[发明专利]一种基于非对称三角形铰链机构的旋转式压电驱动装置

说明书

本发明涉及一种基于非对称三角形铰链机构的旋转式压电驱动装置，由压电叠堆、非对称三角形铰链机构、转子、预紧螺钉、预紧楔块和底座组成。压电叠堆在电压信号驱动下可伸长和恢复；非对称三角形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三角形铰链机构与转子间的初始预紧力；底座起支撑作用。本发明压电叠堆主输出方向与转子的旋转中心在一条直线上，可充分利用压电叠堆主输出方向的刚度；非对称三角形铰链机构结构简单，刚度输出性能好，能承受较大的负载，大大提高了驱动装置的输出负载，可实现转子的旋转步进式运动。该装置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。

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，特别涉及一种基于非对称三角形铰链机构的旋转式压电驱动装置。

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装置的精度提出了更高要求。传统的驱动装置输出精度低，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装置尺寸微小的要求。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装置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，整体装置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，导致整体装置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。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，并通过非对称三角形铰链机构的寄生惯性运动，同时产生预紧力和驱动力，进一步提高压电驱动装置输出负载的新型压电旋转精密驱动装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于非对称三角形铰链机构的旋转式压电驱动装置，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，同时能实现旋转运动输出功能。

本发明通过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三角形铰链机构，通过非对称三角形铰链机构传递复合载荷，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：

一种基于非对称三角形铰链机构的旋转式压电驱动装置，主要包括转子(1)、压电叠堆(2)、预紧楔块(3)、预紧螺钉(4)、非对称三角形铰链机构(5)和底座(6)，所述精密驱动装置通过寄生惯性原理实现压电旋转精密驱动。转子(1)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连接；转子(1)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、旋转轴与底座为过盈配合；非对称三角形铰链机构(5)通过螺钉安装在底座上；压电叠堆(2)安装于非对称三角形铰链机构(5)内，其主输出方向与转子(1)旋转中心在一条直线上；预紧楔块(3)布置在压电叠堆(2)和非对称三角形铰链机构(5)之间，可通过预紧楔块(3)进行预紧；预紧螺钉(4)紧固在底座上，与非对称薄壁式铰链下端接触，非对称三角形铰链机构(5)为非对称薄壁式结构，其上端弧形结构与转子(1)接触；底座(6)起支撑和安装固定其他零件作用。

所述的压电叠堆(2)的主输出方向与转子(1)旋转中心在一条直线上，将压电叠堆(2)主输出方向的较大刚度充分利用；所述的非对称三角形铰链机构(5)刚度输出性能好，非对称三角形铰链机构上端可承受较大的预紧力，运动稳定高效，压电叠堆(2)得电通过非对称三角形铰链机构(5)传递转子(1)旋转运动的驱动力和非对称三角形铰链机构(5)和转子(1)之间接触面的预紧力，从而大大提高压电驱动装置的输出负载。可实现沿所需方向的旋转步进式运动。

所述的非对称三角形铰链机构(5)与转子(1)之间的初始预紧力通过预紧螺钉(4)调节；