本發(fā)明涉及一種精密壓電驅(qū)動(dòng)器,特別涉及一種壓電型多自由度混合驅(qū)動(dòng)式驅(qū)動(dòng)器,可應(yīng)用于精密驅(qū)動(dòng)定位、精密加工、航空航天等高尖端的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù):
近年來,在精密加工、測(cè)量及控制領(lǐng)域,以壓電元件為核心的高精度定位驅(qū)動(dòng)器得到廣泛應(yīng)用。其中,以壓電元件優(yōu)良動(dòng)態(tài)特性的慣性沖擊和尺蠖機(jī)理運(yùn)動(dòng)的制動(dòng)器,在精密驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域發(fā)展得尤為突出。傳統(tǒng)的壓電陶瓷類驅(qū)動(dòng)器主要為單自由度的機(jī)械式結(jié)構(gòu),輸出形式比較簡(jiǎn)單,而且輸出位移較小,這嚴(yán)重限制了其自身在更多壓電驅(qū)動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用。此外,對(duì)于一些傳統(tǒng)的壓電雙晶片型慣性沖擊式驅(qū)動(dòng)裝置而言,往往因不能克服重力影響,而無法高效滿足豎直方向微/納米級(jí)別高輸出精度和高承載能力的要求。因此,設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)緊湊、輸出力大、重復(fù)定位精度高,且能同時(shí)兼具直線運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)輸出的微小精密壓電驅(qū)動(dòng)器是相當(dāng)重要的。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的在于提供一種壓電型多自由度混合驅(qū)動(dòng)式驅(qū)動(dòng)器,解決了目前壓電雙晶片型慣性沖擊式驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)力不足,在重力方向無法精密驅(qū)動(dòng)而只能宏觀運(yùn)動(dòng),更換驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行精密運(yùn)動(dòng)會(huì)造成宏/微切換產(chǎn)生絕對(duì)位移偏差,且現(xiàn)有結(jié)構(gòu)尺寸大、輸出自由度單一,承載能力小等問題。本發(fā)明提出由疊層型和雙晶片型壓電致動(dòng)元件,分別構(gòu)成尺蠖式和慣性式運(yùn)動(dòng)機(jī)理的混合驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu),一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中綜合了兩種驅(qū)動(dòng)機(jī)理,發(fā)揮了尺蠖式驅(qū)動(dòng)大負(fù)載能力的優(yōu)點(diǎn),可同時(shí)輸出精密的直線運(yùn)動(dòng)和大量程的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng),并滿足重力場(chǎng)方向的精密驅(qū)動(dòng)要求。本發(fā)明采用上、下兩層共四個(gè)壓電疊堆分別作用在復(fù)合柔性鉸鏈上、下基板對(duì)心式分布鉗位機(jī)構(gòu)上,保證了其鉗位結(jié)構(gòu)的對(duì)中性。鉗位機(jī)構(gòu)采用了一種特殊的復(fù)合平行四邊形柔性鉸鏈機(jī)構(gòu),每次都同時(shí)運(yùn)動(dòng),提高了步進(jìn)運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性和可靠性。另外,上、下兩層基板的四個(gè)壓電疊堆與安裝在兩層基板之間的環(huán)形壓電疊堆通過電源激勵(lì)時(shí)序配合,交替伸縮,可實(shí)現(xiàn)輸出軸在重力方向上的直線步進(jìn)式運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)器輸出軸采用電源線無繞線設(shè)計(jì),可實(shí)現(xiàn)任意角度的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)定位。
本發(fā)明的上述目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
一種壓電型多自由度混合驅(qū)動(dòng)式驅(qū)動(dòng)器,包括定子單元、轉(zhuǎn)子單元和輸出軸1;其中所述定子單元包括嵌有壓電疊堆鉗位的復(fù)合柔性鉸鏈14的上、下兩層基板和直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu);所述的轉(zhuǎn)子單元包括兩個(gè)金屬基板、四個(gè)壓電雙晶片、四個(gè)慣性質(zhì)量塊;所述的輸出軸1為一無繞線軸,軸的輸出端開有螺紋孔與復(fù)合柔性鉸鏈14上、下層的中心軸孔過渡配合。
所述的定子單元,由復(fù)合柔性鉸鏈14的上、下兩層基板和環(huán)形壓電疊堆12組成;所述的復(fù)合柔性鉸鏈14的上層基板包括一組對(duì)心分布的壓電疊堆鉗位,分別通過嵌入a型壓電疊堆ⅰ10、ⅲ13實(shí)現(xiàn)鉗位驅(qū)動(dòng);所述的a型壓電疊堆ⅰ10、ⅲ13分別通過預(yù)緊螺釘ⅰ9、ⅳ17預(yù)緊安裝在復(fù)合柔性鉸鏈14的上層基板對(duì)心分布的壓電疊堆鉗位里;所述的復(fù)合柔性鉸鏈14的下層基板包括一組對(duì)心分布的壓電疊堆鉗位,分別通過嵌入a型壓電疊堆ⅱ11、ⅵ15實(shí)現(xiàn)鉗位驅(qū)動(dòng);所述的a型壓電疊堆ⅱ11、ⅵ15,分別通過預(yù)緊螺釘ii26、ⅲ16預(yù)緊安裝在復(fù)合柔性鉸鏈14的下層基板對(duì)心分布的壓電疊堆鉗位里;所述的環(huán)型壓電疊堆12,壓緊安裝在復(fù)合柔性鉸鏈14的上層和下層基板之間;所述的復(fù)合柔性鉸鏈14的上層和下層基板通過四組薄壁柔性鉸鏈連接。
所述的轉(zhuǎn)子單元,由金屬基板ⅰ4、ⅱ21,壓電晶片ⅰ8、ⅱ22、ⅲ24、ⅳ25,慣性質(zhì)量塊ⅰ5、ⅱ6、ⅲ18、ⅳ20組成;所述的金屬基板ⅰ4、ⅱ21通過鎖緊螺釘ⅰ3、ⅳ23固連在連接軸套2上;所述的連接軸套2過盈配合在輸出軸1頂部;所述的壓電晶片ⅰ8、ⅲ24,壓電晶片ⅱ22、ⅳ25分別粘接在金屬基板ⅰ4、ⅱ21上;所述的慣性質(zhì)量塊ⅰ5、ⅱ6通過鎖緊螺釘ⅱ7固連在金屬基板ⅰ4上,所述的慣性質(zhì)量塊ⅲ18、ⅳ20通過鎖緊螺釘ⅲ19固連在金屬基板ⅱ21上。
所述的輸出軸1為可變式接口轉(zhuǎn)軸。
所述的轉(zhuǎn)子單元為采用電源線無繞線設(shè)計(jì),可實(shí)現(xiàn)任意角度的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)定位。
本發(fā)明的有益成果在于:結(jié)合疊層式和雙晶片式壓電驅(qū)動(dòng)元件,可同時(shí)輸出大行程旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的和直線運(yùn)動(dòng),提高驅(qū)動(dòng)器運(yùn)動(dòng)精度和驅(qū)動(dòng)力,且具有結(jié)構(gòu)緊湊、鉗位穩(wěn)定、功能集成化、重復(fù)定位精度高等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明所涉及的一種壓電型多自由度混合驅(qū)動(dòng)式驅(qū)動(dòng)器,總體尺寸為110×50×37mm,整體結(jié)構(gòu)尺寸小,可適用于在重力方向有承載要求,且定位精度要求較高的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),可方便模塊化嵌入所需的器械中,用于實(shí)現(xiàn)不同物件繞固定轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和沿固定方向的直線步進(jìn)式運(yùn)動(dòng),也可以連接在二級(jí)放大機(jī)構(gòu)上,以實(shí)現(xiàn)大行程精密驅(qū)動(dòng)。本發(fā)明對(duì)我國(guó)微/納加工、微/納操作、精密定位等諸多高尖端技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展有著較為重要的參考意義。
附圖說明
此處說明的附圖用來提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解,構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分,本發(fā)明的示意性實(shí)例及其說明用于解釋本發(fā)明,并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定。
圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖;
圖2為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)俯視示意圖;
圖3為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)主視示意圖;
圖4為圖3的a-a剖視示意圖;
圖5為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)左視示意圖;
圖6為本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)的爆炸示意圖。
圖中:1、輸出軸;2、連接軸套;3、鎖緊螺釘??;4、金屬基板??;5、慣性質(zhì)量塊ⅰ;6、慣性質(zhì)量塊ii;7、鎖緊螺釘ii;8、壓電晶片??;9、預(yù)緊螺釘??;10、a型壓電疊堆?。?1、a型壓電疊堆ii;12、環(huán)形壓電疊堆;13、a型壓電疊堆ⅲ;14、復(fù)合柔性鉸鏈;15、a型壓電疊堆ⅳ;16、預(yù)緊螺釘ⅲ;17、預(yù)緊螺釘ⅳ;18、慣性質(zhì)量塊ⅲ;19、鎖緊螺釘ⅲ;20、慣性質(zhì)量塊ⅳ;21、金屬基板ii;22、壓電晶片ii;23、鎖緊螺釘ⅳ;24、壓電晶片ⅲ;25、壓電晶片ⅳ;26、預(yù)緊螺釘ii。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的詳細(xì)內(nèi)容及其具體實(shí)施方式。
參見圖1至圖6,本發(fā)明的壓電型多自由度混合驅(qū)動(dòng)式驅(qū)動(dòng)器,包括定子單元、轉(zhuǎn)子單元和輸出軸1;所述的定子單元,由復(fù)合柔性鉸鏈14的上、下兩層基板和環(huán)形壓電疊堆12組成;所述的復(fù)合柔性鉸鏈14的上層基板包括一組對(duì)心分布的壓電疊堆鉗位,分別通過嵌入a型壓電疊堆ⅰ10、ⅲ13實(shí)現(xiàn)鉗位驅(qū)動(dòng);所述的a型壓電疊堆ⅰ10、ⅲ13分別通過預(yù)緊螺釘ⅰ9、ⅳ17預(yù)緊安裝在復(fù)合柔性鉸鏈13的上層基板對(duì)心分布的壓電疊堆鉗位里;所述的復(fù)合柔性鉸鏈14的下層基板包括一組對(duì)心分布的壓電疊堆鉗位,分別通過嵌入a型壓電疊堆ⅱ11、ⅵ15實(shí)現(xiàn)鉗位驅(qū)動(dòng);所述的a型壓電疊堆ⅱ11、ⅵ15,分別通過預(yù)緊螺釘ii26、ⅲ16預(yù)緊安裝在復(fù)合柔性鉸鏈13的下層基板對(duì)心分布的壓電疊堆鉗位里;所述的環(huán)形壓電疊堆12,壓緊安裝在復(fù)合柔性鉸鏈14的上層和下層基板之間;所述的復(fù)合柔性鉸鏈14的上層和下層基板通過四組薄壁柔性鉸鏈連接,復(fù)合柔性鉸鏈14上層基板的a型壓電疊堆ⅰ10、ⅲ13,和下層的a型壓電疊堆ⅱ11、ⅵ15的通電時(shí)序邏輯交替變化,能實(shí)現(xiàn)輸出軸1與復(fù)合柔性鉸鏈14上層基板和下層基板交替鉗固和松開,再配合環(huán)形壓電疊堆12動(dòng)作,能夠?qū)崿F(xiàn)輸出軸1的持續(xù)步進(jìn)式直線運(yùn)動(dòng)。
參見圖1至圖3,所述的轉(zhuǎn)子單元,由金屬基板ⅰ4、ⅱ21,壓電晶片ⅰ8、ⅱ22、ⅲ24、ⅳ25,慣性質(zhì)量塊ⅰ5、ⅱ6、ⅲ18、ⅳ20組成;所述的金屬基板ⅰ4、ⅱ21通過鎖緊螺釘ⅰ3、ⅳ23固連在連接軸套2上;所述的連接軸套2過盈配合在輸出軸1頂部;所述的壓電晶片ⅰ8、ⅲ24,壓電晶片ⅱ22、ⅳ25分別粘接在金屬基板ⅰ4、ⅱ21上;所述的慣性質(zhì)量塊ⅰ5、ⅱ6通過鎖緊螺釘ⅱ7固連在金屬基板ⅰ4上,所述的慣性質(zhì)量塊ⅲ18、ⅳ20通過鎖緊螺釘ⅲ19固連在金屬基板ⅱ21上。
參見圖4,所述的輸出軸1為一無繞線軸,軸的輸出端開有螺紋孔,用于完成旋轉(zhuǎn)、直線運(yùn)動(dòng)的輸出,可將不同種類的外輸出部件通過相應(yīng)的連接方式連接在輸出軸1上,用于部件的旋轉(zhuǎn)和直線運(yùn)動(dòng),軸1的上端與連接軸套2過盈配合在一起,下端與復(fù)合柔性鉸鏈14上、下層基板的中心軸孔過渡配合。向壓電晶片ⅰ8、ⅱ22、ⅲ24、ⅳ25同時(shí)施加緩慢增加而后急速下降的鋸齒波電壓信號(hào),輸出軸1兩端的壓電雙晶片ⅰ8、ⅲ24同ⅱ22、ⅳ25由于極化方向相反產(chǎn)生方向相反的變形,形成反向的慣性沖擊力矩,進(jìn)而帶動(dòng)輸出軸1發(fā)生旋轉(zhuǎn)。
參見圖1、2、3、4、5、6,本發(fā)明的具體工作步驟如下:
輸出軸1旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn):系統(tǒng)初始狀態(tài),復(fù)合柔性鉸鏈14上下兩層的a型壓電疊堆ⅰ10、ⅱ11、ⅲ13、ⅳ15、和環(huán)形壓電疊堆12均不帶電,輸出軸1此時(shí)處于游動(dòng)狀態(tài)。系統(tǒng)工作狀態(tài),向圖1中的所示的壓電晶片ⅰ8、ⅱ22、ⅲ24、ⅳ25上同時(shí)施加緩慢增加而后急速下降的鋸齒波電壓信號(hào),輸出軸1兩端的壓電雙晶片ⅰ8、ⅲ24同ⅱ22、ⅳ25由于極化方向相反產(chǎn)生方向相反的變形,形成反向的慣性沖擊力矩,進(jìn)而帶動(dòng)輸出軸1發(fā)生旋轉(zhuǎn)。這樣就完成了旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的第一步,重復(fù)以上過程可以使得輸出軸1實(shí)現(xiàn)持續(xù)式旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),且其理論位移為無限大。
輸出軸1步進(jìn)式直線運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn):系統(tǒng)初始狀態(tài),復(fù)合柔性鉸鏈14上下兩層的a型壓電疊堆ⅰ10、ⅱ11、ⅲ13、ⅳ15、和環(huán)形壓電疊堆12均不帶電,輸出軸1此時(shí)處于游動(dòng)狀態(tài)。系統(tǒng)工作狀態(tài),給分別安裝在復(fù)合柔性鉸鏈14上層的a型壓電疊堆ⅰ10、ⅲ13同時(shí)提供驅(qū)動(dòng)電壓,由于逆壓電效應(yīng),a型壓電疊堆ⅰ10、ⅲ13同時(shí)伸長(zhǎng),推動(dòng)復(fù)合柔性鉸鏈14上層基板的鉗位單元柔性鉸鏈變形進(jìn)而鉗住輸出軸1,使得復(fù)合柔性鉸鏈13的上層基板與輸出軸1形成緊固。然后再給安裝在復(fù)合柔性鉸鏈14上、層基板之間的環(huán)形壓電疊堆12提供驅(qū)動(dòng)電壓,環(huán)形壓電疊堆12由于逆壓電效應(yīng)伸長(zhǎng),在復(fù)合柔性鉸鏈14上、下層基板之間的四組柔性薄壁的變形作用下,帶動(dòng)輸出軸1沿著軸線方向輸出精密位移;再給安裝在復(fù)合柔性鉸鏈14下層基板的a型壓電疊堆ⅱ11、ⅳ15同時(shí)提供驅(qū)動(dòng)電壓,a型壓電疊堆ⅱ11、ⅳ15同時(shí)通電伸長(zhǎng),通過推動(dòng)復(fù)合柔性鉸鏈14下層基板的鉗位單元柔性鉸鏈變形進(jìn)而鉗住輸出軸1,使得復(fù)合柔性鉸鏈14的下層基板與輸出軸1形成緊固。當(dāng)a型壓電疊堆ⅰ10、ⅱ11、ⅲ13、ⅳ15同時(shí)失電時(shí),壓電疊堆都恢復(fù)到原始長(zhǎng)度,使得復(fù)合柔性鉸鏈14的上層基板的鉗位單元與輸出軸1松開。然后讓環(huán)形壓電疊堆12失電,在四組柔性薄壁的恢復(fù)變形作用下,復(fù)合柔性鉸鏈14的上層基板沿軸線向上的運(yùn)動(dòng)回到初始狀態(tài),又因?yàn)檩敵鲚S1和復(fù)合柔性鉸鏈14的下層基板繼續(xù)鉗固,所以輸出軸1相對(duì)于下層基板做沿軸向向上的直線運(yùn)動(dòng)。這樣就完成了步進(jìn)式直線運(yùn)動(dòng)的第一步,重復(fù)以上過程可以使得輸出軸1實(shí)現(xiàn)持續(xù)步進(jìn)式直線運(yùn)動(dòng),且其理論位移為無限大。
以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)例而已,并不用于限制本發(fā)明,對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說,本發(fā)明型可以有各種更改和變化。凡對(duì)本發(fā)明所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等,均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。