一种基于旋转微驱动器的转矩检测机构

1.本技术属于精密微操作技术领域，具体涉及一种基于旋转微驱动器的转矩检测机构，主要应用于超精密加工、精密工程、微机电系统(mems)、微电子工程、生物工程与半导体制造等高尖端科学技术领域。


背景技术：

2.随着超精密加工与测量、精密光学工程、微机电系统(mems)、生物工程、现代医学、半导体制造等领域的迅速发展，传统的旋转微驱动器受其工作原理和机械结构限制，已无法满足超精密和高精度定位的要求，迫切需要纳米级、亚纳米级精度的超精密旋转微驱动器实现其功能。
3.一方面，传统的旋转微驱动器受工作原理和机械结构的限制，造成其传动效率低、输出位移有限、精度不高且结构复杂；另一方面，传统的旋转微驱动器的转矩不易检测和控制，已经无法满足精密定位与微驱动操作的要求，迫切需要一种新型且能够检测转矩的旋转微驱动器来满足现阶段的精密定位等要求。
4.柔性铰链是采用柔性构件的弹性变形传递和转换运动、力或能量的一种新型机构，具有无摩擦、免润滑、运动灵敏度高等优点，柔性铰链的这些优点使得其可用于旋转微驱动器的结构设计；电阻式应变片成本低且结构简单，将其集成于旋转微驱动器的结构中，可以用于检测旋转微驱动器的转矩；压电陶瓷具有稳定性好、响应快、输出力大和定位精确等特点，适宜于作为旋转微驱动器的致动器，并能满足旋转微驱动器对其输出转矩的控制。


技术实现要素：

5.本技术的目的在于提供一种基于旋转微驱动器的转矩检测机构，在精密微操作过程中可通过检测转矩对旋转微驱动器进行精确控制，可以满足精密定位与微驱动的要求，从而实施准确精密微操作。
6.本技术采用的技术方案如下：
7.一种基于旋转微驱动器的转矩检测机构，包括旋转微驱动器、输出部件、四个压电陶瓷、压电致动器、信号传输线束、四个电阻式应变片、应变分析仪与控制仪；四个所述压电陶瓷型号相同，分别为第一压电陶瓷、第二压电陶瓷、第三压电陶瓷与第四压电陶瓷；四个所述电阻式应变片型号相同，分别为第一电阻式应变片、第二电阻式应变片、第三电阻式应变片与第四电阻式应变片。
8.进一步地，所述旋转微驱动器由第一旋转支链、第二旋转支链、第三旋转支链、第四旋转支链与旋转圆环构成，第一旋转支链、第二旋转支链、第三旋转支链与第四旋转支链整体成中心对称布置且结构相同，以第一旋转支链为例，包括：第一正圆形柔性铰链、第二正圆形柔性铰链、第三正圆形柔性铰链、固定孔、输入端与输出端；所述固定孔用于固定；所述旋转圆环分别与第一旋转支链、第二旋转支链、第三旋转支链与第四旋转支链的输出端相连接；所述旋转圆环上开有第一连接孔。
9.进一步地，所述输出部件由连接圆环与输出轴构成，所述连接圆环上开有第二连接孔与减重孔，所述连接圆环与旋转圆环通过第二连接孔与第一连接孔进行连接；所述减重孔用于减轻连接圆环的重量；所述输出轴上粘有第一电阻式应变片、第二电阻式应变片、第三电阻式应变片与第四电阻式应变片。
10.进一步地，所述第一电阻式应变片、第二电阻式应变片、第三电阻式应变片与第四电阻式应变片在输出轴的圆周上每隔90
°
均匀分布，并分别与输出轴的轴线成45
°
夹角，以便精准测量输出轴的形变信号；所述第一电阻式应变片、第二电阻式应变片、第三电阻式应变片与第四电阻式应变片通过信号传输线束分别与应变分析仪电性连接；所述第一电阻式应变片、第二电阻式应变片、第三电阻式应变片与第四电阻式应变片用于检测输出轴的转矩t。
11.进一步地，所述第一压电陶瓷、第二压电陶瓷、第三压电陶瓷与第四压电陶瓷通过信号传输线束分别与压电致动器电性连接，所述第一压电陶瓷、第二压电陶瓷、第三压电陶瓷与第四压电陶瓷分别安装在第一旋转支链、第二旋转支链、第三旋转支链与第四旋转支链的输入端。
12.进一步地，所述压电致动器、应变分析仪和控制仪通过信号传输线束实现电性连接。
13.本技术与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
14.1、本技术提供的一种基于旋转微驱动器的转矩检测机构，旋转微驱动器由四个整体成中心对称布置且结构相同的旋转支链构成，具有结构紧凑，承载能力强的特点；
15.2、本技术提供的一种基于旋转微驱动器的转矩检测机构，旋转支链采用放大的直线位移转为旋转圆环旋转位移的角位移，具有单步输出位移大，运动分辨率高的特点；
16.3、本技术提供的一种基于旋转微驱动器的转矩检测机构，旋转微驱动器采用柔性铰链传递微位移运动，具有精度高的特点；
17.4、本技术提供的一种基于旋转微驱动器的转矩检测机构，四个电阻式应变片在输出轴的圆周上每隔90
°
均匀分布，并分别与输出轴的轴线成45
°
夹角，从而使得旋转微驱动器在旋转过程中能够精准测量输出轴的形变信号，从而能够精准测量其转矩；
18.5、本技术提供的一种基于旋转微驱动器的转矩检测机构，适用范围广，可应用于超精密加工、精密工程、微机电系统(mems)、微电子工程、生物工程与半导体制造等科学技术领域。
附图说明
19.图1是本技术实施例提供的旋转微驱动器的结构示意图。
20.图2是本技术实施例提供的输出部件的结构示意图。
21.图3是本技术实施例提供的转矩检测机构的整体装配结构示意图。
22.图中，1、旋转微驱动器；1-1、第一正圆形柔性铰链；1-2、第二正圆形柔性铰链；1-3、第三正圆形柔性铰链；1-4、固定孔；1-5、输入端；1-6、输出端；1-7、第一连接孔；2、输出部件；2-1、连接圆环；2-2、输出轴；2-3、第二连接孔；2-4、减重孔；2-5、第一电阻式应变片；2-6、第二电阻式应变片；2-7、第三电阻式应变片；2-8、第四电阻式应变片；3、第一压电陶瓷；4、第二压电陶瓷；5、第三压电陶瓷；6、第四压电陶瓷；7、压电致动器；8、应变分析仪；9、控制
仪；10、信号传输线束；11、第一旋转支链；12、第二旋转支链；13、第三旋转支链；14、第四旋转支链；15、旋转圆环。
具体实施方式
23.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
24.为了更好地理解本技术，下面结合附图对本技术作进一步地描述。
25.如图1-图3所示，一种基于旋转微驱动器的转矩检测机构，包括：旋转微驱动器1、输出部件2、第一电阻式应变片2-5、第二电阻式应变片2-6、第三电阻式应变片2-7、第四电阻式应变片2-8、第一压电陶瓷3、第二压电陶瓷4、第三压电陶瓷5、第四压电陶瓷6、压电致动器7、应变分析仪8、控制仪9与信号传输线束10。
26.具体地，所述旋转微驱动器1由第一旋转支链11、第二旋转支链12、第三旋转支链13、第四旋转支链14与旋转圆环15构成，第一旋转支链11、第二旋转支链12、第三旋转支链13与第四旋转支链14整体成中心对称布置且结构相同，以第一旋转支链11为例，包括：第一正圆形柔性铰链1-1、第二正圆形柔性铰链1-2、第三正圆形柔性铰链1-3、固定孔1-4、输入端1-5与输出端1-6；所述固定孔1-4用于固定；所述旋转圆环15分别与第一旋转支链11、第二旋转支链12、第三旋转支链13与第四旋转支链14的输出端1-6相连接；所述旋转圆环15上开有第一连接孔1-7。
27.具体地，所述输出部件2由连接圆环2-1与输出轴2-2构成，所述连接圆环2-1上开有第二连接孔2-3与减重孔2-4，所述连接圆环2-1与旋转圆环15通过第二连接孔2-3与第一连接孔1-7进行连接；所述减重孔2-4用于减轻连接圆环2-1的重量；所述输出轴2-2上粘有第一电阻式应变片2-5、第二电阻式应变片2-6、第三电阻式应变片2-7与第四电阻式应变片2-8。
28.具体地，所述第一电阻式应变片2-5、第二电阻式应变片2-6、第三电阻式应变片2-7与第四电阻式应变片2-8在输出轴2-2的圆周上每隔90
°
均匀分布，并分别与输出轴2-2的轴线成45
°
夹角，以便精准测量输出轴2-2的形变信号；所述第一电阻式应变片2-5、第二电阻式应变片2-6、第三电阻式应变片2-7与第四电阻式应变片2-8通过信号传输线束10分别与应变分析仪8电性连接；所述第一电阻式应变片2-5、第二电阻式应变片2-6、第三电阻式应变片2-7与第四电阻式应变片2-8用于检测输出轴2-2的转矩t。
29.具体地，所述第一压电陶瓷3、第二压电陶瓷4、第三压电陶瓷5与第四压电陶瓷6通过信号传输线束10分别与压电致动器7电性连接，所述第一压电陶瓷3、第二压电陶瓷4、第三压电陶瓷5与第四压电陶瓷6分别安装在第一旋转支链11、第二旋转支链12、第三旋转支链13与第四旋转支链14的输入端1-5。所述压电致动器7、应变分析仪8和控制仪9通过信号传输线束10实现电性连接。
30.本技术的具体工作过程如下：
31.压电致动器7驱动第一压电陶瓷3、第二压电陶瓷4、第三压电陶瓷5与第四压电陶瓷6输出推力，分别推动第一旋转支链11、第二旋转支链12、第三旋转支链13与第四旋转支链14中的第一正圆形柔性铰链1-1、第二正圆形柔性铰链1-2与第三正圆形柔性铰链1-3产
生弹性角位移，通过第一旋转支链11、第二旋转支链12、第三旋转支链13与第四旋转支链14的输出端1-6从而推动旋转圆环15进行转动，旋转圆环15通过第一连接孔1-7与第二连接孔2-3与输出部件2的连接圆环2-1相连接，最终实现输出轴2-2的转动，粘贴在输出轴2-2上的第一电阻式应变片2-5、第二电阻式应变片2-6、第三电阻式应变片2-7与第四电阻式应变片2-8通过信号传输线束10和应变分析仪8可得出相应的应变量ε，此时输出轴2-2的转矩为t，可得出t=kε，式中k为常数；
32.如果输出轴2-2的转矩t小于负载所需要的转矩，控制仪9则增大对压电致动器7施加的电信号，继续驱动第一压电陶瓷3、第二压电陶瓷4、第三压电陶瓷5与第四压电陶瓷6输出推力，使第一旋转支链11、第二旋转支链12、第三旋转支链13与第四旋转支链14的第一正圆形柔性铰链1-1、第二正圆形柔性铰链1-2与第三正圆形柔性铰链1-3继续发生偏转产生形变，从而增大输出轴2-2的转矩t；如果输出轴2-2的转矩t大于负载所需要的转矩，控制仪9则减小对压电致动器7施加的电信号，驱动第一压电陶瓷3、第二压电陶瓷4、第三压电陶瓷5与第四压电陶瓷6减小输出推力，使第一旋转支链11、第二旋转支链12、第三旋转支链13与第四旋转支链14的第一正圆形柔性铰链1-1、第二正圆形柔性铰链1-2与第三正圆形柔性铰链1-3减小偏转，从而减小输出轴2-2的转矩t。
33.上述虽然结合附图对本技术的具体实施方式进行了描述，但并非对本技术保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本技术的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性的劳动即可做出的各种修改或变形仍在本技术的保护范围之内。