CN114055248B - 一种压电驱动的微小型分度盘及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压电驱动的微小型分度盘及其控制方法，属于精密机械领域。从外至内依次设置有壳体（1）、旋转件（2）、中心件（6）；所述中间体（12）内部安装有第一压电驱动器（51）和第二压电驱动器（52）；所述上体（13）与旋转件（2）之间安装有轴承（4）；所述弹性卡点（601）卡在两个分度凸点221之间；所述驱动齿（201）与第一压电驱动器（51）和第二压电驱动器（52）配套使用；本发明提出的一种压电驱动的微小型分度盘具有结构简单、功耗低、控制方便、稳定性好和工作寿命长的特点和优势。

Description

一种压电驱动的微小型分度盘及其控制方法

技术领域

本发明属于精密机械领域，具体涉及一种压电驱动的微小型分度盘及其控制方法。

背景技术

分度盘是将工件旋转、分度和定位的核心设备，广泛应用于自动化设备、机器人及机床中，如中国发明专利CN202110459691.1提出一种分度定位机构，其通过直线气缸推动并结合导向块和分度槽实现分度定位的功能，此方案解决了现有技术中分度定位机构使用成本高的问题。但是当前分度盘主要采用电动机或气缸驱动，存在结构大、功耗高、电磁干扰等缺点，难以满足微小型集成系统的要求。

压电驱动具有能量密度高、功耗低、结构简单、易驱动及无电磁干扰等特点，在微小型分度盘领域具有广泛的应用前景。现有压电驱动旋转机构中，大都利用摩擦力进行驱动，如中国发明专利CN202110602176.4提出一种微小型粘滑式压电电机及其驱动方法，其采用压电叠堆得电伸长经杠杆式柔性铰链带动轴承旋转，通过摩擦力实现滑块的定向驱动。但现有压电驱动旋转机构通过摩擦力来产生和传递运动，故驱动力相对较小且对部件加工精度要求高、磨损严重时无法使用。

发明内容

针对现有分度盘的不足，本发明提出一种结构简单、功耗低、控制方便、稳定性好和工作寿命长的压电驱动的微小型分度盘。

本发明实施例提供了一种压电驱动的微小型分度盘及其控制方法，采用以下技术方案：从外至内依次设置有壳体、旋转件、中心件；所述壳体从下至上依次设置有底座、中间体和上体；所述中间体内部安装有第一压电驱动器和第二压电驱动器；所述第一压电驱动器和第二压电驱动器均由压电薄膜和弹性基板粘接而成，两者结构和组成完全一致；所述弹性基板的一端与中间体相连，第一压电驱动器和第二压电驱动器为悬臂梁姿态，这可以加大压电驱动器的位移输出；所述上体与旋转件之间安装有轴承，用于构造旋转件与壳体之间的转动副，这可以实现旋转件相对于壳体的稳定旋转运动；所述上体上表面相连有上封盖；所述上封盖压紧轴承的外圈，用于轴承的固定；所述上封盖与旋转件之间为间隙滑动配合；所述旋转件下部设置有内孔；所述中心件下表面与底座上表面连接；所述中心件上部进入内孔；所述内孔内部表面均布有多个分度凸点，相邻分度凸点的夹角为θ；所述中心件上部均布有弹性卡点，弹性卡点自身具有一定的弹性；所述弹性卡点卡在两个分度凸点之间，在旋转件旋转过程中，弹性卡点在挤压作用下产生径向变形，这可以使其切入到下一组两个分度凸点之间，进而实现旋转件在不同旋转角度上固定；所述旋转件下部均匀布置有多个驱动齿；所述驱动齿与第一压电驱动器和第二压电驱动器配套使用；所述驱动齿相邻齿之间的夹角为2θ；所述分度凸点相邻凸点夹角为θ，其为相邻驱动齿之间夹角的一半；所述驱动齿顶端的旋转半径R1小于第一压电驱动器和第二压电驱动器在回复状态下顶端以旋转件旋转中心为圆心构成的圆半径R2，这样防止第一压电驱动器与第二压电驱动器在旋转过程中与驱动齿发生干涉碰撞；所述第一压电驱动器在旋转件左部组成组B，其中相邻的第一压电驱动器之间的夹角为2θ，与相邻驱动齿之间的夹角相同；所述第二压电驱动器在旋转件右部组成组A，其中相邻的第二压电驱动器之间的分度角为2θ，与相邻驱动齿201之间的分度夹角相同；所述组A中第二压电驱动器的顶端触点与相对应的驱动齿之间的夹角为β，组B中第一压电驱动器的顶端触点与相对应的驱动齿之间的夹角为α，且

，这可以实现组A和组B交叉驱动实现分度盘的步进旋转运动并杜绝了压电驱动器与驱动齿的碰撞干涉。

进一步的，所述上封盖上表面设置有防尘环；所述防尘环与分度平台下表面凹槽之间间隙滑动配合，用于实现安装定位和防尘。

进一步的，所述第一压电驱动器和第二压电驱动器预弯成一定弧度。

进一步的，所述压电薄膜的材料为压电陶瓷复合纤维材料，可以加大第一压电驱动器和第二压电驱动器的预弯弧度，同时压电陶瓷复合纤维材料具有大的位移输出，所以也可加大第一压电驱动器和第二压电驱动器的位移输出。

进一步的，所述驱动齿设置有受力面和避让斜面，避让斜面可以防止第一压电驱动器和第二压电驱动器在复位过程中与驱动齿产生干涉和碰撞，受力面在第一压电驱动器和第二驱动器驱动过程中充分受力，实现旋转件的有效驱动。

进一步的，所述弹性卡点配套设置有弹簧；所述中心件设置有安装孔用于安装弹簧；所述弹性卡点与中心件滑动配合，在旋转件旋转运动时，分度凸点挤压弹性卡点使其挤压弹簧并径向收缩，进而卡入下一组两个分度凸点之间，实现分度盘的一个步进角度。

一种压电驱动的微小型分度盘分为初始状态、第一工作状态、第二工作状态、第三工作状态、第四工作状态，本实施例的具体工作过程，叙述如下：

初始状态：不施加电压信号，组B中第一压电驱动器以及组A中第二压电驱动器保持预定弯曲状态。

第一工作状态：组A中所有第二压电驱动器施加与压电薄膜极化方向相同的电压，所有第二压电驱动器中的压电薄膜收缩，第二压电驱动器向外拉伸，第二压电驱动器顶端推动驱动齿的受力面向前推进θ，弹性卡点在推动力作用下径向收缩并卡入下一组分度凸点之间，实现分度盘的一个步进角度θ。

第二工作状态：去除施加在第二压电驱动器的驱动电压，第二压电驱动器复位，驱动齿设置的避让斜面防止第二压电驱动器与驱动齿之间在复位过程中发生干涉。

第三工作状态：组B中所有第一压电驱动器施加与压电薄膜极化方向相同的电压，所有第一压电驱动器中的压电薄膜收缩，第一压电驱动器向外拉伸，第一压电驱动器顶端推动驱动齿的受力面向前推进θ，弹性卡点在推动力作用下径向收缩并卡入下一组分度凸点之间，实现分度盘的下一个步进角度θ。第一压电驱动器和第二压电驱动器的结构和组成完全一致，两者的驱动效果也一致。

第四工作状态：去除施加在第一压电驱动器的驱动电压，第一压电驱动器复位，驱动齿设置的避让斜面防止第一压电驱动器与驱动齿之间在复位过程中发生干涉。

在交变电压信号的驱动下，第一、第二、第三、第四工作状态反复转变，旋转件不断以步进角度θ转动，通过控制步进数量可以实现设定角度分步旋转，进而获得分度功能。

本发明的特色及优势在于： 1、通过组A和组B压电驱动器进行错位驱动，可获得稳定的步进角度输出；2、采用悬臂梁式压电驱动器结合驱动齿进行驱动，系统的稳定性好和工作寿命长；3、采用压电驱动，结构简单、功耗低、控制方便且不存在电磁干扰。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例的结构剖面图；

图2是图1的C-C向剖视图；

图3是本发明一个较佳实施例中第一工作状态的C-C向结构剖面图；

图4是本发明一个较佳实施例中第二工作状态的C-C向结构剖面图；

图5是本发明一个较佳实施例中第三工作状态的C-C向结构剖面图；

图6是本发明一个较佳实施例中第四工作状态的C-C向结构剖面图；

图7是图2中单个第二压电驱动器（52）周边的局部放大图；

图8是图3中单个第二压电驱动器（52）周边的局部放大图；

图9是图4中单个第二压电驱动器（52）周边的局部放大图；

图10是一个较佳实施例中中心件（6）与旋转件（2）配合工作的结构剖面放大图；

图11是本发明一个较佳实施例的驱动信号图；

其中： 1-壳体；11-底座；12-中间体；13-上体；2-旋转件；21-分度平台；22-内孔；201-驱动齿；221-分度凸点；231-避让斜面；241-受力面；3-上封盖；4-轴承；51-第一压电驱动器；52-第二压电驱动器；501-压电薄膜；502-弹性基板；6-中心件；601-弹性卡点；611-弹簧。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

请参阅图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10和图11，本发明提出一种压电驱动的微小型分度盘及其控制方法，包括：从外至内依次设置有壳体1、旋转件2、中心件6；所述壳体1从下至上依次设置有底座11、中间体12和上体13；所述中间体13内部安装有第一压电驱动器51和第二压电驱动器52；所述第一压电驱动器51和第二压电驱动器52均由压电薄膜501和弹性基板502粘接而成，两者结构和组成完全一致；所述弹性基板502的一端与中间体12相连，第一压电驱动器51和第二压电驱动器52为悬臂梁姿态，这可以加大压电驱动器的位移输出；所述上体13与旋转件2之间安装有轴承4，用于构造旋转件2与壳体1之间的转动副，这可以实现旋转件2相对于壳体1的稳定旋转运动；所述上体13上表面相连有上封盖3；所述上封盖3压紧轴承4的外圈，用于轴承4的固定；所述上封盖3与旋转件2之间为间隙滑动配合；所述旋转件2下部设置有内孔22；所述中心件6下表面与底座11上表面连接；所述中心件6上部进入内孔22；如图8所示，所述内孔22内部表面均布有多个分度凸点221，相邻分度凸点221的夹角为θ；所述中心件6上部均布有弹性卡点601，弹性卡点601自身具有一定的弹性；所述弹性卡点601卡在两个分度凸点221之间，在旋转件2旋转过程中，弹性卡点601在挤压作用下产生径向变形，这可以使其切入到下一组两个分度凸点221之间，进而实现旋转件2在不同旋转角度上固定；所述旋转件2下部均匀布置有多个驱动齿201；所述驱动齿201与第一压电驱动器51和第二压电驱动器52配套使用；如图7所示，所述驱动齿201相邻齿之间的夹角为2θ；所述分度凸点221相邻凸点夹角为θ，其为相邻驱动齿201之间夹角的一半；如图9所示，所述驱动齿201顶端的旋转半径R1小于第一压电驱动器51和第二压电驱动器52在回复状态下顶端以旋转件2旋转中心为圆心构成的圆半径R2,这样防止第一压电驱动器51与第二压电驱动器52在旋转过程中与驱动齿201发生干涉碰撞；所述第一压电驱动器51在旋转件2左部组成组B，其中相邻的第一压电驱动器51之间的夹角为2θ，与相邻驱动齿201之间的夹角相同;所述第二压电驱动器52在旋转件2右部组成组A，其中相邻的第二压电驱动器52之间的分度角为2θ，与相邻驱动齿201之间的分度夹角相同；如图6所示，回复状态下，所述组A中第二压电驱动器52的顶端触点与相对应的驱动齿201之间的夹角为β，组B中第一压电驱动器51的顶端触点与相对应的驱动齿201之间夹角的为α，其中

，这可以实现组A和组B交叉驱动实现分度盘的步进旋转运动并杜绝了压电驱动器与驱动齿201的碰撞干涉。

进一步的，所述上封盖3上表面设置有防尘环301；所述防尘环301与分度平台21下表面凹槽之间间隙滑动配合，用于实现安装定位和防尘。

进一步的，所述第一压电驱动器51和第二压电驱动器52预弯成一定弧度。

进一步的，所述压电薄膜501的材料为压电陶瓷复合纤维材料，可以加大第一压电驱动器51和第二压电驱动器52的预弯弧度，同时压电陶瓷复合纤维材料具有大的位移输出，所以也可加大第一压电驱动器51和第二压电驱动器52的位移输出。

进一步的，所述驱动齿201设置有受力面241和避让斜面231，避让斜面231可以防止第一压电驱动器51和第二压电驱动器52在复位过程中与驱动齿201产生干涉和碰撞，受力面241在第一压电驱动器51和第二驱动器52驱动过程中充分受力，实现旋转件2的有效驱动。

进一步的，所述弹性卡点601配套设置有弹簧611；所述中心件6设置有安装孔用于安装弹簧611；所述弹性卡点601与中心件 6滑动配合，在旋转件2旋转运动时，分度凸点221挤压弹性卡点601使其挤压弹簧611并径向收缩，进而卡入下一组两个分度凸点221之间，实现分度盘的一个步进角度θ。

一种压电驱动的微小型分度盘分为初始状态、第一工作状态、第二工作状态、第三工作状态、第四工作状态，如图11所示，本实施例的具体工作过程，叙述如下：

初始状态：如图2和图7所示，不施加电压信号，组B中第一压电驱动器51以及组A中第二压电驱动器52保持预定弯曲状态。

第一工作状态：如图3和图8所示，组A中所有第二压电驱动器52施加与压电薄膜501极化方向相同的电压，所有第二压电驱动器52中的压电薄膜501收缩，第二压电驱动器52向外拉伸，第二压电驱动器52顶端推动驱动齿201的受力面241向前推进θ，弹性卡点601在推动力作用下径向收缩并卡入下一组分度凸点221之间，实现分度盘的一个步进角度θ。

第二工作状态：如图 4和图9所示，去除施加在第二压电驱动器52的驱动电压，第二压电驱动器52复位，驱动齿201设置的避让斜面231防止第二压电驱动器52与驱动齿201之间在复位过程中发生干涉。

第三工作状态：如图5所示，组B中所有第一压电驱动器51施加与压电薄膜501极化方向相同的电压，所有第一压电驱动器51中的压电薄膜501收缩，第一压电驱动器51向外拉伸，第一压电驱动器51顶端推动驱动齿201的受力面241向前推进θ，弹性卡点601在推动力作用下径向收缩并卡入下一组分度凸点221之间，实现分度盘的下一个步进角度θ。第一压电驱动器51和第二压电驱动器52的结构和组成完全一致，两者的驱动效果也一致，第一压电驱动器51的向外拉伸可参照图8。

第四工作状态：如图 6所示，去除施加在第一压电驱动器51的驱动电压，第一压电驱动器51复位，驱动齿201设置的避让斜面231防止第一压电驱动器51与驱动齿201之间在复位过程中发生干涉。

在交变电压信号的驱动下，第一、第二、第三、第四工作状态反复转变，旋转件2不断以步进角度θ转动，通过控制步进数量可以实现设定角度分步旋转，进而获得分度功能。

Claims (6)

1.一种压电驱动的微小型分度盘，其特征在于：从外至内依次设置有壳体、旋转件、中心件；所述壳体从下至上依次设置有底座、中间体和上体；所述中间体内部安装有第一压电驱动器和第二压电驱动器；所述第一压电驱动器和第二压电驱动器由压电薄膜和弹性基板粘接而成；所述弹性基板的一端与中间体相连，第一压电驱动器和第二压电驱动器均为悬臂梁结构；所述第一压电驱动器和第二压电驱动器预弯成一定弧度；所述上体与旋转件之间安装有轴承；所述上体上表面相连有上封盖；所述上封盖压紧轴承的外圈；所述上封盖与旋转件之间为间隙滑动配合；所述旋转件下部设置有内孔；所述中心件下表面与底座上表面连接；所述中心件上部进入内孔；所述内孔内部表面均布有多个分度凸点，相邻分度凸点的夹角为θ；所述中心件上部均布有弹性卡点，弹性卡点自身具有一定的弹性；所述弹性卡点卡在两个分度凸点之间；所述旋转件下部均匀布置有多个驱动齿；所述驱动齿与第一压电驱动器和第二压电驱动器配套使用；所述驱动齿相邻齿之间的夹角为2θ；所述驱动齿顶端的旋转半径R1小于第一压电驱动器和第二压电驱动器在回复状态下顶端以旋转件旋转中心为圆心构成的圆半径R2；所述第一压电驱动器在旋转件左部组成组B，其中相邻的第一压电驱动器之间的夹角为2θ；所述第二压电驱动器在旋转件右部组成组A，其中相邻的第二压电驱动器之间的分度角为2θ；在所述第一压电驱动器和所述第二压电驱动器完全复位状态下，所述组A中第二压电驱动器的顶端触点与相对应的驱动齿之间的夹角为β，组B中第一压电驱动器的顶端触点与相对应的驱动齿之间的夹角为α，且

。

2.一种根据 权利要求1所述的压电驱动的微小型分度盘，其特征在于：所述上封盖上表面设置有防尘环；所述防尘环与分度平台下表面凹槽之间间隙滑动配合。

3.一种根据 权利要求1所述的压电驱动的微小型分度盘，其特征在于：所述压电薄膜的材料为压电陶瓷复合纤维材料。

4.一种根据 权利要求1所述的压电驱动的微小型分度盘，其特征在于：所述驱动齿设置有受力面和避让斜面。

5.一种根据 权利要求1所述的压电驱动的微小型分度盘，其特征在于：所述弹性卡点配套设置有弹簧；所述中心件设置有安装孔用于安装弹簧；所述弹性卡点与中心件滑动配合。

6.一种控制方法，其特征在于，基于所述权利要求1至5任一项所述压电驱动的微小型分度盘，包括以下步骤：

第

步，组A中所有第二压电驱动器施加与压电薄膜极化方向相同的电压，所有第二压电驱动器中的压电薄膜收缩，第二压电驱动器向外拉伸，第二压电驱动器顶端推动驱动齿的受力面向前推进θ，弹性卡点在推动力作用下径向收缩并卡入下一组分度凸点之间；

第

步，去除施加在第二压电驱动器的驱动电压，第二压电驱动器复位；

第

步，组B中所有第一压电驱动器施加与压电薄膜极化方向相同的电压，所有第一压电驱动器中的压电薄膜收缩，第一压电驱动器向外拉伸，第一压电驱动器顶端推动驱动齿的受力面向前推进θ，弹性卡点在推动力作用下径向收缩并卡入下一组分度凸点之间；

第

步，去除施加在第一压电驱动器的驱动电压，第一压电驱动器复位；

第

步，重复以上步骤，组A和组B交替驱动，旋转件以步进角度θ转动，通过控制步进数量可以实现设定角度分步旋转。

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