[发明专利]微型尺蠖式压电驱动旋转关节机构

说明书

技术领域

本发明涉及驱动器领域，主要是一种微型尺蠖式压电驱动旋转关节机构。

背景技术

近年来，随着物理化学、信息电子、生物医疗、环境能源、材料制造、航空航天等学科的迅猛发展，涉及微米、纳米尺度下精密测量、精密操作和精密加工的场合越来越多，人们对微纳米级精密定位和微纳米级精密驱动技术有着迫切的需求。作为精密定位驱动系统中的主要功能部件，驱动器的原理结构、制造装配和驱动控制对整个系统的性能有着决定性的影响。因此，新型驱动器的开发研制成为微纳米级精密定位驱动技术发展的关键环节之一。

传统的精密驱动器一般采用基于电磁原理的步进电机，它在大尺寸、普通精度要求下具有较大的优势，但进入微米、纳米级的定位精度以及毫米、亚毫米级的结构尺寸要求时失去了优势，设计制造存在很大的难度，且发热严重、效率低下，已无法满足现代高新技术的发展需求。伴随着压电驱动技术的发展，以压电陶瓷为核心功能材料的驱动器在超精密定位驱动领域脱颖而出。压电陶瓷驱动器具有能量密度大、响应速度快、分辨率高、抗电磁干扰、耐低温真空环境等优势。压电马达利用摩擦传动将压电元件微振动转换为输出轴单向连续运动，克服了压电元件自身行程小的缺陷，同时具有结构简单、易于微型化、低速大力矩、能自锁等特点。基于惯性冲击、尺蠖等原理的压电步进马达，具有精密微步距调整的能力，有效缓解了大行程和高精度之间的矛盾，在大行程、超精密定位驱动系统中表现出良好的发展前景。

作为一种典型的精密定位驱动系统，微型精密操作手在诸如细胞注射、微粒搬运、微观检测等前沿科学研究、先进工业生产中的众多场合都有应用价值，旋转关节作为微型精密操作手的基本功能元件，旋转关节机构的微型化和新型压电驱动旋转关节机构的发明具有重要的意义。

发明内容本发明所要解决的技术问题是提供一种微型尺蠖式压电驱动旋转关节机构，其结构改进巧妙，适宜于微型化，关节整体机构采用对称结构布局，且采用双箝位双旋转控制方式，夹持力保持稳定，提高了运行效率和稳定性，优化压电陶瓷片布局，降低驱动电路的复杂性同时方便控制。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种微型尺蠖式压电驱动旋转关节机构，包括有U形基座，及水平夹持在U形基座上U形口中的旋转套筒，其特征在于：所述旋转套筒的中心轴位置转动安装有旋转轴，所述U形基座U形两端分别连接有环形座，且两环形座分别共中心轴对应连接在旋转套筒两端筒口处，每个环形座中分别安装有环形轴承座，轴承座中内环壁沿某一径向连接有轴承架，轴承架中间位置断开并连接有由两半圈构成的整环形轴承套圈，所述轴承套圈与轴承座共圆心，轴承套圈每个半圈所连接的轴承架两侧分别对称设置有压电陶瓷片，每个压电陶瓷片分别平行于轴承架，且压电陶瓷片一端分别连接在轴承座内壁、另一端分别连接在对应的轴承架所连接的轴承套圈半圈对应侧圈端，每个压电陶瓷片朝向轴承架的内侧面以及远离轴承架的外侧面分别沉积有电极，由轴承座、轴承架、轴承套圈构成轴承单元，由轴承单元、压电陶瓷片构成轴承驱动模块，所述旋转套筒中旋转轴两端分别穿过环形座内轴承单元的轴承套圈，且轴承套圈对旋转轴施加一定的预夹紧力。

每侧环形座远离旋转套筒的一端分别盖合有端盖。

所述压电陶瓷片为单层结构，或者是多层叠片式结构。

所述轴承单元整体采用不锈钢材料制成，其中轴承套圈内圈作表面耐磨处理或喷涂耐磨材料。

所述压电陶瓷片两端分别采用环氧树脂胶或AB胶与轴承座、轴承套圈粘结连接。

所述轴承座采用环氧树脂胶或者AB胶粘结在环形座中，或者采用螺合方式螺入环形座中。

所述端盖通过环氧树脂胶或AB胶粘结在环形座一端，或者采用螺合方式螺合在环形座一端，或者采用卡环方式卡接于环形座一端。

本发明中，压电陶瓷片在电压驱动下伸缩变形，驱动轴承套圈实现夹紧、松开、旋转等微小运动，通过控制压电陶瓷片的夹紧、松开和旋转时序，实现旋转轴步进运动。

本发明中，轴承座、轴承支架、轴承套圈构成轴承单元，采用整体加工成型；轴承单元和压电陶瓷片构成轴承驱动模块，压电陶瓷片与轴承座、轴承套圈连接并对称分布于轴承单元内部；轴承驱动模块通过轴承座与环形座连接；轴承套圈和旋转轴在未施加电压情况下保持一定的预夹紧力；旋转轴转动安装于旋转套筒内，并用于安装后续操作部件；端盖用于保护基座中的轴承驱动模块。