专利名称：压电双晶片驱动的精密转动机构及其装置的制作方法
技术领域：
压电双晶片驱动的精密转动机构及其装置属于精密机械运动控制技术领域。
背景技术：
在精密加工、测量及控制领域，对仪器设备的位置控制精度要求越来越高。在精密机械运动控制技术领域，当直线运动分辨率要求达到微米甚至纳米，或转角达到分级甚至秒级时，压电陶瓷类驱动器由于具有分辨率高、响应快、效率高等优点，已广泛应用于微操作精密机械运动控制系统。
由于单一的压电陶瓷类驱动器输出形式比较简单，而且输出位移较小，因此，需要设计新型机构，实现大行程或大扭矩以及不同运动形式的输出。1990年日本Alps电子有限公司的Ohnishi等基于蠕动原理设计了一个蠕动式旋转电机(Ohnishi K.，Umeda M.，Kurosawa M.etal.Rotary inchworm-type piezoelectric actuator.Electrical Engineering in Japan，1990，Vol.110，No.3，pp.107-114蠕动式压电旋转作动器，日本电子工程，1990，Vol.110，No.3，pp.107-114)，该电机采用伸缩变形的压电作动器对转子钳位，用扭转变形的压电作动器驱动转子旋转，通过对钳位压电作动器和驱动压电作动器的不同时序控制，实现输出轴的连续转动。在工作频率为10Hz时，产生0.2Nm的扭矩，但输出轴转动速度仅为3°/min。这类旋转电机虽然可以用于精密角位移定位控制，但其输出转速一般比较低。
压电惯性冲击式精密作动器主要由堆式或双晶片式压电驱动元件与惯性质量块构成，利用质量块的惯性，配合压电驱动元件的伸缩或弯曲变形，实现大范围快速的移动或转动。张宏壮等研制了一种以自由端带有集中质量的悬臂式压电双晶片为驱动单元的惯性冲击式旋转精密驱动器(张宏壮，曾平，华顺明，程光明，杨志刚.压电双晶片型惯性冲击式旋转精密驱动器研究.光学精密工程，2005，第13卷，第3期，pp.298-304)，其旋转行程为180°。该驱动器主要由压电双晶片、冲击质量块、柔性铰链、弹簧、轴和基座等组成；压电双晶片和冲击质量块构成驱动单元，压电双晶片的一端与轴固连，另一端为固连一质量块的自由端；采用特定的定频调压驱动方法实现驱动器转动输出。该驱动器逆时针转动一步的工作原理为首先使压电双晶片的自由端带动质量块在驱动电信号作用下慢速逆时针摆动，控制驱动电压波形，使压电双晶片自由端质量块产生的惯性力矩小于轴与轴承之间的摩擦力矩，此时输出轴静止不动；控制驱动电信号使电压波形产生造成压电双晶片的自由端带动质量块急停、快速顺时针摆动，形成逆时针的惯性力矩，此时惯性力矩大于摩擦力矩，推动输出轴逆时针转动。从其工作原理可以看出，该类作动器的输出转速和力矩受到压电双晶片自由端质量块产生的惯性力矩、轴与轴承之间的摩擦力矩的限制，仅适合于力矩较小的场合。
压电超声波电机是近20年来微型电机研究领域的一个热门方向，具有结构紧凑、体积小、噪声小等优点，它与传统电磁式电机最显著的差别是无磁且不受磁场的影响。压电超声波电机一般由转子、定子与压电元件组成，利用压电陶瓷的逆压电效应激发超声振动，借助于弹性体谐振放大，定子通过与转子的接触，通过摩擦耦合产生旋转运动或直线运动。按照压电陶瓷激励形式的不同，压电超声波电机又可分为行波驱动型、驻波驱动型、混合激励型和循环激励型。美国Penn State大学的Uchino等人利用行波驱动原理，设计了一种微型超声波电机(Uchino K.，Cagatay S.，Koc B.，et al.Micro Piezoelectric Ultrasonic Motors.Journal ofElectroceramics，2004，Vol.13，No.1-3，pp.393-401微型压电超声波电机.压电陶瓷学报，2004，Vol.13，No.1-3，pp.393-401)，该超声波电机的压电陶瓷定子由一个有中心孔的压电陶瓷盘片与一个固定在该陶瓷片上的齿状金属环组成，利用压电陶瓷的剪切变形模式，通过输入正弦和余弦两路控制信号，驱动压电陶瓷定子在其一阶共振频率附近振动，借助于摩擦力带动转子实现转动输出。一般的压电旋转型超声波电机是靠摩擦力进行运动传递，从而存在诸多缺点，如摩擦能量损耗大，磨损较大，寿命较短，输出最大力矩亦受到摩擦的限制。
目前的压电旋转电机一般为微小型压电驱动机构，由于受其机构或结构的制约，这类压电电机很难兼顾输出力矩和输出转速的高性能要求，或者输出转速较小，或者输出力矩较小，难以满足一些工程应用需要。
发明内容
本发明的目的是设计一种压电双晶片驱动的精密转动机构。由压电双晶片致动件和摆杆组成微幅摆动机构，离合器的主动件和从动件分别与摆杆和输出轴固结，基于一种新颖的转动蠕动运动原理，在保持高角位移分辨率的同时，实现输出轴的精密转动。
压电双晶片由一般由三层构成，上下两层为压电陶瓷层43，中间一层为弹性梁层42，如图11所示。每个压电陶瓷层有特定的极化方向。当所加电场方向与极化方向相同时，压电陶瓷层在电场方向(图11中z方向)将伸长，而在垂直于电场的方向(图11中x方向)将收缩；相反的，当所加电场方向与极化方向相反时，压电陶瓷层在电场方向将收缩，而在垂直于电场的方向将伸长。本发明中所使用的压电双晶片中两层陶瓷层极化方向相反，因此，当压电双晶片一端完全固定、另一端自由时，在电场的作用下，一层陶瓷层收缩，而另一层伸长，因而压电双晶片自由端将向上或向下产生弯曲变形，从而输出作用力和位移。本发明中所使用的压电双晶片采用悬臂梁式的工作方式一端固定，另一端自由。
本发明提出的机构的特征在于，含有两组压电双晶片致动件、两组摆杆、两个离合器、一个输出轴和一个底座；所述输出轴通过滑动轴承支撑在底座上，所述两个离合器分别由从动件和主动件组成，所述从动件与输出轴固结，所述两个离合器主动件分别位于从动件的两侧，并套在输出轴上；所述两组摆杆分别位于所述两个离合器的两侧，每一组摆杆均含有两个拨板和一个套筒，两个拨板分别固定在套筒的两端，所述套筒与输出轴构成转动副，其中的一个拨板与与它靠近的一个离合器主动件固定；所述两组压电双晶片致动件分别位于所述两个离合器的两侧，每一组压电双晶片致动件由压电双晶片和销轴固结构成，压电双晶片的一端与销轴固结，另一端固定在底座上，所述销轴与拨板上的槽配合构成平面高副，所述压电双晶片致动件和摆杆组成微幅摆动机构。
本发明所提出的精密转动装置，其特征在于，它含有一个输出轴、四个压电双晶片致动件、两个摆杆、两个离合器、两个滑动轴承和底座；所述的输出轴由两个滑动轴承支撑在底座上；所述的两个离合器由两个主动件和一个从动件组成，所述主动件在通电状态下与从动件吸合，在断电状态下与从动件分离；所述从动件与输出轴固结，两个主动件分别位于从动件的两侧；所述两个摆杆分别连接在两个主动件的两侧，每一个摆杆由两个拨板和一个套筒组成，两个拨板固结在套筒的两端，套筒空套在输出轴上，与输出轴构成转动副；所述靠近主动件的一个拨板与该主动件固结；在拨板远离输出轴的一端开有槽；所述四个压电双晶片致动件分为两组分别位于所述离合器主动件的两侧，每一组含有两个压电双晶片致动件，该两个压电双晶片致动件相对输出轴的轴线对称分布；每个压电双晶片致动件由压电双晶片和销轴组成，压电双晶片靠近输出轴的一端与底座固定，远离输出轴的一端与销轴固结，所述销轴两端插入两块拨板上的槽内，与拨板构成可移动和转动的两自由度平面高副。
所述离合器主动件由电磁铁芯、线圈和外壳组成，线圈绕在铁芯上，当线圈通电时，离合器主动件与从动件吸合。所述压电双晶片是通过卡具和螺钉固定在底座上。
实验证明本发明利用蠕动运动原理，采用两组压电双晶片致动件交替驱动，通过对两个离合器吸合和松开的时序控制，能够实现将压电双晶片末端摆动转化为输出轴的精密连续转动和大转矩单向间歇式转动；同时，通过对两组压电双晶片致动件和离合器控制时序的调节，可以实现输出轴的双向任意角度连续微转动。本发明结构简单，具有步进角连续可调、行程大、可精密定位、易于控制等特点，本发明可应用于微操作、精密装配、精密定位等领域。
图1是本发明设计的精密转动机构结构示意图。
图2是本发明设计的精密转动装置结构示意图。
图3是图2的俯视图。
图4是图2的正面剖视图。
图5是图3中A部分的放大视图。
图6是底座的结构视图。
图7是离合器的剖视图。
图8是销轴的结构视图。
图9是套筒的结构视图。
图10是拨板的结构视图。
图11是压电双晶片工作原理图。
具体实施例方式下面结合附图，详细介绍本发明的内容。
图1-图10中，6、11、17、23为压电双晶片；7、12、18、24为销轴，37为销轴上的矩形槽；5、8、9、13为拨板，39、40为拨板上的方形槽，41为拨板上的圆孔；2、10为套筒，38为套筒上安装拨板的定位凸台；19、22为离合器主动件，34为离合器铁芯，36为离合器线圈，35为离合器外套，25为离合器外套上的引线孔(共2个)，20为离合器从动件，21为紧定螺钉；1、16为底座的两侧肋板，32、33为两侧肋板上的轴承孔，31为底座的底板，29为安装压电双晶片的凸台(共4个)，30为螺钉孔(共8个)；4为卡具(共4个)，3为螺钉(共8个)；14为输出轴，15、26为滑动轴承，27为垫片，28为弹簧。
图1是本发明的压电双晶片驱动的精密转动机构，其基本设计思路是基于蠕动运动原理，采用两组压电双晶片致动件驱动套在输出轴上的摆杆小幅摆动，配以两个离合器，通过一定的时序控制，实现输出轴的精密转动。
如图1所示，压电双晶片6、11、17、23分别与销轴7、12、18、24固结构成四个压电双晶片致动件，压电双晶片远离输出轴14的一端固结销轴槽内，另一端与底座固定；拨板5、8和9、13分别与套筒2、10固结组成两个摆杆，摆杆上的套筒2、10分别与输出轴14构成转动副；四个压电双晶片致动件的销轴7、12、18、24分别与摆杆中拨板5、8、9、13上的长方形槽配合构成平面运动高副，由四个压电双晶片致动件和两个摆杆组成两个微幅摆动机构。输出轴14通过滑动轴承15、26支撑在底座上；由离合器主动件19、22和从动件20组成两个离合器，主动件19、22分别与摆杆上靠近离合器的拨板8、9固结，并空套在输出轴14上，从动件20与输出轴14固结；摆杆、离合器和输出轴组成运动转化机构，该机构将摆杆的摆动转化为输出轴微步距的连续运动输出或大转矩单向间歇式转动。这就构成了可实现大角位移行程的压电双晶片驱动的精密转动机构。基本工作原理如下所述的压电双晶片驱动的精密转动机构，含有四个压电双晶片，共分为两组；其特征在于，首先使离合器主动件22与从动件20吸合，而从动件20与主动件19松开；对压电双晶片6和23施加电压而产生同步运动，一个向上弯曲，另一个向下弯曲，通过销轴7和24将运动传递给拨板5和8；由于拨板8与离合器主动件22固结，故拨板8带动离合器主动件22同步摆动，从而使与离合器主动件22吸合的从动件20带动输出轴14运动。当施加在压电双晶片6和23上的电压达到最大值时，使离合器主动件22与从动件20松开；然后，卸去加在压电双晶片6和23上的电压，使其恢复到初始状态，完成了压电双晶片6和23的一个驱动周期，实现了输出轴14的一个微步距转动输出。
同理，使离合器主动件19与从动件20吸合，而从动件20与主动件22松开；对压电双晶片11和17施加电压而产生同步运动，一个向上弯曲，另一个向下弯曲，通过销轴12和18将运动传递给拨板9和13；由于拨板9与离合器主动件19固结，故拨板9带动离合器主动件19同步摆动，从而使从动片20带动输出轴14旋转。当施加在压电双晶片11和17上的电压达到最大值时，使离合器主动件19与从动件20松开；然后，卸去加在压电双晶片11和17上的电压，使其恢复到初始状态，完成了压电双晶片11和17的一个驱动周期，实现了输出轴14的一个微步距转动输出。
通过对两组压电双晶片6与23和11与17施加电压的时序控制，使上述压电双晶片致动件悬臂端上下摆动，如图11所示，经过拨板5、8和9、13将运动传递给离合器主动件，通过控制离合器主动件与从动件的吸合来实现力矩在输出轴上的转动输出。循环上述过程，即可实现机构的连续转动输出。通过控制两组压电双晶片和两个离合器的动作时序，既可以实现输出轴的连续微步矩转动输出，也可以实现单向间歇运动输出。改变两个离合器和两组压电双晶片致动件的控制顺序，即可实现输出轴双向转动。控制加于压电双晶片致动件的电压波形，亦可实现较大步距的正反转运动输出以及换步间循环过程中的微小步距连续转动输出。这就是本发明的基本运动原理。
基于图1所示的运动机构，本发明的压电双晶片驱动的步进转动装置结构如图2所示。图示的压电双晶片6通过卡具4和两个螺钉3固定在如图6所示的底座凸台29上，另外三个压电双晶片23、11和17采用相同的固定方式分别固定在底座的其他三个凸台上；压电双晶片6的输出端固结在如图8所示的销轴7上的矩形槽37内，构成压电双晶片致动件；销轴7的两端与如图10所示的拨板5、8上的方形槽39构成高副连接，另外三个压电双晶片23、11和17与销轴12、18、24、拨板5、8和9、13的连接方式相同；拨板5、8与套筒2在拨板上的圆形孔41与如图9所示的套筒两侧的定位凸台38处固结构成摆杆，拨板8又与离合器铁芯34固结；即拨板5、8，套筒2和离合器主动件22固结，并通过套筒2与输出轴14构成转动副；拨板9、13，套筒10和离合器主动件19的配合方式和连接方式与上述情况类似；从动件20通过紧定螺钉与输出轴14固结；电磁线圈36的绕线通过离合器上的引线孔25引出；轴承26、15分别与如图6所示的底座两侧肋板1、16上的轴承孔32、33固结，输出轴14通过滑动轴承15、26支撑在底座上；图5中的弹簧28位于垫片27和轴套2之间，用以提供轴向预紧力、摩擦力和阻尼力，也可以通过调节垫片27的厚度对上述力进行微调节。
对应图2所示的步进转动装置，其基本工作原理如下(1)逆时针转动当与摆杆固结的离合器主动件与从动件吸合，而另一个离合器主动件与从动件松开时，使压电双晶片致动件驱动该摆杆逆时针摆动；当摆杆顺时针摆动时，使与该摆杆固结的离合器主动件与从动件松开。
首先，使与离合器主动件22固结的离合器线圈36通电，使离合器主动件22与从动件20吸合，而与离合器主动件19固结的离合器线圈处于断电状态，使离合器19与从动件20松开；对压电双晶片6、23施加电压，使得压电双晶片6向上弯曲，压电双晶片23向下弯曲，从而带动拨板5、8和离合器主动件22逆时针转动；由于离合器主动件22与从动件20吸合，因而从动件20带动输出轴14逆时针转动；当压电双晶片6和23的电压达到最大值时，离合器主动件22与从动件20松开，而使离合器主动件19与从动件20吸合，此时已带动输出轴14逆时针转动了一步。然后，施加电压使压电双晶片11向上弯曲，压电双晶片17向下弯曲；而卸去作用在压电双晶片6和23的电压使其回复到初始状态；此时压电双晶片11和17末端的摆动带动拨板9和13以及离合器主动件19逆时针转动，从而使与离合器主动件19吸合的从动件20带动输出轴14逆时针转动；当压电双晶片11和17的驱动电压达到最大值时，离合器主动件19与从动件20松开，离合器主动件22与从动件20吸合，卸去施加在压电双晶片11和17的电压使其回复到初始状态。循环上述过程，即可实现压电步进转动机构的输出轴精密连续逆时针转动。改变压电双晶片控制电压的频率和幅值，可实现机构输出轴不同转速和不同步进角(每组压电双晶片一次工作周期内输出轴转过的角度)的连续转动。
(2)顺时针转动当与摆杆固结的离合器主动件与从动件吸合，而另一个离合器主动件与从动件松开时，使压电双晶片致动件驱动该摆杆顺时针摆动；当摆杆逆时针摆动时，使与该摆杆固结的离合器主动件与从动件松开。具体方法是改变工作循环初始时施加在两组压电双晶片6、23和11、17上的电场方向当离合器主动件22与从动件20吸合时，对压电双晶片6、23施加电压，使得压电双晶片6向下弯曲，压电双晶片23向上弯曲；当离合器主动件19与从动件20吸合时，施加电压使压电双晶片11向下弯曲，压电双晶片17向上弯曲。采用与实现精密转动装置输出轴逆时针转动类似的工作过程，即可以实现机构输出轴的顺时针转动输出。改变压电双晶片控制电压的频率和幅值，可实现机构输出轴不同转速和不同步进角的连续转动。
(3)大转矩单向间歇式转动单向间歇式逆时针转动的实现过程如下使离合器主动件22、19与从动件20同时吸合，对压电双晶片6、23、11、17施加电压，使得压电双晶片6、11向上弯曲，压电双晶片23、17向下弯曲，带动拨板5、8、9、13和离合器主动件22、19等逆时针转动；由于离合器主动件22、19与从动件20吸合，因而从动件20带动输出轴14逆时针转动；当施加在压电双晶片上的电压达到最大值时，离合器主动件22、19与从动件20松开，卸去作用在压电双晶片6、23、11、17上的电压使其回复到初始状态，此时已带动输出轴14逆时针转动了一步，完成了机构的一个运动周期。由于四个压电双晶片同时驱动输出轴，因而可以输出较大的转矩。循环上述过程，即可实现压电步进转动机构的输出轴单向间歇式逆时针转动。
单向间歇式顺时针转动的实现过程如下使离合器主动件22、19与从动件20同时吸合，对压电双晶片6、23、11、17施加电压，使得压电双晶片6、11向下弯曲，压电双晶片23、17向上弯曲。按照上述工作过程，即可实现压电步进转动机构的输出轴单向间歇式顺时针转动。
权利要求
1.一种压电双晶片驱动的精密转动机构，其特征在于，含有两组压电双晶片致动件、两组摆杆、两个离合器、一个输出轴和一个底座；所述输出轴通过滑动轴承支撑在底座上，所述两个离合器分别由从动件和主动件组成，所述从动件与输出轴固结，所述两个离合器主动件分别位于从动件的两侧，并套在输出轴上；所述两组摆杆分别位于所述两个离合器的两侧，每一组摆杆均含有两个拨板和一个套筒，两个拨板分别固定在套筒的两端，所述套筒与输出轴构成转动副，其中的一个拨板与与它靠近的一个离合器主动件固定；所述两组压电双晶片致动件分别位于所述两个离合器的两侧，每一组压电双晶片致动件由压电双晶片和销轴固结构成，压电双晶片的一端与销轴固结，另一端固定在底座上，所述销轴与拨板上的槽配合构成平面高副，所述压电双晶片致动件和摆杆组成微幅摆动机构。
2.一种压电双晶片驱动的精密转动装置，其特征在于，它含有一个输出轴、四个压电双晶片致动件、两个摆杆、两个离合器、两个滑动轴承和底座；所述的输出轴由两个滑动轴承支撑在底座上；所述的两个离合器由两个主动件和一个从动件组成，所述主动件在通电状态下与从动件吸合，在断电状态下与从动件分离；所述从动件与输出轴固结，两个主动件分别位于从动件的两侧；所述两个摆杆分别连接在两个主动件的两侧，每一个摆杆由两个拨板和一个套筒组成，两个拨板固结在套筒的两端，套筒空套在输出轴上，与输出轴构成转动副；所述靠近主动件的一个拨板与该主动件固结；在拨板远离输出轴的一端开有槽；所述四个压电双晶片致动件分为两组分别位于所述离合器主动件的两侧，每一组含有两个压电双晶片致动件，该两个压电双晶片致动件相对输出轴的轴线对称分布；每个压电双晶片致动件由压电双晶片和销轴组成，压电双晶片靠近输出轴的一端与底座固定，远离输出轴的一端与销轴固结，所述销轴两端插入两块拨板上的槽内，与拨板构成可移动和转动的两自由度平面高副。
3.如权利要求2所述的压电双晶片驱动的精密转动装置，其特征在于，所述离合器主动件由电磁铁芯、线圈和外壳组成，线圈绕在铁芯上，当线圈通电时，离合器主动件与从动件吸合。
4.如权利要求2所述的压电双晶片驱动的精密转动装置，其特征在于，所述压电双晶片是通过卡具和螺钉固定在底座上。
全文摘要
压电双晶片驱动的精密转动机构及其装置属于精密机械运动控制技术领域。含有两组压电双晶片致动件、两组摆杆、两个离合器、输出轴和底座；输出轴通过滑动轴承支撑在底座上，两个离合器分别由从动件和主动件组成，从动件与输出轴固结，两个主动件分别位于从动件两侧，套在输出轴上；两组摆杆分别位于两个离合器两侧，每组均含有两个拨板和一个套筒，两个拨板分别固定在套筒两端，其中一个拨板与主动件固定；两组压电双晶片致动件分别位于两个离合器两侧，每组由压电双晶片和销轴固结构成，压电双晶片一端与销轴固结，另一端固定在底座上，销轴与拨板的槽配合构成平面高副。本发明具有可精确控制转角、寿命长的优点，可应用于精密装配、定位等领域。
文档编号H02N2/10GK1913329SQ200610088848
公开日2007年2月14日 申请日期2006年7月20日 优先权日2006年7月20日
发明者阎绍泽, 张付兴, 温诗铸 申请人:清华大学