[發(fā)明專利]一種壓電柔性回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410724548.0
• 申請(qǐng)日: 2014-12-03
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104638974B
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-01-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李鐵民;張京雷;姜峣;杜云松;李福華;吳軍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號(hào): H02N2/10
• 分類號(hào): H02N2/10;H02N2/14
• 代理公司: 北京紀(jì)凱知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司11245
• 代理人: 徐寧,孫楠

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置，特別是關(guān)于一種壓電柔性回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置。

背景技術(shù)

回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)是測(cè)量、定位及光學(xué)儀器中所要實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)之一。傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)技術(shù)采用電機(jī)作動(dòng)力、蝸輪蝸桿或齒輪等傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)作減速傳動(dòng)裝置。傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)發(fā)展時(shí)間長(zhǎng)，工藝成熟，在回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)中應(yīng)用最為普遍，有著不可替代的作用。然而，傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)不可避免地存在間隙、內(nèi)熱、摩擦等現(xiàn)象，因此傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)技術(shù)中回轉(zhuǎn)精度的進(jìn)一步提高較為困難，需要增加大量設(shè)計(jì)和制造成本。此外，電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)力還存在著機(jī)械轉(zhuǎn)化效率較低、難以實(shí)現(xiàn)微動(dòng)定位等缺點(diǎn)。

柔性機(jī)構(gòu)是20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的一種新型機(jī)構(gòu)。當(dāng)給壓電陶瓷兩端面施加電壓時(shí)，壓電陶瓷將由于逆壓電效應(yīng)而伸長(zhǎng)，一般伸長(zhǎng)量在10微米左右，為滿足行程要求及保護(hù)壓電陶瓷，再通過(guò)柔性機(jī)構(gòu)的彈性變形進(jìn)行傳動(dòng)、放大。用柔性機(jī)構(gòu)的彈性變形代替?zhèn)鹘y(tǒng)的運(yùn)動(dòng)副，從而消除摩擦、內(nèi)熱、間隙等因素的影響，因此采用柔性機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)高精度的轉(zhuǎn)動(dòng)和定位；且壓電陶瓷和柔性機(jī)構(gòu)的制造加工都很方便，其成本遠(yuǎn)低于相同精度的傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)，能夠較好的彌補(bǔ)傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)。目前該技術(shù)在航空航天、儀器儀表、機(jī)械制造等領(lǐng)域均得到了廣泛應(yīng)用。然而，由于柔性機(jī)構(gòu)必須整體加工，運(yùn)動(dòng)副的種類一般僅限于柔性鉸鏈，運(yùn)動(dòng)的傳遞方式與傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)相比較為單一，可實(shí)現(xiàn)功能有限，一般僅用于定位平臺(tái)的微動(dòng)。在實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，現(xiàn)有技術(shù)中直接將壓電陶瓷安裝在與轉(zhuǎn)軸同心的圓周上，利用壓電陶瓷的伸長(zhǎng)直接帶動(dòng)軸的半徑回轉(zhuǎn)，從而使轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生微角度輸出，再利用尺蠖原理等方式重復(fù)此過(guò)程實(shí)現(xiàn)步進(jìn)。此類機(jī)構(gòu)如德國(guó)PI公司生產(chǎn)的超聲波壓電電機(jī)、加拿大薩省大學(xué)機(jī)械工程系以及德國(guó)布倫瑞克工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程系聯(lián)合研發(fā)的兩自由度旋轉(zhuǎn)-線性壓電驅(qū)動(dòng)器。國(guó)內(nèi)科研院所也有利用該原理研制的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)。然而，這類方法中壓電陶瓷的直線運(yùn)動(dòng)與圓半徑的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡不能完全重合，存在原理誤差。為降低或消除這類誤差，需要以增大機(jī)構(gòu)空間、降低機(jī)械效率為代價(jià)，不能最大限度的發(fā)揮柔性機(jī)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種能夠從根本上消除壓電回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)原理誤差的壓電柔性回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：一種壓電柔性回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于：它包括外套筒、基座和轉(zhuǎn)動(dòng)主體，所述外套筒固定設(shè)置在所述基座頂面的外周上，所述外套筒與所述基座構(gòu)成一頂部開(kāi)口的半封閉空間，所述轉(zhuǎn)動(dòng)主體設(shè)置在該半封閉空間的中心軸線上；所述轉(zhuǎn)動(dòng)主體包括滑動(dòng)軸承、定位軸、下鎖緊構(gòu)件、回轉(zhuǎn)構(gòu)件、上鎖緊構(gòu)件和輸出軸；所述回轉(zhuǎn)構(gòu)件包括中間框架、上橫梁、下橫梁和主壓電陶瓷，所述中間框架采用正八邊形結(jié)構(gòu)，所述中間框架中相鄰兩條邊之間均通過(guò)完全相同的柔性鉸鏈連接；所述上橫梁和下橫梁的結(jié)構(gòu)相同，均采用一桿件，在桿件上靠近桿件兩端的位置對(duì)稱設(shè)置兩個(gè)柔性鉸鏈；所述主壓電陶瓷通過(guò)過(guò)盈配合安裝在所述中間框架中任意兩條對(duì)邊之間；安裝所述主壓電陶瓷的兩條對(duì)邊的四條鄰邊構(gòu)成一菱形結(jié)構(gòu)，所述上橫梁位于所述中間框架的頂部，所述上橫梁的兩端分別與構(gòu)成所述菱形結(jié)構(gòu)的一組對(duì)邊的中點(diǎn)連接；所述下橫梁位于所述中間框架的底部，所述下橫梁的兩端分別與構(gòu)成所述菱形結(jié)構(gòu)的另一組對(duì)邊的中點(diǎn)連接；所述下鎖緊構(gòu)件和上鎖緊構(gòu)件的結(jié)構(gòu)相同，均包括兩菱形構(gòu)件、一中間桿件和兩輔壓電陶瓷；兩所述菱形構(gòu)件對(duì)稱設(shè)置在所述中間桿件兩端，所述輔壓電陶瓷通過(guò)過(guò)盈配合安裝在所述菱形構(gòu)件中；所述滑動(dòng)軸承固定設(shè)置在所述基座頂面的中心處，所述定位軸一端固定設(shè)置在所述滑動(dòng)軸承中，其另一端固定設(shè)置在所述下鎖緊構(gòu)件的中心孔內(nèi)，所述下鎖緊構(gòu)件上部中心處固定連接所述回轉(zhuǎn)構(gòu)件的所述下橫梁，所述回轉(zhuǎn)構(gòu)件中所述上橫梁的上部中心處固定連接所述上鎖緊構(gòu)件，所述上鎖緊構(gòu)件的上部中心處固定連接所述輸出軸，所述輸出軸的一端固定設(shè)置在所述上鎖緊構(gòu)件的中心孔內(nèi)。

所述輸出軸與所述外套筒之間安裝光柵，所述光柵檢測(cè)所述輸出軸的偏移量，并反饋給主壓電陶瓷，實(shí)現(xiàn)所述轉(zhuǎn)動(dòng)主體轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的全程閉環(huán)控制。

所述中間框架采用菱形結(jié)構(gòu)，所述上橫梁位于所述中間框架的頂部，所述上橫梁的兩端分別與所述菱形結(jié)構(gòu)的一組對(duì)邊的中點(diǎn)連接；所述下橫梁位于所述中間框架的底部，所述下橫梁的兩端分別與所述菱形結(jié)構(gòu)的另一組對(duì)邊的中點(diǎn)連接，主壓電陶瓷位于所述菱形結(jié)構(gòu)的任一條對(duì)角線上，并通過(guò)過(guò)盈配合安裝在所述中間框架內(nèi)。