[发明专利]多自由度仿生压电驱动装置

说明书

技术领域

    本发明涉及精密加工领域，特别涉及一种多自由度仿生压电驱动装置，可应用于超精密加工机床、材料试件纳米力学性能的检测、微机电系统、精密光学、航空航天和机器人等领域。

背景技术

近年来，随着科学技术的发展，微纳米技术在生命科学、微电子学、光学、超精密机械及其制造、精密测量医药卫生、半导体、生物化学、数据存储等学科领域中占据越来越重要的地位，微机械技术、微纳米测量技术、微纳米级的定位和驱动技术已成为当今世界高新技术领域的热门，各种形式各异的具有精密驱动、精密测量和精密定位功能的新型驱动器被陆续研制开发出来。传统的精密驱动器主要采用精密螺杆螺母副、滚动或滑动导轨、涡轮-凸轮机构、齿轮-杠杆机构、精密螺旋楔块等机构，由于存在较大的间隙和摩擦，结构不够紧凑，存在爬行、多环节传动等原因，不能满足现代精密驱动器的技术要求。而压电陶瓷材料具备的高精度、响应快、驱动力大、驱动功率低、工作频率宽、不受电磁干扰、无空回等优点，随着压电元件性能的不断发展提升以及加工技术水平的进步，近年来，由此类元件作为精密驱动的微纳米级精密驱动器越来越受到关注。

传统的驱动器存在结构尺寸大，易出现爬行等现象，定位精度较低，加工困难，存在较大间隙摩擦等缺点，部分稳定、高精度的传统驱动器，也因其行程过小，成本过高，严重限制了其在生产实际中的应用。为满足工作需要，往往要取多自由度的运动输出，这就决定了需要将多个单自由度驱动单元组合装配使用，导致结构复杂且尺寸庞大，整体装配误差累积过高，整体刚度差。因此，设计一种具有高精度定位和重复定位功能，且具有多自由度，适用于微纳米级的旋转和直线运动的微小型驱动器已十分必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多自由度仿生压电驱动装置，解决了现有技术存在的结构尺寸大，易出现爬行等现象，定位精度低，加工困难，存在较大间隙和摩擦，以及行程小、成本高等问题。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：主要由旋转驱动模块和直线运动模块组成，旋转驱动部分和直线驱动部分为一整体式结构，无需任何连接元件。所述的旋转驱动模块，其转子内部的几个嵌位，采用了特殊的柔性铰链结构，从而提高了旋转的稳定性，实现了钳位和驱动交替进行的步进驱动方式，保证了钳位的稳定性和轴向旋转的高精度。其中，转子用于实现动力载荷的输出，提供高频下移动和转动的动力输出；定子用于对嵌位、驱动部分提供定位和支撑；钳位、驱动部分用以对转子提供具有一定时序的钳位和驱动作用；动力输出部分用以实现和外部连接，输出动力；所述的直线运动模块设计成双侧薄壁铰链，由四组压电叠堆驱动，响应迅速，行程大。为实现沿轴向的直线驱动，本发明设计为上、中、下三层结构，转子内部同样具有上、中、下三层钳位机构，配合转子内部的钳位机构及直线驱动压电驱动器，钳紧和驱动按相应时序交替进行，进而实现了转子在轴向上的直线运动，并且转子内部无绕线结构，可实现任意角度的旋转。

本发明的具体技术方案是：

多自由度仿生压电驱动装置，包括基壳、定子2、转子3三部分，所述定子2分为定子上、中、下三层结构，定子三层结构之间通过薄壁柔性铰链A、B连接，定子上层和定子中层为旋转驱动部分，定子中层和定子下层为直线驱动部分，在定子下层中设置四组直线运动压电叠堆穿过定子2的定子下层结构直接作用于定子中间层结构；

所述转子3分为转子上、中、下三层结构，其钳紧部分设置三组压电叠堆，分别为转子上层结构嵌入压电叠堆Ⅰ5、转子中间层结构嵌入压电叠堆Ⅲ10、转子下层结构压电叠堆Ⅳ11，该压电叠堆Ⅰ5、压电叠堆Ⅲ10、电叠堆Ⅳ11分别通过垫片Ⅰ、Ⅲ、Ⅱ7、20、18及沉头螺钉Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ22、21、19固在定子2上，转子3内部设有薄壁柔性铰链C，轴端有输出连接螺钉Ⅱ、Ⅲ4、6。

所述的四组直线运动压电叠堆采用螺纹紧固方式，具体是螺纹紧固楔形块Ⅰ、Ⅱ 13、14预紧压电叠堆Ⅴ12，螺纹紧固楔形块Ⅲ、Ⅳ 15、16预紧压电叠堆Ⅵ17，螺纹紧固楔形块Ⅴ、Ⅵ 27、28预紧压电叠堆Ⅶ26，螺纹紧固楔形块Ⅶ、Ⅷ 30、31预紧压电叠堆Ⅷ32；压电叠堆Ⅱ9通过驱动索引8与定子2的定子上层结构连为一整体。

所述的基壳为长方形壳体，侧壁通过紧固螺钉Ⅳ、Ⅴ、Ⅶ、Ⅷ24、25、29、33及紧固螺钉Ⅸ、Ⅹ、Ⅺ、Ⅰ34、35、23、1与定子下层紧固连接为一体。

所述的旋转驱动部分与直线驱动部分为一整体式结构，结构紧凑小巧。