[發(fā)明專利]非對稱柔性鉸鏈壓電旋轉(zhuǎn)定位平臺及其驅(qū)動方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110459507.3
• 申請日: 2021-04-27
• 公開（公告）號: CN113078845B
• 公開（公告）日: 2022-04-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 黃虎;孫午向;楊兆軍;王馗灃;徐智;李軒
• 申請（專利權(quán)）人: 吉林大學(xué)
• 主分類號: H02N2/12
• 分類號: H02N2/12;H02N2/14
• 代理公司: 長春市恒譽專利代理事務(wù)所(普通合伙) 22212
• 代理人: 李榮武

本發(fā)明涉及一種非對稱柔性鉸鏈壓電旋轉(zhuǎn)定位平臺及其驅(qū)動方法。該定位平臺包括基礎(chǔ)單元、驅(qū)動單元和轉(zhuǎn)子。驅(qū)動單元包括非對稱柔性鉸鏈機構(gòu)和壓電疊堆，非對稱柔性鉸鏈機構(gòu)經(jīng)螺釘固定安裝在基礎(chǔ)單元的手動精密平移臺上，轉(zhuǎn)子以過盈配合的方式安裝在基礎(chǔ)單元的中心軸上。該裝置的驅(qū)動方法為：當(dāng)連續(xù)梯形信號施加于壓電疊堆時，非對稱柔性鉸鏈機構(gòu)因結(jié)構(gòu)不對稱，其左、右夾持臂的變形不同，將繞半圓形柔性環(huán)節(jié)產(chǎn)生逆時針微小轉(zhuǎn)動，帶動轉(zhuǎn)子實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)步進運動。優(yōu)點在于：結(jié)構(gòu)簡單、成本低、便于裝配和控制，具有穩(wěn)定、雙向、大行程、高速、高負(fù)載的輸出性能。在精密加工、光學(xué)與精密儀器、微操作與微裝配等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及精密儀器領(lǐng)域，特別涉及一種非對稱柔性鉸鏈壓電旋轉(zhuǎn)定位平臺與方法，定位平臺運行穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、成本低、運動速度快、承載能力高，可應(yīng)用到超精密加工、光學(xué)工程、生物細(xì)胞工程、微操作與微裝配等領(lǐng)域?qū)υ嚰M行精密定位。

背景技術(shù)

精密驅(qū)動裝置已經(jīng)應(yīng)用到諸多科學(xué)和工業(yè)等領(lǐng)域中，壓電驅(qū)動器由于具有高精度、結(jié)構(gòu)簡單、快速響應(yīng)、容易控制等特點，成為了近年來的研究熱點，各國學(xué)者也致力于設(shè)計和研發(fā)具有各種結(jié)構(gòu)和功能的壓電驅(qū)動裝置。對于目前大部分的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置來說，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)高精度和高速度的輸出，但是它們的結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。如文獻(Novel inertialpiezoelectric actuator with high precision and stability based on a twofixed-end beam structure，Smart Materials and Structures，2019，28 015030)中，利用非對稱夾持機構(gòu)設(shè)計了一款壓電雙晶片旋轉(zhuǎn)定位平臺，雖可以實現(xiàn)高精度、高穩(wěn)定性的運動，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對加工和裝配精度的要求較高，并且存在很大的回退運動，驅(qū)動效率較低。文獻(Apiezoelectric-driven rotary actuator by means of inchwormmotion，Sensors and Actuators A:Physical，2013，194，269-276)報道了一種尺蠖式壓電旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置，該裝置雖具有高速、高精度的特點，但其設(shè)計結(jié)構(gòu)和裝配較為復(fù)雜。綜上可以看出，利用結(jié)構(gòu)非對稱原理研制的結(jié)構(gòu)簡單緊湊的壓電旋轉(zhuǎn)定位平臺目前仍未見報道，因此一種非對稱柔性鉸鏈壓電旋轉(zhuǎn)平臺的研制將會促進非對稱原理在壓電定位平臺設(shè)計上的應(yīng)用，為壓電驅(qū)動器的設(shè)計提供新的思路。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種非對稱柔性鉸鏈壓電旋轉(zhuǎn)定位平臺與方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題。本發(fā)明利用驅(qū)動單元的非對稱結(jié)構(gòu)，在驅(qū)動過程中，左夾持臂和右夾持臂將繞著半圓形柔性環(huán)節(jié)I產(chǎn)生逆時針微小轉(zhuǎn)動，在摩擦力的作用下，使右夾持臂帶動轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動，通過改變驅(qū)動波形的對稱性，可實現(xiàn)裝置的反向運動；輸出性能可通過手動精密平移臺微調(diào)節(jié)驅(qū)動單元與轉(zhuǎn)子的間隙進行調(diào)節(jié)；本發(fā)明的壓電旋轉(zhuǎn)定位平臺具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、易于加工和裝配、控制簡單、成本低的特點，且能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定、雙向、大行程、高速的旋轉(zhuǎn)運動。

本發(fā)明的上述目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

非對稱柔性鉸鏈壓電旋轉(zhuǎn)定位平臺，其特征在于：包括基礎(chǔ)單元1、驅(qū)動單元2、轉(zhuǎn)子3三部分；所述的驅(qū)動單元2通過螺釘安裝在基礎(chǔ)單元1的手動精密平移臺1-3上；所述的轉(zhuǎn)子3選用深溝球軸承，其內(nèi)圈通過過盈配合安裝在基礎(chǔ)單元1的中心軸1-1上。

所述的基礎(chǔ)單元1由中心軸1-1、底座1-2和手動精密平移臺1-3組成；所述的手動精密平移臺1-3通過螺釘安裝在底座1-2上，用于調(diào)節(jié)驅(qū)動單元2與轉(zhuǎn)子3之間的接觸間隙。

所述的驅(qū)動單元2包括非對稱柔性鉸鏈機構(gòu)2-1和壓電疊堆2-2；所述的非對稱柔性鉸鏈機構(gòu)2-1由左夾持臂2-1-1、半圓形柔性環(huán)節(jié)II 2-1-2、半圓形柔性環(huán)節(jié)I 2-1-3、右夾持臂2-1-4以及平行導(dǎo)向鉸鏈2-1-5組成；所述的壓電疊堆2-2通過過盈配合安裝于非對稱柔性鉸鏈機構(gòu)2-1的凹槽中。

本發(fā)明的另一個目的在于提供一種非對稱柔性鉸鏈壓電旋轉(zhuǎn)定位平臺的控制方法，包括以下步驟：