压电双晶片驱动的精密转动机构及其装置制造方法及图纸

压电双晶片驱动的精密转动机构及其装置属于精密机械运动控制技术领域。含有两组压电双晶片致动件、两组摆杆、两个离合器、输出轴和底座；输出轴通过滑动轴承支撑在底座上，两个离合器分别由从动件和主动件组成，从动件与输出轴固结，两个主动件分别位于从动件两侧，套在输出轴上；两组摆杆分别位于两个离合器两侧，每组均含有两个拨板和一个套筒，两个拨板分别固定在套筒两端，其中一个拨板与主动件固定；两组压电双晶片致动件分别位于两个离合器两侧，每组由压电双晶片和销轴固结构成，压电双晶片一端与销轴固结，另一端固定在底座上，销轴与拨板的槽配合构成平面高副。本发明专利技术具有可精确控制转角、寿命长的优点，可应用于精密装配、定位等领域。

【技术实现步骤摘要】

压电双晶片驱动的精密转动机构及其装置属于精密机械运动控制

技术介绍
在精密加工、测量及控制领域，对仪器设备的位置控制精度要求越来越高。在精密机械运动控制
，当直线运动分辨率要求达到微米甚至纳米，或转角达到分级甚至秒级时，压电陶瓷类驱动器由于具有分辨率高、响应快、效率高等优点，已广泛应用于微操作精密机械运动控制系统。由于单一的压电陶瓷类驱动器输出形式比较简单，而且输出位移较小，因此，需要设计新型机构，实现大行程或大扭矩以及不同运动形式的输出。1990年日本Alps电子有限公司的Ohnishi等基于蠕动原理设计了一个蠕动式旋转电机(Ohnishi K.，Umeda M.，Kurosawa M.etal.Rotary inchworm-type piezoelectric actuator.Electrical Engineering in Japan，1990，Vol.110，No.3，pp.107-114蠕动式压电旋转作动器，日本电子工程，1990，Vol.110，No.3，pp.107-114)，该电机采用伸缩变形的压电作动器对转子钳位，用扭转变形的压电作动器驱动转子旋转，通过对钳位压电作动器和驱动压电作动器的不同时序控制，实现输出轴的连续转动。在工作频率为10Hz时，产生0.2Nm的扭矩，但输出轴转动速度仅为3°/min。这类旋转电机虽然可以用于精密角位移定位控制，但其输出转速一般比较低。压电惯性冲击式精密作动器主要由堆式或双晶片式压电驱动元件与惯性质量块构成，利用质量块的惯性，配合压电驱动元件的伸缩或弯曲变形，实现大范围快速的移动或转动。张宏壮等研制了一种以自由端带有集中质量的悬臂式压电双晶片为驱动单元的惯性冲击式旋转精密驱动器(张宏壮，曾平，华顺明，程光明，杨志刚.压电双晶片型惯性冲击式旋转精密驱动器研究.光学精密工程，2005，第13卷，第3期，pp.298-304)，其旋转行程为180°。该驱动器主要由压电双晶片、冲击质量块、柔性铰链、弹簧、轴和基座等组成；压电双晶片和冲击质量块构成驱动单元，压电双晶片的一端与轴固连，另一端为固连一质量块的自由端；采用特定的定频调压驱动方法实现驱动器转动输出。该驱动器逆时针转动一步的工作原理为首先使压电双晶片的自由端带动质量块在驱动电信号作用下慢速逆时针摆动，控制驱动电压波形，使压电双晶片自由端质量块产生的惯性力矩小于轴与轴承之间的摩擦力矩，此时输出轴静止不动；控制驱动电信号使电压波形产生造成压电双晶片的自由端带动质量块急停、快速顺时针摆动，形成逆时针的惯性力矩，此时惯性力矩大于摩擦力矩，推动输出轴逆时针转动。从其工作原理可以看出，该类作动器的输出转速和力矩受到压电双晶片自由端质量块产生的惯性力矩、轴与轴承之间的摩擦力矩的限制，仅适合于力矩较小的场合。压电超声波电机是近20年来微型电机研究领域的一个热门方向，具有结构紧凑、体积小、噪声小等优点，它与传统电磁式电机最显著的差别是无磁且不受磁场的影响。压电超声波电机一般由转子、定子与压电元件组成，利用压电陶瓷的逆压电效应激发超声振动，借助于弹性体谐振放大，定子通过与转子的接触，通过摩擦耦合产生旋转运动或直线运动。按照压电陶瓷激励形式的不同，压电超声波电机又可分为行波驱动型、驻波驱动型、混合激励型和循环激励型。美国Penn State大学的Uchino等人利用行波驱动原理，设计了一种微型超声波电机(Uchino K.，Cagatay S.，Koc B.，et al.Micro Piezoelectric Ultrasonic Motors.Journal ofElectroceramics，2004，Vol.13，No.1-3，pp.393-401微型压电超声波电机.压电陶瓷学报，2004，Vol.13，No.1-3，pp.393-401)，该超声波电机的压电陶瓷定子由一个有中心孔的压电陶瓷盘片与一个固定在该陶瓷片上的齿状金属环组成，利用压电陶瓷的剪切变形模式，通过输入正弦和余弦两路控制信号，驱动压电陶瓷定子在其一阶共振频率附近振动，借助于摩擦力带动转子实现转动输出。一般的压电旋转型超声波电机是靠摩擦力进行运动传递，从而存在诸多缺点，如摩擦能量损耗大，磨损较大，寿命较短，输出最大力矩亦受到摩擦的限制。目前的压电旋转电机一般为微小型压电驱动机构，由于受其机构或结构的制约，这类压电电机很难兼顾输出力矩和输出转速的高性能要求，或者输出转速较小，或者输出力矩较小，难以满足一些工程应用需要。
技术实现思路
本专利技术的目的是设计一种压电双晶片驱动的精密转动机构。由压电双晶片致动件和摆杆组成微幅摆动机构，离合器的主动件和从动件分别与摆杆和输出轴固结，基于一种新颖的转动蠕动运动原理，在保持高角位移分辨率的同时，实现输出轴的精密转动。压电双晶片由一般由三层构成，上下两层为压电陶瓷层43，中间一层为弹性梁层42，如图11所示。每个压电陶瓷层有特定的极化方向。当所加电场方向与极化方向相同时，压电陶瓷层在电场方向(图11中z方向)将伸长，而在垂直于电场的方向(图11中x方向)将收缩；相反的，当所加电场方向与极化方向相反时，压电陶瓷层在电场方向将收缩，而在垂直于电场的方向将伸长。本专利技术中所使用的压电双晶片中两层陶瓷层极化方向相反，因此，当压电双晶片一端完全固定、另一端自由时，在电场的作用下，一层陶瓷层收缩，而另一层伸长，因而压电双晶片自由端将向上或向下产生弯曲变形，从而输出作用力和位移。本专利技术中所使用的压电双晶片采用悬臂梁式的工作方式一端固定，另一端自由。本专利技术提出的机构的特征在于，含有两组压电双晶片致动件、两组摆杆、两个离合器、一个输出轴和一个底座；所述输出轴通过滑动轴承支撑在底座上，所述两个离合器分别由从动件和主动件组成，所述从动件与输出轴固结，所述两个离合器主动件分别位于从动件的两侧，并套在输出轴上；所述两组摆杆分别位于所述两个离合器的两侧，每一组摆杆均含有两个拨板和一个套筒，两个拨板分别固定在套筒的两端，所述套筒与输出轴构成转动副，其中的一个拨板与与它靠近的一个离合器主动件固定；所述两组压电双晶片致动件分别位于所述两个离合器的两侧，每一组压电双晶片致动件由压电双晶片和销轴固结构成，压电双晶片的一端与销轴固结，另一端固定在底座上，所述销轴与拨板上的槽配合构成平面高副，所述压电双晶片致动件和摆杆组成微幅摆动机构。本专利技术所提出的精密转动装置，其特征在于，它含有一个输出轴、四个压电双晶片致动件、两个摆杆、两个离合器、两个滑动轴承和底座；所述的输出轴由两个滑动轴承支撑在底座上；所述的两个离合器由两个主动件和一个从动件组成，所述主动件在通电状态下与从动件吸合，在断电状态下与从动件分离；所述从动件与输出轴固结，两个主动件分别位于从动件的两侧；所述两个摆杆分别连接在两个主动件的两侧，每一个摆杆由两个拨板和一个套筒组成，两个拨板固结在套筒的两端，套筒空套在输出轴上，与输出轴构成转动副；所述靠近主动件的一个拨板与该主动件固结；在拨板远离输出轴的一端开有槽；所述四个压电双晶片致动件分为两组分别位于所述离合器主动件的两侧，每一组含有两个压电双晶片致动件，该两个压电双晶片致动件相对输出轴的轴线对称分布；每个压电双晶片致动件由压电双晶本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种压电双晶片驱动的精密转动机构，其特征在于，含有两组压电双晶片致动件、两组摆杆、两个离合器、一个输出轴和一个底座；所述输出轴通过滑动轴承支撑在底座上，所述两个离合器分别由从动件和主动件组成，所述从动件与输出轴固结，所述两个离合器主动件分别位于从动件的两侧，并套在输出轴上；所述两组摆杆分别位于所述两个离合器的两侧，每一组摆杆均含有两个拨板和一个套筒，两个拨板分别固定在套筒的两端，所述套筒与输出轴构成转动副，其中的一个拨板与与它靠近的一个离合器主动件固定；所述两组压电双晶片致动件分别位于所述两个离合器的两侧，每一组压电双晶片致动件由压电双晶片和销轴固结构成，压电双晶片的一端与销轴固结，另一端固定在底座上，所述销轴与拨板上的槽配合构成平面高副，所述压电双晶片致动件和摆杆组成微幅摆动机构。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：阎绍泽，张付兴，温诗铸，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]