[实用新型]多自由度微纳米级仿生精密旋转驱动装置

说明书

技术领域

    本实用新型涉及精密加工领域，特别涉及一种多自由度微纳米级仿生精密旋转驱动装置。应用于超精密加工机床、精密超精密微细加工与测量技术、材料试件纳米力学性能检测、微机电系统（MEMS）、精密光学、半导体制造、现代医学与生物遗传工程、航空航天、机器人、军事技术等高尖端的科学技术领域。

背景技术

伴随着科学技术的迅猛发展，对产品加工精度的要求越来越高，尤其是在精密超精密微细加工与测量技术、微机电系统（MEMS）、纳米科技、半导体制造、现代医学与生物遗传工程、航空航天科技、军事技术等高尖端的科学技术领域中显得格外重要。要想实现产品零件的精密超精密加工，就必须提供一种合适的高精度的驱动装置。传统的驱动装置，如普通电机、丝杠螺母、涡轮蜗杆等宏观大尺寸驱动装置已不能满足其精度要求。因此，各国的科研人员倾力于研究性能更优越的新型高精度驱动装置。

所谓新式驱动装置，是指采用新型材料作为电能—机械能转换元件，再通过传动机构，使目标机构产生一定动作的装置。通过各国科研人员的不断探索，相当多的新型驱动装置已经被研制出来了，其中的一些已经在实际中得到了相关的应用。按照驱动元件的不同，新型驱动装置大体可分为以下几类：相变材料驱动装置、热变形驱动装置、形状记忆合金驱动装置、电磁驱动装置、静电驱动装置、磁致伸缩驱动装置、电流变驱动装置、电致伸缩驱动装置、压电驱动装置等。其中能达到纳米级精度的目前只有电致伸缩驱动装置和压电驱动装置。相比于电致伸缩驱动装置，压电驱动装置因为体积小重量轻、响应快(微秒级)、控制特性好、能量密度大、能耗低、不受磁场影响等特点而得到了更广泛的应用。

以往的驱动装置往往存在结构尺寸偏大、步进精度低、往返重复定位精度低、难于加工等缺点；尽管其中也有一些驱动器输出稳定、精度高，但行程小，只有几十微米，严重限制了其应用的范围；同时，若要达到多自由度运动的输出的目的，往往需要有多个单自由运动模块组合、装配来实现，导致整个装置相当复杂，影响整体刚度。因此有必要设计一种定位精度和重复定位精度均较高，同时适用于旋转和直线运动输出的微小型精密驱动器。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种多自由度微纳米级仿生精密旋转驱动装置，解决了现有技术存在的上述问题。其具有箝位稳定、载荷输出较大的特点，并能实现大行程运动、直线和旋转运动输出并举等功能。本实用新型采用旋转运动模块和直线运动模块的方法来实现绕转子轴线的旋转运动和沿该轴线的直线运动；为了提高步进运动的稳定性，箝位装置采用一种特殊的柔性铰链结构，且每次箝位都有三个箝位柔性铰链同时动作，具有良好的对中性，并使钳位、驱动方式交替进行，从而实现钳位的稳定性和轴向旋转的准确性。其旋转驱动部分设计成三爪自定心柔性铰链，使结构紧凑并且响应迅速。低频下的旋转运动为推力起作用，本实用新型采用九组压电叠堆共同作用实现钳紧和推动，且钳紧和驱动按相应时序交替进行。转子部分无绕线结构，可使转子实现任意角度的旋转。直线步进运动由三组压电叠堆驱动，配合定子上三层的九组压电箝位机构的时序交替箝位作用，使转子实现沿直线方向的步进运动。

本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现：

多自由度微纳米级仿生精密旋转驱动装置，包括转子1及定子2，所述转子1为一转轴，轴的输出端开有螺纹孔与定子2中部的轴孔过渡配合；

所述定子2包括分别嵌有压电叠堆箝位柔性铰链的定子一、二、三层和嵌有竖直压电叠堆的定子底部；其中定子一层靠近轴孔部分通过三个箝位柔性铰链与转子1箝位，三个箝位柔性铰链分别通过嵌入定子一层的A型压电叠堆Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3、11、19实现箝位驱动；螺纹紧固A型楔形块Ⅰ、B型楔形块Ⅰ6、7预紧该A型压电叠堆Ⅰ3，螺纹紧固A型楔形块Ⅱ、B型楔形块Ⅱ14、13预紧A型压电叠堆Ⅱ11，螺纹紧固A型楔形块Ⅲ、B型楔形块Ⅲ21、20预紧A型压电叠堆Ⅲ19，三个箝位柔性铰链组成了定子一层的三爪式自定心压电箝位结构；