專利名稱：多自由度微納米級(jí)仿生精密旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及精密加工領(lǐng)域，特別涉及一種多自由度微納米級(jí)仿生精密旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置。應(yīng)用于超精密加工機(jī)床、精密超精密微細(xì)加工與測(cè)量技術(shù)、材料試件納米力學(xué)性能檢測(cè)、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)、精密光學(xué)、半導(dǎo)體制造、現(xiàn)代醫(yī)學(xué)與生物遺傳工程、航空航天、機(jī)器人、軍事技術(shù)等高尖端的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
伴隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，對(duì)產(chǎn)品加工精度的要求越來越高，尤其是在精密超精密微細(xì)加工與測(cè)量技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)、納米科技、半導(dǎo)體制造、現(xiàn)代醫(yī)學(xué)與生物遺傳工程、航空航天科技、軍事技術(shù)等高尖端的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中顯得格外重要。要想實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品零件的精密超精密加工，就必須提供一種合適的高精度的驅(qū)動(dòng)裝置。傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)裝置，如普通電機(jī)、絲杠螺母、渦輪蝸桿等宏觀大尺寸驅(qū)動(dòng)裝置已不能滿足其精度要求。因此，各國的科研人員傾力于研究性能更優(yōu)越的新型高精度驅(qū)動(dòng)裝置。所謂新式驅(qū)動(dòng)裝置，是指采用新型材料作為電能一機(jī)械能轉(zhuǎn)換元件，再通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，使目標(biāo)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生一定動(dòng)作的裝置。通過各國科研人員的不斷探索，相當(dāng)多的新型驅(qū)動(dòng)裝置已經(jīng)被研制出來了，其中的一些已經(jīng)在實(shí)際中得到了相關(guān)的應(yīng)用。按照驅(qū)動(dòng)元件的不同，新型驅(qū)動(dòng)裝置大體可分為以下幾類相變材料驅(qū)動(dòng)裝置、熱變形驅(qū)動(dòng)裝置、形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)裝置、電磁驅(qū)動(dòng)裝置、靜電驅(qū)動(dòng)裝置、磁致伸縮驅(qū)動(dòng)裝置、電流變驅(qū)動(dòng)裝置、電致伸縮驅(qū)動(dòng)裝置、壓電驅(qū)動(dòng)裝置等。其中能達(dá)到納米級(jí)精度的目前只有電致伸縮驅(qū)動(dòng)裝置和壓電驅(qū)動(dòng)裝置。相比于電致伸縮驅(qū)動(dòng)裝置，壓電驅(qū)動(dòng)裝置因?yàn)轶w積小重量輕、響應(yīng)快(微秒級(jí))、 控制特性好、能量密度大、能耗低、不受磁場影響等特點(diǎn)而得到了更廣泛的應(yīng)用。以往的驅(qū)動(dòng)裝置往往存在結(jié)構(gòu)尺寸偏大、步進(jìn)精度低、往返重復(fù)定位精度低、難于加工等缺點(diǎn)；盡管其中也有一些驅(qū)動(dòng)器輸出穩(wěn)定、精度高，但行程小，只有幾十微米，嚴(yán)重限制了其應(yīng)用的范圍；同時(shí)，若要達(dá)到多自由度運(yùn)動(dòng)的輸出的目的，往往需要有多個(gè)單自由運(yùn)動(dòng)模塊組合、裝配來實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致整個(gè)裝置相當(dāng)復(fù)雜，影響整體剛度。因此有必要設(shè)計(jì)一種定位精度和重復(fù)定位精度均較高，同時(shí)適用于旋轉(zhuǎn)和直線運(yùn)動(dòng)輸出的微小型精密驅(qū)動(dòng)器。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種多自由度微納米級(jí)仿生精密旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置，解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題。其具有箝位穩(wěn)定、載荷輸出較大的特點(diǎn)，并能實(shí)現(xiàn)大行程運(yùn)動(dòng)、直線和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)輸出并舉等功能。本實(shí)用新型采用旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊和直線運(yùn)動(dòng)模塊的方法來實(shí)現(xiàn)繞轉(zhuǎn)子軸線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和沿該軸線的直線運(yùn)動(dòng)；為了提高步進(jìn)運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，箝位裝置采用一種特殊的柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)，且每次箝位都有三個(gè)箝位柔性鉸鏈同時(shí)動(dòng)作，具有良好的對(duì)中性，并使鉗位、驅(qū)動(dòng)方式交替進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)鉗位的穩(wěn)定性和軸向旋轉(zhuǎn)的準(zhǔn)確性。其旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)部分設(shè)計(jì)成三爪自定心柔性鉸鏈，使結(jié)構(gòu)緊湊并且響應(yīng)迅速。低頻下的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為推力起作用，本實(shí)用新型采用九組壓電疊堆共同作用實(shí)現(xiàn)鉗緊和推動(dòng)，且鉗緊和驅(qū)動(dòng)按相應(yīng)時(shí)序交替進(jìn)行。轉(zhuǎn)子部分無繞線結(jié)構(gòu)，可使轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)任意角度的旋轉(zhuǎn)。直線步進(jìn)運(yùn)動(dòng)由三組壓電疊堆驅(qū)動(dòng)，配合定子上三層的九組壓電箝位機(jī)構(gòu)的時(shí)序交替箝位作用， 使轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)沿直線方向的步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。本實(shí)用新型的上述目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)多自由度微納米級(jí)仿生精密旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置，包括轉(zhuǎn)子1及定子2，所述轉(zhuǎn)子1為一轉(zhuǎn)軸，軸的輸出端開有螺紋孔與定子2中部的軸孔過渡配合；所述定子2包括分別嵌有壓電疊堆箝位柔性鉸鏈的定子一、二、三層和嵌有豎直壓電疊堆的定子底部；其中定子一層靠近軸孔部分通過三個(gè)箝位柔性鉸鏈與轉(zhuǎn)子1箝位， 三個(gè)箝位柔性鉸鏈分別通過嵌入定子一層的A型壓電疊堆I、II、III 3、11、19實(shí)現(xiàn)箝位驅(qū)動(dòng)；螺紋緊固A型楔形塊I、B型楔形塊I 6、7預(yù)緊該A型壓電疊堆I 3，螺紋緊固A型楔形塊II、B型楔形塊II 14、13預(yù)緊A型壓電疊堆II 11，螺紋緊固A型楔形塊III、B型楔形塊 III 21,20預(yù)緊A型壓電疊堆III 19,三個(gè)箝位柔性鉸鏈組成了定子一層的三爪式自定心壓電箝位結(jié)構(gòu)；定子二、三層分別與上述定子一層的箝位、預(yù)緊結(jié)構(gòu)相同，定子一、二層間通過三處薄壁柔性鉸鏈相連接，定子二層的箝位、預(yù)緊結(jié)構(gòu)與第一層完全相同，通過調(diào)節(jié)預(yù)緊螺釘 IV、V、VI觀、29、44來調(diào)節(jié)A型楔形塊ΥΠ、B型楔形塊IV、B型楔形塊VILA型楔形塊VILB型楔形塊IX、A型楔形塊IX48、49、52、53、58、59的壓緊程度，從而控制A型壓電疊堆V、VI、 VDI 50、51、57來實(shí)現(xiàn)柔性鉸鏈的預(yù)緊和箝位；定子三層的箝位、預(yù)緊結(jié)構(gòu)與前兩層相同，通過調(diào)節(jié)預(yù)緊螺釘VD、VILIX 27、30、42來調(diào)節(jié)B型楔形塊X、A型楔形塊X、A型楔形塊XI、B 型楔形塊XI、A型楔形塊ΧΠ、B型楔形塊ΧΠ 46、47、M、55、60、61的壓緊程度，從而控制A型壓電疊堆乂、/1、通50、51、57實(shí)現(xiàn)柔性鉸鏈的預(yù)緊和箝位，第三層和第二層之間有三處薄壁柔性鉸鏈相連，用以實(shí)現(xiàn)直線步進(jìn)運(yùn)動(dòng)；定子底部為直線驅(qū)動(dòng)部分，其內(nèi)部嵌有B型壓電疊堆IV、V、VI31、35、40，螺紋緊固A型楔形塊IV、B型楔形塊V 33、32預(yù)緊該B型壓電疊堆IV 31，螺紋緊固A型楔形塊V、 B型楔形塊VI 37、36預(yù)緊B型壓電疊堆V 35，螺紋緊固A型楔形塊VI、B型楔形塊ΥΠ 38、39 預(yù)緊B型壓電疊堆VI40，該B型壓電疊堆IV、V、VI31、35、40分別穿過定子三層中預(yù)留的圓孔，頂在定子二層的下表面，定子一、二層的外圍嵌有三個(gè)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，具體是驅(qū)動(dòng)縮進(jìn) I > IKIII 8,16,24嵌在字子二層中過盈配合，B型壓電疊堆I ,IIJII 5,15,23 一端分別固定在驅(qū)動(dòng)縮進(jìn)I、II、III8、16、24的上層，另一端頂在定子一層；所述的轉(zhuǎn)子1為無繞線結(jié)構(gòu)。所述的轉(zhuǎn)子1為可變式接口轉(zhuǎn)軸。所述的轉(zhuǎn)子1通過A型壓電疊堆I ΙΧ3、11、19、45、50、51、56、57、62實(shí)現(xiàn)不同頻
率下的轉(zhuǎn)動(dòng)或移動(dòng)。所述的定子2的定子二層通過固定螺釘I、n、III、IV、V、VI4、9、12、17、22、25與
外部殼體固定。本實(shí)用新型的有益效果有于可大大提高普通驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)精度，降低結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及尺寸，且具有成本低、投資少、見效快、效益高等優(yōu)點(diǎn)?？梢詰?yīng)用于精密加工機(jī)床、微機(jī)電系統(tǒng)以及機(jī)器人領(lǐng)域，目的在于提高系統(tǒng)微動(dòng)精度、降低結(jié)構(gòu)尺寸。本實(shí)用新型對(duì)于我國精密超精密加工領(lǐng)域的發(fā)展有著極其重要的意義，其在精密加工、半導(dǎo)體制造、航空航天、軍事科技等眾多領(lǐng)域必定有廣闊的應(yīng)用前景。具有箝位穩(wěn)定、載荷輸出較大的特點(diǎn)，并能實(shí)現(xiàn)大行程運(yùn)動(dòng)、直線和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)輸出并舉等功能。本實(shí)用新型所涉及的一種多自由度超高精度驅(qū)動(dòng)裝置，總體尺寸為80X49mm，整體結(jié)構(gòu)較小，可方便放置于各種器械中，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)不同物件的繞固定軸的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)和沿固定方向的直線步進(jìn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)。本實(shí)用新型的主要功能為實(shí)現(xiàn)超高精度的步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和步進(jìn)式直線運(yùn)動(dòng)，其輸出具有大行程、大扭矩的特點(diǎn)。轉(zhuǎn)子單步轉(zhuǎn)過的最大角位移為102yrad數(shù)量級(jí)；轉(zhuǎn)子單步的最大直線位移為 10 μ m數(shù)量級(jí)，相對(duì)于以往的驅(qū)動(dòng)裝置，其精度有極大的提高。

圖1是本實(shí)用新型的整體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本實(shí)用新型的主視示意圖。圖3是本實(shí)用新型的仰視示意圖。圖4是本實(shí)用新型的俯視示意圖。圖5是圖2的A-A剖視示意圖。圖6是圖2的B-B剖視示意圖。圖中1.轉(zhuǎn)子； 2.定子； 3. A型壓電疊堆I ； 4.固定螺釘I ；5. B型壓電疊堆I ； 6. A型楔形塊I ； 7. B型楔形塊I ； 8.驅(qū)動(dòng)縮進(jìn)I ；9.固定螺釘II ； 10.預(yù)緊螺釘I ； 11. A型壓電疊堆II ； 12.固定螺釘III ；13. B型楔形塊II; 14. A型楔形塊II; 15. B型壓電疊堆II ； 16.驅(qū)動(dòng)縮進(jìn)II ；17.固定螺釘IV; 18.預(yù)緊螺釘II ； 19. A型壓電疊堆III ； 20. B型楔形塊III ；21. A型楔形塊III; 22.固定螺釘V ； 23. B型壓電疊堆III ； 24.驅(qū)動(dòng)縮進(jìn)III ；25.固定螺釘VI ； 26.預(yù)緊螺釘III ； 27.預(yù)緊螺釘ΥΠ ； 28.預(yù)緊螺釘IV ；29.預(yù)緊螺釘V ； 30.預(yù)緊螺釘VDI ； 31. B型壓電疊堆IV ； 32. B型楔形塊V ；33. A型楔形塊IV ； 34.預(yù)緊螺釘X ； 35. B型壓電疊堆V; 36. B型楔形塊VI ；37. A型楔形塊V; 38. A型楔形塊VI; 39. B型楔形塊ΥΠ ； 40. B型壓電疊堆VI;41.預(yù)緊螺釘XI ； 42.預(yù)緊螺釘IX ； 43.預(yù)緊螺釘ΧΠ ； 44.預(yù)緊螺釘VI ；45. A型壓電疊堆IV;46. B型楔形塊X ； 47. A型楔形塊X ； 48. A型楔形塊ΥΠ ；49. B型楔形塊IV; 50. A型壓電疊堆V ； 51 A型壓電疊堆VI ； 52. B型楔形塊VDI ；53. A型楔形塊VDI ； 54. A型楔形塊XI ； 55. B型楔形塊XI ； 56. A型壓電疊堆ΥΠ ；57. A型壓電疊堆VDI ； 58. B型楔形塊IX ； 59. A型楔形塊IX; 60. A型楔形塊ΧΠ ；61. B型楔形塊ΧΠ; 62. A型壓電疊堆IX。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本實(shí)用新型的詳細(xì)內(nèi)容及其具體實(shí)施方式
。參見圖1至圖6，本實(shí)用新型的多自由度微納米級(jí)仿生精密旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置，包括轉(zhuǎn)子1及定子2，所述轉(zhuǎn)子1為一轉(zhuǎn)軸，軸的輸出端開有螺紋孔與定子2中部的軸孔過渡配合； 通過改變轉(zhuǎn)子連接口，可用于不同種類部件的旋轉(zhuǎn)和直線輸出。由于采用壓電疊堆驅(qū)動(dòng)，使得輸出載荷比較大，可以驅(qū)動(dòng)相對(duì)較大的部件；并且采用尺蠖步進(jìn)式驅(qū)動(dòng)方式，理論轉(zhuǎn)角和直線運(yùn)動(dòng)距離無限大。[0040]所述定子2包括分別嵌有壓電疊堆箝位柔性鉸鏈的定子一、二、三層，和嵌有豎直壓電疊堆的定子底部；其中定子一層靠近軸孔部分通過三個(gè)柔性鉸鏈與轉(zhuǎn)子1箝位，三個(gè)柔性鉸鏈分別通過嵌入定子一層的A型壓電疊堆I、II JII 3、11、19實(shí)現(xiàn)箝位驅(qū)動(dòng)；螺紋緊固A型楔形塊I、B型楔形塊I 6、7預(yù)緊該A型壓電疊堆I 3，并通過預(yù)緊螺釘I 10調(diào)節(jié) A型楔形塊I、B型楔形塊I 6、7的壓緊程度來實(shí)現(xiàn)箝位預(yù)緊的調(diào)節(jié)；螺紋緊固A型楔形塊 II、B型楔形塊II 14、13預(yù)緊A型壓電疊堆II 11，并通過預(yù)緊螺釘II 18調(diào)節(jié)A型楔形塊II、 B型楔形塊II 14、13的壓緊程度來實(shí)現(xiàn)箝位預(yù)緊的調(diào)節(jié)；螺紋緊固A型楔形塊III、B型楔形塊III 21,20預(yù)緊A型壓電疊堆III 19，并通過預(yù)緊螺釘III 26調(diào)節(jié)A型楔形塊III、B型楔形塊 III 21,20的壓緊程度來實(shí)現(xiàn)箝位預(yù)緊的調(diào)節(jié)；三個(gè)柔性鉸鏈組成了定子一層的三爪式自定心壓電箝位結(jié)構(gòu)，該型箝位結(jié)構(gòu)具有自定心和箝位精確的優(yōu)點(diǎn)；定子二、三層分別與上述定子一層的箝位、預(yù)緊結(jié)構(gòu)相同，定子一、二層間通過三處柔性鉸鏈相連接，用以實(shí)現(xiàn)圓周旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，定子二、三層間通過三處柔性鉸鏈相連接，用以實(shí)現(xiàn)直線步進(jìn)運(yùn)動(dòng)；定子二層的箝位、預(yù)緊結(jié)構(gòu)與第一層完全相同，通過調(diào)節(jié)預(yù)緊螺釘 IV, V,VI 28,29,44來調(diào)節(jié)楔形塊A型楔形塊ΥΠ、B型楔形塊IV、B型楔形塊VDI、A型楔形塊通、B型楔形塊IX、A型楔形塊ΙΧ48、49、52、53、58、59的壓緊程度，從而控制A型壓電疊堆乂、/1、通50、51、57來實(shí)現(xiàn)柔性鉸鏈的預(yù)緊和箝位；第三層的箝位、預(yù)緊結(jié)構(gòu)與前兩層相同，通過調(diào)節(jié)預(yù)緊螺釘ΥΠ、VILIX 27、30、42來調(diào)節(jié)B型楔形塊X、A型楔形塊X、A型楔形塊 XI、B型楔形塊XI、A型楔形塊ΧΠ、B型楔形塊ΧΠ 46、47、Μ、55、60、61的壓緊程度，從而控制八型壓電疊堆乂、/1、通50、51、57實(shí)現(xiàn)柔性鉸鏈的預(yù)緊和箝位，第三層和第二層之間有三處柔性鉸鏈相連，用以實(shí)現(xiàn)直線步進(jìn)運(yùn)動(dòng)；定子底部為直線驅(qū)動(dòng)部分，其內(nèi)部嵌有B型壓電疊堆IV、V、VI31、35、40，螺紋緊固A型楔形塊IV、B型楔形塊V 33、32預(yù)緊該B型壓電疊堆IV 31，并通過預(yù)緊螺釘X 34調(diào)節(jié)A型楔形塊IV、B型楔形塊V 33、32的壓緊程度來實(shí)現(xiàn)箝位預(yù)緊的調(diào)節(jié)，螺紋緊固A型楔形塊V、B型楔形塊VI 37、36預(yù)緊B型壓電疊堆V 35，并通過預(yù)緊螺釘XI 41調(diào)節(jié)A型楔形塊V、B型楔形塊VI 37、36的壓緊程度來實(shí)現(xiàn)箝位預(yù)緊的調(diào)節(jié)，螺紋緊固A型楔形塊VI、B型楔形塊ΥΠ 38、39預(yù)緊B型壓電疊堆VI 40,并通過預(yù)緊螺釘ΧΠ 43調(diào)節(jié)A型楔形塊VI、B型楔形塊ΥΠ 38、39的壓緊程度來實(shí)現(xiàn)箝位預(yù)緊的調(diào)節(jié)；該B型壓電疊堆IV、V、VI 31、35、40分別穿過定子三層中預(yù)留的圓孔，頂在定子二層的下表面，以實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)；定子一、二層的外圍嵌有三個(gè)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，具體是驅(qū)動(dòng)縮進(jìn)I、II、III8、16、M嵌在字子二層中過盈配合，B 型壓電疊堆I、ΙΙ、ΠΙ 5、15、23 一端分別固定在驅(qū)動(dòng)縮進(jìn)I > IKIII 8,16,24的上層，另一端頂在定子一層，用以驅(qū)動(dòng)第一層做步進(jìn)式圓周運(yùn)動(dòng)；所述的轉(zhuǎn)子1為無繞線結(jié)構(gòu)。所述的轉(zhuǎn)子1為可變式接口轉(zhuǎn)軸。所述的轉(zhuǎn)子1通過A型壓電疊堆I ΙΧ3、11、19、45、50、51、56、57、62實(shí)現(xiàn)不同頻
率下的轉(zhuǎn)動(dòng)或移動(dòng)。所述的定子2的定子二層通過固定螺釘I、II、III、IV、V、VI4、9、12、17、22、25與
外部殼體固定。本實(shí)用新型的可動(dòng)部件全部采用形體可控面型的壓電疊堆，其運(yùn)動(dòng)是通過對(duì)A型壓電疊堆I IX3、11、19、45、50、51、56、57、62控制電壓的時(shí)序控制來實(shí)現(xiàn)的。轉(zhuǎn)子1的運(yùn)動(dòng)和停止均由柔性鉸鏈的箝位作用實(shí)現(xiàn)。箝位機(jī)構(gòu)A型壓電疊堆I、B型楔形塊I、A型壓電疊堆II、A型楔形塊I、B型楔形塊II、A型楔形塊II、A型壓電疊堆III、B型楔形塊III、A型楔形塊III、A型壓電疊堆IX、A型楔形塊X、A型楔形塊ΥΠ、B型楔形塊IV、A型壓電疊堆V、 A型壓電疊堆VI、B型楔形塊通、A型楔形塊通、A型楔形塊XI、B型楔形塊XI、A型壓電疊堆 ΥΠ、Α型壓電疊堆VILB型楔形塊ΙΧ、Α型楔形塊ΙΧ、Α型楔形塊ΧΠ、Β型楔形塊ΧΠ、Β型楔形塊 X 3、6、7、11、13、14、19、20、21、46、47、48、49、50、51、52、53、54、56、57、58、59、60、61、62 經(jīng) A 型壓電疊堆I IX 3、11、19、45、50、51、56、57、62的作用，可沿轉(zhuǎn)子1徑向伸縮變形。轉(zhuǎn)子 1除繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)之外，還能通過位于定子2底部的B型壓電疊堆IV、V、VI 31、35、40和定子2 中封裝的箝位機(jī)構(gòu)A型壓電疊堆I、B型楔形塊I、A型壓電疊堆II、A型楔形塊I、B型楔形塊II、A型楔形塊II、A型壓電疊堆III、B型楔形塊III、A型楔形塊III、A型壓電疊堆IX、A型楔形塊X、A型楔形塊ΥΠ、B型楔形塊IV、A型壓電疊堆V、A型壓電疊堆VI、B型楔形塊通、 A型楔形塊通、A型楔形塊XI、B型楔形塊XI、A型壓電疊堆ΥΠ、A型壓電疊堆通、B型楔形塊 IX、A型楔形塊IX、A型楔形塊ΧΠ、B型楔形塊ΧΠ、B型楔形塊X 3、6、7、11、13、14、19、20、21、 46、47、48、49、50、51、52、53、54、56、57、58、59、60、61、62 的時(shí)序控制，使轉(zhuǎn)子沿軸向移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)子1可以通過A型壓電疊堆I ΙΧ3、11、19、45、50、51、56、57、62實(shí)現(xiàn)不同頻率下的轉(zhuǎn)動(dòng)。參見圖1、2、3、4、5、6，本實(shí)用新型的具體工作過程如下轉(zhuǎn)子步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)，初始狀態(tài):Α型壓電疊堆I、II、III、B型壓電疊堆 I VI、A 型壓電疊堆IV ΙΧ3、11、19、5、15、23、31、35、40、45、50、51、56、57、62 均不帶電，系統(tǒng)處于自由狀態(tài)，此時(shí)轉(zhuǎn)子1亦處于游動(dòng)狀態(tài)；當(dāng)轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)封裝于定子第一層中的A型壓電疊堆I、ΙΙ、ΠΙ3、11、19通電，由于逆壓電效應(yīng)，A型壓電疊堆I、II、ΙΙΙ 3、11、 19伸長，使得定子第一層的三個(gè)箝位柔性鉸鏈箝緊，從而將轉(zhuǎn)子與定子第一層箝固；嵌在定子第一層和第二層外圍的驅(qū)動(dòng)縮進(jìn)機(jī)構(gòu)上的B型壓電疊堆I、II JII 5、15、23通電伸長， 驅(qū)動(dòng)縮進(jìn)I、ΙΙ、ΠΙ8、16、24的下部與定子第二層過盈配合，定子第二層用固定螺釘I、II、 III、IV、V、VI4、9、12、17、22、25固定在外殼上，而B型壓電疊堆I、II、III 5、15、23的一端固定在驅(qū)動(dòng)縮進(jìn)上，另一端頂在定子第一層的凹槽側(cè)面上，所以當(dāng)B型壓電疊堆I、11、1115、 15、23通電伸長時(shí)，將會(huì)推動(dòng)定子第一層相對(duì)于定子第二層做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，又因?yàn)檗D(zhuǎn)子通過定子第一層的柔性鉸鏈與定子第一層箝固在一起，從而使得轉(zhuǎn)子1相對(duì)于定子第二層做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)角為IO2 μ rad數(shù)量級(jí)；封裝于定子第二層的A型壓電疊堆VILA型壓電疊堆VI、A型壓電疊堆V 50、51、57通電伸長，通過定子第二層的柔性鉸鏈將轉(zhuǎn)子1與定子第二層箝固； 封裝于定子第一層的A型壓電疊堆I、IIJII 3、11、19失電，定子第一層的柔性鉸鏈與轉(zhuǎn)子松開；B型壓電疊堆I、II、III5、15、23失電，由于定子第一層和第二層之間薄壁柔性鉸鏈的作用，定子第一層相對(duì)于第二層回到了初始狀態(tài)；封裝于定子第一層的A型壓電疊堆I、 Π、ΙΙΙ3、11、19通電伸長，第一層的柔性鉸鏈與轉(zhuǎn)子箝緊；封裝于定子第二層的A型壓電疊堆VILA型壓電疊堆VI、A型壓電疊堆V 50、51、57失電。這樣就完成了轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的一步，重復(fù)以上運(yùn)動(dòng)可以使得轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)步進(jìn)式的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，且其理論轉(zhuǎn)角為無限大。轉(zhuǎn)子步進(jìn)式直線運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)，初始狀態(tài):A型壓電疊堆I、II、III、B型壓電疊堆 I VI、A 型壓電疊堆IV IX 3、11、19、5、15、23、31、35、40、45、50、51、56、57、62 均不帶電， 系統(tǒng)處于自由狀態(tài)，此時(shí)轉(zhuǎn)子1亦處于游動(dòng)狀態(tài)；封裝于定子底部的B型壓電疊堆VI、B型壓電疊堆V、B型壓電疊堆IV 31,35,40通電伸長，由于定子第二層與外殼固定，定子第二層和第三層之間靠薄壁柔性鉸鏈連接，而B型壓電疊堆VI、B型壓電疊堆V、B型壓電疊堆 IV 31、35、40的一端通過B型楔形塊V、A型楔形塊IV、B型楔形塊VI、A型楔形塊V、A型楔形塊VI、B型楔形塊ΥΠ 32、33、36、37、38、39與定子底部連接，另一端則通過定子第三層中預(yù)留的圓孔，頂在定子第二層的下表面，所以當(dāng)B型壓電疊堆VI、B型壓電疊堆V、B型壓電疊堆IV 31、35、40通電伸長后，將使得定子第三層及定子底部相對(duì)于定子第二層向下做直線運(yùn)動(dòng)；封裝于定子第三層的A型壓電疊堆 ν、ΙΧ、ΥΠ 45、56、62通電伸長，通過定子第三層的柔性鉸鏈將轉(zhuǎn)子與定子第三層箝緊；封裝于定子底部的B型壓電疊堆VI、B型壓電疊堆V、B 型壓電疊堆IV 31,35,40失電，使得定子第三層和定子底部在柔性鉸鏈的作用下，相對(duì)于定子第二層向上運(yùn)動(dòng)回到初始狀態(tài)，又因?yàn)檗D(zhuǎn)子和定子第三層通過柔性鉸鏈箝緊，所以轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子第二層做向上的直線運(yùn)動(dòng)封裝于定子第一層和第二層的A型壓電疊堆I、II、 III、VDI、VI、V 3、11、19、50、51、57通電，使得轉(zhuǎn)子和定子第一層和第二層都箝緊；封裝于定子第三層的A型壓電疊堆 ν、ΙΧ、ΥΠ 45、56、62失電。這樣就完成了轉(zhuǎn)子步進(jìn)式直線運(yùn)動(dòng)的一步，重復(fù)以上操作可以使得轉(zhuǎn)子沿固定方向做步進(jìn)式直線運(yùn)動(dòng)。 轉(zhuǎn)子1用于完成動(dòng)力、載荷輸出，可將外輸出部件通過相應(yīng)連接方式連接在轉(zhuǎn)子 1上。整個(gè)多自由度驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)具有嚴(yán)格的時(shí)序邏輯。轉(zhuǎn)子單步轉(zhuǎn)過的最大角位移為 IO2Prad數(shù)量級(jí)；轉(zhuǎn)子單步的最大直線位移為IOym數(shù)量級(jí)，精度極高。由于采用了壓電疊堆驅(qū)動(dòng)，其輸出載荷相對(duì)較大。
權(quán)利要求1.一種多自由度微納米級(jí)仿生精密旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置，包括轉(zhuǎn)子(1)及定子(2)，其特征在于所述轉(zhuǎn)子(1)為一轉(zhuǎn)軸，軸的輸出端開有螺紋孔與定子(2)中部的軸孔過渡配合；所述定子(2)包括分別嵌有壓電疊堆箝位柔性鉸鏈的定子一、二、三層和嵌有豎直壓電疊堆的定子底部；其中定子一層靠近軸孔部分通過三個(gè)箝位柔性鉸鏈與轉(zhuǎn)子(1)箝位， 三個(gè)箝位柔性鉸鏈分別通過嵌入定子一層的A型壓電疊堆I、II、III(3、11、19)實(shí)現(xiàn)箝位驅(qū)動(dòng)；螺紋緊固A型楔形塊I、Β型楔形塊I (6、7)預(yù)緊該A型壓電疊堆I (3)，螺紋緊固A型楔形塊II、Β型楔形塊II (14、13)預(yù)緊A型壓電疊堆II (11 )，螺紋緊固A型楔形塊ΙΙΙ、Β型楔形塊III (21、20)預(yù)緊A型壓電疊堆III (19),三個(gè)柔性鉸鏈組成了定子一層的三爪式自定心壓電箝位結(jié)構(gòu)；定子二、三層分別與上述定子一層的箝位、預(yù)緊結(jié)構(gòu)相同，定子一、二層間通過三處薄壁柔性鉸鏈相連接，定子二、三層間通過三處薄壁柔性鉸鏈相連接；定子底部為直線驅(qū)動(dòng)部分，其內(nèi)部嵌有B型壓電疊堆IV、V、VI(31、35、40)，螺紋緊固A型楔形塊IV、B型楔形塊乂(33、32)預(yù)緊該8型壓電疊堆1￥(31)，螺紋緊固々型楔形塊乂、8型楔形塊/1(37、 36)預(yù)緊B型壓電疊堆V (35)，螺紋緊固A型楔形塊VI、B型楔形塊ΥΠ (38、39)預(yù)緊B型壓電疊堆/1(40)，該8型壓電疊堆^、乂、/1(31、35、40)分別穿過定子三層中預(yù)留的圓孔，頂在定子二層的下表面；定子一、二層的外圍嵌有三個(gè)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，具體是驅(qū)動(dòng)縮進(jìn)I、11、 ΙΙΙ(8、16、24)嵌在定子二層中過盈配合，B型壓電疊堆I、Π、ΙΙΙ(5、15、23) —端分別固定在驅(qū)動(dòng)縮進(jìn)I、ΙΙ、ΠΙ(8、16、Μ)的上層，另一端頂在定子一層的凹槽側(cè)面上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多自由度微納米級(jí)仿生精密旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于所述的轉(zhuǎn)子(1)為無繞線結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多自由度微納米級(jí)仿生精密旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于 所述的轉(zhuǎn)子(1)為可變式接口轉(zhuǎn)軸。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多自由度微納米級(jí)仿生精密旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于所述的轉(zhuǎn)子(1)通過A型壓電疊堆I ΙΧ(3、11、19、45、50、51、56、57、62)實(shí)現(xiàn)不同頻率下的轉(zhuǎn)動(dòng)或移動(dòng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多自由度微納米級(jí)仿生精密旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于所述的定子(2)的定子二層通過固定螺釘I、n、III、IV、V、VI(4、9、12、17、22、25)與外部殼體固定。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種多自由度微納米級(jí)仿生精密旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置，屬于精密加工領(lǐng)域?？蛇M(jìn)行繞確定方向的超精密步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和沿確定方向的直線步進(jìn)式移動(dòng)。本實(shí)用新型以高精度的壓電驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)箝位，通過控制定子一、二層的壓電箝位機(jī)構(gòu)的箝位時(shí)間順序?qū)崿F(xiàn)繞確定轉(zhuǎn)軸的步進(jìn)式超精密旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；同時(shí)通過控制定子底部豎直壓電疊堆的伸縮量和定子一、二、三層柔性鉸鏈的箝位來控制沿確定方向的直線步進(jìn)式位移。主要由定子和轉(zhuǎn)子組成。其中定子里封裝有三層三爪式自定心壓電箝位機(jī)構(gòu)、低頻旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和直線步進(jìn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；轉(zhuǎn)子為可變式接口轉(zhuǎn)軸。具有成本低、投資少、見效快、效益高等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H02N2/00GK202135077SQ20112026001
公開日2012年2月1日 申請(qǐng)日期2011年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月22日
發(fā)明者任露泉, 傅璐, 劉長勝, 史成利, 曲涵, 李建平, 胡曉利, 趙宏偉, 趙波, 黃虎 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)