[发明专利]钳位驱动一体化的压电驱动高精度旋转作动装置及方法

权利要求书

1.一种钳位驱动一体化的压电驱动高精度旋转作动装置，其特征在于：包括作动器底座(1)，安装于底座(1)上，能够承受轴向方向载荷的下部推力球轴承(2)，在底座(1)上方的下层驱动结构(3)，与下层驱动结构(3)一体化设置的上层驱动结构(4)，安装在下部推力球轴承(2)上能够被下层驱动结构(3)以及上层驱动结构(4)钳位约束的输出轴(5)，安装在输出轴(5)上方的上部推力球轴承(6)，安装在推力球轴承上方的顶盖(7)，输出轴(5)顶部伸出顶盖(7)；

所述下层驱动结构(3)以及上层驱动结构(4)能够驱动输出轴(5)圆周转动，下层驱动结构(3)与上层驱动结构(4)具有完全相同的几何尺寸；下层驱动结构(3)包括下层外侧固定框架(31)，与下层外侧固定框架(31)使用柔性铰连接的下层内侧旋转框架(32)，与下层内侧旋转框架(32)通过柔性铰连接的下层钳位框架(33)，安装在下层钳位框架(33)中并位于输出轴(5)两侧的的下层第一钳位压电陶瓷(34)和下层第二钳位压电陶瓷(35)；上层驱动结构(4)包括上层外侧固定框架(41)，与上层外侧固定框架(41)使用柔性铰连接的上层内侧旋转框架(42)，与上层内侧旋转框架(42)通过柔性铰连接的上层钳位框架(43)，安装在上层钳位框架(43)中并位于输出轴(5)两侧的的上层第一钳位压电陶瓷(44)和上层第二钳位压电陶瓷(45)，安装在上层外侧固定框架(41)与上层内侧旋转框架(42)之间并位于上层内侧旋转框架(42)与上层外侧固定框架(41)连接端异侧的上层第一驱动压电陶瓷(46)与上层第二驱动压电陶瓷(47)；输出轴(5)位于下层钳位框架(33)和上层钳位框架(43)中心的圆孔中，当未加电时，下层钳位框架(33)和上层钳位框架(43)能够钳位约束输出轴(5)。

2.根据权利要求1所述的一种钳位驱动一体化的压电驱动高精度旋转作动装置，其特征在于：所述下层驱动结构(3)与上层驱动结构(4)采用慢走丝工艺一次加工成型。

3.权利要求1所述的钳位驱动一体化的压电驱动高精度旋转作动装置的作动方法，其特征在于：能够实现双向大角度旋转运动，顺时针作动步骤如下：第一步，下层驱动结构(3)的下层第一钳位压电陶瓷(34)和下层第二钳位压电陶瓷(35)通电伸长，推动下层钳位框架(33)扩张，下层钳位框架(33)与输出轴(5)之前脱离钳位接触；第二步，上层第一驱动压电陶瓷(46)和上层第二驱动压电陶瓷(47)通电伸长，推动上层内侧旋转框架(42)沿顺时针方向转动，同时由于上层内侧旋转框架(42)所连接的上层钳位框架(43)与输出轴(5)处于接触钳位状态，上层内侧旋转框架(42)的转动也推动了输出轴(5)顺时针转过一微小角度；第三步，下层驱动结构(3)的下层第一钳位压电陶瓷(34)和下层第二钳位压电陶瓷(35)断电缩短，下层钳位框架(33)的扩张弹性恢复，下层钳位框架(33)与输出轴(5)之钳位接触；第四步，上层驱动结构(4)的上层第一钳位压电陶瓷(44)和上层第二钳位压电陶瓷(45)通电伸长，推动上层钳位框架(43)扩张，上层钳位框架(43)与输出轴(5)之脱离钳位接触；第五步，驱动上层第一驱动压电陶瓷(46)和上层第二驱动压电陶瓷(47)断电缩短，上层内侧旋转框架(42)在柔性铰约束下的转动变形弹性恢复，沿逆时针方向转动；第六步，上层驱动结构(4)的上层第一钳位压电陶瓷(44)和上层第二钳位压电陶瓷(45)断电缩短，上层钳位框架(43)的扩张弹性恢复，上层钳位框架(43)与输出轴(5)之钳位接触；至此作动器装置恢复到作动前的初始状态，并且与初始状态相比，输出轴(5)在下层驱动结构(3)以及上层驱动结构(4)的推动下向顺时针方向发生微小角度的转动，循环上述过程即实现输出轴(5)顺时针大角度旋转作动；

逆时针作动步骤如下：第一步，上层驱动结构(4)的上层第一钳位压电陶瓷(44)和上层第二钳位压电陶瓷(45)通电伸长，推动上层钳位框架(43)扩张，上层钳位框架(43)与输出轴(5)之前脱离钳位接触；第二步，驱动上层第一驱动压电陶瓷(46)和上层第二驱动压电陶瓷(47)通电伸长，推动上层内侧旋转框架(42)沿顺时针方向转动一微小角度；第三步，上层驱动结构(4)的上层第一钳位压电陶瓷(44)和上层第二钳位压电陶瓷(45)断电缩短，上层钳位框架(43)的扩张弹性恢复，上层钳位框架(43)与输出轴(5)之钳位接触；第四步，下层驱动结构(3)的下层第一钳位压电陶瓷(34)和下层第二钳位压电陶瓷(35)通电伸长，下层推动钳位框架(33)扩张，下层钳位框架(33)与输出轴(5)之脱离钳位接触；第五步，驱动上层第一驱动压电陶瓷(46)和上层第二驱动压电陶瓷(47)断电缩短，上层内侧旋转框架(42)在柔性铰约束下的转动变形弹性恢复，沿逆时针方向转动，同时由于上层内侧旋转框架(42)所连接的上层钳位框架(43)与输出轴(5)处于接触钳位状态，上层内侧旋转框架(42)的转动也推动了输出轴(5)逆时针转过一微小角度；第六步，下层驱动结构(3)的下层第一钳位压电陶瓷(34)和下层第二钳位压电陶瓷(35)断电缩短，下层钳位框架(33)的扩张弹性恢复，下层钳位框架(33)与输出轴(5)之钳位接触；至此作动器装置恢复到作动前的初始状态，并且与初始状态相比，输出轴(5)在下层驱动结构(3)以及上层驱动结构(4)的推动下向逆时针方向发生微小角度的转动，循环上述过程即实现输出轴(5)逆时针大角度旋转作动。