非对称柔性铰链压电旋转定位平台及其驱动方法

本发明涉及精密仪器领域，特别涉及一种非对称柔性铰链压电旋转定位平台与方法，定位平台运行稳定、结构简单紧凑、成本低、运动速度快、承载能力高，可应用到超精密加工、光学工程、生物细胞工程、微操作与微装配等领域对试件进行精密定位。

背景技术：

精密驱动装置已经应用到诸多科学和工业等领域中，压电驱动器由于具有高精度、结构简单、快速响应、容易控制等特点，成为了近年来的研究热点，各国学者也致力于设计和研发具有各种结构和功能的压电驱动装置。对于目前大部分的旋转驱动装置来说，虽然能够实现高精度和高速度的输出，但是它们的结构相对复杂。如文献(novelinertialpiezoelectricactuatorwithhighprecisionandstabilitybasedonatwofixed-endbeamstructure，smartmaterialsandstructures，2019，28015030)中，利用非对称夹持机构设计了一款压电双晶片旋转定位平台，虽可以实现高精度、高稳定性的运动，但是其结构复杂，对加工和装配精度的要求较高，并且存在很大的回退运动，驱动效率较低。文献(apiezoelectric-drivenrotaryactuatorbymeansofinchwormmotion，sensorsandactuatorsa:physical，2013，194，269-276)报道了一种尺蠖式压电旋转驱动装置，该装置虽具有高速、高精度的特点，但其设计结构和装配较为复杂。综上可以看出，利用结构非对称原理研制的结构简单紧凑的压电旋转定位平台目前仍未见报道，因此一种非对称柔性铰链压电旋转平台的研制将会促进非对称原理在压电定位平台设计上的应用，为压电驱动器的设计提供新的思路。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种非对称柔性铰链压电旋转定位平台与方法，解决了现有技术存在的上述问题。本发明利用驱动单元的非对称结构，在驱动过程中，左夹持臂和右夹持臂将绕着半圆形柔性环节i产生逆时针微小转动，在摩擦力的作用下，使右夹持臂带动转子逆时针转动，通过改变驱动波形的对称性，可实现装置的反向运动；输出性能可通过手动精密平移台微调节驱动单元与转子的间隙进行调节；本发明的压电旋转定位平台具有结构简单紧凑、易于加工和装配、控制简单、成本低的特点，且能够实现稳定、双向、大行程、高速的旋转运动。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

非对称柔性铰链压电旋转定位平台，其特征在于：包括基础单元1、驱动单元2、转子3三部分；所述的驱动单元2通过螺钉安装在基础单元1的手动精密平移台1-3上；所述的转子3选用深沟球轴承，其内圈通过过盈配合安装在基础单元1的中心轴1-1上。

所述的基础单元1由中心轴1-1、底座1-2和手动精密平移台1-3组成；所述的手动精密平移台1-3通过螺钉安装在底座1-2上，用于调节驱动单元2与转子3之间的接触间隙。

所述的驱动单元2包括非对称柔性铰链机构2-1和压电叠堆2-2；所述的非对称柔性铰链机构2-1由左夹持臂2-1-1、半圆形柔性环节ii2-1-2、半圆形柔性环节i2-1-3、右夹持臂2-1-4以及平行导向铰链2-1-5组成；所述的压电叠堆2-2通过过盈配合安装于非对称柔性铰链机构2-1的凹槽中。

本发明的另一个目的在于提供一种非对称柔性铰链压电旋转定位平台的控制方法，包括以下步骤：

a)将整机装配完成后，首先调节手动精密平移台1-3，使非对称柔性铰链机构2-1的左夹持臂2-1-1和右夹持臂2-1-4逐渐接近转子3的外圈表面；非对称柔性铰链机构2-1与转子3之间的接触间隙是影响定位平台输出性能的重要参数，可根据实际应用需求通过调节手动精密平移台1-3进行调整，如需高速运动，可设置较大的间隙；如需高的输出力矩，可减小接触间隙；

b)给压电叠堆2-2施加梯形波驱动电压，压电叠堆2-2在逆压电效应的作用下，得电先缓慢伸长；在这个过程中，压电叠堆2-2逐步推动非对称柔性铰链机构2-1，使其中的平行导向铰链2-1-5发生弹性变形，带动半圆形柔性环节i2-1-3先产生直线运动，从而使非对称柔性铰链机构2-1逐步夹紧转子3；由于左夹持臂2-1-1中存在半圆形柔性环节ii2-1-2，其刚度小于右夹持臂2-1-4，随着驱动电压的进一步增大，左夹持臂2-1-1将发生弯曲变形，导致左右夹持臂变形的非对称，进而使得左夹持臂2-1-1和右夹持臂2-1-4整体将绕着半圆形柔性环节i2-1-3产生逆时针微小转动，以上弹性变形最终实现右夹持臂2-1-4带动转子3实现逆时针转动；之后，驱动电压保持在高电压状态一段时间后迅速下降至零，非对称柔性铰链机构2-1和压电叠堆2-2快速回复到初始状态，为下一个驱动循环做准备；

c)若要实现顺时针旋转运动，只需将步骤b)中施加到压电叠堆2-2的控制电压改变为反向梯形波驱动电压，之后重复步骤b)即可；在接触间隙一定时，转子3的转速可以通过调节压电叠堆2-2的驱动电压幅值和频率实现调控。

本发明的有益效果在于：结构简单紧凑、便于加工和装配、控制简单，仅利用驱动单元的非对称结构以及半圆形柔性环节i，就可实现转子的高速转动；通过调节驱动单元与转子的间隙，可以实现对平台输出特性的调整；在驱动电压为80伏，频率为8赫兹时，驱动速度超过2500微弧度/秒。该定位平台适用范围广、实用性强，在精密加工、微夹持、显微操作等重要科学工程领域具有良好的应用前景。

附图说明

此处所说明的附图用来提供本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为本发明带有压电叠堆的非对称柔性铰链机构示意图；

图3为本发明的非对称柔性铰链机构在压电元件位移输出作用下的变形示意图；

图4为本发明的逆时针运动驱动电压示意图；

图5为本发明的顺时针运动驱动电压示意图；

图6为本发明定位平台在驱动电压幅值均为80伏，不同驱动频率下测得的实际运动输出曲线；

图7为本发明定位平台在驱动频率为10赫兹，不同驱动电压幅值下的实际运动输出曲线。

图中：1、基础单元；1-1、中心轴；1-2、底座；1-3、手动精密平移台；2、驱动单元；2-1、非对称柔性铰链机构；2-1-1、左夹持臂；2-1-2、半圆形柔性环节ii；2-1-3、半圆形柔性环节i；2-1-4、右夹持臂；2-1-5、平行导向铰链；2-2、压电叠堆；3、转子。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

参见图1所示，本发明的非对称柔性铰链压电旋转定位平台，其特征在于：包括基础单元1、驱动单元2、转子3三部分；所述的驱动单元2通过螺钉安装在基础单元1的手动精密平移台1-3上；所述的转子3选用深沟球轴承，其内圈通过过盈配合安装在基础单元1的中心轴1-1上。

参见图1所示，所述的基础单元1由中心轴1-1、底座1-2和手动精密平移台1-3组成；所述的手动精密平移台1-3通过螺钉安装在底座1-2上，用于调节驱动单元2与转子3之间的接触间隙。

参见图1及图2所示，所述的驱动单元2包括非对称柔性铰链机构2-1和压电叠堆2-2；所述的非对称柔性铰链机构2-1由左夹持臂2-1-1、半圆形柔性环节ii2-1-2、半圆形柔性环节i2-1-3、右夹持臂2-1-4以及平行导向铰链2-1-5组成；所述的压电叠堆2-2通过过盈配合安装于非对称柔性铰链机构2-1的凹槽中。

参见图1至图5所示，具体说明非对称柔性铰链压电旋转定位平台的控制方法，包括以下步骤：

a)将整机装配完成后，首先调节手动精密平移台1-3，使非对称柔性铰链机构2-1的左夹持臂2-1-1和右夹持臂2-1-4逐渐接近转子3的外圈表面；非对称柔性铰链机构2-1与转子3之间的接触间隙是影响定位平台输出性能的重要参数，可根据实际应用需求通过调节手动精密平移台1-3进行调整，如需高速运动，可设置较大的间隙；如需高的输出力矩，可减小接触间隙；

b)给压电叠堆2-2施加梯形波驱动电压，压电叠堆2-2在逆压电效应的作用下，得电先缓慢伸长；在这个过程中，压电叠堆2-2逐步推动非对称柔性铰链机构2-1，使其中的平行导向铰链2-1-5发生弹性变形，带动半圆形柔性环节i2-1-3先产生直线运动，从而使非对称柔性铰链机构2-1逐步夹紧转子3；由于左夹持臂2-1-1中存在半圆形柔性环节ii2-1-2，其刚度小于右夹持臂2-1-4，随着驱动电压的进一步增大，左夹持臂2-1-1将发生弯曲变形，导致左右夹持臂变形的非对称，进而使得左夹持臂2-1-1和右夹持臂2-1-4整体将绕着半圆形柔性环节i2-1-3产生逆时针微小转动，以上弹性变形最终实现右夹持臂2-1-4带动转子3实现逆时针转动；之后，驱动电压保持在高电压状态一段时间后迅速下降至零，非对称柔性铰链机构2-1和压电叠堆2-2快速回复到初始状态，为下一个驱动循环做准备；

c)若要实现顺时针旋转运动，只需将步骤b)中施加到压电叠堆2-2的控制电压改变为反向梯形波驱动电压，之后重复步骤b)即可；在接触间隙一定时，转子3的转速可以通过调节压电叠堆2-2的驱动电压幅值和频率实现调控。

参见图6所示，是本发明在驱动电压幅值均为80伏，不同驱动电压频率下测得的实际运动输出曲线。附图7是本发明在驱动频率为10赫兹，不同驱动电压幅值下测得的实际运动输出曲线。在驱动电压80伏，频率为8赫兹时，驱动速度超过2500微弧度/秒。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。