本發(fā)明涉及一種通過壓電驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)作動(dòng)裝置，具體為一種便于加工實(shí)施，鉗位驅(qū)動(dòng)一體化的壓電驅(qū)動(dòng)高精度旋轉(zhuǎn)作動(dòng)裝置及其實(shí)現(xiàn)方法。

背景技術(shù)：

近年來壓電驅(qū)動(dòng)裝置不斷發(fā)展，支持了國(guó)防、航天，機(jī)械制造等重要工業(yè)的發(fā)展建設(shè)，也衍生出了品種繁多的壓電作動(dòng)裝置，然而受制于壓電材料作動(dòng)行程小的缺點(diǎn)，一方面壓電陶瓷作動(dòng)器難以實(shí)現(xiàn)大行程特別是大轉(zhuǎn)角位移的輸出，另一方面也給加工裝配提出了更高的要求。因此迫切需要一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于加工實(shí)施，驅(qū)動(dòng)行程大，分辨率高的步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)作動(dòng)裝置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了滿足上述需求，本發(fā)明的目的在于提供一種鉗位驅(qū)動(dòng)一體化的壓電驅(qū)動(dòng)高精度旋轉(zhuǎn)作動(dòng)裝置及方法，使用六個(gè)壓電陶瓷相互配合實(shí)現(xiàn)大角度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并且斷電鎖止功能，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于加工實(shí)施，能夠輸出大扭矩、大轉(zhuǎn)角的特點(diǎn)。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：

一種鉗位驅(qū)動(dòng)一體化的壓電驅(qū)動(dòng)高精度旋轉(zhuǎn)作動(dòng)裝置，包括作動(dòng)器底座1，安裝于底座1上，能夠承受軸向方向載荷的下部推力球軸承2，在底座1上方的下層驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)3，與下層驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)3一體化設(shè)置的上層驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)4，安裝在下部推力球軸承2上能夠被下層驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)3以及上層驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)4鉗位約束的輸出軸5，安裝在輸出軸5上方的上部推力球軸承6，安裝在推力球軸承上方的頂蓋7，輸出軸5頂部伸出頂蓋7。

所述下層驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)3以及上層驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)4能夠驅(qū)動(dòng)輸出軸5圓周轉(zhuǎn)動(dòng)，下層驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)3與上層驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)4具有完全相同的幾何尺寸；下層驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)3包括下層外側(cè)固定框架31，與下層外側(cè)固定框架31使用柔性鉸連接的下層內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)框架32，與下層內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)框架32通過柔性鉸連接的下層鉗位框架33，安裝在下層鉗位框架33中并位于輸出軸5兩側(cè)的的下層第一鉗位壓電陶瓷34和下層第二鉗位壓電陶瓷35；上層驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)4包括上層外側(cè)固定框架41，與上層外側(cè)固定框架41使用柔性鉸連接的上層內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)框架42，與上層內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)框架42通過柔性鉸連接的上層鉗位框架43，安裝在上層鉗位框架43中并位于輸出軸5兩側(cè)的的上層第一鉗位壓電陶瓷44和上層第二鉗位壓電陶瓷45，安裝在上層外側(cè)固定框架41與上層內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)框架42之間并位于上層內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)框架42與上層外側(cè)固定框架41連接端異側(cè)的上層第一驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷46與上層第二驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷47；輸出軸5位于下層鉗位框架33和上層鉗位框架43中心的圓孔中，當(dāng)未加電時(shí)，下層鉗位框架33和上層鉗位框架43能夠鉗位約束輸出軸5。

所述下層驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)3與上層驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)4采用慢走絲工藝一次加工成型，極大的簡(jiǎn)化了作動(dòng)器的加工、裝配工藝流程，降低了加工裝配難度，提升了作動(dòng)器的可實(shí)施性。

所述的鉗位驅(qū)動(dòng)一體化的壓電驅(qū)動(dòng)高精度旋轉(zhuǎn)作動(dòng)裝置的作動(dòng)方法，能夠?qū)崿F(xiàn)雙向大角度旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，順時(shí)針作動(dòng)步驟如下：第一步，下層驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)3的下層第一鉗位壓電陶瓷34和下層第二鉗位壓電陶瓷35通電伸長(zhǎng)，推動(dòng)下層鉗位框架33擴(kuò)張，下層鉗位框架33與輸出軸5之前脫離鉗位接觸；第二步，上層第一驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷46和上層第二驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷47通電伸長(zhǎng)，推動(dòng)上層內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)框架42沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)由于上層內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)框架42所連接的上層鉗位框架43與輸出軸5處于接觸鉗位狀態(tài)，上層內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)框架42的轉(zhuǎn)動(dòng)也推動(dòng)了輸出軸5順時(shí)針轉(zhuǎn)過一微小角度；第三步，下層驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)3的下層第一鉗位壓電陶瓷34和下層第二鉗位壓電陶瓷35斷電縮短，下層鉗位框架33的擴(kuò)張彈性恢復(fù)，下層鉗位框架33與輸出軸5之鉗位接觸；第四步，上層驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)4的上層第一鉗位壓電陶瓷44和上層第二鉗位壓電陶瓷45通電伸長(zhǎng)，推動(dòng)上層鉗位框架43擴(kuò)張，上層鉗位框架43與輸出軸5之脫離鉗位接觸；第五步，驅(qū)動(dòng)上層第一驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷46和上層第二驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷47斷電縮短，上層內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)框架42在柔性鉸約束下的轉(zhuǎn)動(dòng)變形彈性恢復(fù)，沿逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)；第六步，上層驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)4的上層第一鉗位壓電陶瓷44和上層第二鉗位壓電陶瓷45斷電縮短，上層鉗位框架43的擴(kuò)張彈性恢復(fù)，上層鉗位框架43與輸出軸5之鉗位接觸；至此作動(dòng)器裝置恢復(fù)到作動(dòng)前的初始狀態(tài)，并且與初始狀態(tài)相比，輸出軸5在下層驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)3以及上層驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)4的推動(dòng)下向順時(shí)針方向發(fā)生微小角度的轉(zhuǎn)動(dòng)，循環(huán)上述過程即實(shí)現(xiàn)輸出軸5順時(shí)針大角度旋轉(zhuǎn)作動(dòng)；

逆時(shí)針作動(dòng)步驟如下：第一步，上層驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)4的上層第一鉗位壓電陶瓷44和上層第二鉗位壓電陶瓷45通電伸長(zhǎng)，推動(dòng)上層鉗位框架43擴(kuò)張，上層鉗位框架43與輸出軸5之前脫離鉗位接觸；第二步，驅(qū)動(dòng)上層第一驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷46和上層第二驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷47通電伸長(zhǎng)，推動(dòng)上層內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)框架42沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)一微小角度；第三步，上層驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)4的上層第一鉗位壓電陶瓷44和上層第二鉗位壓電陶瓷45斷電縮短，上層鉗位框架43的擴(kuò)張彈性恢復(fù)，上層鉗位框架43與輸出軸5之鉗位接觸；第四步，下層驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)3的下層第一鉗位壓電陶瓷34和下層第二鉗位壓電陶瓷35通電伸長(zhǎng)，下層推動(dòng)鉗位框架33擴(kuò)張，下層鉗位框架33與輸出軸5之脫離鉗位接觸；第五步，驅(qū)動(dòng)上層第一驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷46和上層第二驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷47斷電縮短，上層內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)框架42在柔性鉸約束下的轉(zhuǎn)動(dòng)變形彈性恢復(fù)，沿逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)由于上層內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)框架42所連接的上層鉗位框架43與輸出軸5處于接觸鉗位狀態(tài)，上層內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)框架42的轉(zhuǎn)動(dòng)也推動(dòng)了輸出軸5逆時(shí)針轉(zhuǎn)過一微小角度；第六步，下層驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)3的下層第一鉗位壓電陶瓷34和下層第二鉗位壓電陶瓷35斷電縮短，下層鉗位框架33的擴(kuò)張彈性恢復(fù)，下層鉗位框架33與輸出軸5之鉗位接觸；至此作動(dòng)器裝置恢復(fù)到作動(dòng)前的初始狀態(tài)，并且與初始狀態(tài)相比，輸出軸5在下層驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)3以及上層驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)4的推動(dòng)下向逆時(shí)針方向發(fā)生微小角度的轉(zhuǎn)動(dòng)，循環(huán)上述過程即實(shí)現(xiàn)輸出軸5逆時(shí)針大角度旋轉(zhuǎn)作動(dòng)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有下述優(yōu)勢(shì)：

1、與傳統(tǒng)的單純的電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置相比，本發(fā)明通過壓電陶瓷推動(dòng)驅(qū)動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度大扭矩輸出。

2、本發(fā)明作動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)主體具有斷電自鎖的特點(diǎn)，斷電時(shí)，驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的鉗位環(huán)處于閉合狀態(tài)，輸出軸處于鉗位狀態(tài)無法運(yùn)動(dòng)，作動(dòng)器待機(jī)功耗低，節(jié)能環(huán)保。

2、本發(fā)明的作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)主體可以采用慢走絲工藝加工成型，安裝壓電陶瓷，調(diào)節(jié)預(yù)緊力即可使用，與其他形式的壓電旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器相比加工安裝工藝簡(jiǎn)單，容易保證作動(dòng)器加工精度，作動(dòng)裝置易于實(shí)現(xiàn)。

3、本壓電作動(dòng)裝置輸出旋轉(zhuǎn)作動(dòng)過程中，壓電陶瓷所處的上下層驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)未發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)線路不會(huì)受到旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的影響，容易實(shí)現(xiàn)360°以上的大范圍轉(zhuǎn)角輸出。

4、本發(fā)明所設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器裝置輸出的軸向運(yùn)動(dòng)被推力球軸承限制，因此在輸出高精度旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的同時(shí)，可以承載較大的軸向載荷。

附圖說明

圖1為作動(dòng)器爆炸示意圖。

圖2為作動(dòng)器裝配示意圖。

圖3為作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)局部示意圖。

圖4為作動(dòng)器順時(shí)針作動(dòng)原理圖。

圖5為作動(dòng)器逆時(shí)針作動(dòng)原理圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

如圖1和圖2所示，本發(fā)明一種鉗位驅(qū)動(dòng)一體化的壓電驅(qū)動(dòng)高精度旋轉(zhuǎn)作動(dòng)裝置，包括作動(dòng)器底座1，安裝于底座1上，可以承受軸向方向載荷的下部推力球軸承2，在底座1上方的下層驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)3，與下層驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)3一體化設(shè)置的的上層驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)4，安裝在下部推力球軸承2上能夠被下層驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)3以及上層驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)4鉗位控制的輸出軸5，安裝在輸出軸5上方的上部推力球軸承6，安裝在推力球軸承上方的頂蓋7，輸出軸5頂部伸出頂蓋7。

如圖4所示，所述下層驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)3以及上層驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)4能夠驅(qū)動(dòng)輸出軸5圓周轉(zhuǎn)動(dòng)，下層驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)3與上層驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)4具有完全相同的幾何尺寸；下層驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)3包括下層外側(cè)固定框架31，與下層外側(cè)固定框架31使用柔性鉸連接的下層內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)框架32，與下層內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)框架32通過柔性鉸連接的下層鉗位框架33，安裝在下層鉗位框架33中并位于輸出軸5兩側(cè)的的下層第一鉗位壓電陶瓷34和下層第二鉗位壓電陶瓷35；上層驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)4包括上層外側(cè)固定框架41，與上層外側(cè)固定框架41使用柔性鉸連接的上層內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)框架42，與上層內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)框架42通過柔性鉸連接的上層鉗位框架43，安裝在上層鉗位框架43中并位于輸出軸5兩側(cè)的的上層第一鉗位壓電陶瓷44和上層第二鉗位壓電陶瓷45，安裝在上層外側(cè)固定框架41與上層內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)框架42之間并位于上層內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)框架42與上層外側(cè)固定框架41連接端異側(cè)的上層第一驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷46與上層第二驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷47；輸出軸5位于下層鉗位框架33和上層鉗位框架43中心的圓孔中，當(dāng)未加電時(shí)，下層鉗位框架33和上層鉗位框架43能夠鉗位約束輸出軸5。

上述結(jié)構(gòu)的俯視圖中下層驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)3與上層驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)4具有完全相同的幾何尺寸，因此該作動(dòng)器裝置的主要驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)可以采用慢走絲工藝一次加工成型，安裝、預(yù)緊壓電陶瓷后即可使用，極大的簡(jiǎn)化了作動(dòng)器的組裝流程，與其他形式的旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器相比，生產(chǎn)裝配過程簡(jiǎn)單，便于操作，同時(shí)減小了生產(chǎn)安裝誤差，提升了作動(dòng)器裝置的穩(wěn)定性。

如圖3和圖4所示，上述鉗位驅(qū)動(dòng)一體化的壓電驅(qū)動(dòng)高精度旋轉(zhuǎn)作動(dòng)裝置能實(shí)現(xiàn)雙向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)輸出，結(jié)構(gòu)作動(dòng)前處于初始狀態(tài)，所有鉗位壓電陶瓷以及驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷都處于斷電縮短狀態(tài)；當(dāng)旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)輸出軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)(俯視圖)時(shí)采用如下步驟：第一步，下層驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)3的下層第一鉗位壓電陶瓷34和下層第二鉗位壓電陶瓷35通電伸長(zhǎng)，推動(dòng)下層鉗位框架33擴(kuò)張，下層鉗位框架33與輸出軸5之前脫離鉗位接觸；第二步，上層第一驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷46和上層第二驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷47通電伸長(zhǎng)，推動(dòng)上層內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)框架42沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)由于上層內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)框架42所連接的上層鉗位框架43與輸出軸5處于接觸鉗位狀態(tài)，上層內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)框架42的轉(zhuǎn)動(dòng)也推動(dòng)了輸出軸5順時(shí)針轉(zhuǎn)過一微小角度；第三步，下層驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)3的下層第一鉗位壓電陶瓷34和下層第二鉗位壓電陶瓷35斷電縮短，下層鉗位框架33的擴(kuò)張彈性恢復(fù)，下層鉗位框架33與輸出軸5之鉗位接觸；第四步，上層驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)4的上層第一鉗位壓電陶瓷44和上層第二鉗位壓電陶瓷45通電伸長(zhǎng)，推動(dòng)上層鉗位框架43擴(kuò)張，上層鉗位框架43與輸出軸5之脫離鉗位接觸；第五步，驅(qū)動(dòng)上層第一驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷46和上層第二驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷47斷電縮短，上層內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)框架42在柔性鉸約束下的轉(zhuǎn)動(dòng)變形彈性恢復(fù)，沿逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)；第六步，上層驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)4的上層第一鉗位壓電陶瓷44和上層第二鉗位壓電陶瓷45斷電縮短，上層鉗位框架43的擴(kuò)張彈性恢復(fù)，上層鉗位框架43與輸出軸5之鉗位接觸；至此作動(dòng)器裝置恢復(fù)到作動(dòng)前的初始狀態(tài)，并且與初始狀態(tài)相比，輸出軸5在下層驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)3以及上層驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)4的推動(dòng)下向順時(shí)針方向發(fā)生微小角度的轉(zhuǎn)動(dòng)，循環(huán)上述過程即實(shí)現(xiàn)輸出軸5順時(shí)針大角度旋轉(zhuǎn)作動(dòng)。

如圖3和圖5所示，當(dāng)旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)輸出軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)(俯視圖)時(shí)采用如下步驟：第一步，上層驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)4的上層第一鉗位壓電陶瓷44和上層第二鉗位壓電陶瓷45通電伸長(zhǎng)，推動(dòng)上層鉗位框架43擴(kuò)張，上層鉗位框架43與輸出軸5之前脫離鉗位接觸；第二步，驅(qū)動(dòng)上層第一驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷46和上層第二驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷47通電伸長(zhǎng)，推動(dòng)上層內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)框架42沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)一微小角度；第三步，上層驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)4的上層第一鉗位壓電陶瓷44和上層第二鉗位壓電陶瓷45斷電縮短，上層鉗位框架43的擴(kuò)張彈性恢復(fù)，上層鉗位框架43與輸出軸5之鉗位接觸；第四步，下層驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)3的下層第一鉗位壓電陶瓷34和下層第二鉗位壓電陶瓷35通電伸長(zhǎng)，下層推動(dòng)鉗位框架33擴(kuò)張，下層鉗位框架33與輸出軸5之脫離鉗位接觸；第五步，驅(qū)動(dòng)上層第一驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷46和上層第二驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷47斷電縮短，上層內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)框架42在柔性鉸約束下的轉(zhuǎn)動(dòng)變形彈性恢復(fù)，沿逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)由于上層內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)框架42所連接的上層鉗位框架43與輸出軸5處于接觸鉗位狀態(tài)，上層內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)框架42的轉(zhuǎn)動(dòng)也推動(dòng)了輸出軸5逆時(shí)針轉(zhuǎn)過一微小角度；第六步，下層驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)3的下層第一鉗位壓電陶瓷34和下層第二鉗位壓電陶瓷35斷電縮短，下層鉗位框架33的擴(kuò)張彈性恢復(fù)，下層鉗位框架33與輸出軸5之鉗位接觸；至此作動(dòng)器裝置恢復(fù)到作動(dòng)前的初始狀態(tài)，并且與初始狀態(tài)相比，輸出軸5在下層驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)3以及上層驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)4的推動(dòng)下向逆時(shí)針方向發(fā)生微小角度的轉(zhuǎn)動(dòng)，循環(huán)上述過程即實(shí)現(xiàn)輸出軸5逆時(shí)針大角度旋轉(zhuǎn)作動(dòng)。