CN110545051A - 一种采用非对称转化铰链的大承载式压电粘滑旋转台 - Google Patents

Abstract

一种采用非对称转化铰链的大承载式压电粘滑旋转台，旨在解决现有压电粘滑旋转台铰链结构复杂、旋转范围小、承载能力弱等问题。本发明包括转台、轴承、支撑圆筒、圆筒固定螺栓、驱动组件固定螺栓、驱动组件和底台，轴承内圈与转台过盈配合，轴承外圈与支撑圆筒过盈配合，驱动组件通过驱动组件固定螺栓固定安装在底台上，驱动组件与转台下端部接触，支撑圆筒通过圆筒固定螺栓固定安装在底台上。本发明采用的非对称转化铰链为中心对称结构，由于铰链刚度分布不均，使非对称转化铰链产生收缩斜向位移，夹紧转台并产生扭矩使转台旋转。本发明具有结构简单、旋转范围大、承载能力强、定位精度高等特点，在微纳精密驱动与定位领域具有广泛的应用前景。

Description

一种采用非对称转化铰链的大承载式压电粘滑旋转台

技术领域

本发明涉及一种采用非对称转化铰链的大承载式压电粘滑旋转台，属于微纳精密驱动与定位技术领域。

背景技术

随着科学技术的发展，国内外尖端技术领域对微/纳米级驱动定位技术的需求越来越迫切。压电驱动技术作为微/纳米级驱动定位领域的重要技术之一，因其具有体积小、定位精度高、行程大、无电磁干扰等特点，在微加工技术、材料科学、半导体加工、生物工程等领域展现出了重要的科学意义和广泛的应用前景。

压电旋转台是利用压电驱动技术驱动、产生微/纳米级运动分辨率的精密驱动定位平台，它可应用于超精密加工、大规模集成电路制造、扫描探针显微镜等技术领域，现有的压电旋转台主要采用直驱的方式以实现压电微动旋转，由于直驱铰链结构变形量小，为增大直驱铰链结构的输出位移，其设计的铰链结构复杂，且还存在旋转范围小、承载能力较弱等缺陷，严重制约了压电粘滑旋转台在精密驱动与定位技术领域的推广与应用。

因此，创设一种铰链结构简单、旋转范围大、承载能力强的压电粘滑旋转台是至关重要的。

发明内容

为解决已有压电粘滑旋转台铰链结构复杂、旋转范围小、承载能力较弱等技术问题，本发明公开了一种采用非对称转化铰链的大承载式压电粘滑旋转台。

本发明所采用的技术方案：

为达到上述目的，本发明提供一种采用非对称转化铰链的大承载式压电粘滑旋转台，该种采用非对称转化铰链的大承载式压电粘滑旋转台由转台、轴承、支撑圆筒、圆筒固定螺栓、驱动组件固定螺栓、驱动组件和底台组成；其中，所述轴承内圈与转台过盈配合，所述轴承外圈与支撑圆筒过盈配合，所述驱动组件通过驱动组件固定螺栓固定安装在底台上，所述驱动组件与转台下端部接触，所述支撑圆筒通过圆筒固定螺栓固定安装在底台上。

所述转台包括圆台、轴承上限位面和转动柱；所述圆台置于支撑圆筒的圆台安装槽内；所述轴承上限位面与轴承接触；所述转动柱穿过支撑圆筒与驱动组件接触。

所述轴承包括轴承内圈上表面和轴承外圈下表面；所述轴承内圈上表面与轴承上限位面接触，所述轴承外圈下表面与支撑圆筒的轴承下限位面接触。

所述支撑圆筒包括旋转孔、圆台安装槽、轴承下限位面、圆筒安装孔和圆筒安装面；所述旋转孔内穿过转动柱；所述圆台安装槽内安装有圆台；所述轴承下限位面与轴承外圈下表面接触；所述圆筒安装孔内穿过圆筒固定螺栓；所述圆筒安装面与底台的底台表面接触。

所述底台包括圆筒安装螺纹孔、驱动组件安装螺纹孔和底台表面；所述圆筒安装螺纹孔与圆筒固定螺栓螺纹连接；所述驱动组件安装螺纹孔与驱动组件固定螺栓螺纹连接；所述底台表面放置有支撑圆筒和驱动组件。

所述驱动组件包括加载螺栓、加载板、非对称转化铰链、压电叠堆、垫片和预紧螺栓；其中，所述加载螺栓与加载板接触，所述加载板安装于非对称转化铰链的加载板安装槽内；所述压电叠堆两侧均与垫片接触，并通过两侧的预紧螺栓将压电叠堆紧固在非对称转化铰链内。

所述非对称转化铰链为中心对称结构，所述非对称转化铰链可采用5025铝合金、6061铝合金、7075铝合金、Ti-35A钛合金或Ti-13钛合金材料；所述非对称转化铰链设有安装台、安装孔、直梁柔性铰链、叠堆限位台、弹性矩形板、加载板安装槽、加载螺纹孔、夹钳座、预紧螺纹孔、直圆型柔性铰链A₁、连接梁A、直圆型柔性铰链A₂、直圆型柔性铰链B₁、连接梁B、直圆型柔性铰链B₂；所述安装台与底台接触，所述安装台上设有安装孔；所述安装孔内穿过驱动组件固定螺栓；所述叠堆限位台两侧设有直梁柔性铰链，所述直梁柔性铰链两端与安装台和叠堆限位台连接；所述加载板安装在加载板安装槽内，所述加载螺栓与加载螺纹孔螺纹连接；所述加载板安装槽前设有弹性矩形板，所述弹性矩形板与转动柱接触；所述叠堆限位台设有预紧螺纹孔，所述预紧螺栓与预紧螺纹孔螺纹连接；所述连接梁A两侧分别设有直圆型柔性铰链A₁和直圆型柔性铰链A₂，所述直圆型柔性铰链A₁与叠堆限位台相连接，所述直圆型柔性铰链A₂与夹钳座相连接；所述连接梁B两侧分别设有直圆型柔性铰链B₁和直圆型柔性铰链B₂，所述直圆型柔性铰链B₁与夹钳座相连接，所述直圆型柔性铰链B₂与叠堆限位台相连接。

本发明的有益效果：

本发明采用的非对称转化铰链具有半径不等的直圆型柔性铰链且其关于中心对称，造成非对称转化铰链刚度分布不均，使其产生收缩斜向位移，调整驱动组件与转台间接触的正压力，增大了驱动组件与转台间的摩擦驱动力，减小了驱动组件与转台间的摩擦阻力，实现对压电粘滑旋转台驱动过程的摩擦力的综合调控，提高旋转台的驱动步效率，同时由于采用粘滑驱动原理，降低了旋转台铰链结构设计的复杂性，增大了旋转台的旋转范围，同时增大了旋转台的输出扭矩；转台与支撑圆筒通过轴承过盈配合连接，将转台的轴向承载力全部转移到底台上，增强了旋转台的承载能力。本发明具有结构简单、旋转范围大、承载能力强、定位精度高、输出推力大等特点，在光学精密仪器和半导体加工等微纳精密驱动与定位领域中具有很好的应用前景。

附图说明

图1所示为本发明提出的一种采用非对称转化铰链的大承载式压电粘滑旋转台的结构示意图；

图2所示为本发明提出的一种采用非对称转化铰链的大承载式压电粘滑旋转台的转台结构示意图；

图3所示为本发明提出的一种采用非对称转化铰链的大承载式压电粘滑旋转台的轴承结构示意图Ⅰ；

图4所示为本发明提出的一种采用非对称转化铰链的大承载式压电粘滑旋转台的轴承结构示意图Ⅱ；

图5所示为本发明提出的一种采用非对称转化铰链的大承载式压电粘滑旋转台的支撑圆筒结构示意图Ⅰ；

图6所示为本发明提出的一种采用非对称转化铰链的大承载式压电粘滑旋转台的支撑圆筒结构示意图Ⅱ；

图7所示为本发明提出的一种采用非对称转化铰链的大承载式压电粘滑旋转台的底台结构示意图；

图8所示为本发明提出的一种采用非对称转化铰链的大承载式压电粘滑旋转台的驱动组件结构示意图；

图9所示为本发明提出的一种采用非对称转化铰链的大承载式压电粘滑旋转台的非对称转化铰链结构示意图Ⅰ；

图10所示为本发明提出的一种采用非对称转化铰链的大承载式压电粘滑旋转台的非对称转化铰链结构示意图Ⅱ。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1~图10说明本实施方式，本实施方式提供了一种采用非对称转化铰链的大承载式压电粘滑旋转台的具体实施方式，所述一种采用非对称转化铰链的大承载式压电粘滑旋转台的具体实施方式表述如下：

所述一种采用非对称转化铰链的大承载式压电粘滑旋转台由转台1、轴承2、支撑圆筒3、底台4、驱动组件固定螺栓5、驱动组件6和圆筒固定螺栓7组成；其中，所述轴承2内圈与转台1过盈配合，所述轴承2外圈与支撑圆筒3过盈配合，所述驱动组件6通过驱动组件固定螺栓5固定安装在底台4上，所述驱动组件6与转台1下端部接触，所述支撑圆筒3通过圆筒固定螺栓7固定安装在底台4上。

所述转台1包括圆台1-1、轴承上限位面1-2和转动柱1-3；所述圆台1-1置于支撑圆筒3的圆台安装槽3-2内，用于承载外部工件；所述轴承上限位面1-2与轴承2接触，用于轴承2的轴向限位；所述转动柱1-3穿过支撑圆筒3与驱动组件6接触，用于传递输出扭矩。

所述轴承2包括轴承内圈上表面2-1和轴承外圈下表面2-2；所述轴承内圈上表面2-1与轴承上限位面1-2接触，所述轴承外圈下表面2-2与支撑圆筒3的轴承下限位面3-3接触。

所述支撑圆筒3包括旋转孔3-1、圆台安装槽3-2、轴承下限位面3-3、圆筒安装孔3-4和圆筒安装面3-5；所述旋转孔3-1内穿过转动柱1-3；所述圆台安装槽3-2内安装有圆台1-1；所述轴承下限位面3-3与轴承外圈下表面2-2接触，用于轴承2的轴向限位与支撑；所述圆筒安装孔3-4内穿过圆筒固定螺栓7，用于固定安装支撑圆筒3；所述圆筒安装面3-5与底台4的底台表面4-3接触。

所述底台4包括圆筒安装螺纹孔4-1、驱动组件安装螺纹孔4-2和底台表面4-3；所述圆筒安装螺纹孔4-1与圆筒固定螺栓7螺纹连接，将支撑圆筒3固定安装在底台4上；所述驱动组件安装螺纹孔4-2与驱动组件固定螺栓5螺纹连接，将驱动组件6固定安装在底台4上；所述底台表面4-3放置有支撑圆筒3和驱动组件6。

所述驱动组件6包括加载螺栓6-1、加载板6-2、非对称转化铰链6-3、压电叠堆6-4、垫片6-5和预紧螺栓6-6；其中，所述加载螺栓6-1与加载板6-2接触并施加压力于非对称转化铰链6-3上，以实现非对称转化铰链6-3对转动柱1-3的预加载；所述压电叠堆6-4两侧均与垫片6-5接触，并通过两侧的预紧螺栓6-6将压电叠堆6-4紧固在非对称转化铰链6-3内，以保证压电叠堆6-4两侧均匀受力；所述压电叠堆6-4可采用PI或NEC公司的产品。所述垫片6-5用于保护压电叠堆6-4，防止压电叠堆6-4因预紧螺栓6-6螺旋紧固而产生切应变或局部受力不均，所述垫片6-5采用钨钢材料。

所述非对称转化铰链6-3为中心对称结构，所述非对称转化铰链6-3可采用5025铝合金、6061铝合金、7075铝合金、Ti-35A钛合金或Ti-13钛合金材料；所述非对称转化铰链6-3设有安装台6-3-1、安装孔6-3-2、直梁柔性铰链6-3-3、叠堆限位台6-3-4、弹性矩形板6-3-5、加载板安装槽6-3-6、加载螺纹孔6-3-7、夹钳座6-3-8、预紧螺纹孔6-3-9、直圆型柔性铰链A₁6-3-101、连接梁A6-3-102、直圆型柔性铰链A₂6-3-103、直圆型柔性铰链B₁6-3-201、连接梁B6-3-202、直圆型柔性铰链B₂6-3-203；所述非对称转化铰链6-3可采用5025铝合金、6061铝合金、7075铝合金、Ti-35A钛合金或Ti-13钛合金材料；所述安装台6-3-1与底台4接触，所述安装台6-3-1上设有安装孔6-3-2；所述安装孔6-3-2内穿过驱动组件固定螺栓5，用于安装固定非对称转化铰链6-3；所述叠堆限位台6-3-4两侧设有直梁柔性铰链6-3-3，所述直梁柔性铰链6-3-3两端与安装台6-3-1和叠堆限位台6-3-4连接；所述加载板6-2安装在加载板安装槽6-3-6内，所述加载螺栓6-1与加载螺纹孔6-3-7螺纹连接；所述加载板安装槽6-3-6前设有弹性矩形板6-3-5，所述弹性矩形板6-3-5与转动柱1-3接触，用于驱动转动柱1-3使转台1转动；所述叠堆限位台6-3-4设有预紧螺纹孔6-3-9，所述预紧螺栓6-6与预紧螺纹孔6-3-9螺纹连接，用于实现对压电叠堆6-4的预紧作用；所述连接梁A6-3-102两侧分别设有直圆型柔性铰链A₁6-3-101和直圆型柔性铰链A₂6-3-103，所述直圆型柔性铰链A₁6-3-101与叠堆限位台6-3-4相连接，所述直圆型柔性铰链A₂6-3-103与夹钳座6-3-8相连接，其中，直圆型柔性铰链A₁6-3-101和直圆型柔性铰链A₂6-3-103的直圆半径均为a，a的取值范围为1.1mm~1.5mm，本实施方式中a=1.2mm；所述连接梁B6-3-202两侧分别设有直圆型柔性铰链B₁6-3-201和直圆型柔性铰链B₂6-3-203，所述直圆型柔性铰链B₁6-3-201与夹钳座6-3-8相连接，所述直圆型柔性铰链B₂6-3-203与叠堆限位台6-3-4相连接，其中，直圆型柔性铰链B₁6-3-201和直圆型柔性铰链B₂6-3-203的直圆半径均为b，a＞b，b 的取值范围为0.4mm~1mm，本实施方式中b=0.5mm。

工作原理：

所述一种采用非对称转化铰链的大承载式压电粘滑旋转台采用收缩夹持式非对称转化铰链，利用八边形收缩变形特性，向压电叠堆通入锯齿波电信号使其轴向伸长，带动非对称转化铰链在平行于压电叠堆伸长的方向向外同步伸长变形，同时非对称转化铰链在垂直于压电叠堆伸长的方向向内收缩变形，使其夹紧转台下端的转动柱，由于非对称转化铰链具有半径不等的直圆型柔性铰链且关于中心对称造成非对称转化铰链刚度不均，使其在垂直于压电叠堆伸长方向上的收缩直线位移转化为收缩斜向位移，并利用惯性粘滑原理带动转台旋转，使非对称转化铰链的收缩斜向运动转化为转台所需的旋转运动以实现驱动定位。其中，在压电叠堆带动非对称转化铰链缓慢收缩阶段，非对称转化铰链和转台在静摩擦力作用下产生缓慢的“粘”运动，此时非对称转化铰链和转台一起向前运动一大步；在压电叠堆带动非对称转化铰链快速恢复变形阶段，非对称转化铰链和转台在动摩擦力作用下产生快速的“滑”运动，此时非对称转化铰链恢复原始形态，而转台仅向后回退一小步，重复上述步骤达到非对称转化铰链驱动转台连续旋转步进运动的目的。

综合上述内容，本发明采用的非对称转化铰链具有半径不等的直圆型柔性铰链且其关于中心对称，造成非对称转化铰链刚度分布不均，使其产生收缩斜向位移，调整驱动组件与转台间接触的正压力，增大了驱动组件与转台间的摩擦驱动力，减小驱动组件与转台间的摩擦阻力，实现对压电粘滑旋转台驱动过程的摩擦力的综合调控，提高旋转台的驱动步效率，同时由于采用粘滑驱动原理，降低了旋转台铰链结构设计的复杂性，增大了旋转台的旋转范围，同时增大了旋转台的输出扭矩；转台与支撑圆筒通过轴承过盈配合连接，将转台的轴向承载力全部转移到底台上，增强了旋转台的承载能力。本发明具有结构简单、旋转范围大、承载能力强、定位精度高、输出推力大等特点，在光学精密仪器和半导体加工等微纳精密驱动与定位领域中具有很好的应用前景。

Claims (7)

1.一种采用非对称转化铰链的大承载式压电粘滑旋转台，其特征在于，该种采用非对称转化铰链的大承载式压电粘滑旋转台由转台（1）、轴承（2）、支撑圆筒（3）、底台（4）、驱动组件固定螺栓（5）、驱动组件（6）和圆筒固定螺栓（7）组成；其中，所述轴承（2）内圈与转台（1）过盈配合，所述轴承（2）外圈与支撑圆筒（3）过盈配合，所述驱动组件（6）通过驱动组件固定螺栓（5）固定安装在底台（4）上，所述驱动组件（6）与转台（1）下端部接触，所述支撑圆筒（3）通过圆筒固定螺栓（7）固定安装在底台（4）上。

2.根据权利要求1所述一种采用非对称转化铰链的大承载式压电粘滑旋转台，其特征在于，所述转台（1）包括圆台（1-1）、轴承上限位面（1-2）和转动柱（1-3）；所述圆台（1-1）置于支撑圆筒（3）的圆台安装槽（3-2）内；所述轴承上限位面（1-2）与轴承（2）接触；所述转动柱（1-3）穿过支撑圆筒（3）与驱动组件（6）接触。

3.根据权利要求1所述一种采用非对称转化铰链的大承载式压电粘滑旋转台，其特征在于，所述轴承（2）包括轴承内圈上表面（2-1）和轴承外圈下表面（2-2）；所述轴承内圈上表面（2-1）与轴承上限位面（1-2）接触，所述轴承外圈下表面（2-2）与支撑圆筒（3）的轴承下限位面（3-3）接触。

4.根据权利要求1所述一种采用非对称转化铰链的大承载式压电粘滑旋转台，其特征在于，所述支撑圆筒（3）包括旋转孔（3-1）、圆台安装槽（3-2）、轴承下限位面（3-3）、圆筒安装孔（3-4）和圆筒安装面（3-5）；所述旋转孔（3-1）内穿过转动柱（1-3）；所述圆台安装槽（3-2）内安装有圆台（1-1）；所述轴承下限位面（3-3）与轴承外圈下表面（2-2）接触；所述圆筒安装孔（3-4）内穿过圆筒固定螺栓（7）；所述圆筒安装面（3-5）与底台（4）的底台表面（4-3）接触。

5.根据权利要求1所述一种采用非对称转化铰链的大承载式压电粘滑旋转台，其特征在于，所述底台（4）包括圆筒安装螺纹孔（4-1）、驱动组件安装螺纹孔（4-2）和底台表面（4-3）；所述圆筒安装螺纹孔（4-1）与圆筒固定螺栓（7）螺纹连接；所述驱动组件安装螺纹孔（4-2）与驱动组件固定螺栓（5）螺纹连接；所述底台表面（4-3）放置有支撑圆筒（3）和驱动组件（6）。

6.根据权利要求1所述一种采用非对称转化铰链的大承载式压电粘滑旋转台，其特征在于，所述驱动组件（6）包括加载螺栓（6-1）、加载板（6-2）、非对称转化铰链（6-3）、压电叠堆（6-4）、垫片（6-5）和预紧螺栓（6-6）；其中，所述加载螺栓（6-1）与加载板（6-2）接触，所述加载板（6-2）安装于非对称转化铰链（6-3）的加载板安装槽（6-3-6）内；所述压电叠堆（6-4）两侧均与垫片（6-5）接触，并通过两侧的预紧螺栓（6-6）将压电叠堆（6-4）紧固在非对称转化铰链（6-3）内。

7.根据权利要求6所述一种采用非对称转化铰链的大承载式压电粘滑旋转台，其特征在于，所述非对称转化铰链（6-3）为中心对称结构，所述非对称转化铰链（6-3）可采用5025铝合金、6061铝合金、7075铝合金、Ti-35A钛合金或Ti-13钛合金材料；所述非对称转化铰链（6-3）设有安装台（6-3-1）、安装孔（6-3-2）、直梁柔性铰链（6-3-3）、叠堆限位台（6-3-4）、弹性矩形板（6-3-5）、加载板安装槽（6-3-6）、加载螺纹孔（6-3-7）、夹钳座（6-3-8）、预紧螺纹孔（6-3-9）、直圆型柔性铰链A₁（6-3-101）、连接梁A（6-3-102）、直圆型柔性铰链A₂（6-3-103）、直圆型柔性铰链B₁（6-3-201）、连接梁B（6-3-202）、直圆型柔性铰链B₂（6-3-203）；所述安装台（6-3-1）与底台（4）接触，所述安装台（6-3-1）上设有安装孔（6-3-2）；所述安装孔（6-3-2）内穿过驱动组件固定螺栓（5）；所述叠堆限位台（6-3-4）两侧设有直梁柔性铰链（6-3-3），所述直梁柔性铰链（6-3-3）两端与安装台（6-3-1）和叠堆限位台（6-3-4）连接；所述加载板（6-2）安装在加载板安装槽（6-3-6）内，所述加载螺栓（6-1）与加载螺纹孔（6-3-7）螺纹连接；所述加载板安装槽（6-3-6）前设有弹性矩形板（6-3-5），所述弹性矩形板（6-3-5）与转动柱（1-3）接触；所述叠堆限位台（6-3-4）设有预紧螺纹孔（6-3-9），所述预紧螺栓（6-6）与预紧螺纹孔（6-3-9）螺纹连接；所述连接梁A（6-3-102）两侧分别设有直圆型柔性铰链A₁（6-3-101）和直圆型柔性铰链A₂（6-3-103），所述直圆型柔性铰链A₁（6-3-101）与叠堆限位台（6-3-4）相连接，所述直圆型柔性铰链A₂（6-3-103）与夹钳座（6-3-8）相连接；所述连接梁B（6-3-202）两侧分别设有直圆型柔性铰链B₁（6-3-201）和直圆型柔性铰链B₂（6-3-203），所述直圆型柔性铰链B₁（6-3-201）与夹钳座（6-3-8）相连接，所述直圆型柔性铰链B₂（6-3-203）与叠堆限位台（6-3-4）相连接。