專利名稱：尺蠖式多自由度壓電驅(qū)動裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及機電一體化領(lǐng)域，特別涉及一種集直線與旋轉(zhuǎn)輸出并舉的高精度的尺蠖式多自由度壓電驅(qū)動裝置?？蓱?yīng)用于超精密加工、精密工程、微機電系統(tǒng)(MEMS)、微小機器人、半導(dǎo)體制造、生物醫(yī)學(xué)、航空航天等高尖端的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人類對微觀領(lǐng)域的研究越來越深。尤其在超精密加工、微機電系統(tǒng)(MEMS)、微小機器人等領(lǐng)域，對精密定位、微小位移的要求越來越高。傳統(tǒng)的驅(qū)動裝置，如普通電機、絲杠螺母、渦輪蝸桿等宏觀大尺寸驅(qū)動裝置已不能滿足其精度要求。相比于傳統(tǒng)驅(qū)動裝置，壓電驅(qū)動裝置因為體積小、位移分辨率高、響應(yīng)快(微秒級)、控制特性好、能耗低、無噪聲、不受磁場影響等優(yōu)點，正在被越來越多地應(yīng)用到精密工程、微機電系統(tǒng)(MEMS)、微小機器人等領(lǐng)域。目前一般的驅(qū)動裝置往往存在結(jié)構(gòu)尺寸偏大、步進精度低、往返重復(fù)定位精度低、行程小等不足，這大大限制了在精密工程等領(lǐng)域的應(yīng)用。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的在于提供一種尺蠖式多自由度壓電驅(qū)動裝置，解決了目前驅(qū)動器結(jié)構(gòu)尺寸大、載荷輸出不穩(wěn)定、輸出行程小和精度低等問題。本實用新型分別采用旋轉(zhuǎn)驅(qū)動單元和轉(zhuǎn)子單元來實現(xiàn)轉(zhuǎn)子繞其軸線的旋轉(zhuǎn)運動和沿該軸線的直線運動，能實現(xiàn)直線與旋轉(zhuǎn)運動并舉等功能。本實用新型采用上下兩層六組壓電疊堆分別作用六組柔性鉸鏈的自定心鉗位機構(gòu)，對中性好，定位精度高。另三組壓電疊堆與前六組壓電疊堆配合，按相應(yīng)時序交替進行，共同作用下實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)步進運動。直線步進運動由一組壓電疊堆驅(qū)動，配合定子上下兩層的六組壓電鉗位機構(gòu)的時序交替鉗位作用，使轉(zhuǎn)子實現(xiàn)沿軸線方向的直線步進運動。本實用新型的上述目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):尺蠖式多自由度壓電驅(qū)動裝置，包括轉(zhuǎn)子單元、上層鉗固單元、下層鉗固單元和旋轉(zhuǎn)壓電驅(qū)動單元，所述的轉(zhuǎn)子單元中的轉(zhuǎn)子I與定子2中部軸孔實現(xiàn)過渡配合，定子上層基板與定子下層基板通過薄壁柔性鉸鏈相連，旋轉(zhuǎn)壓電驅(qū)動單元中的驅(qū)動縮進1、II >111 6、15、18與定子下層基板外圍凹槽實現(xiàn)過盈配合連接。所述的轉(zhuǎn)子單元包括轉(zhuǎn)子I和B型壓電疊堆IV 33，所述轉(zhuǎn)子I為一沿軸向開有柔性鉸鏈的轉(zhuǎn)軸，所述B型壓電疊堆IV 33過盈嵌在轉(zhuǎn)子I槽內(nèi)，在給B型壓電疊堆IV 33提供一定驅(qū)動電壓后，由于逆壓電效應(yīng)B型壓電疊堆IV 33伸長，在柔性鉸鏈作用下，轉(zhuǎn)子I能夠輸出精密位移。所述的上層鉗固單元包括三組對稱分布于定子上層基板的A型壓電疊堆1、11、III8、11、21、A型楔形塊1、II JII 4、13、19、B型楔形塊1、I1、111 5、12、22和柔性鉸鏈的定子上層基板，所述的A型壓電疊堆1、I1、1118、11、21 —端緊貼柔性鉸鏈，另一端緊貼B型楔形塊1、I1、III 5、12、22表面，分別通過調(diào)節(jié)預(yù)緊螺釘1、I1、111 3、9、10來調(diào)節(jié)A型楔形塊
1、I1、111 4、13、19與B型楔形塊1、I1、111 5、12、22的壓緊程度，從而預(yù)緊A型壓電疊堆1、Π、ΙΙΙ4、13、19，三組柔性鉸鏈組成了定子上層的三爪式自定心壓電鉗位結(jié)構(gòu)；定子上層基板上的預(yù)緊螺釘軸線對側(cè)開設(shè)調(diào)節(jié)螺孔，可通過安裝調(diào)節(jié)螺釘來拆卸楔形塊組。所述的下層鉗固單元包括A型壓電疊堆IV、V、VI 25、27、30、A型楔形塊IV、V、VI 24、29、32、B型楔形塊IV、V、VI 26、28、31及預(yù)緊螺釘IV、V、VI 16、17、23，所述的下層鉗固單元與上層鉗固單元結(jié)構(gòu)相同，上層鉗固單元中的A型壓電疊堆1、II JII 8、11、21和下層鉗固單元中的A型壓電疊堆IV、V、VI 25、27、30的通電時序邏輯交替，能實現(xiàn)轉(zhuǎn)子與定子上層基板和定子下層基板交替鉗固和松開，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的持續(xù)步進運動。所述的旋轉(zhuǎn)壓電驅(qū)動單元包括B型壓電疊堆1、I1、III7、14、20和驅(qū)動縮進1、11、
III6、15、18，驅(qū)動縮進1、I1、111 6、15、18下端與定子下層基板凹槽實現(xiàn)過盈配合連接，B型壓電疊堆1、ΙΙ、ΠΙ7、14、20 —端分別頂在驅(qū)動縮進1、I1、111 6、15、18的上層側(cè)面上，另一端頂在定子上層基板的凹槽側(cè)面上。在給B型壓電疊堆1、ΙΙ、ΠΙ7、14、20提供一定驅(qū)動電壓后，由于逆壓電效應(yīng)B型壓電疊堆1、ΙΙ、ΠΙ7、14、20同時伸長，在薄壁柔性鉸鏈作用下，與定子上層基板鉗固的轉(zhuǎn)子I相對定子下層基板做精密步進旋轉(zhuǎn)運動。所述的B型壓電疊堆1、ΙΙ、ΠΙ7、14、20配合定子上下兩層的六組A型壓電疊堆I VI8、11、21、25、27、30的通電時序邏輯實現(xiàn)定子上層基板和定子下層基板的交替鉗位作用，使轉(zhuǎn)子I實現(xiàn)持續(xù)步進旋轉(zhuǎn)運動。所述的B型壓電疊堆IV 33配合定子上下兩層的六組A型壓電疊堆I VI 8、11、21、25、27、30的通電時序邏輯實現(xiàn)定子上層基板和定子下層基板的交替鉗位作用，使轉(zhuǎn)子I實現(xiàn)沿軸線方向的持續(xù)直線步進運動。本實用新型的有益效果在于:可同時輸出直線位移與旋轉(zhuǎn)角度，提高驅(qū)動器運動精度，功能集成化、體積小、結(jié)構(gòu)簡單，并大大降低了成本，可應(yīng)用于超精密加工、微機電系統(tǒng)(MEMS)以及微小機器人等領(lǐng)域。該驅(qū)動裝置具有鉗位穩(wěn)定、載荷輸出大等優(yōu)點，并能實現(xiàn)大行程運動、直線和旋轉(zhuǎn)運動輸出并舉等功能。本實用新型對于我國精密超精密加工等領(lǐng)域的發(fā)展有著極其重要意義，其在超精密加工、微機電系統(tǒng)(MEMS)以及微小機器人領(lǐng)域等眾多領(lǐng)域必定有廣闊的應(yīng)用前景。

此處所說明的附圖用來提供對本實用新型的進一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，本實用新型的示意性實例及其說明用于解釋本實用新型，并不構(gòu)成對本實用新型的不當(dāng)限定。圖1為本實用新型的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實用新型的仰視示意圖；圖3為本實用新型的轉(zhuǎn)子單元的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中:1.轉(zhuǎn)子，2.定子，3.預(yù)緊螺釘I，4.A型楔形塊I，5.B型楔形塊I，6.驅(qū)動縮進I，7.B型壓電疊堆I，8.A型壓電疊堆I，9.預(yù)緊螺釘II，10.預(yù)緊螺釘III，11.A型壓電疊堆II，12.B型楔形塊II，13.A型楔形塊II，14.B型壓電疊堆II，15.驅(qū)動縮進II，16.預(yù)緊螺釘IV，17.預(yù)緊螺釘V，18.驅(qū)動縮進III，19.A型楔形塊III，20.B型楔形塊III，21.A型壓電疊堆III，22.B型楔形塊III，23.預(yù)緊螺釘VI，24.A型楔形塊IV，25.A型壓電疊堆IV，26.B型楔形塊IV，27.A型壓電疊堆V，28.B型楔形塊V，29.A型楔形塊V，30.A型壓電疊堆VI，31.B型楔形塊VI，32.A型楔形塊VI，33.B型壓電疊堆IV。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖進一步說明本實用新型的詳細內(nèi)容及其具體實施方式
。參見圖1，本實用新型的尺蠖式多自由度壓電驅(qū)動裝置，定子上下兩層各采用三組壓電疊堆來推動對應(yīng)三組柔性鉸鏈，從而組成了定子上下兩層的三爪式自定心壓電鉗位機構(gòu)，該機構(gòu)具有自定心、對中性好、鉗位精確等優(yōu)點。定子上層的A型壓電疊堆1、11、1118、
11、21和定子下層的A型壓電疊堆IV、V、VI25、27、30的通電時序邏輯交替變化，能實現(xiàn)轉(zhuǎn)子與定子上層基板和定子下層基板交替鉗固和松開，再配合B型壓電疊堆1、II JII 7、14、20的動作，能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)子的持續(xù)步進旋轉(zhuǎn)運動。定子上層的A型壓電疊堆1、11、1118、11、
21、定子下層的A型壓電疊堆IV、V、VI 25、27、30、再配合B型壓電疊堆IV的嚴(yán)格時序交替通斷電，能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)子的持續(xù)步進直線運動。該壓電驅(qū)動裝置還具有結(jié)構(gòu)尺寸小、輸出載荷穩(wěn)定、輸出行程大和精度高等優(yōu)點。參閱附圖1、2所示，上層鉗固單元中的A型壓電疊堆1、I1、III8、11、21 —端緊貼柔性鉸鏈，另一端緊貼B型楔形塊1、I1、111 5,12,22表面，分別通過調(diào)節(jié)預(yù)緊螺釘1、I1、III 3、9、10來調(diào)節(jié)A型楔形塊1、I1、111 4、13、19與B型楔形塊I ,IIJII 5,12,22的壓緊程
度，從而能預(yù)緊該A型壓電疊堆1、I1、III 8、11、21，三組柔性鉸鏈組成了定子上層的三爪式自定心壓電鉗位機構(gòu)，該型鉗位結(jié)構(gòu)具有自定心、對中性好、鉗位穩(wěn)定等優(yōu)點。下層鉗固單元的結(jié)構(gòu)及其連接方式與上層鉗固單元完全相同，定子下層基板與定子上層基板通過薄壁柔性鉸鏈相連。驅(qū)動縮進1、11、1116、15、18下端與定子下層基板凹槽實現(xiàn)過盈配合連接，B型壓電疊堆1、ΙΙ、ΠΙ7、14、20 —端分別頂在驅(qū)動縮進1、I1、111 6、15、18的上層側(cè)面上，另一端頂在定子上層基板的凹槽側(cè)面上。在給B型壓電疊堆1、ΙΙ、ΠΙ7、14、20提供一定驅(qū)動電壓后，由于逆壓電效應(yīng)B型壓電疊堆1、IIJII 7、14、20同時伸長，在薄壁柔性鉸鏈作用下，與定子上層基板鉗固的轉(zhuǎn)子I相對定子下層基板做精密步進旋轉(zhuǎn)運動。參閱附圖3所示，轉(zhuǎn)子I為一沿軸向開有柔性鉸鏈的轉(zhuǎn)軸，B型壓電疊堆IV 33過盈嵌在轉(zhuǎn)子I槽內(nèi)，在給B型壓電疊堆IV 33提供一定驅(qū)動電壓后，由于逆壓電效應(yīng)B型壓電疊堆IV 33伸長，在柔性鉸鏈作用下，轉(zhuǎn)子I能夠輸出精密位移。參見附圖1至3所示，本實用新型的具體工作過程如下:轉(zhuǎn)子步進式旋轉(zhuǎn)運動的實現(xiàn)，初始狀態(tài)時，A型壓電疊堆I V1、B型壓電疊堆I 1118、11、21、25、27、30、7、14、20均不帶電，系統(tǒng)處于自由狀態(tài)，此時轉(zhuǎn)子I亦處于游動狀態(tài)。給定子上層中的A型壓電疊堆1、II JII 8、11、21提供一定驅(qū)動電壓，壓電疊堆在逆壓電效應(yīng)的作用下伸長，分別推動上層的三組柔性鉸鏈產(chǎn)生位移，進而鉗住轉(zhuǎn)子，形成了轉(zhuǎn)子與定子上層基板緊固。驅(qū)動縮進1、ΙΙ、ΠΙ6、15、18的下端與定子下層基板凹槽實現(xiàn)過盈配合連接，同時B型壓電疊堆1、ΙΙ、ΠΙ7、14、20 —端分別頂在驅(qū)動縮進1、I1、111 6、15、18的上層側(cè)面上，另一端頂在定子上層基板的凹槽側(cè)面上。然后給B型壓電疊堆1、11、1117、14,20提供一定驅(qū)動電壓后，壓電疊堆在逆壓電效應(yīng)的作用下伸長，進而推動與定子上層鉗固的轉(zhuǎn)子相對于定子下層做精密步進旋轉(zhuǎn)運動，轉(zhuǎn)角數(shù)量級為IO2 μ rad;然后再給嵌在定子下層的A型壓電疊堆IV、V、VI25、27、30提供一定驅(qū)動電壓，壓電疊堆在逆壓電效應(yīng)的作用下伸長，而與此同時定子上層的A型壓電疊堆1、I1、III8、11、21失電，壓電疊堆恢復(fù)到原來長度，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)子同定子上層基板松開而同步與定子下層基板鉗固。在定子上下層基板之間的薄壁柔性鉸鏈作用下，定子下層基板轉(zhuǎn)動相同角度從而相對于定子上層基板回到初始狀態(tài)。這樣就完成了轉(zhuǎn)子精密旋轉(zhuǎn)運動的步進第一步，重復(fù)以上過程可使轉(zhuǎn)子實現(xiàn)持續(xù)步進式的旋轉(zhuǎn)運動，且其理論轉(zhuǎn)角為無限大。轉(zhuǎn)子步進式直線運動的實現(xiàn)，初始狀態(tài)時，A型壓電疊堆I V1、B型壓電疊堆
IV8、11、21、25、27、30、33均不帶電，系統(tǒng)處于自由狀態(tài)，此時轉(zhuǎn)子I亦處于游動狀態(tài)。給定子上層基板中的A型壓電疊堆1、ΙΙ、ΠΙ8、11、21提供一定驅(qū)動電壓，壓電疊堆在逆壓電效應(yīng)的作用下伸長，分別推動定子上層的三個鉗位柔性鉸鏈產(chǎn)生位移，進而鉗住轉(zhuǎn)子，形成了轉(zhuǎn)子與定子上層基板緊固。然后給轉(zhuǎn)子內(nèi)嵌的B型壓電疊堆IV 33提供一定驅(qū)動電壓，壓電疊堆在逆壓電效應(yīng)的作用下伸長，在轉(zhuǎn)子軸向柔性鉸鏈的作用下，進而帶動轉(zhuǎn)子沿軸向輸出精密位移。然后定子上層中的A型壓電疊堆1、ΙΙ、ΠΙ8、11、21失電，壓電疊堆恢復(fù)到原來長度，與此同時，給定子下層中的A型壓電疊堆IV、V、VI25、27、30提供一定驅(qū)動電壓，壓電疊堆在逆壓電效應(yīng)的作用下伸長，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)子同定子上層基板松開而同步與定子下層基板鉗固。在轉(zhuǎn)子軸向柔性鉸鏈的作用下，轉(zhuǎn)子上端產(chǎn)生相同位移相對于轉(zhuǎn)子下端回復(fù)到初始狀態(tài)。這樣就完成了轉(zhuǎn)子精密直線步進第一步，重復(fù)以上過程可使轉(zhuǎn)子實現(xiàn)持續(xù)步進式直線運動，且其理論位移也為無限大。整個尺蠖式多自由度壓電驅(qū)動裝置的運動有嚴(yán)格時序邏輯，改變時序可改變驅(qū)動器的運動方向。轉(zhuǎn)子上開有螺紋孔，可將外輸出部件連接在轉(zhuǎn)子上用于動力和載荷的輸出。轉(zhuǎn)子單步的直線位移和旋轉(zhuǎn)角度精度極高，并采用了壓電疊堆驅(qū)動，該驅(qū)動器還具有發(fā)熱小，輸出載荷穩(wěn)定、輸出載荷大等優(yōu)點。以上所述僅為本實用新型的優(yōu)選實例而已，并不用于限制本實用新型，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本實用新型可以有各種更改和變化。凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種尺蠖式多自由度壓電驅(qū)動裝置，其特征在于:包括轉(zhuǎn)子單元、上層鉗固單元、下層鉗固單元和旋轉(zhuǎn)壓電驅(qū)動單元，所述的轉(zhuǎn)子單元中的轉(zhuǎn)子(I)與定子(2)中部軸孔實現(xiàn)過渡配合，定子上層基板與定子下層基板通過薄壁柔性鉸鏈相連，旋轉(zhuǎn)壓電驅(qū)動單元中的驅(qū)動縮進1、I1、III (6、15、18 )與定子下層基板外圍凹槽實現(xiàn)過盈配合連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的尺蠖式多自由度壓電驅(qū)動裝置，其特征在于:所述的轉(zhuǎn)子單元包括轉(zhuǎn)子(I)和B型壓電疊堆IV (33 )，所述轉(zhuǎn)子(I)為一沿軸向開有柔性鉸鏈的轉(zhuǎn)軸，所述B型壓電疊堆IV (33)過盈嵌在轉(zhuǎn)子(I)槽內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的尺蠖式多自由度壓電驅(qū)動裝置，其特征在于:所述的上層鉗固單元包括三組對稱分布于定子上層基板的A型壓電疊堆1、I1、III(8、11、21)、A型楔形塊1、11、111(4、13、19)、B型楔形塊1、I1、111(5、12、22)和柔性鉸鏈的定子上層基板，所述的A型壓電疊堆1、ΙΙ、ΠΙ(8、11、21)—端緊貼柔性鉸鏈，另一端緊貼B型楔形塊1、11、111(5、12、22)表面，分別通過調(diào)節(jié)預(yù)緊螺釘1、ΙΙ、ΠΙ(3、9、10)來調(diào)節(jié)A型楔形塊1、11、111(4、13、19)與B型楔形塊1、ΙΙ、ΠΙ(5、12、22)的壓緊程度，從而預(yù)緊A型壓電疊堆1、11、111(4、13、19)，三組柔性鉸鏈組成了定子上層的三爪式自定心壓電鉗位結(jié)構(gòu)；定子上層基板上的預(yù)緊螺釘軸線對側(cè)開設(shè)調(diào)節(jié)螺孔，可通過安裝調(diào)節(jié)螺釘來拆卸楔形塊組。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的尺蠖式多自由度壓電驅(qū)動裝置，其特征在于:所述的下層鉗固單元與上層鉗固單元結(jié)構(gòu)相同，上層鉗固單元中的A型壓電疊堆1、ΙΙ、ΠΙ(8、11、21)和下層鉗固單元中的A型壓電疊堆IV、V、VI (25、27、30)的通電時序邏輯交替，能實現(xiàn)轉(zhuǎn)子與定子上層基板和定子下層基板交替鉗固和松開，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的持續(xù)步進運動。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的尺蠖式多自由度壓電驅(qū)動裝置，其特征在于:所述的旋轉(zhuǎn)壓電驅(qū)動單元包括B型壓電疊堆1、I1、III(7、14、20)和驅(qū)動縮進1、I1、111(6、15、18)，驅(qū)動縮進1、ΙΙ、ΠΙ(6、15、18)下端與定子下層基板凹槽實現(xiàn)過盈配合連接，B型壓電疊堆1、11、111(7、14、20) —端分別頂在驅(qū)動縮進1、ΙΙ、ΠΙ(6、15、18)的上層側(cè)面上，另一端頂在定子上層基板的凹槽側(cè)面上。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的尺蠖式多自由度壓電驅(qū)動裝置，其特征在于:所述的B型壓電疊堆1、ΙΙ、ΠΙ(7、14、20)配合定子上下兩層的六組A型壓電疊堆I VI (8、11、21、25、27,30)的通電時序邏輯實現(xiàn)定子上層基板和定子下層基板的交替鉗位作用，使轉(zhuǎn)子(I)實現(xiàn)持續(xù)步進旋轉(zhuǎn)運動。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的尺蠖式多自由度壓電驅(qū)動裝置，其特征在于:所述的B型壓電疊堆IV (33)配合定子上下兩層的六組A型壓電疊堆I VI(8、11、21、25、27、30)的通電時序邏輯實現(xiàn)定子上層基板和定子下層基板的交替鉗位作用，使轉(zhuǎn)子(I)實現(xiàn)沿軸線方向的持續(xù)直線步進運動。
專利摘要本實用新型涉及一種尺蠖式多自由度壓電驅(qū)動裝置，屬于精密加工領(lǐng)域。其轉(zhuǎn)子單元包括沿轉(zhuǎn)子和內(nèi)嵌轉(zhuǎn)子的B型壓電疊堆，可實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的步進直線運動；上層鉗固單元由A型壓電疊堆、A型楔形塊、B型楔形塊和開有三爪式自定心柔性鉸鏈的定子上層基板組成，壓電疊堆在通電狀態(tài)下可使轉(zhuǎn)子與定子上層基板鉗固；下層鉗固單元由A型壓電疊堆、A型楔形塊、B型楔形塊和開有三爪式自定心柔性鉸鏈的定子下層基板組成，壓電疊堆在通電狀態(tài)下可使轉(zhuǎn)子與定子下層基板緊固；旋轉(zhuǎn)壓電驅(qū)動單元由B型壓電疊堆和固定B型疊堆的驅(qū)動縮進組成，可實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的步進旋轉(zhuǎn)運動。定子上、下層基板通過薄壁柔性鉸鏈相連接。具有精度高、對中性好、輸出載荷大、行程大、成本低等優(yōu)點。
文檔編號H02N2/00GK202957767SQ20122062034
公開日2013年5月29日 申請日期2012年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月22日
發(fā)明者趙宏偉, 李建平, 張鵬, 任露泉, 周曉勤, 曲涵, 傅璐, 馬志超, 黃虎 申請人:吉林大學(xué)