可機械調速的超精密壓電步進旋轉驅動平臺的製作方法

2024-02-02 23:23:15

專利名稱：可機械調速的超精密壓電步進旋轉驅動平臺的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種可機械調速的超精密壓電步進旋轉驅動平臺，可應用在精密加工技術及裝備、力學性能測試、精密光學、微機電系統以及航空航天等領域。
背景技術：
近年來精密定位機構在諸多應用領域需求量日益增加，如精密加工、微機電系統、 光學工程等。這些應用要求定位機構具有解析度高及運動行程大，且要求結構簡單、緊湊。 傳統的驅動器一般採用電機帶動滾珠絲槓實現定位或者驅動，存在結構尺寸大、精度低等缺點。此外，高精密的滾珠絲槓的加工困難也限制了其應用。壓電元件作為一種智能型材料，具有響應迅速，輸出力大，位移解析度高及結構緊湊等優點。國內外研究人員利用壓電元件研發了多種精密定位機構，其大部分基於尺蠖運動原理或慣性衝擊原理實現精密直線運動或旋轉運動。有一些驅動器輸出穩定、精度高，但行程小，僅有幾十微米，限制了其應用範圍；有一些驅動器能夠實現整圓周的旋轉運動，但轉速較慢，無法實現機械調速，並且結構複雜，整體剛度較差。因此，設計一種精度高，行程大，可以在較大範圍內進行機械調速的旋轉驅動器很有必要。
發明內容為了解決上述問題與不足，本實用新型提供一種可機械調速的超精密壓電步進旋轉驅動平臺，使之具有較高的穩定性和精度，可實現整圓周的旋轉運動，並且能夠在較大範圍內對驅動平臺的轉速進行調節。本實用新型的上述目的通過以下技術方案實現，結合
如下一種可機械調速的超精密壓電步進旋轉驅動平臺，主要由定子20、轉子1、鉗位塊 5、平移臺19、升降臺和基座7組成，所述定子20包括前後布置的鉗位單元26和驅動單元 21兩部分。定子20通過連接塊31與平移臺19連接，平移臺19通過螺釘與升降臺的頂板 15相連，升降臺和鉗位塊5通過螺釘固定在基座7上，轉子1通過精密微型滾動軸承3和軸承座2支撐在基座7的前部，並由鉗位單元26和鉗位塊5夾持。本實用新型的積極效果是藉助於平移臺19能夠對定子20的橫向位置進行精密調整，以保證定子20的鉗位單元26工作時，不會對轉子1產生軸向力的作用，增強了驅動平臺的穩定性；藉助於升降臺能夠對定子20豎直方向的位置進行精密調節，實現較大範圍的調速，並可以測試不同的夾持半徑下，驅動平臺的精度、解析度、穩定性等技術指標，其中夾持半徑定義為鉗位單元26與轉子1接觸面的中心到轉子1軸線的距離。基於柔性機構的結構特點，設計出一種集鉗位單元26和驅動單元21為一體的整體式結構，該結構能夠同時完成對轉子1的夾緊和驅動；為保證轉子1動力的輸出，並行設計了一個獨立的鉗位塊5。 驅動平臺以步進方式旋轉，結構簡單，能夠實現高頻運動，並可以在較大範圍進行調速。
附圖說明[0007]附圖1可機械調速的超精密壓電步進旋轉驅動平臺結構示意圖附圖2可機械調速的超精密壓電步進旋轉驅動平臺俯視圖附圖3可機械調速的超精密壓電步進旋轉驅動平臺仰視圖附圖4可機械調速的超精密壓電步進旋轉驅動平臺側視圖附圖5可機械調速的超精密壓電步進旋轉驅動平臺局部爆炸圖附圖6簡易升降臺的爆炸圖圖中1.轉子2.軸承座3.精密微型滾動軸承4.軸承座固定螺釘5.鉗位塊6.壓電疊堆III 7.基座11.底板12.薄板固定螺釘13.底座14.薄板I 15.頂板18.縱向分釐卡18'.橫向分釐卡19.平移臺19'.工作檯20.定子21.驅動單元 22.壓電疊堆I 23.定子固定螺釘25.壓電疊堆II 26.鉗位單元29.連接塊固定螺釘 31.連接塊32.平移臺固定螺釘34.頂板固定螺釘36.上楔形塊40.薄板II 42.側板 II 43.側板固定螺釘47.下楔形塊48.側板I 49.鉗位塊固定螺釘50.升降臺固定螺釘
具體實施方式
現結合附圖所示進一步說明本實用新型的具體內容及其工作方式。參見附圖1、2、3、4、5、6，本實用新型所述的可機械調速的超精密壓電步進旋轉驅動平臺，主要由定子20、轉子1、鉗位塊5、平移臺19、升降臺和基座7組成，所述定子20包括前後布置的鉗位單元26和驅動單元21兩部分。定子20通過連接塊31與平移臺19連接，平移臺19通過螺釘與升降臺的頂板15相連，升降臺和鉗位塊5通過螺釘固定在基座7 上，轉子1通過精密微型滾動軸承3和軸承座2支撐在基座7的前部，並由鉗位單元26和鉗位塊5夾持。參閱圖1、2，軸承座2通過軸承座固定螺釘4與基座7固定連接，軸承座2內安裝有精密微型滾動軸承3，用以支撐轉子1使其能夠繞軸線轉動。定子20通過定子固定螺釘 23固定在連接塊31上，其中定子20由鉗位單元26和驅動單元21組成，且壓電疊堆I 22 和壓電疊堆II 25分別安裝在這兩個單元結構之中。連接塊31通過連接塊固定螺釘29與平移臺19相連，平移臺19通過平移臺固定螺釘32與升降臺的頂板15固定連接。到此，通過調節升降臺的高度能夠對定子20豎直方向的位置進行精密調整。升降臺通過升降臺固定螺釘50固定在基座7上，防止升降臺由於外界的振動或負載發生移動。鉗位塊5通過鉗位塊固定螺釘49安裝基座7槽內的側壁上，且壓電疊堆II16裝於其中。所述驅動單元21、鉗位單元26和鉗位塊5內分別裝有驅動元件壓電疊堆I 22、壓電疊堆II 25和壓電疊堆II16，分別通過對每個壓電疊堆的電壓時序進行控制，控制驅動單元21、鉗位單元26和鉗位塊5運動。所述鉗位單元26通過壓電疊堆II 25帶電伸長柔性鉸鏈變形夾緊轉子1，再由驅動單元21上的壓電疊堆I 22帶電伸長柔性鉸鏈變形驅動轉子1旋轉一個微角度，轉子1 相鄰兩次轉動的間歇時間段動力輸出是由鉗位塊5上的壓電疊堆III6帶電伸長柔性鉸鏈變形夾緊轉子1保持。所述轉子1由圓軸和固定在圓軸上的大直徑薄圓盤組成。所述定子20橫向位置由平移臺19調節，使轉子1的中部圓盤位於鉗位單元26的中部，平移臺19主要由工作檯19'、底座13和橫向分釐卡18'組成，橫向分釐卡18'固定在工作檯19'上，工作檯19'在底座13上直線滑動，橫向分釐卡18'的前端與底座13接觸，並且底座13固定在升降臺的頂板15上，擰動橫向分釐卡18'的螺旋部分，根據相對運動的原理，工作檯19'將沿直線滑動，並帶動定子20移動。所述升降臺主要由頂板15、薄板I 14、薄板1140、上楔形塊36、下楔形塊47、底板 11、側板I 48、側板1142和縱向分釐卡18組成，下楔形塊47與上楔形塊36的斜面接觸配合，上楔形塊36的側面加工有豎直方向通槽，與側板1142上的豎直導軌滑動配合，下楔形塊47底面加工有縱向通槽，與底板11上的縱嚮導軌滑動配合，側板I 48和側板1142與底板11之間、頂板15與上楔形塊36的頂面之間、薄板I 14和薄板1140與側板I 48和側板 1142之間分別通過側板固定螺釘43、頂板固定螺釘34、薄板固定螺釘12相連，縱向分釐卡 18過盈配合固定在側板I 48的內孔中，縱向分釐卡18的前端與下楔形塊47接觸，通過擰動分釐卡18的螺旋部分推動下楔形塊47縱向運動。驅動平臺的動力由轉子1輸出，具體工作過程如下驅動平臺整體裝配完之後，由於裝配誤差和零件的加工誤差，轉子1中部的圓盤不能確保位於鉗位單元26鉗位口中央，這容易影響驅動平臺工作的穩定性。因此需要利用平移臺19對定子20的橫向位置進行精密調節，以保證轉子1的圓盤與鉗位單元26的對稱性。平移臺19主要由工作檯19'、底座13和橫向分釐卡18'組成，橫向分釐卡18'固定在工作檯19'上，橫向分釐卡18'的前端與底座13接觸，工作檯19'可在底座13上直線滑動。，底座13固定在升降臺19的頂板15上，當擰動橫向分釐卡18'的螺旋部分時，根據相對運動的原理，工作檯19'將帶動定子20移動。調整定子20的橫向位置，當鉗位單元 26與圓盤大致對稱時，擰動升降臺19的縱向分釐卡18，以調整定子20的高度。當調整到某一特定高度時，停止擰動縱向分釐卡18。由於鉗位單元26與圓盤並不是嚴格對稱，需要進一步調整。緩慢擰動平移臺19的橫向分釐卡18'，當鉗位單元26的鉗位口一側與圓盤恰好接觸時，停止擰動橫向分釐卡18'，並記錄此時分釐卡的顯示值1 ；逆向緩慢擰動橫向分釐卡18'，當鉗位口的另一側與圓盤恰好接觸時，停止擰動橫向分離卡18'，並記錄下橫向分釐卡18'的顯示值2;再反向擰動橫向分釐卡18'，移動距離為顯示值2與顯示值1 的差值絕對值的一半。到此，鉗位單元26和圓盤嚴格對稱，其中顯示值2與顯示值1的差值絕對值即為鉗位口寬度與圓盤厚度的差值。初始狀態壓電疊堆I 22、壓電疊堆1125和壓電疊堆III6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，鉗位單元26、驅動單元21以及鉗位塊5作用，先是連接在鉗位單元26上的壓電疊堆II 25伸長，柔性鉸鏈在其作用下發生變形，鉗位口的間距變小，並與轉子1的圓盤接觸，隨著壓電疊堆Π25的進一步伸長，鉗位單元26鉗緊轉子1 ；隨後，驅動單元21上的壓電疊堆I 22帶電伸長，在其作用下，驅動單元21上的柔性鉸鏈發生變形，從而帶動鉗位單元26前進一個步長，鉗位單元26再帶動轉子1旋轉一個微角度；之後鉗位塊5上的壓電疊堆III6迅速伸長，帶動鉗位塊5鉗緊轉子 1 ；隨後，驅動單元21上的壓電疊堆I 22和鉗位單元26上的壓電疊堆1125分別斷電回縮， 鬆開轉子1，並且驅動單元21和鉗位單元26都回復到初始狀態；然後，鉗位單元26上的壓電疊堆1125再次帶電伸長鉗緊轉子1，隨之鉗位塊5上的壓電疊堆III6斷電回縮鬆開轉子 1，驅動單元21上的壓電疊堆I 22再帶電伸長帶動轉子1再次旋轉一個微角度。以上是驅動平臺的循環工作模式，整個驅動平臺的旋轉運動具有嚴格的時序要求，工作時可以實現轉子1在高頻驅動電壓下的快速步進式旋轉。轉子1用於完成動力輸出，實際應用時可以將外部負載通過相應的方式連接在轉子1上。 有三種方式可以對本驅動平臺的輸出轉速進行調節。方式一，調節驅動單元21上壓電疊堆I 22的驅動電壓幅值。壓電疊堆I 22的伸長量與驅動電壓的幅值成正比，調節驅動電壓可以調節每個周期內轉子1轉過的微角度大小。方式二，調節驅動平臺工作頻率。 驅動電壓幅值一定的情況下，在給定的時間內，提高工作頻率可以提高轉子1轉過的角度。 方式三，調節夾持半徑大小。由於轉子1每個周期內轉過的角度很小，計算時可以近似為壓電疊堆122的伸長量與夾持半徑的比值。夾持半徑的大小對轉子1轉速的輸出具有很大影響。利用方式三對驅動平臺的轉速進行調節是本驅動平臺的一大特點，以下是利用升降臺調節夾持半徑大小的具體過程保證壓電疊堆I 22、壓電疊堆II 25和壓電疊堆III6均處於斷電狀態，系統處於自由狀態；順時針擰動縱向分釐卡18的螺旋部分，縱向分釐卡18 將會推動下楔形塊47沿著底板11的導軌縱向移動，同時上楔形塊36沿著側板1142的導軌豎直向上移動，進而帶動頂板15、平移臺19、連接塊31和定子20豎直向上運動；當達到預想高度之後，停止擰動縱向分釐卡18，由於縱向分釐卡18內部的自鎖功能，定子20將始終保持在這一高度，此時夾持半徑增大；當需要將夾持半徑調小時，逆時針擰動縱向分釐卡 18的螺旋部分，在重力作用下，上楔形塊36將沿著側板1142的導軌豎直向下運動，推動下楔形塊47沿底板的導軌縱向移動，頂板15、平移臺19、連接塊31和定子20也隨著上楔形塊36豎直向下運動；當定子20下降到預計的高度之後，停止擰動縱向分釐卡18，縱向分釐卡18自鎖。
權利要求1.一種可機械調速的超精密壓電步進旋轉驅動平臺，其特徵在於，它主要由定子 (20)、轉子(1)、鉗位塊(5)、平移臺(19)、升降臺和基座(7)組成，所述定子(20)包括前後布置的鉗位單元(26)和驅動單元(21)兩部分，定子(20)通過連接塊(31)與平移臺(19) 連接，平移臺(19)通過螺釘與升降臺的頂板(15)相連，升降臺和鉗位塊(5)通過螺釘固定在基座(7)上，轉子(1)通過精密微型滾動軸承(3)和軸承座(2)支撐在基座(7)的前部， 並由鉗位單元(26)和鉗位塊(5)夾持。
2.根據權利要求1所述的可機械調速的超精密壓電步進旋轉驅動平臺，其特徵在於， 所述驅動單元(21)、鉗位單元(26)和鉗位塊(5)內分別裝有驅動元件壓電疊堆I (22)、壓電疊堆11(25)和壓電疊堆111(6)，分別通過對每個壓電疊堆的電壓時序進行控制，控制驅動單元(21)、鉗位單元(26)、鉗位塊(5)運動。
3.根據權利要求3所述的可機械調速的超精密壓電步進旋轉驅動平臺，其特徵在於， 所述鉗位單元(26)通過壓電疊堆11(25)帶電伸長柔性鉸鏈變形夾緊轉子(1)，再由驅動單元(21)上的壓電疊堆I (22)帶電伸長柔性鉸鏈變形驅動轉子(1)旋轉一個微角度，轉子 (1)相鄰兩次轉動的間歇時間段動力輸出是由鉗位塊(5)上的壓電疊堆III (6)帶電伸長柔性鉸鏈變形夾緊轉子(1)保持。
4.根據權利要求1所述的可機械調速的超精密壓電步進旋轉驅動平臺，其特徵在於， 所述轉子(1)由圓軸和固定在圓軸上的大直徑薄圓盤組成。
5.根據權利要求1所述的可機械調速的超精密壓電步進旋轉驅動平臺，其特徵在於， 所述定子(20)橫向位置由平移臺(19)調節，使轉子(1)的中部圓盤位於鉗位單元(26)的中部，平移臺(19)主要由工作檯(19')、底座(13)和橫向分釐卡(18')組成，橫向分釐卡(18')固定在工作檯(19')上，工作檯(19')在底座(13)上直線滑動，橫向分釐卡 (18')的前端與底座(13)接觸，並且底座(13)固定在升降臺的頂板(15)上，擰動橫向分釐卡(18')的螺旋部分，根據相對運動的原理，工作檯(19')將沿直線滑動，並帶動定子 (20)移動。
6.根據權利要求1所述的可機械調速的超精密壓電步進旋轉驅動平臺，其特徵在於， 所述升降臺主要由頂板(15)、薄板I (14)、薄板II (40)、上楔形塊(36)、下楔形塊(47)、底板(11)、側板I (48)、側板II (42)和縱向分釐卡(18)組成，下楔形塊(47)與上楔形塊(36) 的斜面接觸配合，上楔形塊(36)的側面加工有豎直方向通槽，與側板II (42)上的豎直導軌滑動配合，下楔形塊(47)底面加工有縱向通槽，與底板(11)上的縱嚮導軌滑動配合，側板 1(48)和側板II (42)與底板(11)之間、頂板(15)與上楔形塊(36)的頂面之間、薄板I (14) 和薄板II (40)與側板I (48)和側板II (42)之間通過螺釘相連，縱向分釐卡(18)過盈配合固定在側板1(48)的內孔中，縱向分釐卡(18)的前端與下楔形塊(47)接觸，通過擰動縱向分釐卡(18)的螺旋部分推動下楔形塊(47)縱向運動。
專利摘要本實用新型涉及一種可機械調速的超精密壓電步進旋轉驅動平臺。該驅動平臺主要由定子、轉子、鉗位塊、平移臺、升降臺和基座組成。定子通過連接塊與平移臺連接，平移臺通過螺釘與升降臺的頂板相連。為實現機械調速，並自行設計了一個簡易型升降臺，該升降臺固定在基座上。轉子通過滾動軸承由兩端的軸承座支撐，軸承座與基座相連。鉗位塊通過螺釘固定在基座上。本實用新型能夠實現大行程精密旋轉，並且可以在較大範圍內對驅動平臺的轉速進行調節，具有結構緊湊，運動解析度高，行程大等優點，在精密驅動領域將有重要的應用。
文檔編號B23Q1/50GK202240476SQ20112040201
公開日2012年5月30日 申請日期2011年10月20日 優先權日2011年7月8日
發明者任露泉, 傅璐, 劉長勝, 曲涵, 李建平, 趙宏偉, 趙波 申請人:吉林大學