阅读说明：本技术 一种基于寄生惯性原理的新型高效压电旋转精密驱动平台 (Novel efficient piezoelectric rotation precision driving platform based on parasitic inertia principle ) 是由 万嫩 李建平 温建明 陈松 郑佳佳 张忠华 于 2019-04-08 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于寄生惯性原理的高效压电旋转精密驱动平台,包括两个压电叠堆、两个非对称薄壁式柔性铰链机构、转子、预紧螺钉、预紧楔块和底座。两组压电叠堆在电压信号驱动下可伸长和恢复；两组非对称薄壁式柔性铰链机构可实现寄生惯性运动；预紧螺钉和预紧楔块调节非对称薄壁式柔性铰链机构与转子间的初始预紧力；底座起支撑作用。本发明两个压电叠堆在电压的时序控制下,交替提供驱动,使非对称薄壁式柔性铰链机构做仿生爬行运动,既增加了输出负载,又消除了运动周期内动子的回退现象,提高了装置的输出性能,实现了转子的高效旋转。该平台可应用于精密超精密机械加工、微机电系统、微操作机器人、大规模集成电路制造、生物技术领域。(The invention relates to a high-efficiency piezoelectric rotation precision driving platform based on a parasitic inertia principle, which comprises two piezoelectric stacks, two asymmetric thin-wall flexible hinge mechanisms, a rotor, a pre-tightening screw, a pre-tightening wedge block and a base. The two groups of piezoelectric stacks can be stretched and recovered under the drive of voltage signals; the two groups of asymmetric thin-wall flexible hinge mechanisms can realize parasitic inertial motion; the pretightening screw and the pretightening wedge block adjust the initial pretightening force between the asymmetric thin-wall flexible hinge mechanism and the rotor; the base plays a supporting role. The two piezoelectric stacks alternately provide drive under the time sequence control of voltage, so that the asymmetric thin-wall flexible hinge mechanism performs bionic crawling motion, the output load is increased, the backspacing phenomenon of a rotor in a motion period is eliminated, the output performance of the device is improved, and the efficient rotation of the rotor is realized. The platform can be applied to the fields of precision ultra-precision machining, micro electro mechanical systems, micro operation robots, large-scale integrated circuit manufacturing and biotechnology.)

一种基于寄生惯性原理的新型高效压电旋转精密驱动平台

技术领域

本发明涉及精密超精密加工、微纳操作机器人、微机电系统程领域，特别涉及一种基于寄生惯性原理的新型高效压电旋转精密驱动平台。

背景技术

具有微/纳米级定位精度的精密驱动技术是超精密加工与测量、光学工程、现代医疗、航空航天科技等高尖端科学技术领域中的关键技术。为实现微/纳米级的输出精度，现代精密驱动技术的应用对驱动平台的精度提出了更高要求。传统的驱动平台输出精度低，整体尺寸大，无法满足现代先进科技技术中精密系统对微/纳米级高精度和驱动平台尺寸微小的要求。压电陶瓷驱动器具有体积尺寸小、位移分辨率高、输出负载大、能量转换率高等优点，能实现微/纳米级的输出精度，已经越来越多地被应用到微定位和精密超精密加工中。现有的压电惯性驱动平台通常将压电元件和转子质量块平行放置于其运动方向，预紧力垂直于压电元件的主输出方向，整体平台的输出负载主要依赖于预紧力产生的摩擦力。然而压电元件如压电叠堆，通常采用d₃₃的工作模式，其在垂直于主输出方向的截面上刚度较小，产生的预紧力较小，导致整体平台的输出负载大大降低，压电元件在主输出方向的较大刚度没有得到充分的利用；单个压电叠堆提供的输出负载小；运动中的回退现象进一步降低输出性能。因此，有必要设计一种充分利用压电叠堆主输出方向的刚度，消除回退现象，提高输出负载，进一步提高压电驱动平台的输出负载的新型高效压电旋转精密驱动平台。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于寄生惯性原理的新型高效压电旋转精密驱动平台，解决了现有技术存在的上述问题。本发明具有结构简单紧凑，输出精度高，输出刚度和输出负载大，输出频率高的特点，同时能实现高效旋转运动输出功能。

本发明采用两组压电驱动单元，将压电叠堆的主输出方向与转子旋转中心在一条直线上布置，采用刚度输出特性好的非对称薄壁式柔性铰链机构，在两个压电叠堆的交替驱动下，非对称薄壁式柔性铰链机构按照时序依次实现寄生惯性运动，传递复合载荷，最终实现转子的旋转运动。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种基于寄生惯性原理的新型高效压电旋转精密驱动平台，主要包括两组压电驱动单元I和I I、转子(5)、预紧楔块I、II(2、8)、预紧螺钉I、II(1、9)、底座(10)，其特征在于：所述精密驱动装置利用寄生惯性原理采用两组驱动单元实现高效压电旋转精密驱动。

所述压电驱动单元I包括压电叠堆I(3)、非对称薄壁式柔性铰链机构I(4)，压电驱动单元II包括压电叠堆II(7)、非对称薄壁式柔性铰链机构II(6)，压电叠堆I、II(3、7)分别设置在非对称薄壁式柔性铰链机构I、II(4、6)内，其主输出方向与转子(5)旋转中心在一条直线上；压电叠堆I(3)可驱动非对称薄壁式柔性铰链机构I(4)伸长，压电叠堆II(7)可驱动非对称薄壁式柔性铰链机构II(6)伸长，通过控制驱动压电叠堆I、II(3、7)之间的时序，交替工作，实现非对称薄壁式柔性铰链机构I、II(4、6)和转子(5)之间的寄生惯性运动，进而驱动转子(5)的高效旋转运动；所述转子(5)包括旋转台、轴承和旋转轴，旋转台与轴承外圈、旋转轴与轴承内圈、旋转轴与底座(10)为过盈配合；转子(5)的结构使用了高精度轴承来减小其摩擦损耗，轴承通过旋转轴与底座(10)连接，用以实现高精度的旋转运动；非对称薄壁式柔性铰链机构I、II(4、6)通过螺钉安装在底座(10)上；压电叠堆I、II(3、7)安装于非对称薄壁式柔性铰链机构I、II(4、6)内，其主输出方向与转子(5)旋转中心在一条直线上；压电叠堆I、II(3、7)可通过预紧楔块1、II(2、8)进行预紧；预紧螺钉I、II(1、9)紧固在底座(10)上，与非对称薄壁式铰链机构I、II(4、6)下端接触；非对称薄壁式铰链机构I、II(4、6)由八个薄壁式柔性铰链连接，组成非对称形式，其上端弧形结构与动子(5)接触；底座(10)起支撑和安装固定其他零件作用。所述的压电叠堆I、II(3、7)的主输出方向与转子(5)旋转中心在一条直线上，压电叠堆I、II(3、7)主输出方向的刚度得到充分利用；所述的非对称薄壁式柔性铰链机构I、II(4、6)刚度输出性能好，非对称薄壁式柔性铰链机构上端可承受较大的预紧力，运动稳定高效。

所述的压电信号采用锯齿波或三角波形式的压电信号时序控制压电叠堆I、II(3、7)，使压电叠堆I、II(3、7)按时序依次缓慢伸长，推动非对称薄壁式柔性铰链机构I、II(4、6)分别做寄生惯性运动，从而实现转子(5)旋转运动；压电叠堆I、II(3、7)在压电信号控制下迅速回退，转子(5)在惯性作用下保持旋转后的角度不动。所述的两组压电驱动单元I和II通过时序控制，交替工作，可消除运动周期内转子(5)的回退现象，大大增加输出负载，提高了输出性能。

本发明的主要优势在于：利用寄生惯性运动原理，采用两组压电驱动单元按照时序交替工作，消除运动过程中的回退现象；压电叠堆的主输出方向与转子旋转中心在一条直线上，利用非对称薄壁式柔性铰链机构的寄生惯性运动传递载荷；本发明大大提高了驱动平台的输出负载，同时实现转子的旋转运动，具有驱动可靠性高、平稳性好、工作效率高等优势，可应用于精密超精密加工、微操作机器人、微机电系统、大规模集成电路制造、生物技术等重要科学工程领域。本发明结构简单、布置紧凑、运动稳定，具有效率高、投资少、效益高等优势，应用前景较为广阔。

附图说明

图1是本发明的等轴测视示意图；

图2是本发明的主视示意图；

图3是本发明的左视示意图；

图4是本发明的非对称薄壁式柔性铰链机构示意图。

图中：

1.预紧螺钉I；2.预紧楔块I；3.压电叠堆I；

4.非对称薄壁式柔性铰链机构I；5.转子；6.非对称薄壁式柔性铰链机构II；

7.压电叠堆II；8.预紧楔块II；9.预紧螺钉II；

10.底座。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

参见图1至图4所示，一种基于寄生惯性原理的新型高效压电旋转精密驱动平台，主要包括两组压电驱动单元I和II、转子(5)、预紧楔块I、II(2、8)、预紧螺钉I、II(1、9)、底座(10)，其特征在于：所述精密驱动装置利用寄生惯性原理采用两组驱动单元实现高效压电旋转精密驱动。所述压电驱动单元I包括压电叠堆I(3)、非对称薄壁式柔性铰链机构I(4)，压电驱动单元II包括压电叠堆II(7)、非对称薄壁式柔性铰链机构II(6)，压电叠堆I、II(3、7)分别设置在非对称薄壁式柔性铰链机构I、II(4、6)内，其主输出方向与转子(5)旋转中心在一条直线上；压电叠堆I(3)可驱动非对称薄壁式柔性铰链机构I(4)伸长，压电叠堆II(7)可驱动非对称薄壁式柔性铰链机构II(6)伸长，通过控制压电叠堆I、II(3、7)之间的时序，交替工作，实现非对称薄壁式柔性铰链机构I、II(4、6)和转子(5)之间的寄生惯性运动，进而驱动转子(5)的高效旋转运动；所述转子(5)包括旋转台、轴承和旋转轴，旋转台与轴承外圈、旋转轴与轴承内圈、旋转轴与底座(10)为过盈配合；转子(5)的结构使用了高精度轴承来减小其摩擦损耗，轴承通过旋转轴与底座(10)连接，用以实现高精度的旋转运动；非对称薄壁式柔性铰链机构I、II(4、6)通过螺钉安装在底座(10)上；压电叠堆I、II(3、7)安装于非对称薄壁式柔性铰链机构I、II(4、6)内，其主输出方向与转子(5)旋转中心在一条直线上；压电叠堆I、II(3、7)可通过预紧楔块I、II(2、8)进行预紧；预紧螺钉I、II(1、9)紧固在底座上(10)，与非对称薄壁式铰链机构I、II(4、6)下端接触；非对称薄壁式铰链机构I、II(4、6)由八个薄壁式柔性铰链连接，组成非对称形式，其上端弧形结构与动子(5)接触；底座(10)起支撑和安装固定其他零件作用。

所述的压电叠堆I、II(3、7)的主输出方向与转子(5)旋转中心在一条直线上，将压电叠堆I、II(3、7)主输出方向的较大刚度充分利用；所述的非对称薄壁式柔性铰链机构I、II(4、6)刚度输出性能好，非对称薄壁式柔性铰链机构上端可承受较大的预紧力，运动稳定高效。

所述的压电信号采用锯齿波或三角波形式的压电信号时序控制压电叠堆I、II(3、7)，使压电叠堆I、II(3、7)按时序缓慢伸长，推动非对称薄壁式柔性铰链机构I、II(4、6)分别作复合运动，从而实现转子(5)旋转运动；压电叠堆I、II(3、7)在压电信号控制下迅速回退，转子(5)在惯性作用下保持旋转后的角度不动。所述的两组压电驱动单元I和II通过时序控制，交替工作，可消除运动周期内转子(5)的回退现象，大大增加输出负载，提高了输出性能。

参见图1至图4所示，本发明的具体工作过程如下：

转子步进式旋转运动的实现，初始状态：分别调节预紧螺钉I、II(1、9)来调节非对称薄壁式柔性铰链机构I、II(4、6)与转子(5)间的接触距离，即寄生运动过程中的初始预紧力。采用锯齿波或三角波形式的压电信号控制压电叠堆I、II(3、7)。压电叠堆I、II(3、7)不带电时，系统处于自由状态；当只有压电叠堆I(3)通电后，通过逆压电效应伸长，推动非对称薄壁式柔性铰链机构I(4)变形，非对称薄壁式柔性铰链机构I(4)压紧转子(5)，非对称薄壁式柔性铰链机构I(4)在与转子(5)间静摩擦力的作用下，带动转子(5)旋转；当压电叠堆I(3)将要失电时，压电叠堆II(7)得电伸长，推动非对称薄壁式柔性铰链机构II(6)变形，非对称薄壁式柔性铰链机构II(6)压紧转子(5)，在与转子(5)间静摩擦力的作用下，带动转子(5)继续旋转。当压电叠堆II(7)将要失电时，压电叠堆I(3)又得电伸长，驱动非对称薄壁式柔性铰链机构I(4)做寄生惯性运动，开始下一个周期的运动循环。在这个过程中，压电叠堆I(3)失电后回退至初始位置时，非对称薄壁式柔性铰链机构I(4)也回复初始状态。同样，当压电叠堆II(7)失电迅速回退至初始位置时，非对称薄壁式柔性铰链机构II(6)也回复初始状态。重复上述过程，该驱动平台可实现高效旋转运动，获得较大的输出旋转角度。

本发明涉及的一种基于寄生惯性原理的新型高效压电旋转精密驱动平台，采用了两组压电叠堆作为驱动源及非对称薄壁式柔性铰链机构作为动力传递元件，具有发热小、驱动平稳、可靠、高效的特点，并能实现高效旋转精密运动等功能。