[发明专利]一种压电柔性回转驱动装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种回转驱动装置，特别是关于一种压电柔性回转驱动装置。

背景技术

回转驱动是测量、定位及光学仪器中所要实现的关键技术之一。传统回转驱动技术采用电机作动力、蜗轮蜗杆或齿轮等传统机构作减速传动装置。传统机构发展时间长，工艺成熟，在回转驱动中应用最为普遍，有着不可替代的作用。然而，传统机构不可避免地存在间隙、内热、摩擦等现象，因此传统回转驱动技术中回转精度的进一步提高较为困难，需要增加大量设计和制造成本。此外，电机作为驱动力还存在着机械转化效率较低、难以实现微动定位等缺点。

柔性机构是20世纪60年代出现的一种新型机构。当给压电陶瓷两端面施加电压时，压电陶瓷将由于逆压电效应而伸长，一般伸长量在10微米左右，为满足行程要求及保护压电陶瓷，再通过柔性机构的弹性变形进行传动、放大。用柔性机构的弹性变形代替传统的运动副，从而消除摩擦、内热、间隙等因素的影响，因此采用柔性机构可以实现高精度的转动和定位；且压电陶瓷和柔性机构的制造加工都很方便，其成本远低于相同精度的传统机构，能够较好的弥补传统机构的缺点。目前该技术在航空航天、仪器仪表、机械制造等领域均得到了广泛应用。然而，由于柔性机构必须整体加工，运动副的种类一般仅限于柔性铰链，运动的传递方式与传统机构相比较为单一，可实现功能有限，一般仅用于定位平台的微动。在实现回转运动时，现有技术中直接将压电陶瓷安装在与转轴同心的圆周上，利用压电陶瓷的伸长直接带动轴的半径回转，从而使转轴产生微角度输出，再利用尺蠖原理等方式重复此过程实现步进。此类机构如德国PI公司生产的超声波压电电机、加拿大萨省大学机械工程系以及德国布伦瑞克工业大学机械工程系联合研发的两自由度旋转-线性压电驱动器。国内科研院所也有利用该原理研制的回转驱动。然而，这类方法中压电陶瓷的直线运动与圆半径的回转运动轨迹不能完全重合，存在原理误差。为降低或消除这类误差，需要以增大机构空间、降低机械效率为代价，不能最大限度的发挥柔性机构的优势。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够从根本上消除压电回转驱动原理误差的压电柔性回转驱动装置。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种压电柔性回转驱动装置，其特征在于：它包括外套筒、基座和转动主体，所述外套筒固定设置在所述基座顶面的外周上，所述外套筒与所述基座构成一顶部开口的半封闭空间，所述转动主体设置在该半封闭空间的中心轴线上；所述转动主体包括滑动轴承、定位轴、下锁紧构件、回转构件、上锁紧构件和输出轴；所述回转构件包括中间框架、上横梁、下横梁和主压电陶瓷，所述中间框架采用正八边形结构，所述中间框架中相邻两条边之间均通过完全相同的柔性铰链连接；所述上横梁和下横梁的结构相同，均采用一杆件，在杆件上靠近杆件两端的位置对称设置两个柔性铰链；所述主压电陶瓷通过过盈配合安装在所述中间框架中任意两条对边之间；安装所述主压电陶瓷的两条对边的四条邻边构成一菱形结构，所述上横梁位于所述中间框架的顶部，所述上横梁的两端分别与构成所述菱形结构的一组对边的中点连接；所述下横梁位于所述中间框架的底部，所述下横梁的两端分别与构成所述菱形结构的另一组对边的中点连接；所述下锁紧构件和上锁紧构件的结构相同，均包括两菱形构件、一中间杆件和两辅压电陶瓷；两所述菱形构件对称设置在所述中间杆件两端，所述辅压电陶瓷通过过盈配合安装在所述菱形构件中；所述滑动轴承固定设置在所述基座顶面的中心处，所述定位轴一端固定设置在所述滑动轴承中，其另一端固定设置在所述下锁紧构件的中心孔内，所述下锁紧构件上部中心处固定连接所述回转构件的所述下横梁，所述回转构件中所述上横梁的上部中心处固定连接所述上锁紧构件，所述上锁紧构件的上部中心处固定连接所述输出轴，所述输出轴的一端固定设置在所述上锁紧构件的中心孔内。

所述输出轴与所述外套筒之间安装光栅，所述光栅检测所述输出轴的偏移量，并反馈给主压电陶瓷，实现所述转动主体转动过程中的全程闭环控制。

所述中间框架采用菱形结构，所述上横梁位于所述中间框架的顶部，所述上横梁的两端分别与所述菱形结构的一组对边的中点连接；所述下横梁位于所述中间框架的底部，所述下横梁的两端分别与所述菱形结构的另一组对边的中点连接，主压电陶瓷位于所述菱形结构的任一条对角线上，并通过过盈配合安装在所述中间框架内。