CN104638974B - 一种压电柔性回转驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压电柔性回转驱动装置，其特征在于：它包括外套筒、基座和转动主体，外套筒固定设置在基座顶面的外周上，转动主体位于外套筒内并设置在基座的中心轴线上。转动主体包括滑动轴承、定位轴、下锁紧构件、回转构件、上锁紧构件和输出轴。回转构件中主压电陶瓷通过过盈配合安装在正八边形结构的中间框架中任意两条对边之间；安装主压电陶瓷的两条对边的四条邻边构成一菱形结构，上、下横梁分别位于中间框架的顶部和底部，并与菱形结构的中位线重合。锁紧构件中的两菱形构件对称设置在一中间杆件两端，两菱形构件中均通过过盈配合安装一辅压电陶瓷。滑动轴承、定位轴、下锁紧构件、回转构件、上锁紧构件和输出轴从下至上依次设置。

Description

一种压电柔性回转驱动装置

技术领域

本发明涉及一种回转驱动装置，特别是关于一种压电柔性回转驱动装置。

背景技术

回转驱动是测量、定位及光学仪器中所要实现的关键技术之一。传统回转驱动技术采用电机作动力、蜗轮蜗杆或齿轮等传统机构作减速传动装置。传统机构发展时间长，工艺成熟，在回转驱动中应用最为普遍，有着不可替代的作用。然而，传统机构不可避免地存在间隙、内热、摩擦等现象，因此传统回转驱动技术中回转精度的进一步提高较为困难，需要增加大量设计和制造成本。此外，电机作为驱动力还存在着机械转化效率较低、难以实现微动定位等缺点。

柔性机构是20世纪60年代出现的一种新型机构。当给压电陶瓷两端面施加电压时，压电陶瓷将由于逆压电效应而伸长，一般伸长量在10微米左右，为满足行程要求及保护压电陶瓷，再通过柔性机构的弹性变形进行传动、放大。用柔性机构的弹性变形代替传统的运动副，从而消除摩擦、内热、间隙等因素的影响，因此采用柔性机构可以实现高精度的转动和定位；且压电陶瓷和柔性机构的制造加工都很方便，其成本远低于相同精度的传统机构，能够较好的弥补传统机构的缺点。目前该技术在航空航天、仪器仪表、机械制造等领域均得到了广泛应用。然而，由于柔性机构必须整体加工，运动副的种类一般仅限于柔性铰链，运动的传递方式与传统机构相比较为单一，可实现功能有限，一般仅用于定位平台的微动。在实现回转运动时，现有技术中直接将压电陶瓷安装在与转轴同心的圆周上，利用压电陶瓷的伸长直接带动轴的半径回转，从而使转轴产生微角度输出，再利用尺蠖原理等方式重复此过程实现步进。此类机构如德国PI公司生产的超声波压电电机、加拿大萨省大学机械工程系以及德国布伦瑞克工业大学机械工程系联合研发的两自由度旋转-线性压电驱动器。国内科研院所也有利用该原理研制的回转驱动。然而，这类方法中压电陶瓷的直线运动与圆半径的回转运动轨迹不能完全重合，存在原理误差。为降低或消除这类误差，需要以增大机构空间、降低机械效率为代价，不能最大限度的发挥柔性机构的优势。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够从根本上消除压电回转驱动原理误差的压电柔性回转驱动装置。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种压电柔性回转驱动装置，其特征在于：它包括外套筒、基座和转动主体，所述外套筒固定设置在所述基座顶面的外周上，所述外套筒与所述基座构成一顶部开口的半封闭空间，所述转动主体设置在该半封闭空间的中心轴线上；所述转动主体包括滑动轴承、定位轴、下锁紧构件、回转构件、上锁紧构件和输出轴；所述回转构件包括中间框架、上横梁、下横梁和主压电陶瓷，所述中间框架采用正八边形结构，所述中间框架中相邻两条边之间均通过完全相同的柔性铰链连接；所述上横梁和下横梁的结构相同，均采用一杆件，在杆件上靠近杆件两端的位置对称设置两个柔性铰链；所述主压电陶瓷通过过盈配合安装在所述中间框架中任意两条对边之间；安装所述主压电陶瓷的两条对边的四条邻边构成一菱形结构，所述上横梁位于所述中间框架的顶部，所述上横梁的两端分别与构成所述菱形结构的一组对边的中点连接；所述下横梁位于所述中间框架的底部，所述下横梁的两端分别与构成所述菱形结构的另一组对边的中点连接；所述下锁紧构件和上锁紧构件的结构相同，均包括两菱形构件、一中间杆件和两辅压电陶瓷；两所述菱形构件对称设置在所述中间杆件两端，所述辅压电陶瓷通过过盈配合安装在所述菱形构件中；所述滑动轴承固定设置在所述基座顶面的中心处，所述定位轴一端固定设置在所述滑动轴承中，其另一端固定设置在所述下锁紧构件的中心孔内，所述下锁紧构件上部中心处固定连接所述回转构件的所述下横梁，所述回转构件中所述上横梁的上部中心处固定连接所述上锁紧构件，所述上锁紧构件的上部中心处固定连接所述输出轴，所述输出轴的一端固定设置在所述上锁紧构件的中心孔内。

所述输出轴与所述外套筒之间安装光栅，所述光栅检测所述输出轴的偏移量，并反馈给主压电陶瓷，实现所述转动主体转动过程中的全程闭环控制。

所述中间框架采用菱形结构，所述上横梁位于所述中间框架的顶部，所述上横梁的两端分别与所述菱形结构的一组对边的中点连接；所述下横梁位于所述中间框架的底部，所述下横梁的两端分别与所述菱形结构的另一组对边的中点连接，主压电陶瓷位于所述菱形结构的任一条对角线上，并通过过盈配合安装在所述中间框架内。

所述中间框架采用两组对边相等的平行六边形结构；所述中间框架中两组相等对边所在的直线构成一菱形结构，所述上横梁位于所述中间框架的顶部，所述上横梁的两端分别与构成所述菱形结构的一组对边的中点连接；所述下横梁位于所述中间框架的底部，所述下横梁的两端分别与构成所述菱形结构的另一组对边的中点连接；所述主压电陶瓷位于所构成的所述菱形结构的任一条对角线上，并通过过盈配合安装在所述中间框架内。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于设置了外套筒、基座和转动主体，外套筒固定设置在基座顶面的外周上，转动主体包括滑动轴承、定位轴、下锁紧构件、回转构件、上锁紧构件和输出轴；滑动轴承、定位轴、下锁紧构件、回转构件、上锁紧构件和输出轴由下至上依次设置在基座的中心轴线上；回转构件包括正八边形结构的中间框架、上横梁、下横梁和主压电陶瓷，中间框架中相邻两条边之间均通过完全相同的柔性铰链连接；上横梁和下横梁的结构相同，均采用一杆件，在杆件上靠近杆件两端的位置对称设置两个柔性铰链；主压电陶瓷通过过盈配合安装在中间框架中任意两条对边之间；安装主压电陶瓷的两条对边的四条邻边构成一菱形结构，上、下横梁分别位于中间框架的顶部和底部，并与菱形结构的中位线重合；锁紧构件中的两菱形构件对称设置在一中间杆件两端，两菱形构件中均通过过盈配合安装一辅压电陶瓷；主、辅压电陶瓷配合，利用尺蠖效应实现输出轴的连续转动；由于中间框架结构的对称性，铰链的轴向变形、杆的变形等误差相互抵消，回转构件的精度只取决于加工和装配的对称性；且根据对称性，回转构件铰链加工时的几何误差以及装配误差将由于误差均化而减小，容易达到较高的输出精度；因此本发明能够从根本上消除压电回转驱动原理误差。2、本发明由于中间框架中相邻两条边之间均通过完全相同的柔性铰链连接，上横梁和下横梁均采用一杆件，在杆件上靠近杆件两端的位置对称设置两个柔性铰链，因此本发明无摩擦、无间隙、内热和损耗低、对环境和温度不敏感，且加工装配方便，同时能够实现转动、微动和定位功能。基于以上优点，本发明可以广泛应用于机械制造、仪器仪表领域中高精度的回转驱动与定位。

附图说明

图1是本发明压电柔性回转驱动装置的整体结构示意图

图2是回转构件的结构示意图

图3是回转构件与上锁紧构件和下锁紧构件的相对位置关系示意图

图4是中间框架采用正八边形时的结构示意图

图5是中间框架采用菱形时的结构示意图

图6是中间框架采用两组对边相等的平行六边形机构时的结构示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明压电柔性回转驱动装置包括外套筒1、基座2和转动主体3。外套筒1固定设置在基座2顶面的外周上，外套筒1与基座2构成一顶部开口的半封闭空间。转动主体3设置在该半封闭空间的中心轴线上。

转动主体3包括滑动轴承31、定位轴32、下锁紧构件33、回转构件34、上锁紧构件35和输出轴36。

如图2所示，回转构件34包括中间框架341、上横梁342、下横梁343和主压电陶瓷(图中未示出)。其中，中间框架341采用正八边形结构，中间框架341中相邻两条边之间均通过完全相同的柔性铰链连接。上横梁342和下横梁343的结构相同，均采用一杆件，在杆件上靠近杆件两端的位置对称设置两个柔性铰链，两个柔性铰链将杆件分成三部分。主压电陶瓷通过过盈配合安装在中间框架341中任意两条对边之间。安装主压电陶瓷的两条对边的四条邻边构成一菱形结构，上横梁342位于中间框架341的顶部，上横梁342的两端分别与构成该菱形结构的一组对边的中点连接；下横梁343位于中间框架341的底部，下横梁343的两端分别与构成该菱形结构的另一组对边的中点连接。

如图3所示，下锁紧构件33和上锁紧构件35的结构相同，均包括两菱形构件351、一中间杆件352和两辅压电陶瓷(图中未示出)。两菱形构件351对称设置在中间杆件352两端，辅压电陶瓷通过过盈配合安装在菱形构件351中。

滑动轴承31固定设置在基座2顶面的中心处，定位轴32一端固定设置在滑动轴承31中，其另一端固定设置在下锁紧构件33的中心孔内，下锁紧构件33上部中心处固定连接回转构件34的下横梁343，回转构件34中上横梁342的上部中心处固定连接上锁紧构件35，上锁紧构件35的上部中心处固定连接输出轴36，输出轴36的一端固定设置在上锁紧构件35的中心孔内。

为进一步提高回转输出精度，可以在输出轴36与外套筒1之间安装光栅。光栅用于检测输出轴36的偏移量，将检测到的偏移量处理后反馈给主压电陶瓷，实现转动主体3转动过程中的全程闭环控制。

本发明压电柔性回转驱动装置的工作原理为：当主压电陶瓷不加电时，中间框架341中安装主压电陶瓷的两条对边的四条邻边所在的直线构成一正方形；当主压电陶瓷加电时，主压电陶瓷因逆压电效应伸长，驱动正八边形发生形变，安装主压电陶瓷的两条对边的四条邻边所在直线构成的正方形变为菱形。根据几何原理可知，在正八边形的形变过程中，安装主压电陶瓷的两条对边的四条邻边所在的直线始终构成菱形关系，该菱形的两条中位线在主压电陶瓷伸长过程中长度不变、并绕菱形中心点作相对转动，且由于上横梁342中两端柔性铰链之间的杆件与该菱形的一条中位线重合，下横梁343中两端柔性铰链之间的杆件与该菱形的另一条中位线重合，因此上横梁342和下横梁343也将发生定心相对转动。由于输出转动仅取决于菱形两条中位线的相对转角，与绝对夹角无关，因此主压电陶瓷和辅压电陶瓷安装时，过盈配合产生的变形不引进误差。由于菱形的角度变化时，菱形中位线的长度不变，因此上横梁342和下横梁343不会对正八边形的形变产生干涉，而是严格地作定心相对回转运动。如果固定上横梁342和下横梁343中一根横梁的中心，使主压电陶瓷伸长，则另一根横梁的中心将输出转动。回转构件34既可单独用于回转微动定位，也可驱动机构连续回转。

定位轴32安装于滑动轴承31内，实现径向和轴向定位，使整个转动主体3只能作周向转动。由于整个转动主体3位于外套筒1与基座2构成的半封闭空间，下锁紧构件33和上锁紧构件35均可以与外套筒1配合实现锁紧。适当设置外套筒1的内半径，使得下锁紧构件33和上锁紧构件35中的辅压电陶瓷不加电时，下锁紧构件33和上锁紧构件35能够与外套筒1的内圆柱面分离；辅压电陶瓷加电伸长时，下锁紧构件33和上锁紧构件35中的菱形构件351能够与外套筒1的内圆柱面压紧，从而完成锁紧功能。菱形构件351与外套筒1内圆柱面接触的外侧面设置为圆弧面，使得下锁紧构件33或上锁紧构件35与外套筒1之间锁紧时，菱形构件351能够与外套筒1的内圆柱面实现面接触。

初始状态时，主压电陶瓷不加电，辅压电陶瓷加电，下锁紧构件33和上锁紧构件35均与外套筒1之间锁紧。转动开始时，撤去施加在上锁紧构件35中辅压电陶瓷上的电压，使上锁紧构件35解锁；主压电陶瓷加电，上横梁342和上锁紧构件35均开始回转；保持主压电陶瓷上的电压，先给上锁紧构件35中辅压电陶瓷通电压，使上锁紧构件35锁紧，再撤去施加在下锁紧构件33中辅压电陶瓷上的电压，使下锁紧构件33解锁，最后撤去施加在主压电陶瓷上的电压，此时，下横梁343和下锁紧构件33将沿相同方向回转，回转构件34恢复初始形变。再使下锁紧构件33锁紧，上锁紧构件35解锁，继续给主压电陶瓷施加电压，重复上述过程，即可利用尺蠖效应实现输出轴36的连续转动，从而通过对电源电压的控制实现转动主体1的连续回转。

如图5所示，中间框架341还可以采用菱形结构，中间框架341中相邻两条边之间均通过完全相同的柔性铰链连接。上横梁342位于中间框架341的顶部，上横梁342的两端分别与该菱形结构的一组对边的中点连接；下横梁343位于中间框架341的底部，下横梁343的两端分别与该菱形结构的另一组对边的中点连接。主压电陶瓷位于该菱形结构的任一条对角线上，并通过过盈配合安装在中间框架341内。

如图6所示，中间框架341还可以采用两组对边相等的平行六边形结构。中间框架341中两组相等对边所在的直线构成一菱形结构，上横梁342位于中间框架341的顶部，上横梁342的两端分别与构成该菱形结构的一组对边的中点连接；下横梁343位于中间框架341的底部，下横梁343的两端分别与构成该菱形结构的另一组对边的中点连接。主压电陶瓷位于所构成的菱形结构的任一条对角线上，并通过过盈配合安装在中间框架341内。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和方法步骤等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (4)

1.一种压电柔性回转驱动装置，其特征在于：它包括外套筒、基座和转动主体，所述外套筒固定设置在所述基座顶面的外周上，所述外套筒与所述基座构成一顶部开口的半封闭空间，所述转动主体设置在该半封闭空间的中心轴线上；

所述转动主体包括滑动轴承、定位轴、下锁紧构件、回转构件、上锁紧构件和输出轴；

所述回转构件包括中间框架、上横梁、下横梁和主压电陶瓷，所述中间框架采用正八边形结构，所述中间框架中相邻两条边之间均通过完全相同的柔性铰链连接；所述上横梁和下横梁的结构相同，均采用一杆件，在杆件上靠近杆件两端的位置对称设置两个柔性铰链；所述主压电陶瓷通过过盈配合安装在所述中间框架中任意两条对边之间；安装所述主压电陶瓷的两条对边的四条邻边构成一菱形结构，所述上横梁位于所述中间框架的顶部，所述上横梁的两端分别与构成所述菱形结构的一组对边的中点连接；所述下横梁位于所述中间框架的底部，所述下横梁的两端分别与构成所述菱形结构的另一组对边的中点连接；

所述下锁紧构件和上锁紧构件的结构相同，均包括两菱形构件、一中间杆件和两辅压电陶瓷；两所述菱形构件对称设置在所述中间杆件两端，所述辅压电陶瓷通过过盈配合安装在所述菱形构件中；

所述滑动轴承固定设置在所述基座顶面的中心处，所述定位轴一端固定设置在所述滑动轴承中，其另一端固定设置在所述下锁紧构件的中心孔内，所述下锁紧构件上部中心处固定连接所述回转构件的所述下横梁，所述回转构件中所述上横梁的上部中心处固定连接所述上锁紧构件，所述上锁紧构件的上部中心处固定连接所述输出轴，所述输出轴的一端固定设置在所述上锁紧构件的中心孔内。

2.如权利要求1所述的一种压电柔性回转驱动装置，其特征在于：所述输出轴与所述外套筒之间安装光栅，所述光栅检测所述输出轴的偏移量，并反馈给主压电陶瓷，实现所述转动主体转动过程中的全程闭环控制。

3.如权利要求1所述的一种压电柔性回转驱动装置，其特征在于：所述中间框架采用菱形结构，所述上横梁位于所述中间框架的顶部，所述上横梁的两端分别与所述菱形结构的一组对边的中点连接；所述下横梁位于所述中间框架的底部，所述下横梁的两端分别与所述菱形结构的另一组对边的中点连接，主压电陶瓷位于所述菱形结构的任一条对角线上，并通过过盈配合安装在所述中间框架内。

4.如权利要求1或2或3所述的一种压电柔性回转驱动装置，其特征在于：所述中间框架采用两组对边相等的平行六边形结构；所述中间框架中两组相等对边所在的直线构成一菱形结构，所述上横梁位于所述中间框架的顶部，所述上横梁的两端分别与构成所述菱形结构的一组对边的中点连接；所述下横梁位于所述中间框架的底部，所述下横梁的两端分别与构成所述菱形结构的另一组对边的中点连接；所述主压电陶瓷位于所构成的所述菱形结构的任一条对角线上，并通过过盈配合安装在所述中间框架内。