壓電型單自由度精密旋轉驅動器的製作方法

2023-04-28 12:43:56

專利名稱：壓電型單自由度精密旋轉驅動器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及精密加工工具機、微機電系統和機器人等領域。
技術背景近年來，隨著微電子學、生命科學、醫藥衛生、生物化學、半導體、光學、數據存儲、超精密機械及其製造以及精密測量等學科的迅猛發展，人們對微納米級的精密定位技術和微納米級的精密驅動技術有著越來越多的需求。因此各種具有精密定位或具有精密驅動的驅動器被開發研製出來。傳統的驅動器一般採用步進電機帶動滾珠絲槓實現精密定位或精密驅動，或者採用手動細牙螺紋視線定位或驅動，近年來，隨著壓電驅動技術的發展，以壓電陶瓷為核心元件的另一種精密定位或精密驅動的驅動器脫穎而出。
傳統的驅動器存在結構尺寸大、步進精度低，而且往返重複定位精度低、高精度的滾珠絲槓加工困難等缺點；此外其中也有一些驅動器輸出穩定、精度高，但行程小，只有幾十微米，嚴重限制了其應用的範圍，同時，整個裝置相當複雜，影響整體剛度，且這類裝置均不能實現旋轉運動。

發明內容
本實用新型的目的是提供一種具有單自由度、能實現精密旋轉步進運動、鉗位穩定和提供大載荷輸出，並能實現大行程等功能的新型精密旋轉驅動器。
本實用新型由轉子1、定子11和基座7組成，定子11通過螺栓6、12、13與基座7連接；轉子1通過滑動軸承8與基座7連接，其中定子11包含鉗位機構2、3和驅動機構9，為一通過多個雙薄壁柔性鉸鏈連接的整體和封閉結構，且壓電陶瓷4、5、10裝於其中；可動部件全部採用形體可控面型的壓電陶瓷疊堆PZT，其運動是通過對壓電陶瓷4、5、10控制電壓的時序控制來實現；轉子1的轉動和停止均由薄壁柔性鉸鏈的鉗位作用實現；鉗位機構2、3經壓電陶瓷4、5的作用，可沿轉子1徑向伸縮變形。
本實用新型中的定子11與鉗位機構2、3及驅動機構9連成一體，有利於提高系統剛性，從而增加系統運行的穩定性。旋轉運動的轉子1通過滑動軸承8置於基座7的內孔中，底座7與滑動軸承8對轉子1起到三個方向上的平動自由度的限制作用。轉子1通過滑動軸承8連接，可在基座7上繞確定的軸線旋轉，同時滑動軸承8採用耐磨性好的材料，可提高驅動器的旋轉精度和長期使用的精度保持性。通過轉子1可連接動力輸出裝置，最終動力由轉子1輸出。鉗位機構2、3採用一種特殊的雙鉗位懸臂鉸鏈結構，並使鉗位、驅動方式交替進行，從而實現鉗位的穩定性和軸向旋轉的準確性。其驅動部分設計成雙側薄壁鉸鏈，使結構緊湊並且響應迅速。為了實現旋轉運動為推力起作用，本驅動器設計成採用兩組壓電疊堆共同作用實現鉗緊和推動，且鉗緊和驅動按相應時序交替進行。
轉子1的精密旋轉運動通過應用壓電陶瓷疊堆PZT對其進行鉗位和驅動實現；轉子1無繞線結構，可使驅動器在轉子1任意角度位置開始旋轉，且實現任意度數旋轉；鉗位機構2、3和驅動機構9為薄壁柔性鉸鏈，使之在工作中鉗位力穩定、可靠。
本實用新型可大大提高普通驅動器的驅動精度，降低結構的複雜性及減小尺寸，且具有成本低、投資少、見效快、效益高等優點。


圖1為壓電型單自由度精密旋轉驅動器主視圖圖2為壓電型單自由度精密旋轉驅動器圖1A-A向的剖視圖圖中1.轉子 2.鉗位機構 3.鉗位機構 4.壓電陶瓷 5.壓電陶瓷 6.螺栓 7.基座 8.滑動軸承 9.驅動機構 10.壓電陶瓷 11.定子 12.螺栓 13.螺栓具體實施方式
本實用新型的具體工作過程如下初始狀態時，壓電陶瓷4、5、10均不帶電，系統處於自由狀態，此時轉子1亦處於遊動狀態；當轉子1開始旋轉時，鉗位機構3和驅動機構9作用，先是連在鉗位機構3上的壓電陶瓷5伸長，柔性鉸鏈在其作用下發生變形，使鉗位機構3與轉子1接觸，並鉗緊轉子1，隨後，驅動機構9上的壓電陶瓷10帶電伸長，在其作用下，驅動機構9上的柔性鉸鏈發生變形，從而使轉子1旋轉一個微步長(角度)；之後，鉗位機構2上的壓電陶瓷4迅速帶電伸長，並帶動鉗位機構2鉗緊轉子1，隨後，驅動機構9上的壓電陶瓷10和鉗位機構3上的壓電陶瓷5分別斷電回縮，脫離轉子1，轉子1在鉗位機構2作用下穩固定位，然後，鉗位機構3上的壓電陶瓷5再次帶電鉗緊轉子1，隨之鉗位機構2上的壓電陶瓷4斷電回縮，驅動機構9上的壓電陶瓷10再帶電伸長推動轉子1再次旋轉一個微步長(角度)。
轉子1用於完成動力、載荷輸出，可將外輸出部件通過相應連接方式連接在轉子1上，整個旋轉驅動器的旋轉運動具有嚴格的時序邏輯，其旋轉運動的完成，完全依賴推力作用。
權利要求1.一種壓電型單自由度精密旋轉驅動器，其特徵在於它由轉子(1)、定子(11)和基座(7)組成，定子(11)通過螺栓(6、12、13)與基座(7)連接；轉子(1)通過滑動軸承(8)與基座(7)連接，其中定子(11)包含鉗位機構(2、3)和驅動機構(9)，為一通過多個雙薄壁柔性鉸鏈連接的整體和封閉結構，且壓電陶瓷(4、5、10)裝於其中。
2.根據權利要求1所述的壓電型單自由度精密旋轉驅動器，其特徵在於可動部件全部採用形體可控面型的壓電陶瓷疊堆PZT，其運動是通過對壓電陶瓷(4、5、10)控制電壓的時序控制來實現。
3.根據權利要求1所述的壓電型單自由度精密旋轉驅動器，其特徵在於轉子(1)的轉動和停止均由薄壁柔性鉸鏈的鉗位作用實現。
4.根據權利要求1所述的壓電型單自由度精密旋轉驅動器，其特徵在於轉子(1)為無繞線結構。
5.根據權利要求1所述的壓電型單自由度精密旋轉驅動器，其特徵在於鉗位機構(2、3)經壓電陶瓷(4、5)的作用，可沿轉子(1)徑向伸縮變形。
6.根據權利要求1所述的壓電型單自由度精密旋轉驅動器，其特徵在於滑動軸承(8)為高硬度耐磨滑動軸承。
專利摘要本實用新型涉及精密加工工具機、微機電系統和機器人等領域。目的是提供一種能提高系統微動精度、降低結構尺寸的壓電型單自由度精密旋轉驅動器。本實用新型由轉子、定子和基座組成，定子通過螺栓與基座連接，轉子通過滑動軸承與基座連接，其中定子包含鉗位機構和驅動機構，為一通過多個雙薄壁柔性鉸鏈連接的整體和封閉結構，且壓電陶瓷裝於其中。本實用新型可大大提高普通驅動器的驅動精度，降低結構的複雜性及減小尺寸，且具有成本低、投資少、見效快、效益高等優點。
文檔編號H02N2/12GK2766450SQ20042001218
公開日2006年3月22日 申請日期2004年7月6日 優先權日2004年7月6日
發明者程光明, 楊志剛, 曾平, 趙宏偉, 張鵬, 餘學貴, 張宏壯, 劉國嵩, 楊樹臣 申請人:吉林大學