压电型多自由度混合驱动式驱动器制造技术

本发明专利技术涉及一种压电型多自由度混合驱动式驱动器，属于精密驱动定位、精密加工领域。可实现精密旋转和步进式直线运动两个自由度的任意组合运动。主要由定子单元、转子单元和直线输出轴组成。其中定子单元中设有对心式压电钳位机构和直线驱动机构。通过锯齿波电源激励驱动压电晶片在缓慢弯曲后迅速反向振动，使得输出轴两端对称分布的压电振子沿着顺/逆时针振动，实现输出轴绕轴心的定向旋转；通过控制定子单元底部环形压电叠堆的伸缩量并匹配上、下层钳位机构动作的时间顺序，实现输出轴沿轴向的步进式直线运动。本发明专利技术可应用于精密驱动定位和加工领域，具有承载力大、工作行程长、控制效率高、工作稳定、输出精度高等优点。

【技术实现步骤摘要】
压电型多自由度混合驱动式驱动器
本专利技术涉及一种精密压电驱动器，特别涉及一种压电型多自由度混合驱动式驱动器，可应用于精密驱动定位、精密加工、航空航天等高尖端的科学

技术介绍
近年来，在精密加工、测量及控制领域，以压电元件为核心的高精度定位驱动器得到广泛应用。其中，以压电元件优良动态特性的惯性冲击和尺蠖机理运动的制动器，在精密驱动领域发展得尤为突出。传统的压电陶瓷类驱动器主要为单自由度的机械式结构，输出形式比较简单，而且输出位移较小，这严重限制了其自身在更多压电驱动
的应用。此外，对于一些传统的压电双晶片型惯性冲击式驱动装置而言，往往因不能克服重力影响，而无法高效满足竖直方向微/纳米级别高输出精度和高承载能力的要求。因此，设计一种结构紧凑、输出力大、重复定位精度高，且能同时兼具直线运动和旋转运动输出的微小精密压电驱动器是相当重要的。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种压电型多自由度混合驱动式驱动器，解决了目前压电双晶片型惯性冲击式驱动器驱动力不足，在重力方向无法精密驱动而只能宏观运动，更换驱动机构进行精密运动会造成宏/微切换产生绝对位移偏差，且现有结构尺寸大、输出自由度单一，承载能力小等问题。本专利技术提出由叠层型和双晶片型压电致动元件，分别构成尺蠖式和惯性式运动机理的混合驱动结构，一体化结构设计中综合了两种驱动机理，发挥了尺蠖式驱动大负载能力的优点，可同时输出精密的直线运动和大量程的旋转驱动，并满足重力场方向的精密驱动要求。本专利技术采用上、下两层共四个压电叠堆分别作用在复合柔性铰链上、下基板对心式分布钳位机构上，保证了其钳位结构的对中性。钳位机构采用了一种特殊的复合平行四边形柔性铰链机构，每次都同时运动，提高了步进运动的准确性和可靠性。另外，上、下两层基板的四个压电叠堆与安装在两层基板之间的环形压电叠堆通过电源激励时序配合，交替伸缩，可实现输出轴在重力方向上的直线步进式运动。驱动器输出轴采用电源线无绕线设计，可实现任意角度的旋转驱动定位。本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现：一种压电型多自由度混合驱动式驱动器，包括定子单元、转子单元和输出轴1；其中所述定子单元包括嵌有压电叠堆钳位的复合柔性铰链14的上、下两层基板和直线驱动机构；所述的转子单元包括两个金属基板、四个压电双晶片、四个惯性质量块；所述的输出轴1为一无绕线轴，轴的输出端开有螺纹孔与复合柔性铰链14上、下层的中心轴孔过渡配合。所述的定子单元，由复合柔性铰链14的上、下两层基板和环形压电叠堆12组成；所述的复合柔性铰链14的上层基板包括一组对心分布的压电叠堆钳位，分别通过嵌入A型压电叠堆Ⅰ10、Ⅲ13实现钳位驱动；所述的A型压电叠堆Ⅰ10、Ⅲ13分别通过预紧螺钉Ⅰ9、Ⅳ17预紧安装在复合柔性铰链14的上层基板对心分布的压电叠堆钳位里；所述的复合柔性铰链14的下层基板包括一组对心分布的压电叠堆钳位，分别通过嵌入A型压电叠堆Ⅱ11、Ⅵ15实现钳位驱动；所述的A型压电叠堆Ⅱ11、Ⅵ15，分别通过预紧螺钉II26、Ⅲ16预紧安装在复合柔性铰链14的下层基板对心分布的压电叠堆钳位里；所述的环型压电叠堆12，压紧安装在复合柔性铰链14的上层和下层基板之间；所述的复合柔性铰链14的上层和下层基板通过四组薄壁柔性铰链连接。所述的转子单元，由金属基板Ⅰ4、Ⅱ21，压电晶片Ⅰ8、Ⅱ22、Ⅲ24、Ⅳ25，惯性质量块Ⅰ5、Ⅱ6、Ⅲ18、Ⅳ20组成；所述的金属基板Ⅰ4、Ⅱ21通过锁紧螺钉Ⅰ3、Ⅳ23固连在连接轴套2上；所述的连接轴套2过盈配合在输出轴1顶部；所述的压电晶片Ⅰ8、Ⅲ24，压电晶片Ⅱ22、Ⅳ25分别粘接在金属基板Ⅰ4、Ⅱ21上；所述的惯性质量块Ⅰ5、Ⅱ6通过锁紧螺钉Ⅱ7固连在金属基板Ⅰ4上，所述的惯性质量块Ⅲ18、Ⅳ20通过锁紧螺钉Ⅲ19固连在金属基板Ⅱ21上。所述的输出轴1为可变式接口转轴。所述的转子单元为采用电源线无绕线设计，可实现任意角度的旋转驱动定位。本专利技术的有益成果在于：结合叠层式和双晶片式压电驱动元件，可同时输出大行程旋转运动的和直线运动，提高驱动器运动精度和驱动力，且具有结构紧凑、钳位稳定、功能集成化、重复定位精度高等优点。本专利技术所涉及的一种压电型多自由度混合驱动式驱动器，总体尺寸为110×50×37mm，整体结构尺寸小，可适用于在重力方向有承载要求，且定位精度要求较高的驱动机构，可方便模块化嵌入所需的器械中，用于实现不同物件绕固定转轴的旋转运动和沿固定方向的直线步进式运动，也可以连接在二级放大机构上，以实现大行程精密驱动。本专利技术对我国微/纳加工、微/纳操作、精密定位等诸多高尖端
的发展有着较为重要的参考意义。附图说明此处说明的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本申请的一部分，本专利技术的示意性实例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。图1为本专利技术的整体结构示意图；图2为本专利技术的整体结构俯视示意图；图3为本专利技术的整体结构主视示意图；图4为图3的A-A剖视示意图；图5为本专利技术的整体结构左视示意图；图6为本专利技术整体结构的爆炸示意图。图中：1、输出轴；2、连接轴套；3、锁紧螺钉Ⅰ；4、金属基板Ⅰ；5、惯性质量块Ⅰ；6、惯性质量块II；7、锁紧螺钉II；8、压电晶片Ⅰ；9、预紧螺钉Ⅰ；10、A型压电叠堆Ⅰ；11、A型压电叠堆II；12、环形压电叠堆；13、A型压电叠堆Ⅲ；14、复合柔性铰链；15、A型压电叠堆Ⅳ；16、预紧螺钉Ⅲ；17、预紧螺钉Ⅳ；18、惯性质量块Ⅲ；19、锁紧螺钉Ⅲ；20、惯性质量块Ⅳ；21、金属基板II；22、压电晶片II；23、锁紧螺钉Ⅳ；24、压电晶片Ⅲ；25、压电晶片Ⅳ；26、预紧螺钉II。具体实施方式下面结合附图进一步说明本专利技术的详细内容及其具体实施方式。参见图1至图6，本专利技术的压电型多自由度混合驱动式驱动器，包括定子单元、转子单元和输出轴1；所述的定子单元，由复合柔性铰链14的上、下两层基板和环形压电叠堆12组成；所述的复合柔性铰链14的上层基板包括一组对心分布的压电叠堆钳位，分别通过嵌入A型压电叠堆Ⅰ10、Ⅲ13实现钳位驱动；所述的A型压电叠堆Ⅰ10、Ⅲ13分别通过预紧螺钉Ⅰ9、Ⅳ17预紧安装在复合柔性铰链13的上层基板对心分布的压电叠堆钳位里；所述的复合柔性铰链14的下层基板包括一组对心分布的压电叠堆钳位，分别通过嵌入A型压电叠堆Ⅱ11、Ⅵ15实现钳位驱动；所述的A型压电叠堆Ⅱ11、Ⅵ15，分别通过预紧螺钉II26、Ⅲ16预紧安装在复合柔性铰链13的下层基板对心分布的压电叠堆钳位里；所述的环形压电叠堆12，压紧安装在复合柔性铰链14的上层和下层基板之间；所述的复合柔性铰链14的上层和下层基板通过四组薄壁柔性铰链连接，复合柔性铰链14上层基板的A型压电叠堆Ⅰ10、Ⅲ13，和下层的A型压电叠堆Ⅱ11、Ⅵ15的通电时序逻辑交替变化，能实现输出轴1与复合柔性铰链14上层基板和下层基板交替钳固和松开，再配合环形压电叠堆12动作，能够实现输出轴1的持续步进式直线运动。参见图1至图3，所述的转子单元，由金属基板Ⅰ4、Ⅱ21，压电晶片Ⅰ8、Ⅱ22、Ⅲ24、Ⅳ25，惯性质量块Ⅰ5、Ⅱ6、Ⅲ18、Ⅳ20组成；所述的金属基板Ⅰ4、Ⅱ21通过锁紧螺钉Ⅰ3、Ⅳ23固连在连接轴套2上；所述的连接轴套2过盈配本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种压电型多自由度混合驱动式驱动器，其特征在于：包括定子单元、转子单元和输出轴(1)；其中所述定子单元包括嵌有压电叠堆钳位的复合柔性铰链(14)的上、下两层基板和直线驱动机构；所述的转子单元包括两个金属基板、四个压电双晶片、四个惯性质量块；所述的输出轴(1)为一无绕线轴，轴的输出端开有螺纹孔与复合柔性铰链(14)上、下层的中心轴孔过渡配合。

【技术特征摘要】
1.一种压电型多自由度混合驱动式驱动器，其特征在于：包括定子单元、转子单元和输出轴(1)；其中所述定子单元包括嵌有压电叠堆钳位的复合柔性铰链(14)的上、下两层基板和直线驱动机构；所述的转子单元包括两个金属基板、四个压电双晶片、四个惯性质量块；所述的输出轴(1)为一无绕线轴，轴的输出端开有螺纹孔与复合柔性铰链(14)上、下层的中心轴孔过渡配合。2.根据权利要求1所述的一种压电型多自由度混合驱动式驱动器,其特征在于：所述的定子单元，由复合柔性铰链(14)的上、下两层基板和环形压电叠堆(12)组成；所述的复合柔性铰链(14)的上层基板包括一组对心分布的压电叠堆钳位，分别通过嵌入A型压电叠堆Ⅰ(10)、Ⅲ(13)实现钳位驱动；所述的A型压电叠堆Ⅰ(10)、Ⅲ(13)分别通过预紧螺钉Ⅰ(9)、Ⅳ(17)预紧安装在复合柔性铰链(14)的上层基板对心分布的压电叠堆钳位里；所述的复合柔性铰链(14)的下层基板包括一组对心分布的压电叠堆钳位，分别通过嵌入A型压电叠堆Ⅱ(11)、Ⅵ(15)实现钳位驱动；所述的A型压电叠堆Ⅱ(11)、Ⅵ(15)，分别通过预紧螺钉II(26)、Ⅲ(16)预紧安装在复合柔性铰链(14)的下层基板对心分布的压电叠堆钳位里...

【专利技术属性】
技术研发人员：范尊强，周明星，郭悦，钱龙，薛博然，李源尚，刘航，赵宏伟，董景石，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22