精度高的精密微小型驱动器是非常必要的。于是，研究人员们开始寻求新型材料作为电能一机械能转换元件，而压电陶瓷材料正具备此类精密驱动器所需要的优点，如压电陶瓷材料具有体积小、重量轻、响应快、精度高、驱动力大、驱动功率低、工作频率宽、不受电磁干扰、无空回、低能耗等特点。近年来，随着压电元件技术的不断进步，由此类元件作为驱动的精密驱动器受到了广泛的关注。

发明内容

本发明的目的在于提供一种仿生多自由度精密压电驱动装置，解决了现有技术存在的结构尺寸大、定位精度低、易出现爬行现象、加工困难等问题。本发明采用了新型材料作为电能和机械能的转化元件，且本装置旋转驱动部分和直线驱动部分为一体化结构，结构紧凑。

本发明主要分为旋转驱动模块和直线运动模块两部分且旋转驱动部分和直线驱动部分之前无需任何元件连接，为一体化结构设计。驱动装置主要由转子和定子两大部分构成，转子为一根转轴，输出端开有螺纹口，可以将动力输出。该驱动装置采用转子内部稳定嵌位方式，定子与转子间无轴承连接，故其动态特性稳定，运行平稳，结构紧凑。定子为上、中、下三层结构，并封装有压电叠堆和薄壁柔性铰链。驱动作用由驱动压电叠堆及相应的薄壁柔性铰链实现；箝位作用由箝位压电叠堆和嵌于定子中心的薄壁柔性铰链实现。按一定时序控制各个压电叠堆的得电与失电，即可实现输出轴绕中心轴的顺、逆时针的任意角度旋转运动及输出轴的轴向方向的上、下直线步进运动。所述定子中封装的柔性铰链结构既提高了旋转的稳定性和高精度性又保证了箝位的稳定性，使其与压电叠堆综合作用，便可实现箝位和驱动交替进行的步进驱动方式。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

仿生多自由度精密压电驱动装置，可以同时实现旋转运动和直线运动，包括转子1、定子2，所述转子1为一转轴，其输出端设有链接用螺纹孔且轴与定子2中部的轴孔过渡配合；所述定子2分为定子上、中、下三层结构，定子三层结构之间通过薄壁柔性铰链A、B连接，定子上层和定子中层为旋转驱动部分，定子中层和定子下层为直线驱动部分，在定子上层中嵌入四组旋转运动压电叠堆Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、IV6、7、10、11和两组定子上层箝位压电叠堆Ⅰ、Ⅱ8、9，在定子中层嵌入两组定子中层箝位压电叠堆Ⅰ、Ⅱ22、23，在定子下层嵌入两组直线驱动压电叠堆Ⅰ、Ⅱ34、39及两组定子下层箝位压电叠堆Ⅰ、Ⅱ36、37。

所述的转子1为无绕线结构。

所述的旋转运动压电叠堆Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、IV6、7、10、11、定子上层箝位压电叠堆Ⅰ、Ⅱ8、9、定子中层箝位压电叠堆Ⅰ、Ⅱ22、23、直线驱动压电叠堆Ⅰ、Ⅱ34、39及定子下层箝位压电叠堆Ⅰ、Ⅱ36、37全部采用形体可控面型的压电叠堆，通过对压电叠堆的时序电压控制来实现的。

所述的转子1的运动和停止均由定子2中封装的薄壁柔性铰链C的箝位作用实现。

所述的转子2绕轴向转动，还可以实现转子沿轴直线运动。

所述的旋转驱动部分与直线驱动部分为一整体式结构。

 本发明的有益效果在于：本发明仿生多自由度精密压电驱动装置具有旋转驱动机构和直线运动机构的整体式结构，因此系统刚性和稳定性都比较强。该装置采用转子内部稳定嵌位方式，且通过封装在定子中的薄壁柔性铰链实现对转子的箝位作用，定子与转子间无轴承连接，故驱动装置动态特性稳定，运行平稳，结构紧凑，具有极高的旋转分辨率，并能实现大行程连续步进运动。通过按时序控制各个压电叠堆的得电或失电，能够实现转子绕轴线双向任意角度旋转运动和沿该轴线方向的双向直线运动，并且在旋转驱动的两个相反方向均通过旋转压电叠堆的形变推力实现，驱动力更加稳定，旋转运动更加精确。通过转子输出端的三个均布螺纹孔可以将动力输出。本发明采用了压电叠堆作为驱动源，具有结构小、精度高、驱动力自由度多、响应快、驱动力大、驱动功率低、工作频率宽、不受电磁干扰、无空回、低能耗等优点，可应用于精密加工、精密光学、半导体制造、航空航天、军事科技等众多领域，具有非常广阔的应用前景。

附图说明

此处所说明的附图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为本发明的主视示意图；

图3为本发明的后视示意图

图4为本发明的俯视示意图；

图5为本发明的仰视示意图； 

图6为本发明的左视示意图；

图7为本发明的右视示意图；

图8为图2的A-A剖视示意图。

图中：1.转子；2.定子；3.螺纹孔Ⅰ；4.螺纹孔Ⅱ；5.螺纹孔Ⅲ；6.旋转驱动压电叠堆Ⅰ；7.旋转驱动压电叠堆Ⅱ；8.定子上层箝位压电叠堆Ⅰ；9.定子上层箝位压电叠堆Ⅱ；10.旋转驱动压电叠堆Ⅲ；11.旋转驱动压电叠堆IV；12.螺钉Ⅰ；13.螺钉Ⅱ；14.螺钉Ⅲ；15.螺钉IV ；16.螺钉V；17.螺钉VI；18.螺钉VII ；19.螺钉VIII ；20.螺钉IX ；21.螺钉X；22.定子中层箝位压电叠堆Ⅰ；23.定子中层箝位压电叠堆Ⅱ；24.螺钉XI ；25.螺钉XII ；26.螺钉XIII；27.螺钉XIV；28.螺钉XV；29.螺钉XVI；30.螺钉XVII；31.螺钉XVIII；32.螺钉XIX；33.螺钉XX；34.直线驱动压电叠堆Ⅰ；35.螺钉XXI；36.定子下层箝位压电叠堆Ⅰ；37.定子下层箝位压电叠堆Ⅱ；38.螺钉XXII；39.直线驱动压电叠堆Ⅱ；40.沉头螺钉Ⅰ；41.沉头螺钉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。

参见图1至图8所示，本发明的仿生多自由度精密压电驱动装置，包括转子1和定子2两部分，所述转子1为一转轴，与定子2中部的轴孔过渡配合，其输出端开有三个均匀分布的螺纹孔Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3、4、5作为动力输出。

参见图4、图6及图7所示，所述定子2分为定子上、中、下三层结构，定子三层结构之间通过薄壁柔性铰链A、B连接，定子上层和定子中层为旋转驱动部分，定子中层和定子下层为直线驱动部分，在定子下层中设置两组直线驱动压电叠堆Ⅰ、Ⅱ34、39直接作用于定子中层。驱动和箝位机构均位于定子中，定子上层嵌入四组旋转驱动压电叠堆Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、IV6、7、10、11和两组定子上层箝位压电叠堆Ⅰ、Ⅱ8、9；定子中层嵌入两组定子中层箝位压电叠堆Ⅰ、Ⅱ22、23，定子下层中，有两组直线驱动压电叠堆Ⅰ、Ⅱ34、39，装配时，这两组压电叠堆通过沉头螺钉Ⅰ、Ⅱ40、 41固定在定子下层，并直接作用于定子中间层结构。

对转子1的箝位作用通过嵌于定子2的箝位压电叠堆及定子2与转子1之间的薄壁柔性铰链C综合实现。

所述定子2上层结构嵌有四组旋转运动压电叠堆Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、IV6、7、10、11和定子上层箝位压电叠堆Ⅰ、Ⅱ8、9，并分别通过螺钉VI、VII；XII 、XIII；VIII 、IX ；XIV、XV；Ⅲ；XVIII 17、18；25、26；19、20；27、28；14；31固定在定子上层。定子上层封装有薄壁柔性铰链A、C，使定子上层结构实现较稳定的微小转动。另外，定子中心封装的薄壁柔性铰链C，贯穿于定子上、中、下层，实现对转子的箝位作用。

所述定子中层嵌入定子中层箝位压电叠堆Ⅰ、Ⅱ22、23，并通过螺钉X、XI 21、24固定于定子中层。另外，通过螺钉Ⅰ、Ⅱ、IV 、VXVI、XVII、XIX、XX 12、13、15、16、29、30、32、33将定子上层边缘与定子中层边缘连接成为一体。

所述定子下层嵌入直线驱动压电叠堆Ⅰ、Ⅱ34、39和定子下层箝位压电叠堆Ⅰ、Ⅱ36、37，并通过沉头螺钉Ⅰ、Ⅱ40、41固定直线驱动压电叠堆Ⅰ、Ⅱ34、39；通过螺钉XXI、XXII 35、38固定定子下层箝位压电叠堆Ⅰ、Ⅱ36、37。两组直线驱动压电叠堆Ⅰ、Ⅱ34、39穿过定子下层直接作用于定子中层。定子下层、定子中层同过薄壁柔性铰链B连接。

所述的旋转驱动部分与直线驱动部分为一整体式结构，结构紧凑小巧。

本发明为一整体式结构，有利于提高系统刚性，从而增加系统运行的稳定性。

转子1无绕线可任意方向旋转，当驱动机构施加力时，可以实现绕轴线方向正反两个方向的旋转运动和轴向的直线运动，通过转子1轴端的输出连接螺钉可将动力输出，具体工作流程如下：

初始状态：所有驱动压电叠堆及箝位压电叠堆6、7、8、9、10、11、22、23、34、36、37、39均不带电，系统处于自由状态，此时转子亦处于游动状态。

    Z轴顺时针旋转运动：转子1在低频下开始绕轴线方向旋转：定子上层箝位压电叠堆Ⅰ8、Ⅱ 9 得电伸长，通过定子2上层结构中的薄壁柔性铰链C使定子2上层内孔夹紧转子1，使得转子1和定子2的上层结构连接为一整体；同时旋转驱动压压电叠堆I 6、IV 11伸长带动定子2上层结构的产生微小转动，因为转子1此时和定子2的上层结构连接在一起，故同时带动转子1转过一定微小角度；定子中层箝位压电叠堆Ⅰ22 、Ⅱ 23得电伸长，通过定子2中层结构中的薄壁柔性铰链C使定子2中层内孔夹紧转子1，转子1和定子2中层结构连接为一整体；定子上层箝位压电叠堆Ⅰ8、Ⅱ 9 失电，转子1与定子2上层结构分离，旋转驱动压压电叠堆Ⅰ6、 IV 11失电恢复到原来的状态，于是定子2的上层结构在上层的薄壁柔性铰链A的作用下弹性恢复至初始状态；定子上层箝位压电叠堆Ⅰ8、Ⅱ 9 得电，同时压电叠堆定子中层箝位压电叠堆Ⅰ22 、Ⅱ 23失电；重复以上步骤并配合相应时序即可实现转子(1)在低频下的顺时针连续步进旋转。

Z轴逆时针旋转运动：转子1在低频下开始绕轴线方向旋转：定子上层箝位压电叠堆Ⅰ8、Ⅱ 9 得电伸长，通过定子2上层结构中的薄壁柔性铰链C使定子2上层内孔夹紧转子1，使得转子1和定子2的上层结构连接为一整体；同时旋转驱动压电叠堆Ⅱ 7、Ⅲ10伸长带动定子2上层结构的产生微小转动，定子中层箝位压电叠堆Ⅰ22 、Ⅱ 23得电伸长，通过定子2中层结构中的薄壁柔性铰链C使定子2中层内孔夹紧转子1，转子1和定子2中层结构连接为一整体；定子上层箝位压电叠堆Ⅰ8、Ⅱ 9 失电，转子1与定子2上层结构分离，旋转驱动压压电叠堆Ⅱ 7、Ⅲ10失电恢复到原来的状态，于是，定子2的上层结构在上层的薄壁柔性铰链A的作用下弹性恢复至初始状态；定子上层箝位压电叠堆Ⅰ8、Ⅱ 9 得电，同时压电叠堆定子中层箝位压电叠堆Ⅰ22 、Ⅱ 23失电；重复以上步骤并配合相应时序即可实现转子1在低频下的逆时针连续步进旋转。

Z轴向上运动：转子1 在低频下开始沿轴向直线向上运动：定子中层箝位压电叠堆Ⅰ22 、Ⅱ 23得电伸长，通过定子2中层结构中的薄壁柔性铰链C使定子2中层内孔夹紧转子1，转子1和定子2中层结构连接为一整体；直线驱动压电叠堆Ⅰ34、Ⅱ 39得电伸长，沿轴向方向移动微小距离，直接作用于定子2中层，因转子1和定子2中层结构连接为一体，故转子1沿轴向方向向上产生了微小移动；定子下层箝位压电叠堆Ⅰ36、Ⅱ 37得电伸长，通过定子2下层结构中的薄壁柔性铰链C使定子2下层内孔夹紧转子1，转子1和定子2下层结构连接为一整体，定子中层箝位压电叠堆Ⅰ22 、Ⅱ 23及直线驱动压电叠堆Ⅰ34、Ⅱ 39失电恢复到初始状态，转子1和定子2中层结构分离，定子2中层结构在中层和下层间薄壁柔性铰链B作用下弹性恢复至初始状态；定子中层箝位压电叠堆Ⅰ22 、Ⅱ 23得电，同时定子下层箝位压电叠堆Ⅰ36、Ⅱ 37失电；重复以上步骤配合相应时序即可实现转子3在低频下连续沿轴向向上步进移动。

Z轴直线向下运动：转子3 在低频下开始沿轴向直线向下运动：定子下层箝位压电叠堆Ⅰ36、Ⅱ 37得电伸长，通过定子2下层结构中的薄壁柔性铰链C使定子2下层内孔夹紧转子1，转子1和定子2下层结构连接为一整体；直线驱动压电叠堆Ⅰ34、Ⅱ 39得电伸长，沿轴向方向向上移动微小距离，直接作用于定子2中层，由于此时的转子1是和定子2下层结构连接为一体的，因此转子1在Z轴方向未发生移动；定子下层箝位压电叠堆Ⅰ36、Ⅱ 37失电，同时，定子中层箝位压电叠堆Ⅰ22 、Ⅱ 23得电伸长，通过定子2中层结构中的薄壁柔性铰链C使定子2中层内孔夹紧转子1，转子1和定子2中层结构连接为一整体；直线驱动压电叠堆Ⅰ34、Ⅱ 39恢复到初始状态，定子2中层结构在中层和下层间薄壁柔性铰链B作用下弹性恢复至初始状态，定子2中层结构产生沿轴向向下移动微小距离，由于的转子1是和定子2中层结构连接为一体的，此时故转子1也沿轴向向下移动微小距离；定子下层箝位压电叠堆Ⅰ36、Ⅱ 37得电，同时定子中层箝位压电叠堆Ⅰ22 、Ⅱ 23失电；重复以上步骤配合相应时序即可实现转子1在低频下连续沿轴向向下步进移动。

转子1用于完成动力、载荷输出，可将外输出部件通过相应连接方式连接在转子3上。整个多自由度驱动器的运动具有严格的时序逻辑。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种仿生多自由度精密压电驱动装置，其特征在于：可以同时实现旋转运动和直线运动，包括转子（1）、定子（2），所述转子（1）为一转轴，其输出端设有链接用螺纹孔且轴与定子（2）中部的轴孔过渡配合；所述定子（2）分为定子上、中、下三层结构，定子三层结构之间通过薄壁柔性铰链A、B连接，定子上层和定子中层为旋转驱动部分，定子中层和定子下层为直线驱动部分，在定子上层中嵌入四组旋转运动压电叠堆Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、IV（6、7、10、11）和两组定子上层箝位压电叠堆Ⅰ、Ⅱ（8、9），在定子中层嵌入两组定子中层箝位压电叠堆Ⅰ、Ⅱ（22、23），在定子下层嵌入两组直线驱动压电叠堆Ⅰ、Ⅱ（34、39）及两组定子下层箝位压电叠堆Ⅰ、Ⅱ（36、37）。

2.根据权利要求1所述的仿生多自由度精密压电驱动装置，其特征在于：所述的转子（1）为无绕线结构。

3.根据权利要求1所述的仿生多自由度精密压电驱动装置，其特征在于：所述的旋转运动压电叠堆Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、IV（6、7、10、11）、定子上层箝位压电叠堆Ⅰ、Ⅱ（8、9）、定子中层箝位压电叠堆Ⅰ、Ⅱ（22、23）、直线驱动压电叠堆Ⅰ、Ⅱ（34、39）及定子下层箝位压电叠堆Ⅰ、Ⅱ（36、37）全部采用形体可控面型的压电叠堆，通过对压电叠堆的时序电压控制来实现的。

4.根据权利要求1所述的仿生多自由度精密压电驱动装置，其特征在于：所述的转子（1）的运动和停止均由定子（2）中封装的薄壁柔性铰链C的箝位作用实现。

5.根据权利要求1所述的仿生多自由度精密压电驱动装置，其特征在于：所述的转子（2）绕轴向转动，还可以实现转子沿轴直线运动。

6.根据权利要求1所述的仿生多自由度精密压电驱动装置，其特征在于：所述的旋转驱动部分与直线驱动部分为一整体式结构。