專利名稱：基于混合驅(qū)動(dòng)機(jī)理的仿生多自由度微納米級(jí)壓電驅(qū)動(dòng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種基于混合驅(qū)動(dòng)機(jī)理的仿生多自由度微納米級(jí)壓電驅(qū)動(dòng)器，應(yīng)用于超精密加工機(jī)床、微電子技術(shù)、材料試件納米力學(xué)性能的檢測(cè)、微機(jī)電系統(tǒng)、精密光學(xué)、航空航天和機(jī)器人、通信領(lǐng)域、計(jì)算機(jī)、和辦公自動(dòng)化等民用高技術(shù)方面等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在科學(xué)技術(shù)的日新月異的今天，高新科學(xué)技術(shù)研究成果、高精尖技術(shù)的應(yīng)用使精密驅(qū)動(dòng)和精密定位技術(shù)正在突破傳統(tǒng)的光、機(jī)、電框架，被廣泛應(yīng)用于微小機(jī)械制造、超精密加工、生物工程、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)、生命與醫(yī)療科學(xué)、生物化學(xué)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、集成電路制造、精密光學(xué)、半導(dǎo)體技術(shù)、顯微鏡技術(shù)、掃描隧道顯微鏡、微型零件的操作和裝配、半導(dǎo)體制造設(shè)備以及光電等領(lǐng)域中。微機(jī)械技術(shù)、微納米測(cè)量技術(shù)、微納米級(jí)的定位和驅(qū)動(dòng)技術(shù)已成為當(dāng)今世界高新技術(shù)領(lǐng)域的熱門，各種形式各異的具有精密驅(qū)動(dòng)、精密測(cè)量和精密定位功能的新型驅(qū)動(dòng)器被陸續(xù)研制開(kāi)發(fā)出來(lái)。精密定位技術(shù)作為關(guān)鍵技術(shù)之一，在現(xiàn)代尖端領(lǐng)域和科學(xué)研究占有極其重要的地位，左右著各領(lǐng)域精密技術(shù)的發(fā)展，歐美等先進(jìn)國(guó)家在軍工武器和高技術(shù)等方面的領(lǐng)先地位得益于其在精密定位和測(cè)試技術(shù)方面的發(fā)展水平。同樣，他們?cè)谖㈦娮蛹夹g(shù)、通信領(lǐng)域、計(jì)算機(jī)、光學(xué)、和辦公自動(dòng)化等民用高技術(shù)方面的領(lǐng)先也是與其在精密測(cè)試與制造技術(shù)方面的領(lǐng)先地位分不開(kāi)的。傳統(tǒng)的精密驅(qū)動(dòng)器主要采用精密螺桿螺母副、滾動(dòng)或滑動(dòng)導(dǎo)軌、渦輪-凸輪機(jī)構(gòu)、齒輪-杠桿機(jī)構(gòu)、精密螺旋楔塊等機(jī)構(gòu)，由于存在較大的間隙和摩擦，結(jié)構(gòu)不夠緊湊，存在爬行、多環(huán)節(jié)傳動(dòng)等原因，不能滿足現(xiàn)代精密驅(qū)動(dòng)器的技術(shù)要求。而壓電陶瓷材料具備的高精度、響應(yīng)快、驅(qū)動(dòng)力大、頻率響應(yīng)好、驅(qū)動(dòng)功率低、工作頻率寬、不受電磁干擾、無(wú)空回、無(wú)摩擦、不需潤(rùn)滑、低能耗等優(yōu)點(diǎn)，隨著壓電元件性能的不斷發(fā)展提升以及加工技術(shù)水平的進(jìn)步，近年來(lái)，由此類元件作為精密驅(qū)動(dòng)的微納米級(jí)精密驅(qū)動(dòng)器越來(lái)越受到關(guān)注。傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器存在結(jié)構(gòu)尺寸大，易出現(xiàn)爬行等現(xiàn)象，定位精度較低，加工困難，存在較大間隙摩擦等缺點(diǎn)，部分穩(wěn)定、高精度的傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器，也因其行程過(guò)小，成本過(guò)高，嚴(yán)重限制了其在生產(chǎn)實(shí)際中的應(yīng)用。為滿足工作需要，往往要取多自由度的運(yùn)動(dòng)輸出，這就決定了需要將多個(gè)單自由度驅(qū)動(dòng)單元組合裝配使用，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜且尺寸龐大，整體裝配誤差累積過(guò)高，整體剛度差。近年來(lái)，壓電陶瓷以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、形式多樣、單位體積輸出功率大和無(wú)電磁干擾等特點(diǎn)得到了廣泛的研究和應(yīng)用。相關(guān)研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)基于壓電陶瓷，研制出了多種工作原理及結(jié)構(gòu)形式的精密驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，包括單自由度運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)及多自由度運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。單自由度運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(旋轉(zhuǎn)型和直線型)在大量深入廣泛的研究中日趨成熟。但是隨著科技的發(fā)展，精密裝置對(duì)性能的要求越來(lái)越高，精密裝置驅(qū)動(dòng)所需求的自由度也越來(lái)越多，若每個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)都由一臺(tái)單自由度電機(jī)來(lái)完成，必將增加機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)鏈的長(zhǎng)度；各個(gè)環(huán)節(jié)的傳動(dòng)誤差累計(jì)，必將影響系統(tǒng)的定位精度和穩(wěn)定性，單自由度驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)已難以滿足精密裝置中多自由度運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用需求。因此，設(shè)計(jì)一種具有高精度定位和重復(fù)定位功能，且具有多自由度，適用于微納米級(jí)的旋轉(zhuǎn)和直線運(yùn)動(dòng)的微小型驅(qū)動(dòng)器已十分必要。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種基于混合驅(qū)動(dòng)機(jī)理的仿生多自由度微納米級(jí)壓電驅(qū)動(dòng)器，解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問(wèn)題。本實(shí)用新型的超精密多自由度仿生壓電驅(qū)動(dòng)器具有一體化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)和直線驅(qū)動(dòng)鉗于轉(zhuǎn)子內(nèi)部，其旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)部分和直線驅(qū)動(dòng)利用線切割技術(shù)一次切割成型，結(jié)構(gòu)更為精巧緊湊，采用了薄壁柔性鉸鏈連接，定子與轉(zhuǎn)子間無(wú)軸承連接，具有極高的旋轉(zhuǎn)分辨率，可實(shí)現(xiàn)大行程360°連續(xù)步進(jìn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其動(dòng)態(tài)特性穩(wěn)定，運(yùn)行平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)緊湊，具有極高的旋轉(zhuǎn)分辨率，可實(shí)現(xiàn)大行程連續(xù)步進(jìn)運(yùn)動(dòng)、直線運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)輸出的多種驅(qū)動(dòng)功能。本實(shí)用新型的上述目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):基于混合驅(qū)動(dòng)機(jī)理的仿生多自由度微納米級(jí)壓電驅(qū)動(dòng)器，包括轉(zhuǎn)子3、定子2、基殼1，其中轉(zhuǎn)子3內(nèi)封裝有由壓電疊堆I III 6、7、8構(gòu)成的鉗位機(jī)構(gòu)、由墊片1、IIJII 17、18、19、沉頭螺釘1、I1、III 20、21、22、壓電疊堆IV、V、V1、VII 9、10、11、12構(gòu)成的低頻旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、由楔形塊1、11 23、24、壓電疊堆珊25、楔形塊111、1￥26、27、壓電疊堆:0(28構(gòu)成的低頻直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，是一個(gè)通過(guò)多個(gè)薄壁柔性鉸鏈連接的整體式結(jié)構(gòu)，且由壓電疊堆1、Π、
II1、VD1、IX 6、7、8、25、28構(gòu)成的壓電疊堆驅(qū)動(dòng)單元裝于轉(zhuǎn)子3中。所述的壓電疊堆全部采用形體可控面型的壓電疊堆，其運(yùn)動(dòng)是通過(guò)對(duì)壓電疊堆I IX 6^12,25,28的時(shí)序電壓控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。所述的定子2與轉(zhuǎn)子3分為上、中、下三層結(jié)構(gòu)，其中第二層通過(guò)螺栓I IV 13^16與基殼I固定連接。 所述的轉(zhuǎn)子3的運(yùn)動(dòng)和停止均由轉(zhuǎn)子內(nèi)部薄壁柔性鉸鏈的鉗位作用實(shí)現(xiàn)，定子3上無(wú)鉗位機(jī)構(gòu)，鉗位機(jī)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)分開(kāi)。所述的轉(zhuǎn)子3為無(wú)繞線結(jié)構(gòu)。所述的低頻直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)位于轉(zhuǎn)子3內(nèi)部。所述的鉗位機(jī)構(gòu)、低頻旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)經(jīng)壓電疊堆I III 6、7、8的作用，可沿轉(zhuǎn)子3徑向伸縮變形。所述的轉(zhuǎn)子3除了繞軸向轉(zhuǎn)動(dòng)以外，還可以通過(guò)嵌入轉(zhuǎn)子3內(nèi)部的低頻直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子沿軸向的直線運(yùn)動(dòng)。所述的低頻直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和低頻旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為一整體式結(jié)構(gòu)，具有兩個(gè)自由度，可共存，采用線切割方式完成，裝配環(huán)節(jié)大大降低，提高精度，結(jié)構(gòu)小巧緊湊。本實(shí)用新型的有益效果在于:本實(shí)用新型是一種具有旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的整體式結(jié)構(gòu)，采用分別驅(qū)動(dòng)或配合驅(qū)動(dòng)的方式，可以實(shí)現(xiàn)繞轉(zhuǎn)子軸線方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和沿該軸線方向的直線運(yùn)動(dòng)，具有極高的可重復(fù)定位能力，可作為精密試驗(yàn)臺(tái)的驅(qū)動(dòng)單元，可用于材料微觀力學(xué)測(cè)試?yán)?、扭測(cè)試的動(dòng)力部分，其獨(dú)特的微小結(jié)構(gòu)和高精度的定位裝置，以及多自由度的驅(qū)動(dòng)模式，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。突破傳統(tǒng)的具有高系統(tǒng)微動(dòng)精度、直線回轉(zhuǎn)兩自由度驅(qū)動(dòng)以及結(jié)構(gòu)微小等特點(diǎn)和更小的結(jié)構(gòu)。本實(shí)用新型充分考慮到降低驅(qū)動(dòng)器整體結(jié)構(gòu)尺寸、減少裝配環(huán)節(jié)，可大大提高傳統(tǒng)精密驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)定位精度，降低結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和尺寸、響應(yīng)迅速、驅(qū)動(dòng)力大、穩(wěn)定性好、低能量損耗、不受磁場(chǎng)干擾、高分辨率、高位移精度、驅(qū)動(dòng)功率低和工作頻率寬、無(wú)爬行、成本低、投資少、效益高等優(yōu)點(diǎn)。

此處所說(shuō)明的附圖用來(lái)提供對(duì)本實(shí)用新型的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分，本實(shí)用新型的示意性實(shí)例及其說(shuō)明用于解釋本實(shí)用新型，并不構(gòu)成對(duì)本實(shí)用新型的不當(dāng)限定。圖1為本實(shí)用新型的等軸測(cè)示意圖；圖2為本實(shí)用新型定子的等軸測(cè)示意圖；圖3為本實(shí)用新型轉(zhuǎn)子的等軸測(cè)示意圖圖4為本實(shí)用新型的俯視示意圖；圖5為本實(shí)用新型的主視示意圖；圖6為圖5的左視示意圖7為圖5的右視示意圖；圖8為圖1的左視、半剖示意圖；圖9為本實(shí)用新型的主視、半剖示意圖；圖10為本實(shí)用新型基殼的等軸測(cè)示意圖。圖中:1.基殼；2.定子；3.轉(zhuǎn)子；4.驅(qū)動(dòng)索引I ; 5.驅(qū)動(dòng)索引II;
6.壓電疊堆I ; 7.壓電疊堆II ； 8.壓電疊堆III; 9.壓電疊堆IV ; 10.壓電疊堆V ； 11.壓電疊堆VI; 12.壓電疊堆YD; 13.螺釘I ;14.螺釘II ; 15.螺釘III; 16.螺釘IV; 17.墊片I ; 18.墊片II; 19.墊片III; 20.沉頭螺釘I ; 21.沉頭螺釘II ;22.沉頭螺釘III; 23.楔形塊I ; 24.楔形塊II ; 25.壓電疊堆VDI ; 26.楔形塊III ;27.楔形塊IV ； 28.壓電疊堆IX。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖進(jìn)一步說(shuō)明本實(shí)用新型的詳細(xì)內(nèi)容及其具體實(shí)施方式
。參見(jiàn)圖1至圖10所示，本實(shí)用新型的基于混合驅(qū)動(dòng)機(jī)理的仿生多自由度微納米級(jí)壓電驅(qū)動(dòng)器，包括轉(zhuǎn)子3、定子2、基殼1，其中轉(zhuǎn)子3內(nèi)封裝有由壓電疊堆I 1116、7、8構(gòu)成的鉗位機(jī)構(gòu)、由墊片1、ΙΙ、ΠΙ 17、18、19、沉頭螺釘I ,IIJII 20、21、22、壓電疊堆IV、V、V1、YD 9、10、11、12構(gòu)成的低頻旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、由楔形塊1、11 23、24、壓電疊堆VDI25、楔形塊II1、IV 26、27、壓電疊堆IX 28構(gòu)成的低頻直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，是一個(gè)通過(guò)多個(gè)薄壁柔性鉸鏈連接的整體式結(jié)構(gòu)，且由壓電疊堆1、I1、II1、VD1、IX6、7、8、25、28構(gòu)成的壓電疊堆驅(qū)動(dòng)單元裝于轉(zhuǎn)子3中。所述的壓電疊堆全部采用形體可控面型的壓電疊堆，其運(yùn)動(dòng)是通過(guò)對(duì)壓電疊堆I IX 6^12,25,28的時(shí)序電壓控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。所述的定子2與轉(zhuǎn)子3分為上、中、下三層結(jié)構(gòu)，其中第二層通過(guò)螺栓I IV 13^16與基殼I固定連接。所述的轉(zhuǎn)子3的運(yùn)動(dòng)和停止均由轉(zhuǎn)子內(nèi)部薄壁柔性鉸鏈的鉗位作用實(shí)現(xiàn)，定子3上無(wú)鉗位機(jī)構(gòu)，鉗位機(jī)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)分開(kāi)。[0035]所述的轉(zhuǎn)子3為無(wú)繞線結(jié)構(gòu)。所述的低頻直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)位于轉(zhuǎn)子3內(nèi)部。所述的鉗位機(jī)構(gòu)、低頻旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)經(jīng)壓電疊堆I III 6、7、8的作用，可沿轉(zhuǎn)子3徑向伸縮變形。所述的轉(zhuǎn)子3除了繞軸向轉(zhuǎn)動(dòng)以外，還可以通過(guò)嵌入轉(zhuǎn)子3內(nèi)部的低頻直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子沿軸向的直線運(yùn)動(dòng)。所述的低頻直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和低頻旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為一整體式結(jié)構(gòu)，具有兩個(gè)自由度，可共存，采用線切割方式完成，裝配環(huán)節(jié)大大降低，提高精度，結(jié)構(gòu)小巧緊湊。本實(shí)用新型主要由旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)模塊和直線運(yùn)動(dòng)模塊組成，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)部分和直線驅(qū)動(dòng)部分為一整體式結(jié)構(gòu)，無(wú)需任何連接元件。所述的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)模塊，其轉(zhuǎn)子內(nèi)部的幾個(gè)嵌位，采用了特殊的柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)，從而提高了旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了嵌位和驅(qū)動(dòng)交替進(jìn)行的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)方式，保證了嵌位的穩(wěn)定性，提高了軸向旋轉(zhuǎn)和直線運(yùn)動(dòng)的高精度。本實(shí)用新型的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器包括:轉(zhuǎn)子總成——用于實(shí)現(xiàn)動(dòng)力載荷的輸出，提供高、低頻率下移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力輸出；定子總成—— 用于對(duì)嵌位、驅(qū)動(dòng)部分提供定位和支撐；嵌位、驅(qū)動(dòng)部分一用于對(duì)轉(zhuǎn)子提供具有一定時(shí)序的嵌位和驅(qū)動(dòng)作用；動(dòng)力輸出部分——用以實(shí)現(xiàn)和外部連接，輸出動(dòng)力；所述的直線運(yùn)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子內(nèi)薄壁鉸鏈，由兩組壓電疊堆驅(qū)動(dòng)，響應(yīng)迅速，行程大。為實(shí)現(xiàn)沿軸向的直線運(yùn)動(dòng)，本驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)為上、中、下三層結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子內(nèi)部同樣具有上、中、下三層嵌位機(jī)構(gòu)，配合轉(zhuǎn)子內(nèi)部的嵌位機(jī)構(gòu)及直線驅(qū)動(dòng)壓電驅(qū)動(dòng)器，嵌緊和驅(qū)動(dòng)按相應(yīng)時(shí)序交替進(jìn)行，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子在軸向上的直線運(yùn)動(dòng)，并且轉(zhuǎn)子內(nèi)部無(wú)繞線結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)任意角度的連續(xù)大行程旋轉(zhuǎn)。參見(jiàn)圖1至圖10所示，本實(shí)用新型主要由基殼1、定子2、轉(zhuǎn)子3三部分組成。定子3分為上、中、下三層結(jié)構(gòu)，三層結(jié)構(gòu)之間利用薄壁柔性鉸鏈連接，如圖2中A、B所示，上層、中層、下層為旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)部分，上層和下層為直線驅(qū)動(dòng)部分；如圖3中C所示，轉(zhuǎn)子3分為上、中、下三層結(jié)構(gòu)，鉗緊部分裝有3組壓電疊堆，分別為轉(zhuǎn)子上層結(jié)構(gòu)嵌入壓電疊堆I 6、轉(zhuǎn)子中間層結(jié)構(gòu)嵌入壓電疊堆II 2、轉(zhuǎn)子下層結(jié)構(gòu)壓電疊堆1118，采用墊片1、I1、III17、18、19和沉頭螺釘1、II >111 20,21,22將上、中、下層嵌入的壓電疊堆緊固在定子2上，轉(zhuǎn)子3內(nèi)部有薄壁柔性鉸鏈，如圖3中D所示，轉(zhuǎn)子3中直線驅(qū)動(dòng)壓電疊堆直接作用于轉(zhuǎn)子上層，采用螺紋緊固方式，分別為螺紋緊固楔形塊1、11 23、24、預(yù)緊壓電疊堆珊25、螺紋緊固楔形塊II1、IV 26、27、預(yù)緊壓電疊堆VI 11 ;基殼I為長(zhǎng)方形殼體，側(cè)壁有螺紋孔與定子中層緊固連接為一體。本實(shí)用新型為一整體式結(jié)構(gòu)，有利于提高系統(tǒng)剛性，從而增加系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。轉(zhuǎn)子無(wú)繞線可任意方向旋轉(zhuǎn)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)施加力時(shí)，可以繞軸線方向定向轉(zhuǎn)動(dòng)和軸向直線運(yùn)動(dòng)，通過(guò)轉(zhuǎn)子3軸端可將動(dòng)力輸出，具體工作流程如下:初始狀態(tài):壓電疊堆I IX 6 12、25、28均不帶電，系統(tǒng)處于自由狀態(tài)，此時(shí)轉(zhuǎn)子3亦處于游動(dòng)狀態(tài)；Z軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng):轉(zhuǎn)子3在低頻下開(kāi)始繞軸線方向旋轉(zhuǎn):壓電疊堆1、111 6、8得電伸長(zhǎng)，通過(guò)轉(zhuǎn)子3上層結(jié)構(gòu)中的薄壁柔性鉸鏈夾緊定子2上層內(nèi)孔外壁，使得轉(zhuǎn)子3和定子2的上層和下層結(jié)構(gòu)連接為一整體；驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的壓電疊堆IV W 9^12得電伸長(zhǎng)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)索引1、II 4、5將壓電疊堆1、111 6、8和定子2上層和下層結(jié)構(gòu)連為一整體，同時(shí)壓電疊堆I >111 6、8繼續(xù)伸長(zhǎng)帶動(dòng)定子2上層和下層結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生微小轉(zhuǎn)動(dòng)，因?yàn)檗D(zhuǎn)子3此時(shí)和定子2的上層和下層結(jié)構(gòu)連接在一起，故同時(shí)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子3轉(zhuǎn)過(guò)一定微小角度；壓電疊堆II 7得電伸長(zhǎng)，通過(guò)轉(zhuǎn)子3中層結(jié)構(gòu)中的薄壁柔性鉸鏈夾緊定子2中層外壁，轉(zhuǎn)子3和定子2中層結(jié)構(gòu)連接為一整體；壓電疊堆I W 6^12失電，轉(zhuǎn)子3與定子2上層和下層結(jié)構(gòu)分離，壓電疊堆1、ΠΙ ΥΠ6、8 12恢復(fù)到初始狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)索引1、11 4、5和定子2上層和下次結(jié)構(gòu)分離，定子2的上層結(jié)構(gòu)在上層和中層間的薄壁柔性鉸鏈的作用下彈性恢復(fù)至初始狀態(tài)；壓電疊堆I >111 6、8得電，同時(shí)壓電疊堆II失電；重復(fù)以上步驟并配合相應(yīng)時(shí)序即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子3在低頻下的連續(xù)步進(jìn)旋轉(zhuǎn)。Z軸直線向上運(yùn)動(dòng):轉(zhuǎn)子3在低頻下開(kāi)始沿軸向直線向上運(yùn)動(dòng):壓電疊堆11、1117、8得電伸長(zhǎng)，通過(guò)轉(zhuǎn)子3中層和下層結(jié)構(gòu)中的薄壁柔性鉸鏈夾緊定子2中層和下層結(jié)構(gòu)內(nèi)孔外壁，使轉(zhuǎn)子3和定子2中層和下層結(jié)構(gòu)連接為一整體，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的2組壓電疊堆珊、IX 25,28得電伸長(zhǎng)，沿軸向方向移動(dòng)微小距離，因定子2中層和下層結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)子3連接為一體，故轉(zhuǎn)子3上層結(jié)構(gòu)沿軸向方向向上產(chǎn)生了微小移動(dòng)；壓電疊堆I 6得電伸長(zhǎng)，通過(guò)轉(zhuǎn)子3上層結(jié)構(gòu)中的薄壁柔性鉸鏈夾緊定子2上層外壁，轉(zhuǎn)子3和定子2上層結(jié)構(gòu)連接為一整體，壓電疊堆I1、II1、VD1、IX 7、8、25、28失電恢復(fù)到初始狀態(tài)，轉(zhuǎn)子3和定子2中層和下層結(jié)構(gòu)分離，轉(zhuǎn)子2中層和下層結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)子上層和中層薄壁柔性鉸鏈作用下彈性恢復(fù)至初始狀態(tài)；壓電疊堆II >111 7、8得電，同時(shí)壓電疊堆I 6失電；重復(fù)以上步驟配合相應(yīng)時(shí)序即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子3在低頻下連續(xù)沿軸向向上步進(jìn)移動(dòng)。Z軸直線向下運(yùn)動(dòng):轉(zhuǎn)子3在低頻下開(kāi)始沿軸向直線向下運(yùn)動(dòng):壓電疊堆I 6得電伸長(zhǎng)，通過(guò)轉(zhuǎn)子3上層結(jié)構(gòu)中的薄壁柔性鉸鏈夾緊定子2上層結(jié)構(gòu)內(nèi)孔外壁，使轉(zhuǎn)子3和定子2上層結(jié)構(gòu)連接為一 整體；驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的2組壓電疊堆VILIX 25、28得電伸長(zhǎng)，轉(zhuǎn)子2沿軸向方向向下產(chǎn)生了微小移動(dòng)，因定子2上層結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)子3上層結(jié)構(gòu)連接為一體，且定子2中層結(jié)構(gòu)與基殼固連，轉(zhuǎn)子3在Z軸方向產(chǎn)生向下微小位移；壓電疊堆I1、1117、8得電伸長(zhǎng)，通過(guò)轉(zhuǎn)子3中層和下層結(jié)構(gòu)中的薄壁柔性鉸鏈夾緊定子2中層和下層外壁，轉(zhuǎn)子3和定子2中層和下層結(jié)構(gòu)連接為一整體；壓電疊堆I 6失電恢復(fù)到初始狀態(tài)，轉(zhuǎn)子3和定子2上層結(jié)構(gòu)分離，轉(zhuǎn)子2上層結(jié)構(gòu)在上層和中層間薄壁柔性鉸鏈作用下彈性恢復(fù)至初始狀態(tài)，轉(zhuǎn)子2中層和下層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生沿軸向向下移動(dòng)微小距離；壓電疊堆I 6得電，同時(shí)壓電疊堆IIJII7、8失電；重復(fù)以上步驟配合相應(yīng)時(shí)序即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子3在低頻下連續(xù)沿軸向向下步進(jìn)移動(dòng)。轉(zhuǎn)子3可將外輸出部件通過(guò)相應(yīng)連接方式連接在轉(zhuǎn)子3上，可將動(dòng)力、載荷輸出，仿生多自由度微納米級(jí)驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)具有嚴(yán)格的時(shí)序邏輯。本實(shí)用新型是一種用于能實(shí)現(xiàn)直線、回轉(zhuǎn)兩自由度超精密驅(qū)動(dòng)(定位)的壓電仿生多自由度微驅(qū)動(dòng)裝置，該裝置涉及精密制造系統(tǒng)、精密測(cè)量系統(tǒng)、精密驅(qū)動(dòng)、微機(jī)電系統(tǒng)以及機(jī)器人等領(lǐng)域，突破傳統(tǒng)的具有高系統(tǒng)微動(dòng)精度、直線回轉(zhuǎn)兩自由度驅(qū)動(dòng)以及結(jié)構(gòu)微小等特點(diǎn)和更小的結(jié)構(gòu)。本實(shí)用新型涉及一種仿生多自由度的超精密旋轉(zhuǎn)-直線驅(qū)動(dòng)器，特別具有確定方向旋轉(zhuǎn)和沿確定方向移動(dòng)的步進(jìn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)器，特別采用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)類型和輸出動(dòng)力將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的復(fù)合式驅(qū)動(dòng)器，特別涉及到采用步進(jìn)式驅(qū)動(dòng)方式結(jié)合薄壁柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)通過(guò)驅(qū)動(dòng)壓電疊堆進(jìn)行推力驅(qū)動(dòng)、鉗位壓電疊堆進(jìn)行步進(jìn)定位從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)子直線、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的多自由度超精密驅(qū)動(dòng)器。本實(shí)用新型充分考慮到降低驅(qū)動(dòng)器整體結(jié)構(gòu)尺寸、減少裝配環(huán)節(jié)，可大大提高傳統(tǒng)精密驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)定位精度，本實(shí)用新型的驅(qū)動(dòng)器具有降低結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和尺寸、響應(yīng)迅速、驅(qū)動(dòng)力大、穩(wěn)定性好、低能量損耗、不受磁場(chǎng)干擾、高分辨率、高位移精度、驅(qū)動(dòng)功率低和工作頻率寬、無(wú)爬行、成本低、投資少、效益高等優(yōu)點(diǎn)。如圖1所示，該仿生多自由度超精密驅(qū)動(dòng)器由外殼1、定子2、轉(zhuǎn)子3，采用步進(jìn)工作方式，驅(qū)動(dòng)器定子上無(wú)鉗位元件，可充分保證其結(jié)構(gòu)緊湊小巧、可重復(fù)定位精度高，并可實(shí)現(xiàn)沿轉(zhuǎn)子軸向方向的連續(xù)直線運(yùn)動(dòng)和繞轉(zhuǎn)子軸線方向沿周向的360°的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)；利用驅(qū)動(dòng)壓電疊堆正向推力作用與柔性鉸鏈反向回彈力的綜合作用，實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)子繞軸線方向的正、反方向精密雙向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以及沿軸向的精密直線運(yùn)動(dòng)。另外在材料微觀力學(xué)性能特性測(cè)試方面，該驅(qū)動(dòng)裝置可同時(shí)完成對(duì)精細(xì)材料試件實(shí)現(xiàn)微納米級(jí)的拉伸/壓縮與扭轉(zhuǎn)兩種載荷共存的材料力學(xué)性能測(cè)試，由于本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)微小故特別有望實(shí)現(xiàn)掃描電子顯微鏡下的兩種載荷共存的材料微觀力學(xué)性能原位測(cè)試的納米級(jí)拉伸和扭轉(zhuǎn)測(cè)試。基于步進(jìn)式壓電驅(qū)動(dòng)具有高精度定位和重復(fù)定位能力，是能夠提供具有納米級(jí)分辨率的微米級(jí)步進(jìn)位移裝置，可應(yīng)用于泛應(yīng)用在微型機(jī)械制造、超精密加工、生物工程、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)、生命與醫(yī)療科學(xué)、集成電路制造、精密光學(xué)、微型零件的操作和裝配、半導(dǎo)體制造設(shè)備、材料試件納米力學(xué)性能的檢測(cè)、微機(jī)電系統(tǒng)、航空航天和機(jī)器人等領(lǐng)域，具有廣闊的工程應(yīng)用前景和應(yīng)用價(jià)值。以上所述僅為本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)例而已，并不用于限制本實(shí)用新型，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本實(shí)用新型可以有各種更改和變化。凡對(duì)本實(shí)用新型所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種基于混合驅(qū)動(dòng)機(jī)理的仿生多自由度微納米級(jí)壓電驅(qū)動(dòng)器，其特征在于:包括轉(zhuǎn)子(3)、定子(2)、基殼(1)，其中轉(zhuǎn)子(3)內(nèi)封裝有由壓電疊堆I 111(6、7、8)構(gòu)成的鉗位機(jī)構(gòu)、由墊片 1、11、111(17、18、19)、沉頭螺釘 1、I1、111(20、21、22)、壓電疊堆IV、V、V1、Vn(9、10、11、12)構(gòu)成的低頻旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、由楔形塊1、II (23、24)、壓電疊堆珊(25)、楔形塊111、1￥(26、27)、壓電疊堆:0((28)構(gòu)成的低頻直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，是一個(gè)通過(guò)薄壁柔性鉸鏈連接的整體式結(jié)構(gòu)，且由壓電疊堆1、I1、II1、VD1、IX(6、7、8、25、28)構(gòu)成的壓電疊堆驅(qū)動(dòng)單元裝于轉(zhuǎn)子(3)中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于混合驅(qū)動(dòng)機(jī)理的仿生多自由度微納米級(jí)壓電驅(qū)動(dòng)器，其特征在于:所述的壓電疊堆全部采用形體可控面型的壓電疊堆，其運(yùn)動(dòng)是通過(guò)對(duì)壓電疊堆I IX(6 12、25、28)的時(shí)序電壓控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于混合驅(qū)動(dòng)機(jī)理的仿生多自由度微納米級(jí)壓電驅(qū)動(dòng)器，其特征在于:所述的定子(2)與轉(zhuǎn)子(3)分為上、中、下三層結(jié)構(gòu)，其中第二層通過(guò)螺栓I IV(13 16)與基殼(I)固定連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于混合驅(qū)動(dòng)機(jī)理的仿生多自由度微納米級(jí)壓電驅(qū)動(dòng)器，其特征在于:所述的轉(zhuǎn)子(3)的運(yùn)動(dòng)和停止均由轉(zhuǎn)子內(nèi)部薄壁柔性鉸鏈的鉗位作用實(shí)現(xiàn)，定子(3)上無(wú)鉗位機(jī)構(gòu)，鉗位機(jī)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)分開(kāi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于混合驅(qū)動(dòng)機(jī)理的仿生多自由度微納米級(jí)壓電驅(qū)動(dòng)器，其特征在于:所述的轉(zhuǎn)子(3)為無(wú)繞線結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于混合驅(qū)動(dòng)機(jī)理的仿生多自由度微納米級(jí)壓電驅(qū)動(dòng)器，其特征在于:所述的低頻直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)位于轉(zhuǎn)子(3)內(nèi)部。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于混合驅(qū)動(dòng)機(jī)理的仿生多自由度微納米級(jí)壓電驅(qū)動(dòng)器，其特征在于:所述的鉗位機(jī)構(gòu)、低頻旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)經(jīng)壓電疊堆I 111(6、7、8)的作用，沿轉(zhuǎn)子`(3)徑向伸縮變形。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于混合驅(qū)動(dòng)機(jī)理的仿生多自由度微納米級(jí)壓電驅(qū)動(dòng)器，其特征在于:所述的轉(zhuǎn)子(3)除了繞軸向轉(zhuǎn)動(dòng)以外，還可以通過(guò)嵌入轉(zhuǎn)子(3)內(nèi)部的低頻直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子沿軸向的直線運(yùn)動(dòng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于混合驅(qū)動(dòng)機(jī)理的仿生多自由度微納米級(jí)壓電驅(qū)動(dòng)器，其特征在于:所述的低頻直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和低頻旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為一整體式結(jié)構(gòu)，具有兩個(gè)自由度，可共存，采用線切割方式完成。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種基于混合驅(qū)動(dòng)機(jī)理的仿生多自由度微納米級(jí)壓電驅(qū)動(dòng)器，屬于機(jī)電領(lǐng)域。包括轉(zhuǎn)子、定子、基殼，其中定子內(nèi)封裝有鉗位機(jī)構(gòu)、低頻旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、低頻直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，是一個(gè)通過(guò)多個(gè)薄壁柔性鉸鏈連接的整體式結(jié)構(gòu)，且壓電疊堆驅(qū)動(dòng)單元裝于轉(zhuǎn)子中。優(yōu)點(diǎn)在于大大提高傳統(tǒng)精密驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)定位精度，降低結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和尺寸、響應(yīng)迅速、驅(qū)動(dòng)力大、穩(wěn)定性好、低能量損耗、不受磁場(chǎng)干擾、高分辨率、高位移精度、驅(qū)動(dòng)功率低和工作頻率寬、無(wú)爬行、成本低、投資少、效益高等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H02N2/10GK202957768SQ20122068131
公開(kāi)日2013年5月29日 申請(qǐng)日期2012年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月12日
發(fā)明者趙宏偉, 曲涵, 吳慶玲, 李建平, 李海蓮, 閆紀(jì)旺 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)