專利名稱：壓電型單自由度精密旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及精密加工機床、微機電系統(tǒng)和機器人等領(lǐng)域。
技術(shù)背景近年來，隨著微電子學(xué)、生命科學(xué)、醫(yī)藥衛(wèi)生、生物化學(xué)、半導(dǎo)體、光學(xué)、數(shù)據(jù)存儲、超精密機械及其制造以及精密測量等學(xué)科的迅猛發(fā)展，人們對微納米級的精密定位技術(shù)和微納米級的精密驅(qū)動技術(shù)有著越來越多的需求。因此各種具有精密定位或具有精密驅(qū)動的驅(qū)動器被開發(fā)研制出來。傳統(tǒng)的驅(qū)動器一般采用步進電機帶動滾珠絲杠實現(xiàn)精密定位或精密驅(qū)動，或者采用手動細(xì)牙螺紋視線定位或驅(qū)動，近年來，隨著壓電驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展，以壓電陶瓷為核心元件的另一種精密定位或精密驅(qū)動的驅(qū)動器脫穎而出。
傳統(tǒng)的驅(qū)動器存在結(jié)構(gòu)尺寸大、步進精度低，而且往返重復(fù)定位精度低、高精度的滾珠絲杠加工困難等缺點；此外其中也有一些驅(qū)動器輸出穩(wěn)定、精度高，但行程小，只有幾十微米，嚴(yán)重限制了其應(yīng)用的范圍，同時，整個裝置相當(dāng)復(fù)雜，影響整體剛度，且這類裝置均不能實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的是提供一種具有單自由度、能實現(xiàn)精密旋轉(zhuǎn)步進運動、鉗位穩(wěn)定和提供大載荷輸出，并能實現(xiàn)大行程等功能的新型精密旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器。
本實用新型由轉(zhuǎn)子1、定子11和基座7組成，定子11通過螺栓6、12、13與基座7連接；轉(zhuǎn)子1通過滑動軸承8與基座7連接，其中定子11包含鉗位機構(gòu)2、3和驅(qū)動機構(gòu)9，為一通過多個雙薄壁柔性鉸鏈連接的整體和封閉結(jié)構(gòu)，且壓電陶瓷4、5、10裝于其中；可動部件全部采用形體可控面型的壓電陶瓷疊堆PZT，其運動是通過對壓電陶瓷4、5、10控制電壓的時序控制來實現(xiàn)；轉(zhuǎn)子1的轉(zhuǎn)動和停止均由薄壁柔性鉸鏈的鉗位作用實現(xiàn)；鉗位機構(gòu)2、3經(jīng)壓電陶瓷4、5的作用，可沿轉(zhuǎn)子1徑向伸縮變形。
本實用新型中的定子11與鉗位機構(gòu)2、3及驅(qū)動機構(gòu)9連成一體，有利于提高系統(tǒng)剛性，從而增加系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。旋轉(zhuǎn)運動的轉(zhuǎn)子1通過滑動軸承8置于基座7的內(nèi)孔中，底座7與滑動軸承8對轉(zhuǎn)子1起到三個方向上的平動自由度的限制作用。轉(zhuǎn)子1通過滑動軸承8連接，可在基座7上繞確定的軸線旋轉(zhuǎn)，同時滑動軸承8采用耐磨性好的材料，可提高驅(qū)動器的旋轉(zhuǎn)精度和長期使用的精度保持性。通過轉(zhuǎn)子1可連接動力輸出裝置，最終動力由轉(zhuǎn)子1輸出。鉗位機構(gòu)2、3采用一種特殊的雙鉗位懸臂鉸鏈結(jié)構(gòu)，并使鉗位、驅(qū)動方式交替進行，從而實現(xiàn)鉗位的穩(wěn)定性和軸向旋轉(zhuǎn)的準(zhǔn)確性。其驅(qū)動部分設(shè)計成雙側(cè)薄壁鉸鏈，使結(jié)構(gòu)緊湊并且響應(yīng)迅速。為了實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動為推力起作用，本驅(qū)動器設(shè)計成采用兩組壓電疊堆共同作用實現(xiàn)鉗緊和推動，且鉗緊和驅(qū)動按相應(yīng)時序交替進行。
轉(zhuǎn)子1的精密旋轉(zhuǎn)運動通過應(yīng)用壓電陶瓷疊堆PZT對其進行鉗位和驅(qū)動實現(xiàn)；轉(zhuǎn)子1無繞線結(jié)構(gòu)，可使驅(qū)動器在轉(zhuǎn)子1任意角度位置開始旋轉(zhuǎn)，且實現(xiàn)任意度數(shù)旋轉(zhuǎn)；鉗位機構(gòu)2、3和驅(qū)動機構(gòu)9為薄壁柔性鉸鏈，使之在工作中鉗位力穩(wěn)定、可靠。
本實用新型可大大提高普通驅(qū)動器的驅(qū)動精度，降低結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及減小尺寸，且具有成本低、投資少、見效快、效益高等優(yōu)點。


圖1為壓電型單自由度精密旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器主視圖圖2為壓電型單自由度精密旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器圖1A-A向的剖視圖圖中1.轉(zhuǎn)子 2.鉗位機構(gòu) 3.鉗位機構(gòu) 4.壓電陶瓷 5.壓電陶瓷 6.螺栓 7.基座 8.滑動軸承 9.驅(qū)動機構(gòu) 10.壓電陶瓷 11.定子 12.螺栓 13.螺栓具體實施方式
本實用新型的具體工作過程如下初始狀態(tài)時，壓電陶瓷4、5、10均不帶電，系統(tǒng)處于自由狀態(tài)，此時轉(zhuǎn)子1亦處于游動狀態(tài)；當(dāng)轉(zhuǎn)子1開始旋轉(zhuǎn)時，鉗位機構(gòu)3和驅(qū)動機構(gòu)9作用，先是連在鉗位機構(gòu)3上的壓電陶瓷5伸長，柔性鉸鏈在其作用下發(fā)生變形，使鉗位機構(gòu)3與轉(zhuǎn)子1接觸，并鉗緊轉(zhuǎn)子1，隨后，驅(qū)動機構(gòu)9上的壓電陶瓷10帶電伸長，在其作用下，驅(qū)動機構(gòu)9上的柔性鉸鏈發(fā)生變形，從而使轉(zhuǎn)子1旋轉(zhuǎn)一個微步長(角度)；之后，鉗位機構(gòu)2上的壓電陶瓷4迅速帶電伸長，并帶動鉗位機構(gòu)2鉗緊轉(zhuǎn)子1，隨后，驅(qū)動機構(gòu)9上的壓電陶瓷10和鉗位機構(gòu)3上的壓電陶瓷5分別斷電回縮，脫離轉(zhuǎn)子1，轉(zhuǎn)子1在鉗位機構(gòu)2作用下穩(wěn)固定位，然后，鉗位機構(gòu)3上的壓電陶瓷5再次帶電鉗緊轉(zhuǎn)子1，隨之鉗位機構(gòu)2上的壓電陶瓷4斷電回縮，驅(qū)動機構(gòu)9上的壓電陶瓷10再帶電伸長推動轉(zhuǎn)子1再次旋轉(zhuǎn)一個微步長(角度)。
轉(zhuǎn)子1用于完成動力、載荷輸出，可將外輸出部件通過相應(yīng)連接方式連接在轉(zhuǎn)子1上，整個旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器的旋轉(zhuǎn)運動具有嚴(yán)格的時序邏輯，其旋轉(zhuǎn)運動的完成，完全依賴推力作用。
權(quán)利要求1.一種壓電型單自由度精密旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器，其特征在于它由轉(zhuǎn)子(1)、定子(11)和基座(7)組成，定子(11)通過螺栓(6、12、13)與基座(7)連接；轉(zhuǎn)子(1)通過滑動軸承(8)與基座(7)連接，其中定子(11)包含鉗位機構(gòu)(2、3)和驅(qū)動機構(gòu)(9)，為一通過多個雙薄壁柔性鉸鏈連接的整體和封閉結(jié)構(gòu)，且壓電陶瓷(4、5、10)裝于其中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電型單自由度精密旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器，其特征在于可動部件全部采用形體可控面型的壓電陶瓷疊堆PZT，其運動是通過對壓電陶瓷(4、5、10)控制電壓的時序控制來實現(xiàn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電型單自由度精密旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器，其特征在于轉(zhuǎn)子(1)的轉(zhuǎn)動和停止均由薄壁柔性鉸鏈的鉗位作用實現(xiàn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電型單自由度精密旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器，其特征在于轉(zhuǎn)子(1)為無繞線結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電型單自由度精密旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器，其特征在于鉗位機構(gòu)(2、3)經(jīng)壓電陶瓷(4、5)的作用，可沿轉(zhuǎn)子(1)徑向伸縮變形。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電型單自由度精密旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器，其特征在于滑動軸承(8)為高硬度耐磨滑動軸承。
專利摘要本實用新型涉及精密加工機床、微機電系統(tǒng)和機器人等領(lǐng)域。目的是提供一種能提高系統(tǒng)微動精度、降低結(jié)構(gòu)尺寸的壓電型單自由度精密旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器。本實用新型由轉(zhuǎn)子、定子和基座組成，定子通過螺栓與基座連接，轉(zhuǎn)子通過滑動軸承與基座連接，其中定子包含鉗位機構(gòu)和驅(qū)動機構(gòu)，為一通過多個雙薄壁柔性鉸鏈連接的整體和封閉結(jié)構(gòu)，且壓電陶瓷裝于其中。本實用新型可大大提高普通驅(qū)動器的驅(qū)動精度，降低結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及減小尺寸，且具有成本低、投資少、見效快、效益高等優(yōu)點。
文檔編號H02N2/12GK2766450SQ20042001218
公開日2006年3月22日 申請日期2004年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月6日
發(fā)明者程光明, 楊志剛, 曾平, 趙宏偉, 張鵬, 余學(xué)貴, 張宏壯, 劉國嵩, 楊樹臣 申請人:吉林大學(xué)