專利名稱：微納米級仿生多自由度驅(qū)動裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及精密超精密加工領(lǐng)域，特別涉及一種微納米級仿生多自由度驅(qū)動裝置?？梢詰?yīng)用于超精密加工機床、材料試件納米力學(xué)性能檢測、半導(dǎo)體制造、精密超精密微細(xì)加工與測量技術(shù)、現(xiàn)代醫(yī)學(xué)與生物遺傳工程、微機電系統(tǒng)(MEMS)、精密光學(xué)、航空航天、機器人、軍事技術(shù)等高尖端的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展使人類的研究領(lǐng)域擴展到微觀世界，對精密定位、微小位移的要求越來越高，尤其是在精密超精密微細(xì)加工與測量技術(shù)、微機電系統(tǒng)(MEMS)、納米科技、半導(dǎo)體制造、現(xiàn)代醫(yī)學(xué)與生物遺傳工程、航空航天科技、軍事技術(shù)等高尖端的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中，精密定位、微小位移顯得格外重要。傳統(tǒng)的驅(qū)動裝置，如普通電機、絲杠螺母、渦輪蝸桿等宏觀大尺寸驅(qū)動裝置已不能滿足其精度要求。因此，各國的科研人員傾力于研究性 能更優(yōu)越的新型高精度驅(qū)動裝置。壓電陶瓷致動器具有體積小、位移分辨率高、頻率響應(yīng)高、無噪聲、發(fā)熱少、輸出力大、換能效率高等優(yōu)點，正在被越來越多地應(yīng)用到微定位和精密超精密加工中。以往的驅(qū)動裝置往往存在結(jié)構(gòu)尺寸偏大、步進精度低、往返重復(fù)定位精度低、難于加工等缺點。因此，有必要設(shè)計一種定位精度和重復(fù)定位精度均較高，同時適用于旋轉(zhuǎn)和直線運動輸出的微小型精密驅(qū)動器。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的在于提供一種微納米級仿生多自由度驅(qū)動裝置，解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題。本實用新型具有箝位穩(wěn)定、載荷輸出較大的特點，同時能實現(xiàn)大行程運動、直線和旋轉(zhuǎn)運動輸出并舉等功能。本實用新型采用旋轉(zhuǎn)運動模塊和直線運動模塊的方法來實現(xiàn)繞轉(zhuǎn)子軸線的旋轉(zhuǎn)運動和沿該軸線的直線運動；其中通過轉(zhuǎn)子的上層箝位塊、下層箝位塊與旋轉(zhuǎn)驅(qū)動鉸鏈按一定時序運動，實現(xiàn)輸出軸繞中心軸的旋轉(zhuǎn)步進運動；通過轉(zhuǎn)子上層箝位塊、下層箝位塊與直線驅(qū)動鉸鏈按一定時序運動，實現(xiàn)輸出軸的直線步進運動。本實用新型的上述目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)微納米級仿生多自由度驅(qū)動裝置，包括輸出軸7、定子10和轉(zhuǎn)子，所述輸出軸7的輸出端開有鏈接用螺紋孔，并通過螺釘與轉(zhuǎn)子上層箝位6連接；所述定子10為一端開口的圓筒，其內(nèi)壁與轉(zhuǎn)子上層箝位6、轉(zhuǎn)子下層箝位I分別過渡配合；所述轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)子上層箝位塊6、上層箝位壓電疊堆17、直線驅(qū)動鉸鏈I 15、直線驅(qū)動壓電疊堆I 11、直線驅(qū)動鉸鏈II 3、直線驅(qū)動壓電疊堆II 5、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動鉸鏈2、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動壓電疊堆13、轉(zhuǎn)子下層箝位塊I和下層箝位壓電疊堆18，其中，所述上層箝位壓電疊堆17封裝在轉(zhuǎn)子上層箝位塊6中，直線驅(qū)動鉸鏈I 15通過螺釘I 9與轉(zhuǎn)子上層箝位塊6連接，直線驅(qū)動壓電疊堆I 11封裝于直線驅(qū)動鉸鏈I 15中；直線驅(qū)動鉸鏈II 3通過螺釘II 8與轉(zhuǎn)子上層箝位塊6連接，直線驅(qū)動壓電疊堆II 5封裝于直線驅(qū)動鉸鏈II 3中；旋轉(zhuǎn)驅(qū)動鉸鏈
2分別通過螺釘III14、螺釘IV 4與直線驅(qū)動鉸鏈I 15、直線驅(qū)動鉸鏈II 3連接；旋轉(zhuǎn)驅(qū)動壓電疊堆13封裝于旋轉(zhuǎn)驅(qū)動鉸鏈2中；轉(zhuǎn)子下層箝位塊I通過螺釘V 12、螺釘VI 16與旋轉(zhuǎn)驅(qū)動鉸鏈2連接；下層箝位壓電疊堆18封裝于轉(zhuǎn)子下層箝位塊I中。所述的轉(zhuǎn)子為無繞線結(jié)構(gòu)。所述的輸出軸7為可變式接口轉(zhuǎn)軸。所述的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動鉸鏈2為Z型柔性放大鉸鏈。所述的直線驅(qū)動鉸鏈I 15和直線驅(qū)動鉸鏈II 3均為菱形柔性放大鉸鏈。所述的定子10具有充當(dāng)外部殼體的功能。本實用新型的有益效果在于結(jié)構(gòu)簡單、新穎，體積?。痪哂畜槲环€(wěn)定、載荷輸出較大的特點，并能實現(xiàn)大行程運動、直線和旋轉(zhuǎn)運動輸出并舉等功能；可以應(yīng)用于精密加工機床、微機電系統(tǒng)以及機器人領(lǐng)域，提高了系統(tǒng)微動精度、降低了結(jié)構(gòu)尺寸；同時可大大提·高普通驅(qū)動器的驅(qū)動精度，降低結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及尺寸，且具有成本低、投資少、見效快、效益·高等優(yōu)點；本實用新型對于我國精密超精密加工領(lǐng)域的發(fā)展有著極其重要的意義，其在精密加工、半導(dǎo)體制造、航空航天、軍事科技等眾多領(lǐng)域必定有廣闊的應(yīng)用前景。實用性強。

此處所說明的附圖用來提供對本實用新型的進一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，本實用新型的示意性實例及其說明用于解釋本實用新型，并不構(gòu)成對本實用新型的不當(dāng)限定。圖I是本實用新型的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實用新型的軸測局剖示意圖；圖3是本實用新型的主視示意圖；圖4是圖3的A-A剖視示意圖；圖5是圖3的B-B剖視示意圖。圖中I.轉(zhuǎn)子下層箝位塊； 2.旋轉(zhuǎn)驅(qū)動鉸鏈；3.直線驅(qū)動鉸鏈II ;4.螺釘IV;5.直線驅(qū)動壓電疊堆II; 6.轉(zhuǎn)子上層箝位塊；7.輸出軸；8.螺釘II ;9.螺釘I ;10.定子；11.直線驅(qū)動壓電疊堆I ;12.螺釘V ;13.旋轉(zhuǎn)驅(qū)動壓電疊堆；14.螺釘III;15.直線驅(qū)動鉸鏈I ;16.螺釘VI;17.上層箝位壓電疊堆；18.下層箝位壓電疊堆。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖進一步說明本實用新型的詳細(xì)內(nèi)容及其具體實施方式
。參見圖I至圖5所示，本實用新型的微納米級仿生多自由度驅(qū)動裝置，包括輸出軸
7、定子10和轉(zhuǎn)子，所述輸出軸7的輸出端開有鏈接用螺紋孔，并通過螺釘與轉(zhuǎn)子上層箝位6連接；所述定子10為一端開口的圓筒，其內(nèi)壁與轉(zhuǎn)子上層箝位6、轉(zhuǎn)子下層箝位I分別過渡配合；所述轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)子上層箝位塊6、上層箝位壓電疊堆17、直線驅(qū)動鉸鏈I 15、直線驅(qū)動壓電疊堆I 11、直線驅(qū)動鉸鏈II 3、直線驅(qū)動壓電疊堆II 5、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動鉸鏈2、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動壓電疊堆13、轉(zhuǎn)子下層箝位塊I和下層箝位壓電疊堆18，其中，所述上層箝位壓電疊堆17封裝在轉(zhuǎn)子上層箝位塊6中，直線驅(qū)動鉸鏈I 15通過螺釘I 9與轉(zhuǎn)子上層箝位塊6連接，直線驅(qū)動壓電疊堆I 11封裝于直線驅(qū)動鉸鏈I 15中；直線驅(qū)動鉸鏈II 3通過螺釘II 8與轉(zhuǎn)子上層箝位塊6連接，直線驅(qū)動壓電疊堆II 5封裝于直線驅(qū)動鉸鏈II 3中；旋轉(zhuǎn)驅(qū)動鉸鏈2分別通過螺釘III 14、螺釘IV 4與直線驅(qū)動鉸鏈I 15、直線驅(qū)動鉸鏈II 3連接；旋轉(zhuǎn)驅(qū)動壓電疊堆13封裝于旋轉(zhuǎn)驅(qū)動鉸鏈2中；轉(zhuǎn)子下層箝位塊I通過螺釘V 12、螺釘VI 16與旋轉(zhuǎn)驅(qū)動鉸鏈2連接；下層箝位壓電疊堆18封裝于轉(zhuǎn)子下層箝位塊I中。所述的轉(zhuǎn)子為無繞線結(jié)構(gòu)。所述的輸出軸7為可變式接口轉(zhuǎn)軸 。 所述的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動鉸鏈2為Z型柔性放大鉸鏈。所述的直線驅(qū)動鉸鏈I 15和直線驅(qū)動鉸鏈II 3均為菱形柔性放大鉸鏈。所述的定子10具有充當(dāng)外部殼體的功能。參見圖I至圖5所示，本實用新型的具體工作過程如下轉(zhuǎn)子步進式旋轉(zhuǎn)運動的實現(xiàn)，初始狀態(tài)上層箝位壓電疊堆17、直線驅(qū)動壓電疊堆I 11、直線驅(qū)動壓電疊堆II 5、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動壓電疊堆13、下層箝位壓電疊堆18均不帶電，系統(tǒng)處于自由狀態(tài)，此時轉(zhuǎn)子亦處于游動狀態(tài)；當(dāng)轉(zhuǎn)子實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動時封裝于轉(zhuǎn)子下層箝位塊I中的下層箝位壓電疊堆18通電，由于逆壓電效應(yīng)，下層箝位壓電疊堆18伸長，推動轉(zhuǎn)子下層箝位塊I中的柔性鉸鏈變形，從而將轉(zhuǎn)子下層箝位塊I和定子10箝緊；封裝于旋轉(zhuǎn)驅(qū)動鉸鏈2中的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動壓電疊堆13通電伸長，在逆壓電效應(yīng)的作用下，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動鉸鏈2發(fā)生變形，由于旋轉(zhuǎn)驅(qū)動鉸鏈2的中部通過螺釘V 12、螺釘VI 16和轉(zhuǎn)子下層箝位塊I固定，而旋轉(zhuǎn)驅(qū)動鉸鏈2是Z型的柔性鉸鏈，其兩端會向相反方向伸長，又其兩端通過通過螺釘III 14、螺釘IV 4和直線驅(qū)動鉸鏈I 15、直線驅(qū)動鉸鏈II 3連接，而直線驅(qū)動鉸鏈I 15、直線驅(qū)動鉸鏈II 3又分別通過螺釘I 9和螺釘II 8和轉(zhuǎn)子上層箝位塊6連接，從而在轉(zhuǎn)子上層箝位塊6上產(chǎn)生了一對旋轉(zhuǎn)力偶，轉(zhuǎn)子上層箝位塊6會發(fā)生一定角度的旋轉(zhuǎn)運動；封裝于轉(zhuǎn)子上層箝位塊6中的上層箝位壓電疊堆17通電伸長，從而推動轉(zhuǎn)子上層箝位塊6中的柔性鉸鏈變形，將轉(zhuǎn)子上層箝位塊6與定子10箝緊；下層箝位壓電疊堆18斷電，在彈性力的作用下，轉(zhuǎn)子下層箝位塊I中的柔性鉸鏈恢復(fù)原長，從而將轉(zhuǎn)子下層箝位塊I和定子10脫離；旋轉(zhuǎn)驅(qū)動壓電疊堆13斷電，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動鉸鏈2的兩端恢復(fù)原長，由于旋轉(zhuǎn)驅(qū)動鉸鏈2分別通過螺釘V 12、螺釘VI 16和轉(zhuǎn)子下層箝位塊I連接，從而帶動轉(zhuǎn)子下層箝位塊I旋轉(zhuǎn)到和轉(zhuǎn)子上層箝位塊6—樣的角度。這樣就完成了轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運動的一步，重復(fù)以上運動可以使得轉(zhuǎn)子實現(xiàn)步進式的旋轉(zhuǎn)運動，且其理論轉(zhuǎn)角為無限大。轉(zhuǎn)子步進式直線運動的實現(xiàn)，初始狀態(tài)上層箝位壓電疊堆17、直線驅(qū)動壓電疊堆I 11、直線驅(qū)動壓電疊堆II 5、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動壓電疊堆13、下層箝位壓電疊堆18均不帶電，系統(tǒng)處于自由狀態(tài)，此時轉(zhuǎn)子亦處于游動狀態(tài)；當(dāng)轉(zhuǎn)子實現(xiàn)直線運動時封裝于轉(zhuǎn)子上層箝位塊6中的上層箝位壓電疊堆17得電伸長，從而推動轉(zhuǎn)子上層箝位塊6中的柔性鉸鏈變形，將轉(zhuǎn)子上層箝位塊6和定子10箝緊；封裝于直線驅(qū)動鉸鏈I 15中的直線驅(qū)動壓電疊堆I 11、封裝于直線驅(qū)動鉸鏈II 3中的直線驅(qū)動壓電疊堆II 5通電伸長，由于直線驅(qū)動鉸鏈I 15和直線驅(qū)動鉸鏈II 3都為菱形柔性鉸鏈，所以直線驅(qū)動鉸鏈I 15和直線驅(qū)動鉸鏈II 3發(fā)生變形，又因為直線驅(qū)動鉸鏈I 15和直線驅(qū)動鉸鏈II 3分別通過螺釘I 9和螺釘II 8和轉(zhuǎn)子上層箝位塊6連接，而轉(zhuǎn)子上層箝位塊6已經(jīng)箝緊，所以直線驅(qū)動鉸鏈I 15和直線驅(qū)動鉸鏈II 3的下端點會向上運動一定的距離，由于旋轉(zhuǎn)驅(qū)動鉸鏈2分別通過螺釘III 14、螺釘IV 4和直線驅(qū)動鉸鏈I 15、直線驅(qū)動鉸鏈II 3連接，同時旋轉(zhuǎn)驅(qū)動鉸鏈2的中部通過螺釘V 12、螺釘VI 16和轉(zhuǎn)子下層箝位塊I連接，所以帶動轉(zhuǎn)子下層箝位塊I向上移動一定的距離；封裝于轉(zhuǎn)子下層箝位塊I中的下層箝位壓電疊堆18得電伸長，從而推動轉(zhuǎn)子下層箝位塊I中的柔性鉸鏈發(fā)生形變，將轉(zhuǎn)子下層箝位塊I和定子10箝緊；封裝于轉(zhuǎn)子上層箝位塊6中的上層箝位壓電疊堆17斷電，恢復(fù)原長，從而將轉(zhuǎn)子上層箝位塊6和定子10松開；封裝于直線驅(qū)動鉸鏈I 15中的直線驅(qū)動壓電疊堆I 11、封裝于直線驅(qū)動鉸鏈II 3中的直線驅(qū)動壓電疊堆II 5斷電恢復(fù)原長，從而直線驅(qū)動鉸鏈I 15和直線驅(qū)動鉸鏈II 3在彈性力的作用下恢復(fù)原長，又因為直線驅(qū)動鉸鏈I 15和直線驅(qū)動鉸鏈II 3的上端分別通過螺釘I 9和螺釘II 8和轉(zhuǎn)子上層箝位塊6連接，直線驅(qū)動鉸鏈I 15和直線驅(qū)動鉸鏈II 3的下端分別通過螺釘III14、螺釘IV 4和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動鉸鏈2連接，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動鉸鏈2的中部通過螺釘V 12、螺釘VI 16和轉(zhuǎn)子下層箝位塊I連接，此時，轉(zhuǎn)子下層箝位塊I已經(jīng)與定子10箝緊，所以會帶動轉(zhuǎn)子上層箝位塊6向上移動一定的距離。這樣就完成了轉(zhuǎn)子步進式直線運動的一步，重 復(fù)以上操作可以使得轉(zhuǎn)子沿固定方向做步進式直線運動。轉(zhuǎn)子上層箝位塊6通過螺釘螺釘II、螺釘I和輸出軸7連接，從而可以實現(xiàn)輸出軸7的繞固定軸的步進式旋轉(zhuǎn)運動和沿固定方向的步進式直線運動。整個多自由度驅(qū)動器的運動具有嚴(yán)格的時序邏輯。改變時序，可以改變旋轉(zhuǎn)和直線運動的方向，并且由于采用了壓電疊堆驅(qū)動，其具有箝位穩(wěn)定、載荷輸出較大的特點，并能實現(xiàn)大行程運動、直線和旋轉(zhuǎn)運動輸出并舉等功能。以上所述僅為本實用新型的優(yōu)選實例而已，并不用于限制本實用新型，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本實用新型可以有各種更改和變化。凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種微納米級仿生多自由度驅(qū)動裝置，包括輸出軸(7)、定子(10)和轉(zhuǎn)子，其特征在于所述輸出軸(7)的輸出端開有鏈接用螺紋孔，并通過螺釘與轉(zhuǎn)子上層箝位(6)連接；所述定子(10)為一端開口的圓筒，其內(nèi)壁與轉(zhuǎn)子上層箝位(6)、轉(zhuǎn)子下層箝位(I)分別過渡配合； 所述轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)子上層箝位塊(6)、上層箝位壓電疊堆(17)、直線驅(qū)動鉸鏈I (15)、直線驅(qū)動壓電疊堆I (11)、直線驅(qū)動鉸鏈II (3)、直線驅(qū)動壓電疊堆II (5)、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動鉸鏈(2)、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動壓電疊堆(13)、轉(zhuǎn)子下層箝位塊(I)和下層箝位壓電疊堆(18)，其中，所述上層箝位壓電疊堆(17)封裝在轉(zhuǎn)子上層箝位塊(6)中，直線驅(qū)動鉸鏈I (15)與轉(zhuǎn)子上層箝位塊(6)連接，直線驅(qū)動壓電疊堆I (11)封裝于直線驅(qū)動鉸鏈I (15)中；直線驅(qū)動鉸鏈II(3)與轉(zhuǎn)子上層箝位塊(6)連接，直線驅(qū)動壓電疊堆II(5)封裝于直線驅(qū)動鉸鏈II (3)中；旋轉(zhuǎn)驅(qū)動鉸鏈(2)分別與直線驅(qū)動鉸鏈I (15)、直線驅(qū)動鉸鏈II (3)連接；旋轉(zhuǎn)驅(qū)動壓電疊堆(13)封裝于旋轉(zhuǎn)驅(qū)動鉸鏈(2)中；轉(zhuǎn)子下層箝位塊(I)與旋轉(zhuǎn)驅(qū)動鉸鏈(2)連接；下層箝位壓電疊堆(18 )封裝于轉(zhuǎn)子下層箝位塊(I)中。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的微納米級仿生多自由度驅(qū)動裝置，其特征在于所述的轉(zhuǎn)子為無繞線結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的微納米級仿生多自由度驅(qū)動裝置，其特征在于所述的輸出軸(7)為可變式接口轉(zhuǎn)軸。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的微納米級仿生多自由度驅(qū)動裝置，其特征在于所述的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動鉸鏈(2)為Z型柔性放大鉸鏈。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的微納米級仿生多自由度驅(qū)動裝置，其特征在于所述的直線驅(qū)動鉸鏈I (15)和直線驅(qū)動鉸鏈II (3)均為菱形柔性放大鉸鏈。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的微納米級仿生多自由度驅(qū)動裝置，其特征在于所述的定子(10)兼為外部殼體。
專利摘要本實用新型涉及一種微納米級仿生多自由度驅(qū)動裝置，屬于精密超精密加工領(lǐng)域。主要由定子、轉(zhuǎn)子和輸出軸組成。其中轉(zhuǎn)子中連接有旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)和直線驅(qū)動機構(gòu)；輸出軸為可變式接口轉(zhuǎn)軸。本實用新型以高精度的壓電驅(qū)動器驅(qū)動柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)進行相關(guān)箝位，通過控制轉(zhuǎn)子上層和下層中的壓電鉗位機構(gòu)和連接在下層上的壓電驅(qū)動機構(gòu)來實現(xiàn)轉(zhuǎn)子繞固定軸的步進式超精密旋轉(zhuǎn)運動同時通過控制連接在轉(zhuǎn)子上下層的柔性鉸鏈機構(gòu)來實現(xiàn)沿確定方向的直線式步進移動。本實用新型可用于高精度驅(qū)動和加工領(lǐng)域，投資少、成本低、見效快、效益高。可以繞確定方向的超精密步進式旋轉(zhuǎn)運動和沿確定方向的直線步進式移動。
文檔編號H02N2/00GK202696499SQ20122031785
公開日2013年1月23日 申請日期2012年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月3日
發(fā)明者趙宏偉, 李建平, 任露泉, 傅璐, 曲涵, 馬志超, 胡曉利, 崔濤, 劉闖, 田野 申請人:吉林大學(xué)