一種大載荷、高精度、跨尺度壓電旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器及該驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于精密儀器設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種壓電旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著微/納米技術(shù)的發(fā)展，眾多工程技術(shù)領(lǐng)域的研究都迫切需要亞微米級(jí)、微/納 米級(jí)的精密驅(qū)動(dòng)器，但是基于電磁感應(yīng)原理的電磁電機(jī)在微型化、高功重比的發(fā)展方向上 很難突破。傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)裝置，如普通電機(jī)、絲杠螺母、蝸輪蝸桿等宏觀大尺寸驅(qū)動(dòng)裝置已很 難滿足精度要求。因此，各國(guó)的科研人員傾力于研究性能更優(yōu)越的新型高精度驅(qū)動(dòng)裝置。
[0003] 隨著材料科學(xué)的發(fā)展，新型功能材料為該些應(yīng)用提出了新的解決方案，其中，逆壓 電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)及具有優(yōu)越性能的壓電陶瓷PZT材料的出現(xiàn)使得壓電精密驅(qū)動(dòng)器的研究得 到了廣泛關(guān)注，并在精密驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域顯示出了廣泛的應(yīng)用前景。壓電驅(qū)動(dòng)裝置因?yàn)轶w積小、重 量輕、響應(yīng)快微秒級(jí)、控制特性好、能量密度大、能耗低、不受磁場(chǎng)影響等特點(diǎn)而得到了更廣 泛的應(yīng)用。
[0004] 根據(jù)驅(qū)動(dòng)原理的不同，壓電驅(qū)動(dòng)器可分為壓電超聲波驅(qū)動(dòng)器、壓電慣性驅(qū)動(dòng)器和 尺曖型壓電驅(qū)動(dòng)器等。尺曖型壓電驅(qū)動(dòng)器是仿照自然界中的爬行動(dòng)物尺曖，利用"猜位-驅(qū) 動(dòng)-猜位"的方式運(yùn)動(dòng)，也被稱為蠕動(dòng)式壓電驅(qū)動(dòng)器。它利用尺曖原理，將壓電元件的單步 微量位移不斷積累，形成連續(xù)的步進(jìn)的精密位移輸出，可W實(shí)現(xiàn)大行程高分辨率的運(yùn)動(dòng)，從 而有效的解決了現(xiàn)有技術(shù)中幾種驅(qū)動(dòng)器大行程和高分辨率不能共存的問題，同時(shí)具有驅(qū)動(dòng) 原理簡(jiǎn)單，易于控制，輸出力大等特點(diǎn)。
[0005] 現(xiàn)有的尺曖型壓電旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器大多采用壓電陶瓷材料的驅(qū)動(dòng)力，使猜位面向?qū)к?面漲緊，有的要在猜位面與導(dǎo)軌面之間加一層摩擦材料，但無論如何，都是利用猜位面與導(dǎo) 軌面之間接觸產(chǎn)生的靜摩擦力提供猜位力，而猜位力的大小和猜位力的穩(wěn)定性直接影響驅(qū) 動(dòng)器的承載能力、運(yùn)動(dòng)分辨率和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。由于驅(qū)動(dòng)器猜位面與導(dǎo)軌面之間的接觸屬于 小間隙接觸只有幾微米，使得驅(qū)動(dòng)器的性能容易受到外界因素如時(shí)效、溫度、磨損、加工裝 配誤差等因素的影響。鑒于該猜位原理的局限性，該種驅(qū)動(dòng)器本身不可能有較大的輸出力， 并且由于磨損的存在，運(yùn)行一段時(shí)間之后，由于間隙變大普遍出現(xiàn)輸出負(fù)載下降，直線度不 穩(wěn)定的現(xiàn)象，最終影響尺曖型壓電旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器的使用壽命。
[0006] 檢索相關(guān)文獻(xiàn)，可朗尋目前尺曖型壓電旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器的局限性總結(jié)如下：
[0007] 1、載荷輸出小，運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性差，易出現(xiàn)猜位不穩(wěn)定和直線度不穩(wěn)定的現(xiàn)象；
[000引 2、猜位面與導(dǎo)軌面之間磨損大，易造成輸出載荷的下降甚至驅(qū)動(dòng)器失效，使用壽 命短；
[0009] 3、結(jié)構(gòu)和操作復(fù)雜、成本高、能耗大；
[0010] 4、難W同時(shí)實(shí)現(xiàn)大行程和高分辨率的驅(qū)動(dòng)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0011] 本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有的驅(qū)動(dòng)器承載能力小、分辨率低且壽命短的問題，現(xiàn)提供 一種大載荷、高精度、跨尺度壓電旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器及該驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)方法。
[0012] 一種大載荷、高精度、跨尺度壓電旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器，它包括；基座、A部、B部、連接板、驅(qū) 動(dòng)臂、平衡彈黃和輸出軸；
[0013] 所述A部包括：猜位斜塊A、壓電疊堆A、猜位彈黃A、彈黃座A、預(yù)緊螺栓A和預(yù)緊 墊片A;
[0014] 所述B部包括：猜位斜塊B、壓電疊堆B、猜位彈黃B、彈黃座B、預(yù)緊螺栓B和預(yù)緊 墊片B;
[0015] 輸出軸的一端依次穿過基座中屯、的軸承孔和驅(qū)動(dòng)臂中屯、的裝配孔與連接板固定 連接，且連接板與驅(qū)動(dòng)臂固定連接；
[0016] 平衡彈黃套接在輸出軸的另一端，且平衡彈黃的一端固定在輸出軸另一端的端面 上，平衡彈黃的另一端固定在基座的底面；
[0017] 壓電疊堆A嵌固在驅(qū)動(dòng)臂一端的壓電疊堆安裝槽內(nèi)，并通過預(yù)緊螺栓A和預(yù)緊墊 片A預(yù)緊；
[001引基座的兩內(nèi)側(cè)壁分別開有凹槽，且兩個(gè)凹槽內(nèi)分別嵌有直線導(dǎo)軌，彈黃座A固定 在一個(gè)凹槽的一端，猜位斜塊A嵌入在該凹槽內(nèi)的直線導(dǎo)軌中，猜位斜塊A的斜面與驅(qū)動(dòng)臂 一端的猜位弧面緊密接觸，彈黃座A和猜位斜塊A的窄端通過猜位彈黃A相連接；
[0019] A部與B部的結(jié)構(gòu)完全相同，且W軸承孔為對(duì)稱中屯、呈中屯、對(duì)稱結(jié)構(gòu)。
[0020] 上述基座的橫截面呈凹槽形，并且該凹槽形的兩側(cè)壁在槽口位置分別向內(nèi)側(cè)水平 延伸，直線導(dǎo)軌設(shè)置在該凹槽形的兩側(cè)壁上，且軸承孔位于基座底面的中屯、位置。
[0021] 上述平衡彈黃包括；連接桿、彈黃體和連接環(huán)；連接桿和連接環(huán)通過彈黃體相連 接，輸出軸的另一端開有卡槽，連接桿嵌入在該卡槽中，連接環(huán)通過螺栓固定在基座底面。
[0022] 上述一種大載荷、高精度、跨尺度壓電旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)方法，該方法為：
[0023] 首先，同時(shí)對(duì)兩個(gè)壓電疊堆通電，使得兩個(gè)壓電疊堆均伸長(zhǎng)并推動(dòng)驅(qū)動(dòng)臂和輸出 軸繞其軸屯、轉(zhuǎn)動(dòng)；
[0024] 然后，對(duì)一個(gè)壓電疊堆斷電，使得該壓電疊堆恢復(fù)原長(zhǎng)，且其對(duì)應(yīng)的猜位弧面與猜 位斜塊分離，猜位彈黃帶動(dòng)該猜位斜塊移動(dòng)直至重新與猜位弧面貼合；
[0025] 最后，對(duì)另一個(gè)壓電疊堆斷電，使得該壓電疊堆恢復(fù)原長(zhǎng)，且其對(duì)應(yīng)的猜位弧面與 猜位斜塊分離，猜位彈黃帶動(dòng)該猜位斜塊移動(dòng)直至重新與猜位弧面貼合，完成壓電旋轉(zhuǎn)驅(qū) 動(dòng)器的一次旋轉(zhuǎn)工作。
[0026] 上述一種大載荷、高精度、跨尺度壓電旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)方法，該方法為：
[0027] 首先，對(duì)一個(gè)壓電疊堆通電，使得該壓電疊堆伸長(zhǎng)并推動(dòng)驅(qū)動(dòng)臂和輸出軸繞其軸 屯、轉(zhuǎn)動(dòng)，另一個(gè)壓電疊堆對(duì)應(yīng)的猜位弧面與猜位斜塊分離，猜位彈黃帶動(dòng)該猜位斜塊移動(dòng) 直至重新與猜位弧面貼合；
[002引然后，再對(duì)已通電的壓電疊堆斷電，使得該壓電疊堆恢復(fù)原長(zhǎng)，且其對(duì)應(yīng)的猜位弧 面與猜位斜塊分離，猜位彈黃帶動(dòng)該猜位斜塊移動(dòng)直至重新與猜位弧面貼合，完成壓電旋 轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器的一次旋轉(zhuǎn)工作。
[0029] 上述一種大載荷、高精度、跨尺度壓電旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)方法，該方法為：
[0030] 同時(shí)對(duì)兩個(gè)壓電疊堆通電，使得兩個(gè)壓電疊堆均伸長(zhǎng)并推動(dòng)驅(qū)動(dòng)臂和輸出軸繞其 軸屯、轉(zhuǎn)動(dòng)；
[0031]對(duì)一個(gè)壓電疊堆斷電，使得該壓電疊堆恢復(fù)原長(zhǎng)，且其對(duì)應(yīng)的猜位弧面與猜位斜 塊分離，猜位彈黃帶動(dòng)該猜位斜塊移動(dòng)直至重新與猜位弧面貼合；
[0032]對(duì)斷電的壓電疊堆通電，使得該壓電疊堆伸長(zhǎng)并推動(dòng)驅(qū)動(dòng)臂和輸出軸繞其軸屯、轉(zhuǎn) 動(dòng)，另一個(gè)壓電疊堆對(duì)應(yīng)的猜位弧面與猜位斜塊分離，猜位彈黃帶動(dòng)該猜位斜塊移動(dòng)直至 重新與猜位弧面貼合；
[0033]對(duì)另一個(gè)壓電疊堆斷電，使得該壓電疊堆恢復(fù)原長(zhǎng)，且其對(duì)應(yīng)的猜位弧面與猜位 斜塊分離，猜位彈黃帶動(dòng)該猜位斜塊移動(dòng)直至重新與猜位弧面貼合；
[0034]對(duì)一個(gè)壓電疊堆斷電，使得該壓電疊堆恢復(fù)原長(zhǎng)，且其對(duì)應(yīng)的猜位弧面與猜位斜 塊分離，猜位彈黃帶動(dòng)該猜位斜塊移動(dòng)直至重新與猜位弧面貼合，完成壓電旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器的 一次旋轉(zhuǎn)工作。
[0035]本發(fā)明所述的一種大載荷、高精度、跨尺度壓電旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器，利用猜位弧面與猜位 斜面之間的自鎖實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定猜位，可W將壓電疊堆由逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生的絕大部分作用力轉(zhuǎn)化 為驅(qū)動(dòng)器的有效驅(qū)動(dòng)力，具有較大的承載能力；各對(duì)猜位面之間受磨損影響小，不會(huì)因?yàn)槟?損而造成猜位作用力的下降甚至驅(qū)動(dòng)器失效，使用壽命長(zhǎng)；換能效率高，分辨率高，行程大， 可被廣泛應(yīng)用于各類精密超精密加工與運(yùn)動(dòng)、材料試件納米力學(xué)性能檢測(cè)、微機(jī)電系統(tǒng)、機(jī) 器人等高尖端的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。
[0036]本發(fā)明所述的一種大載荷、高精度、跨尺度壓電旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)方法，步驟簡(jiǎn) 單，方式多樣，靈活多變。
[0037]本發(fā)明所述的一種大載荷、高精度、跨尺度壓電旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器及該驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)方 法主要適用于超精密加工機(jī)床、精密超精密微細(xì)加工與測(cè)量技術(shù)、材料試件納米力學(xué)性能 檢測(cè)、微機(jī)電系統(tǒng)、精密光學(xué)、半導(dǎo)體制造、現(xiàn)代醫(yī)學(xué)與生物遺傳工程、航空航天、機(jī)器人、軍 事技術(shù)等高尖端的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。
【附圖說明】
[003引圖1為一種大載荷、高精度、跨尺度壓電旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器正面的立體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0039] 圖2為一種大載荷、高精度、跨尺度壓電旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器的主視圖；
[0040] 圖3為一種大載荷、高精度、跨尺度壓電旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器背面的立體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0041] 圖4為【具體實(shí)施方式】二所述的基座的結(jié)構(gòu)示意圖，其中A為基座的主視圖，B為基 座的橫截面示意圖；