基于柔性铰链的压电直线及旋转双自由度矢量驱动器

1.本发明涉及一种精密驱动领域的驱动器，更具体的说，它涉及一种基于柔性铰链的压电直线及旋转双自由度矢量驱动器。


背景技术：

2.压电驱动技术是一种基于压电材料的逆压电效应，利用压电晶片在电激励下发生形变进而输出力和位移的精密驱动技术，在医疗器械、光学器械、航空航天、精密机械制造等对高精密定位驱动技术有着高要求的领域有重要应用。目前主要的几种压电驱动装置的运动原理中，利用摩擦惯性原理和冲击惯性原理实现位移输出得到了广泛的研究与应用。目前压电驱动器主要分为两种，压电叠堆型与压电晶片型。研究表明压电叠堆型驱动器虽然输出力大、响应时间快，但输出位移小、驱动电压高；而压电晶片型具有变形大、驱动电压低等显著特点，多数驱动器利用压电晶片和压电叠堆各自的特性实现的单自由度驱动运动形式单一，没有充分结合压电晶片和压电叠堆的优点，综上所述，需要在了解压电叠堆和压电晶片的特性基础上进一步研究以提高工作效率。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种基于柔性铰链的压电直线及旋转双自由度矢量驱动器。本发明基于压电晶片的逆压电效应，利用冲击惯性原理，结合压电晶片输出位移大，响应速度快的特性，通过施加一定电压使一端固定有质量块的压电晶片产生规律的形变，利用惯性产生的旋转以及直线输出相配合，即实现直动块的直线位移以及旋转块的旋转。本发明设计了两种柔性铰链机构实现钳位功能，考虑到压电叠堆输出位移小，输出力大的特性，将压电叠堆作为柔性铰链放大机构的动力源，本发明提出的基于柔性铰链的压电直线及旋转双自由度矢量驱动器具有体积小、结构简单、易于控制、定位精度高等特点。
4.参阅图1至图9，为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现。本发明所提供的基于柔性铰链的压电直线及旋转双自由度矢量驱动器包括有底座、直动钳位铰链、直线导轨轴承、直动块、深沟球轴承、压电叠堆、旋转钳位铰链、旋转块、质量块和压电晶片。
5.底座放置于水平面上，直动钳位铰链凹形块一侧粘接一个压电叠堆，压电叠堆的顶部与直动钳位铰链方杆粘接，两个直动钳位铰链和两个压电叠堆放置在底座顶部与底座螺栓固定连接，四个直线导轨轴承分别放置在两个直动钳位铰链顶部的两条梯形槽内与梯形槽滑动配合，深沟球轴承套装在直动块顶部的阶梯轴上与阶梯轴过渡配合连接，旋转钳位铰链两个凹形质量块的外侧分别与两个压电叠堆粘接固定，两个压电叠堆的另一侧与旋转钳位铰链的内侧粘接固定，旋转钳位铰链放置在直动块的顶部并与直动块螺栓固定连接，旋转块底部圆柱穿过旋转钳位铰链中部的两块凹形质量块的内孔与中部小直径的圆弧小间隙配合，旋转块底部圆柱的圆孔套装在深沟球轴承外侧与深沟球轴承过渡配合，四个压电晶片插入旋转块十字形块的四个支臂的四个细长槽与旋转块螺栓固定连接，四个质量
块分别与四个压电晶片的端部螺栓固定连接。
6.技术方案中所述底座为均布加工有四个螺纹通孔的长方体零件。
7.技术方案中所述直动钳位铰链为顶部两侧加工有两条梯形槽且封闭端顶部加工有两个扇形凹槽和两个沉头通孔的凹形块，凹形块一侧加工有一个薄片，薄片的顶部加工一个矩形方杆，方杆的另一端加工一个矩形薄片，薄片的另一端加工一个l形的长杆，长杆端部加工有两侧为圆弧的细长薄片，细长薄片端部加工有梯形质量块，l形的长杆的侧面与凹形块的另一侧通过加工的一个矩形薄片固定连接。
8.技术方案中所述直动块是底部加工有细长凹槽的长方体零件，长方体顶部加工有阶梯轴，长方体四角加工有螺纹孔。
9.技术方案中所述旋转钳位铰链为一对称镂空矩形零件，矩形零件的四角加工有阶梯孔，内侧加工有八个矩形薄片，矩形薄片的另一端加工有两个凹形质量块，两个凹形质量块的内侧通过加工的薄片与四个方块连接，四个方块的内侧通过加工的薄片与两块凹形质量块连接，两块凹形质量块的楔形内孔加工为中部直径小且两侧直径大的圆弧形。
10.技术方案中所述旋转块为十字形块状零件，旋转块的顶部加工有一个细长针形零件，旋转块的底部加工有圆柱，圆柱中部加工有圆孔，十字形块的四个支臂加工有细长槽，十字形块的四个支臂的细长槽两侧加工有阶梯孔和螺纹孔。
11.技术方案中所述质量块为加工有螺纹孔的矩形块。
12.技术方案中所述压电晶片为在带孔矩形基板两侧粘贴有压电晶体的标准压电片。
13.本发明的有益效果是：
14.(1)创新了基于柔性铰链的钳位装置，即旋转钳位铰链在压电叠堆位移输入时半圆形输出端带有的弧形凸起能在两侧斜面作用下自动锁紧，即允许在一定角度误差情况下实现复位功能，并能加强对旋转运动的限制，准确复位能使晶片振动方向与直线运动方向平行，实现晶片振动沿直线运动方向惯性分力的最大化，有利于直线位移的输出。
15.(2)结合压电晶片及压电叠堆各自特性设计了双自由度驱动器，充分结合了压电晶片输出位移大，压电叠堆输出力大的优点，通过对两个钳位柔性铰链的有序控制实现旋转、直线运动的稳定输出。
附图说明
16.图1是基于柔性铰链的压电直线及旋转双自由度矢量驱动器的爆炸轴测图；
17.图2是基于柔性铰链的压电直线及旋转双自由度矢量驱动器的装配状态轴测图；
18.图3是基于柔性铰链的压电直线及旋转双自由度矢量驱动器的直动钳位铰链2和压电叠堆6的轴测图；
19.图4是基于柔性铰链的压电直线及旋转双自由度矢量驱动器的直动块4的上视轴测图；
20.图5是基于柔性铰链的压电直线及旋转双自由度矢量驱动器的直动块4的下视轴测图；
21.图6是基于柔性铰链的压电直线及旋转双自由度矢量驱动器的旋转钳位铰链7的轴测图；
22.图7是基于柔性铰链的压电直线及旋转双自由度矢量驱动器的旋转块8的轴测图；
23.图8是基于柔性铰链的压电直线及旋转双自由度矢量驱动器的质量块9的轴测图；
24.图9是基于柔性铰链的压电直线及旋转双自由度矢量驱动器的压电晶片10的轴测图；
25.图中：1.底座，2.直动钳位铰链，3.直线导轨轴承，4.直动块，5.深沟球轴承，6.压电叠堆，7.旋转钳位铰链，8.旋转块，9.质量块，10.压电晶片。
具体实施方式
26.下面结合附图对本发明作进一步的详细描述：
27.参阅图1至图9，基于柔性铰链的压电直线及旋转双自由度矢量驱动器包括有底座1、直动钳位铰链2、直线导轨轴承3、直动块4、深沟球轴承5、压电叠堆6、旋转钳位铰链7、旋转块8、质量块9和压电晶片10。
28.底座1为均布加工有四个螺纹通孔的长方体零件，放置于水平面上，直动钳位铰链2为顶部两侧加工有两条梯形槽且封闭端顶部加工有两个扇形凹槽和两个沉头通孔的凹形块，凹形块一侧加工有一个薄片并粘接一个压电叠堆6，薄片的顶部加工一个矩形方杆，压电叠堆6的顶部与方杆粘接，方杆的另一端加工一个矩形薄片，薄片的另一端加工一个l形的长杆，长杆端部加工有两侧为圆弧的细长薄片，细长薄片端部加工有梯形质量块，l形的长杆的侧面与凹形块的另一侧通过加工的一个矩形薄片固定连接，两个直动钳位铰链2和两个压电叠堆6放置在底座1顶部与底座1螺栓固定连接，四个直线导轨轴承3分别放置在两个直动钳位铰链2顶部的两条梯形槽内与梯形槽滑动配合，直动块4是底部加工有细长凹槽的长方体零件，长方体顶部加工有阶梯轴，长方体四角加工有螺纹孔，深沟球轴承5套装在直动块4顶部的阶梯轴上与阶梯轴过渡配合连接，旋转钳位铰链7为一对称镂空矩形零件，矩形零件的四角加工有阶梯孔，内侧加工有八个矩形薄片，矩形薄片的另一端加工有两个凹形质量块，两个凹形质量块的外侧分别与两个压电叠堆6粘接固定，两个压电叠堆6的另一侧与旋转钳位铰链7的内侧粘接固定，两个凹形质量块的内侧通过加工的薄片与四个方块连接，四个方块的内侧通过加工的薄片与两块凹形质量块连接，两块凹形质量块的楔形内孔加工为中部直径小且两侧直径大的圆弧形，旋转钳位铰链7放置在直动块4的顶部并与直动块4螺栓固定连接，旋转块8为十字形块状零件，旋转块8的顶部加工有一个细长针形零件，旋转块8的底部加工有圆柱，圆柱中部加工有圆孔，十字形块的四个支臂加工有细长槽，十字形块的四个支臂的细长槽两侧加工有阶梯孔和螺纹孔，旋转块8底部圆柱穿过旋转钳位铰链7中部的两块凹形质量块的内孔与中部小直径的圆弧小间隙配合，旋转块8底部圆柱的圆孔套装在深沟球轴承5外侧与深沟球轴承5过渡配合，质量块9为加工有螺纹孔的矩形块，压电晶片10为在带孔矩形基板两侧粘贴有压电晶体的标准压电片，四个压电晶片10插入旋转块8十字形块的四个支臂的四个细长槽与旋转块8螺栓固定连接，四个质量块9分别与四个压电晶片10的端部螺栓固定连接。
29.基于柔性铰链的压电直线及旋转双自由度矢量驱动器的使用方法：直动钳位铰链处的压电叠堆在激励下伸长动作时，钳位端梯形块通过直动钳位铰链内部多级杠杆放大机构输出放大后的位移，梯形块底面突出凹形块外侧面对直动块凹槽侧面产生压力，直动钳位铰链在摩擦阻力作用下实现钳位功能，限制直动块的直线位移，此时旋转钳位铰链处压电叠堆在激励下收缩动作，取消对旋转块的旋转限制，对压电晶片给予适当激励，在质量块
提供的惯性力作用下旋转块实现旋转动作的输出；直动钳位铰链处的压电叠堆在激励下收缩动作时，钳位端梯形块向内收缩，梯形块底面与凹形块侧面平行，取消对直动块的直线位移限制，此时旋转钳位铰链处压电叠堆在激励下伸长动作，输出端的半圆形铰链块向内收缩，弧形凸起端与旋转块底部带有弧形凹槽的圆环凸台配合，限制旋转块的旋转运动，并使压电晶片振动方向同直线运动方向一致，使惯性驱动力在直线运动方向的分力最大，对压电晶片给予适当激励，在质量块提供的惯性力作用下直动块实现直线运动的输出。