微型尺蠖式壓電驅(qū)動旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種微型尺蠖式壓電驅(qū)動旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機構(gòu)，包括U型基座、軸承座、軸承支架、軸承套圈、壓電陶瓷片、旋轉(zhuǎn)軸、旋轉(zhuǎn)套筒和端蓋，軸承套圈分割為兩半圈，通過一對軸承支架與軸承座聯(lián)結(jié)；四個壓電陶瓷片一端固定于軸承座上，另一端與軸承套圈聯(lián)結(jié)，在電壓驅(qū)動下伸縮變形，驅(qū)動軸承套圈實現(xiàn)夾緊、松開、旋轉(zhuǎn)等微小運動；U型基座兩邊對稱各安裝一副軸承驅(qū)動模塊，旋轉(zhuǎn)軸支承于兩個軸承套圈上，通過控制兩個軸承驅(qū)動模塊的夾緊、松開和旋轉(zhuǎn)時序，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)軸步進運動。本發(fā)明結(jié)構(gòu)改進巧妙，采用對稱結(jié)構(gòu)布局，且采用雙箝位雙旋轉(zhuǎn)控制方式，夾持力保持穩(wěn)定，提高了運行效率和穩(wěn)定性，優(yōu)化壓電陶瓷片布局，降低驅(qū)動電路的復(fù)雜性同時方便控制。
【專利說明】微型尺蠖式壓電驅(qū)動旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機構(gòu)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及驅(qū)動器領(lǐng)域，主要是一種微型尺蠖式壓電驅(qū)動旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著物理化學(xué)、信息電子、生物醫(yī)療、環(huán)境能源、材料制造、航空航天等學(xué)科的迅猛發(fā)展，涉及微米、納米尺度下精密測量、精密操作和精密加工的場合越來越多，人們對微納米級精密定位和微納米級精密驅(qū)動技術(shù)有著迫切的需求。作為精密定位驅(qū)動系統(tǒng)中的主要功能部件，驅(qū)動器的原理結(jié)構(gòu)、制造裝配和驅(qū)動控制對整個系統(tǒng)的性能有著決定性的影響。因此，新型驅(qū)動器的開發(fā)研制成為微納米級精密定位驅(qū)動技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一 O
[0003]傳統(tǒng)的精密驅(qū)動器一般采用基于電磁原理的步進電機，它在大尺寸、普通精度要求下具有較大的優(yōu)勢，但進入微米、納米級的定位精度以及毫米、亞毫米級的結(jié)構(gòu)尺寸要求時失去了優(yōu)勢，設(shè)計制造存在很大的難度，且發(fā)熱嚴重、效率低下，已無法滿足現(xiàn)代高新技術(shù)的發(fā)展需求。伴隨著壓電驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展，以壓電陶瓷為核心功能材料的驅(qū)動器在超精密定位驅(qū)動領(lǐng)域脫穎而出。壓電陶瓷驅(qū)動器具有能量密度大、響應(yīng)速度快、分辨率高、抗電磁干擾、耐低溫真空環(huán)境等優(yōu)勢。壓電馬達利用摩擦傳動將壓電元件微振動轉(zhuǎn)換為輸出軸單向連續(xù)運動，克服了壓電元件自身行程小的缺陷，同時具有結(jié)構(gòu)簡單、易于微型化、低速大力矩、能自鎖等特點?；趹T性沖擊、尺蠖等原理的壓電步進馬達，具有精密微步距調(diào)整的能力，有效緩解了大行程和高精度之間的矛盾，在大行程、超精密定位驅(qū)動系統(tǒng)中表現(xiàn)出良好的發(fā)展前景。
[0004]作為一種典型的精密定位驅(qū)動系統(tǒng)，微型精密操作手在諸如細胞注射、微粒搬運、微觀檢測等前沿科學(xué)研究、先進工業(yè)生產(chǎn)中的眾多場合都有應(yīng)用價值，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)作為微型精密操作手的基本功能元件，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機構(gòu)的微型化和新型壓電驅(qū)動旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機構(gòu)的發(fā)明具有重要的意義。
[0005]
【發(fā)明內(nèi)容】
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種微型尺蠖式壓電驅(qū)動旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機構(gòu)，其結(jié)構(gòu)改進巧妙，適宜于微型化，關(guān)節(jié)整體機構(gòu)采用對稱結(jié)構(gòu)布局，且采用雙箝位雙旋轉(zhuǎn)控制方式，夾持力保持穩(wěn)定，提高了運行效率和穩(wěn)定性，優(yōu)化壓電陶瓷片布局，降低驅(qū)動電路的復(fù)雜性同時方便控制。
[0006]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
一種微型尺蠖式壓電驅(qū)動旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機構(gòu)，包括有U形基座，及水平夾持在U形基座上U形口中的旋轉(zhuǎn)套筒，其特征在于:所述旋轉(zhuǎn)套筒的中心軸位置轉(zhuǎn)動安裝有旋轉(zhuǎn)軸，所述U形基座U形兩端分別連接有環(huán)形座，且兩環(huán)形座分別共中心軸對應(yīng)連接在旋轉(zhuǎn)套筒兩端筒口處，每個環(huán)形座中分別安裝有環(huán)形軸承座，軸承座中內(nèi)環(huán)壁沿某一徑向連接有軸承架，軸承架中間位置斷開并連接有由兩半圈構(gòu)成的整環(huán)形軸承套圈，所述軸承套圈與軸承座共圓心，軸承套圈每個半圈所連接的軸承架兩側(cè)分別對稱設(shè)置有壓電陶瓷片，每個壓電陶瓷片分別平行于軸承架，且壓電陶瓷片一端分別連接在軸承座內(nèi)壁、另一端分別連接在對應(yīng)的軸承架所連接的軸承套圈半圈對應(yīng)側(cè)圈端，每個壓電陶瓷片朝向軸承架的內(nèi)側(cè)面以及遠離軸承架的外側(cè)面分別沉積有電極，由軸承座、軸承架、軸承套圈構(gòu)成軸承單元，由軸承單元、壓電陶瓷片構(gòu)成軸承驅(qū)動模塊，所述旋轉(zhuǎn)套筒中旋轉(zhuǎn)軸兩端分別穿過環(huán)形座內(nèi)軸承單元的軸承套圈，且軸承套圈對旋轉(zhuǎn)軸施加一定的預(yù)夾緊力。
[0007]每側(cè)環(huán)形座遠離旋轉(zhuǎn)套筒的一端分別蓋合有端蓋。
[0008]所述壓電陶瓷片為單層結(jié)構(gòu)，或者是多層疊片式結(jié)構(gòu)。
[0009]所述軸承單元整體采用不銹鋼材料制成，其中軸承套圈內(nèi)圈作表面耐磨處理或噴涂耐磨材料。
[0010]所述壓電陶瓷片兩端分別采用環(huán)氧樹脂膠或AB膠與軸承座、軸承套圈粘結(jié)連接。
[0011]所述軸承座采用環(huán)氧樹脂膠或者AB膠粘結(jié)在環(huán)形座中，或者采用螺合方式螺入環(huán)形座中。
[0012]所述端蓋通過環(huán)氧樹脂膠或AB膠粘結(jié)在環(huán)形座一端，或者采用螺合方式螺合在環(huán)形座一端，或者采用卡環(huán)方式卡接于環(huán)形座一端。
[0013]本發(fā)明中，壓電陶瓷片在電壓驅(qū)動下伸縮變形，驅(qū)動軸承套圈實現(xiàn)夾緊、松開、旋轉(zhuǎn)等微小運動，通過控制壓電陶瓷片的夾緊、松開和旋轉(zhuǎn)時序，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)軸步進運動。
[0014]本發(fā)明中，軸承座、軸承支架、軸承套圈構(gòu)成軸承單元,采用整體加工成型；軸承單元和壓電陶瓷片構(gòu)成軸承驅(qū)動模塊，壓電陶瓷片與軸承座、軸承套圈連接并對稱分布于軸承單元內(nèi)部；軸承驅(qū)動模塊通過軸承座與環(huán)形座連接；軸承套圈和旋轉(zhuǎn)軸在未施加電壓情況下保持一定的預(yù)夾緊力；旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動安裝于旋轉(zhuǎn)套筒內(nèi)，并用于安裝后續(xù)操作部件；端蓋用于保護基座中的軸承驅(qū)動模塊。
[0015]本發(fā)明中，軸承驅(qū)動模塊在電壓驅(qū)動下，壓電陶瓷片同時伸長實現(xiàn)軸承套圈夾緊旋轉(zhuǎn)軸的運動；四個壓電陶瓷片同時縮短實現(xiàn)軸承套圈松開旋轉(zhuǎn)軸的運動；壓電陶瓷片交錯伸長和縮短實現(xiàn)軸承套圈旋轉(zhuǎn)位移，帶動旋轉(zhuǎn)軸正向或反向微小旋轉(zhuǎn)運動。
[0016]本發(fā)明的優(yōu)點是:
本發(fā)明將尺蠖式壓電步進馬達技術(shù)應(yīng)用于微型精密操作手關(guān)節(jié)驅(qū)動機構(gòu)，箝位和旋轉(zhuǎn)功能部件集成在一個軸承驅(qū)動模塊內(nèi)，結(jié)構(gòu)簡單，適宜于微型化，關(guān)節(jié)整體機構(gòu)采用對稱結(jié)構(gòu)布局，采用雙箝位雙旋轉(zhuǎn)控制方式，夾持力保持穩(wěn)定，提高運行效率和穩(wěn)定性，優(yōu)化壓電陶瓷片布局，降低驅(qū)動電路的復(fù)雜性同時方便控制。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明微型尺蠖式壓電驅(qū)動旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機構(gòu)的軸測圖。
[0018]圖2為本發(fā)明微型尺蠖式壓電驅(qū)動旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機構(gòu)的主剖視圖。
[0019]圖3為本發(fā)明微型尺蠖式壓電驅(qū)動旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機構(gòu)中軸承驅(qū)動模塊的主剖視圖。
[0020]圖4為本發(fā)明微型尺蠖式壓電驅(qū)動旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機構(gòu)的第一種驅(qū)動方案的電極布局圖。
[0021]圖5為本發(fā)明微型尺蠖式壓電驅(qū)動旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機構(gòu)的第一種驅(qū)動方案的極化方向圖。
[0022]圖6為本發(fā)明微型尺蠖式壓電驅(qū)動旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機構(gòu)的第一種驅(qū)動方案的驅(qū)動方式示意圖。[0023]圖7為本發(fā)明微型尺蠖式壓電驅(qū)動旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機構(gòu)的第二種驅(qū)動方案的電極布局圖。
[0024]圖8為本發(fā)明微型尺蠖式壓電驅(qū)動旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機構(gòu)的第二種驅(qū)動方案的極化方向圖。
[0025]圖9為本發(fā)明微型尺蠖式壓電驅(qū)動旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機構(gòu)的第二種驅(qū)動方案的驅(qū)動方式示意圖。
[0026]圖10為本發(fā)明微型尺蠖式壓電驅(qū)動旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機構(gòu)用于箝位和旋轉(zhuǎn)控制的信號波形圖。
【具體實施方式】
[0027]參見圖1、2、3、4，一種微型尺蠖式壓電驅(qū)動旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機構(gòu)，包括有U形基座5，及水平夾持在U形基座5上U形口中的旋轉(zhuǎn)套筒7，旋轉(zhuǎn)套筒7上中心軸位置轉(zhuǎn)動安裝有旋轉(zhuǎn)軸6，U形基座5上U形兩端分別連接有環(huán)形座10，且兩環(huán)形座10分別共中心軸對應(yīng)連接在旋轉(zhuǎn)套筒7兩端筒口處，每個環(huán)形座中分別安裝有環(huán)形軸承座1，軸承座I中內(nèi)環(huán)壁沿某一徑向連接有軸承架2，軸承架2中間位置斷開并連接有由兩半圈構(gòu)成的整環(huán)形軸承套圈3，軸承套圈3與軸承座I共圓心，軸承套圈3每個半圈所連接的軸承架2兩側(cè)分別對稱設(shè)置有壓電陶瓷片4，每個壓電陶瓷片4分別平行于軸承架2，且壓電陶瓷片4 一端分別連接在軸承座I內(nèi)壁、另一端分別連接在對應(yīng)的軸承架2所連接的軸承套圈3半圈對應(yīng)側(cè)圈端，每個壓電陶瓷片4朝向軸承架2的內(nèi)側(cè)面以及遠離軸承架2的外側(cè)面分別沉積有電極，由軸承座1、軸承架2、軸承套圈3構(gòu)成軸承單元9，由軸承單元9、壓電陶瓷片4構(gòu)成軸承驅(qū)動模塊，旋轉(zhuǎn)套筒7中旋轉(zhuǎn)軸6兩端分別穿過環(huán)形座10內(nèi)軸承單元9的軸承套圈3，且軸承套圈3對旋轉(zhuǎn)軸6施加一定的預(yù)夾緊力。
[0028]每側(cè)環(huán)形座10遠離旋轉(zhuǎn)套筒7的一端分別蓋合有端蓋8。
[0029]壓電陶瓷片4為單層結(jié)構(gòu)，或者是多層疊片式結(jié)構(gòu)。
[0030]軸承單元9整體采用不銹鋼材料制成，其中軸承套圈3內(nèi)圈作表面耐磨處理或噴涂耐磨材料。
[0031]壓電陶瓷片4兩端分別采用環(huán)氧樹脂膠或AB膠與軸承座1、軸承套圈3粘結(jié)連接。
[0032]軸承座I采用環(huán)氧樹脂膠或者AB膠粘結(jié)在環(huán)形座10中，或者采用螺合方式螺入環(huán)形座10中。
[0033]端蓋8通過環(huán)氧樹脂膠或AB膠粘結(jié)在環(huán)形座10 —端，或者采用螺合方式螺合在環(huán)形座20 —端，或者采用卡環(huán)方式卡接于環(huán)形座10 —端。
[0034]本發(fā)明根據(jù)微型操作手的結(jié)構(gòu)特點，將尺蠖式壓電步進馬達技術(shù)應(yīng)用于微型精密操作手，提出一種新型微型化壓電驅(qū)動旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機構(gòu)。
[0035]本發(fā)明壓中壓電陶瓷片4在一定的電壓驅(qū)動下能實現(xiàn)長度方向的伸縮變形，驅(qū)動軸承套圈3帶動旋轉(zhuǎn)軸6實現(xiàn)夾緊、松開、旋轉(zhuǎn)等微小運動。單個軸承驅(qū)動模塊同時具有箝位和旋轉(zhuǎn)功能，兩個軸承驅(qū)動模塊11、12分別安裝于兩基座5的兩側(cè)，并以一定預(yù)夾緊力支承旋轉(zhuǎn)軸6，通過控制兩個軸承驅(qū)動模塊11、12的夾緊、松開和旋轉(zhuǎn)的時序，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)軸6步進運動。調(diào)整箝位信號和旋轉(zhuǎn)信號電壓的幅值，則可以調(diào)整夾緊力和步進旋轉(zhuǎn)角；調(diào)整控制信號的頻率，則可以調(diào)整步進運動的頻率。[0036]軸承驅(qū)動模塊包含兩種控制方案，如圖2所示，其一為兩個軸承驅(qū)動模塊11、12同時完成箝位和旋轉(zhuǎn)的功能，交替帶動旋轉(zhuǎn)軸6旋轉(zhuǎn)，則一個工作循環(huán)可實現(xiàn)兩次步進運動，其二為其中一個軸承驅(qū)動模塊負責(zé)箝位和旋轉(zhuǎn)功能，另一個軸承驅(qū)動模塊僅負責(zé)箝位功能，則一個工作循環(huán)僅實現(xiàn)一次步進運動。
[0037]對于第一種控制方案，其具體的實現(xiàn)方式是:
初始狀態(tài)兩個軸承驅(qū)動模塊以一定預(yù)夾緊力支承旋轉(zhuǎn)軸；工作循環(huán)開始，軸承驅(qū)動模塊11夾緊旋轉(zhuǎn)軸，軸承驅(qū)動模塊12松開旋轉(zhuǎn)軸同時產(chǎn)生微小旋轉(zhuǎn)位移；軸承驅(qū)動模塊11保持夾緊狀態(tài)并帶動旋轉(zhuǎn)軸實現(xiàn)微小步進旋轉(zhuǎn)，軸承驅(qū)動模塊12保持松開狀態(tài)并旋轉(zhuǎn)返回初始位置；軸承驅(qū)動模塊11松開旋轉(zhuǎn)軸，軸承驅(qū)動模塊12夾緊旋轉(zhuǎn)軸；軸承驅(qū)動模塊12保持夾緊狀態(tài)并帶動旋轉(zhuǎn)軸實現(xiàn)微小步進旋轉(zhuǎn)，軸承驅(qū)動模塊11保持松開狀態(tài)并旋轉(zhuǎn)返回初始位置；進入下一個工作循環(huán)，軸承驅(qū)動模塊11夾緊旋轉(zhuǎn)軸，同時軸承驅(qū)動模塊12松開旋轉(zhuǎn)軸，依時序交替運行，一個工作循環(huán)實現(xiàn)兩次步進旋轉(zhuǎn)運動。
[0038]對于第二種控制方案，其具體的實現(xiàn)方式是:
初始狀態(tài)兩個軸承驅(qū)動模塊以一定預(yù)夾緊力支承旋轉(zhuǎn)軸；工作循環(huán)開始，軸承驅(qū)動模塊11夾緊旋轉(zhuǎn)軸，軸承驅(qū)動模塊12松開旋轉(zhuǎn)軸；軸承驅(qū)動模塊11保持夾緊狀態(tài)并帶動旋轉(zhuǎn)軸實現(xiàn)微小步進旋轉(zhuǎn)，軸承驅(qū)動模塊12保持松開狀態(tài)；軸承驅(qū)動模塊11松開旋轉(zhuǎn)軸，軸承驅(qū)動模塊12夾緊旋轉(zhuǎn)軸；軸承驅(qū)動模塊11保持松開狀態(tài)并旋轉(zhuǎn)返回初始位置，軸承驅(qū)動模塊12保持夾緊狀態(tài)；進入下一個工作循環(huán)，軸承驅(qū)動模塊11夾緊旋轉(zhuǎn)軸，同時軸承驅(qū)動模塊12松開旋轉(zhuǎn)軸，同樣依時序交替運行，一個工作循環(huán)僅實現(xiàn)一次步進旋轉(zhuǎn)運動。與第一種控制方案相比，失去一半的步進旋轉(zhuǎn)速度，但避免了兩個軸承驅(qū)動模塊由于步進位移差異帶來的問題。
[0039]本發(fā)明軸承驅(qū)動模塊包含四個壓電陶瓷片，如圖3所示，四個壓電陶瓷片4-1，4-2,4-3,4-4同時伸長實現(xiàn)軸承套圈夾緊旋轉(zhuǎn)軸的運動，四個壓電陶瓷片4-1，4-2，4-3，4-4同時縮短實現(xiàn)軸承套圈松開旋轉(zhuǎn)軸的運動，壓電陶瓷片4-1，4-3伸長、壓電陶瓷片4-2，4-4縮短實現(xiàn)軸承套圈正向微小旋轉(zhuǎn)運動，壓電陶瓷片4-1，4-3縮短、壓電陶瓷片4-2，4-4伸長實現(xiàn)軸承套圈反向微小旋轉(zhuǎn)運動。由于軸承驅(qū)動模塊同時具有箝位和旋轉(zhuǎn)功能，采用不同的壓電陶瓷片的電極分割方式、極化方式以及電壓驅(qū)動方式，存在兩種基本的驅(qū)動方案，其一為箝位和旋轉(zhuǎn)功能由整個壓電陶瓷片完成，施加箝位和旋轉(zhuǎn)控制的疊加信號，其二為箝位和旋轉(zhuǎn)功能分別由壓電陶瓷片兩部分完成，分別施加箝位和旋轉(zhuǎn)控制信號。
[0040]對于第一種驅(qū)動方案，其具體的實現(xiàn)方式是:
四個壓電陶瓷片每片的電極為一個整體，如圖4所示，壓電陶瓷片兩面整體鍍有電極13，其極化方式如圖5所示，采用統(tǒng)一的極化方式，其電壓驅(qū)動方式如圖6所示。驅(qū)動過程中，壓電陶瓷片的內(nèi)電極統(tǒng)一接地，由于極化方式一致，四個壓電陶瓷片的箝位控制信號相同，而相鄰壓電陶瓷片的旋轉(zhuǎn)控制信號相反，故需要兩路驅(qū)動電路分別激勵。A為箝位控制信號，B為旋轉(zhuǎn)控制信號，壓電陶瓷片4-1，4-3的驅(qū)動信號為A+B，則壓電陶瓷片4-2，4-4的驅(qū)動信號為A-B。A+B、A-B信號的電壓范圍應(yīng)在壓電陶瓷片的許用范圍內(nèi)，A、B信號的幅值分配可根據(jù)夾緊力和步進旋轉(zhuǎn)角的需求調(diào)整。
[0041]對于第二種驅(qū)動方案，其具體的實現(xiàn)方式是:
四個壓電陶瓷片每片的電極分割為兩個部分，如圖7所示，每個部分分別鍍有電極14，15，一部分電極14用于箝位控制，一部分電極15用于旋轉(zhuǎn)控制，兩部分的比例可根據(jù)夾緊力和步進旋轉(zhuǎn)角的需求調(diào)整，其極化方式如圖8所示，為了使四個陶瓷片的箝位控制共用一路信號，則極化方式一致，為了使四個陶瓷片的旋轉(zhuǎn)控制共用一路信號，則相鄰陶瓷片的極化方式相反，其電壓驅(qū)動方式如圖9所示。驅(qū)動過程中，壓電陶瓷片的內(nèi)電極統(tǒng)一接地，由于箝位部分極化方式一致，四個壓電陶瓷片的箝位控制信號相同，由于旋轉(zhuǎn)部分極化方式交錯方向，四個壓電陶瓷片的旋轉(zhuǎn)控制信號也相同，故僅需要兩路驅(qū)動電路分別控制箝位和旋轉(zhuǎn)運動。A為箝位控制信號，B為旋轉(zhuǎn)控制信號。A、B信號的電壓范圍應(yīng)在壓電陶瓷片的許用范圍內(nèi)，A、B信號的幅值可根據(jù)夾緊力和步進旋轉(zhuǎn)角的需求調(diào)整。
[0042]下面結(jié)合附圖和具體實施例進一步說明本發(fā)明如下:
這里以第一種控制方案和第二種驅(qū)動方案為典型實例，說明本發(fā)明微型尺蠖式壓電驅(qū)動旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機構(gòu)的具體制作過程和驅(qū)動方法。
[0043]軸承座、軸承支架和軸承套圈構(gòu)成軸承單元，每個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機構(gòu)需要兩個軸承單元，如圖3所示。軸承單元直徑為10?25mm，厚度為I?5mm，軸承座為圓環(huán)結(jié)構(gòu)，有凹口結(jié)構(gòu)用于聯(lián)結(jié)壓電陶瓷片，圓環(huán)寬度為I?4_，軸承支架為矩形截面梁結(jié)構(gòu)，用于連接軸承座與軸承套圈，寬度為0.5?2mm，軸承套圈為圓環(huán)結(jié)構(gòu)，兩邊有凸臺結(jié)構(gòu)用于聯(lián)結(jié)壓電陶瓷片，內(nèi)徑為0.5?5_，與旋轉(zhuǎn)軸直徑匹配。軸承單元為整體加工成型結(jié)構(gòu)，可采用線切害I]、精密銑床等方法加工得到，軸承套圈內(nèi)圈可作表面耐磨處理或噴涂耐磨材料，軸承套圈采用線切割分割為兩半圈，間隙為0.1?0.5mm。
[0044]壓電陶瓷片為基本驅(qū)動輸出元件，每個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)需要八個壓電陶瓷片，分別安裝于兩個軸承單元上，構(gòu)成軸承驅(qū)動模塊，如圖3所示。壓電陶瓷片長度為3?10mm，寬度為I?5mm,厚度為0.2?2mm,兩面電極分割為兩部分，電極14用于箝位控制，電極15用于旋轉(zhuǎn)控制，可采用電鍍工藝沉積在陶瓷片的表面，電極材料為銀，如圖7所示，陶瓷表面邊緣預(yù)留絕緣空間用于安裝陶瓷片。安裝前，壓電陶瓷片需進行極化處理，極化在80° C的硅油環(huán)境中進行，極化電場為厚度方向，大小為2000?2500V/mm，持續(xù)25分鐘以上。分兩類極化形式，一類兩部分極化方向相同，一類兩部分極化方向相反，標記電極極化時的正負極。極化后壓電陶瓷片使用丙酮等清洗干凈，對照圖8極化布局形式，安裝于軸承單元上，兩端用環(huán)氧樹脂膠或AB膠分別固定于軸承座的凹口里和軸承套圈的凸臺上。四片壓電陶瓷片的內(nèi)電極統(tǒng)一連接引出線并接地，用于箝位的四個外電極統(tǒng)一連接引出線，用于旋轉(zhuǎn)的四個外電極統(tǒng)一連接引出線。
[0045]U型基座具體尺寸可以根據(jù)需要靈活設(shè)計，采用鋁合金或不銹鋼等材料。兩個軸承驅(qū)動模塊分別安裝于U型基座兩側(cè)，左側(cè)為軸承驅(qū)動模塊11，右側(cè)為軸承驅(qū)動模塊12，如圖2所示，使用環(huán)氧樹脂膠或AB膠將軸承座與U型基座剛性聯(lián)結(jié)。旋轉(zhuǎn)軸采用不銹鋼光軸材料，其長度與U型基座兩端跨度匹配，直徑與軸承套圈匹配，使得軸承套圈和旋轉(zhuǎn)軸在未施加電壓情況下保持一定的預(yù)夾緊力，具有自鎖功能。旋轉(zhuǎn)套筒用于保護軸承驅(qū)動模塊，可設(shè)計安裝其他后續(xù)操作部件，旋轉(zhuǎn)套筒與旋轉(zhuǎn)軸可采用環(huán)氧樹脂膠、AB膠或焊接方式固結(jié)。兩個端蓋通過環(huán)氧樹脂膠、AB膠或卡環(huán)結(jié)構(gòu)安裝在環(huán)形座上，用于保護軸承驅(qū)動模塊
兩個軸承驅(qū)動模塊所加的控制信號如圖10所示，初始狀態(tài)兩個軸承驅(qū)動模塊以一定預(yù)夾緊力支承旋轉(zhuǎn)軸，一個工作循環(huán)包含以下分解過程:
I)工作循環(huán)開始，左箝位施加反向電壓，左側(cè)四個壓電陶瓷片由d31壓電效應(yīng)伸長，左側(cè)軸承驅(qū)動模塊11夾緊旋轉(zhuǎn)軸；右箝位施加正向電壓，右側(cè)四個壓電陶瓷片縮短，右側(cè)軸承驅(qū)動模塊12松開旋轉(zhuǎn)軸；右旋轉(zhuǎn)初始為正向電壓，右側(cè)軸承驅(qū)動模塊存在微小旋轉(zhuǎn)位移，但由于脫離旋轉(zhuǎn)軸，對旋轉(zhuǎn)軸影響可以忽略。
[0046]2)左箝位保持反向電壓，左側(cè)軸承驅(qū)動模塊11保持夾緊狀態(tài)；左旋轉(zhuǎn)施加正向電壓，左側(cè)軸承驅(qū)動模塊11在靜摩擦力作用下帶動旋轉(zhuǎn)軸實現(xiàn)微小步進旋轉(zhuǎn)；右箝位保持正向電壓，右側(cè)軸承驅(qū)動模塊12保持松開狀態(tài)；右旋轉(zhuǎn)電壓降為零，右側(cè)軸承驅(qū)動模塊12旋轉(zhuǎn)返回初始位置。
[0047]3)左箝位施加正向電壓，左側(cè)軸承驅(qū)動模塊11松開旋轉(zhuǎn)軸；右箝位施加反向電壓，右側(cè)軸承驅(qū)動模塊12夾緊旋轉(zhuǎn)軸；兩邊旋轉(zhuǎn)控制電壓保持不變，兩邊軸承驅(qū)動模塊和旋轉(zhuǎn)軸位置不變。
[0048]4)左箝位保持正向電壓，左側(cè)軸承驅(qū)動模塊11保持松開狀態(tài)；左旋轉(zhuǎn)電壓降為零，左側(cè)軸承驅(qū)動模塊11旋轉(zhuǎn)返回初始位置；右箝位保持反向電壓，右側(cè)軸承驅(qū)動模塊12保持夾緊狀態(tài)；右旋轉(zhuǎn)施加正向電壓，右側(cè)軸承驅(qū)動模塊12在靜摩擦力作用下帶動旋轉(zhuǎn)軸實現(xiàn)微小步進旋轉(zhuǎn)。
[0049]5)左箝位施加反向電壓，左側(cè)軸承驅(qū)動模塊11夾緊旋轉(zhuǎn)軸；右箝位施加正向電壓，右側(cè)軸承驅(qū)動模塊12松開旋轉(zhuǎn)軸；兩邊旋轉(zhuǎn)控制電壓保持不變，兩邊軸承驅(qū)動模塊和旋轉(zhuǎn)軸位置不變，開始下一個工作循環(huán)。
[0050]可見，兩個軸承驅(qū)動模塊同時完成箝位和旋轉(zhuǎn)的功能，交替帶動旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，一個工作循環(huán)可實現(xiàn)兩次步進運動。當(dāng)兩邊施加反向旋轉(zhuǎn)電壓，則可帶動旋轉(zhuǎn)軸反向步進運動。
【權(quán)利要求】
1.一種微型尺蠖式壓電驅(qū)動旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機構(gòu)，包括有U形基座，及水平夾持在U形基座上U形口中的旋轉(zhuǎn)套筒，其特征在于:所述旋轉(zhuǎn)套筒的中心軸位置轉(zhuǎn)動安裝有旋轉(zhuǎn)軸，所述U形基座上U形兩端分別連接有環(huán)形座，且兩環(huán)形座分別共中心軸對應(yīng)連接在旋轉(zhuǎn)套筒兩端筒口處，所述每個環(huán)形座中分別安裝有環(huán)形軸承座，軸承座中內(nèi)環(huán)壁沿某一徑向連接有軸承架，所述的軸承架中間位置斷開并連接有由兩半圈構(gòu)成的整環(huán)形軸承套圈，所述軸承套圈與軸承座共圓心，軸承套圈每個半圈所連接的軸承架兩側(cè)分別對稱設(shè)置有壓電陶瓷片，每個壓電陶瓷片分別平行于軸承架，且壓電陶瓷片一端分別連接在軸承座內(nèi)壁、另一端分別連接在對應(yīng)的軸承架所連接的軸承套圈半圈對應(yīng)側(cè)圈端，所述每個壓電陶瓷片朝向軸承架的內(nèi)側(cè)面以及遠離軸承架的外側(cè)面分別沉積有電極，由軸承座、軸承架、軸承套圈構(gòu)成軸承單元，由軸承單元、壓電陶瓷片構(gòu)成軸承驅(qū)動模塊，所述旋轉(zhuǎn)套筒中旋轉(zhuǎn)軸兩端分別穿過環(huán)形座內(nèi)軸承單元的軸承套圈，且軸承套圈對旋轉(zhuǎn)軸施加一定的預(yù)夾緊力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微型尺蠖式壓電驅(qū)動旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機構(gòu)，其特征在于:所述每側(cè)環(huán)形座遠離旋轉(zhuǎn)套筒的一端分別蓋合有端蓋。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微型尺蠖式壓電驅(qū)動旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機構(gòu)，其特征在于:所述壓電陶瓷片為單層結(jié)構(gòu)或者是多層疊片式結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微型尺蠖式壓電驅(qū)動旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機構(gòu)，其特征在于:所述軸承單元整體采用不銹鋼材料制成，其中軸承套圈內(nèi)圈作表面耐磨處理或噴涂耐磨材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微型尺蠖式壓電驅(qū)動旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機構(gòu)，其特征在于:所述壓電陶瓷片兩端分別采用環(huán)氧樹脂膠或AB膠與軸承座、軸承套圈粘結(jié)連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微型尺蠖式壓電驅(qū)動旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機構(gòu)，其特征在于:所述軸承座采用環(huán)氧樹脂膠或者AB膠粘結(jié)在環(huán)形座中，或者采用螺合方式螺入環(huán)形座中。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微型尺蠖式壓電驅(qū)動旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機構(gòu)，其特征在于:所述的端蓋通過環(huán)氧樹脂膠或AB膠粘結(jié)在環(huán)形座一端，或者采用螺合方式螺合在環(huán)形座一端，或者采用卡環(huán)方式卡接于環(huán)形座一端。
【文檔編號】H02N2/10GK103973159SQ201410174406
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年4月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月26日
【發(fā)明者】于連棟, 潘成亮, 韓麗玲, 鄧華夏, 李維詩, 夏豪杰, 張煒, 魯思穎 申請人:合肥工業(yè)大學(xué)