一种压电粘滑旋转定位平台

1.本实用新型涉及旋转定位平台技术领域，特别是涉及一种压电粘滑旋转定位平台。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本实用新型相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.随着科学和技术的迅速发展，具有大运动行程和高位移分辨率的跨尺度精密执行器是生物工程、空间技术、航天科技、集成电路、现代医疗和mems等领域必不可缺的关键技术。对于旋转定位平台来说，大运动行程与高分辨率是一个矛盾问题，随着高精数控加工技术及高速扫描检测等技术的迅速发展，对于旋转定位的行程与精度提出了更高的要求。
4.现有旋转定位平台结构复杂不紧凑、体积大、驱动速度慢且驱动效率低，同时定位精度不高也无法实现大行程旋转，难以应用于精密定位系统中。


技术实现要素：

5.为了解决上述问题，本实用新型提出了一种压电粘滑旋转定位平台，整体结构更加简单紧凑，体积小、行程大、驱动速度快、驱动效率高且定位精度高，能够满足精密定位系统的各项要求，实现双向大行程角度旋转。
6.为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
7.本实用新型为一种压电粘滑旋转定位平台，包括基座部分、驱动部分、传动部分、执行部分和传感反馈部分；所述基座部分包括基座本体，所述基座本体的上表面内嵌设置有驱动部分和传感反馈部分，所述基座本体的中央设有中心孔，所述中心孔内设有可相对基座本体旋转运动的传动部分，所述传动部分的顶部设置有执行部分，所述驱动部分的输出端突出基座本体的表面与执行部分相接触，所述传感反馈部分用于测量执行部分的旋转角度。
8.优选的，所述驱动部分包括驱动器、压电陶瓷和摩擦陶瓷输出端；所述驱动器包括一号传动铰链、二号传动铰链、压电陶瓷安装槽和摩擦陶瓷安装槽，所述压电陶瓷安装槽内设置有压电陶瓷，摩擦陶瓷安装槽内设置有摩擦陶瓷输出端。
9.优选的，所述传动部分包括传动轴、角接触轴承和轴承内圈固定件；所述传动轴包括第一轴段、第二轴段与第三轴段，所述第二轴段与第三轴段形成轴肩；所述轴承内圈固定件与传动轴的第一轴段可拆卸的连接，所述角接触轴承设置于轴承内圈固定件的上端面和轴肩之间。
10.优选的，所述基座本体的中心孔内壁设置有圆形凸台，所述角接触轴承外圈下端面与圆形凸台上端面接触，所述角接触轴承外圈与中心孔内壁过盈配合，所述角接触轴承的内圈与第二轴段过盈配合。
11.优选的，所述执行部分包括圆盘末端、环形摩擦陶瓷片、圆形光栅尺和光栅尺固定
件；所述圆盘末端与传动轴的第三轴段可拆卸的连接，所述圆盘末端下部设有外凸台和光栅尺固定件，所述外凸台和光栅尺固定件之间设置有圆形光栅尺，所述外凸台的外侧与圆盘末端下端面之间设置有环形摩擦陶瓷片。
12.优选的，所述光栅尺固定件的形状为圆环状，光栅尺固定件的内圈设置有内凸台，所述内凸台与圆盘末端可拆卸的连接。
13.优选的，所述驱动部分的摩擦陶瓷输出端突出基座本体的上表面与执行部分的环形摩擦陶瓷片相接触。
14.优选的，所述传感反馈部分为光栅，所述光栅和圆形光栅尺相互配合测量执行部分的旋转角度。
15.优选的，所述摩擦陶瓷输出端和环形摩擦陶瓷片为氧化铝瓷片。
16.优选的，所述基座部分还包括上外壳和下外壳，所述上外壳、下外壳与基座本体之间可拆卸的连接；所述基座本体的形状为圆形，所述上外壳和下外壳的形状为圆环形；所述基座本体的上表面设置有驱动器安装槽和光栅安装槽；所述驱动器安装槽为两个且对称设置，所述驱动器安装槽和光栅安装槽内均设置有若干固定孔和走线孔；所述基座本体的背面还设置有圆形槽。
17.所述压电粘滑旋转定位平台的驱动方式为：
18.对压电陶瓷施加三角信号；
19.当施加斜率较小的上升斜坡信号且斜率较大的下降斜坡信号时，圆盘末端先依靠摩擦陶瓷输出端和环形摩擦陶瓷片之间的静摩擦力进行“粘”运动，后依靠摩擦陶瓷输出端和环形摩擦陶瓷片之间的动摩擦力进行“滑”运动，实现旋转平台正向旋转；当施加斜率较大的上升斜坡信号且斜率较小的下降斜坡信号，圆盘末端先依靠摩擦陶瓷输出端和环形摩擦陶瓷片之间的动摩擦力进行“滑”运动，后依靠摩擦陶瓷输出端和环形摩擦陶瓷片之间的静摩擦力进行“粘”运动，实现旋转平台逆向旋转。
20.与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：
21.1.本实用新型旋转定位平台结构简单、紧凑，驱动器与光栅内嵌于基座中，极大降低旋转平台的高度。本发明在高度的紧凑性上有很大优势，尤其适用于平台高度受限的场合中。
22.2.本实用新型采用驱动器直接驱动执行部分的驱动方式，而非驱动器驱动传动轴的间接驱动方式，因此本发明能够减小能量损耗，提高驱动效率，增大驱动力。
23.3.本实用新型设置传感反馈部分，使用光栅作为传感器，将光栅采集到的旋转角度反馈给控制器进行闭环控制，因此本发明闭环分辨率高，拥有极高的定位旋转精度。
24.4.本实用新型驱动部分使用氧化铝陶瓷片，驱动与执行机构间保证了较大的摩擦力，从而使本发明拥有较大的驱动力和驱动速度，动态性能好。
25.5.本实用新型基于粘滑原理，拥有极大地旋转范围，可以实现全行程运动；且通过施加不同的控制信号，可以实现旋转定位平台的双向运动。
26.本实用新型附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
27.构成本实用新型的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。
28.图1为本发明整体结构示意图；
29.图2为本发明整体结构装配示意图；
30.图3为本发明基座本体立体结构示意图；
31.图4为本发明基座本体另一角度立体结构示意图；
32.图5为本发明驱动部分结构示意图；
33.图6为本发明驱动器结构示意图；
34.图7为本发明传动部分结构示意图；
35.图8为本发明传动部分正视结构示意图；
36.图9为本发明沿图8中a-a方向剖视结构示意图；
37.图10为本发明传动轴结构示意图；
38.图11为本发明轴承内圈固定件结构示意图；
39.图12为本发明圆盘末端结构示意图；
40.图13为本发明执行部分剖面图；
41.图14为本发明光栅尺固定件结构示意图；
42.图15为本发明压电粘滑旋转定位平台的控制激励信号；
43.其中,1:基座部分,1-1:基座本体,1-1-1:中心孔,1-1-2:圆形凸台,1-1-3: 光栅安装槽,1-1-3-1：螺纹孔，1-1-3-2：矩形通孔，1-1-4:驱动器安装槽, 1-1-4-1：螺纹孔，1-1-4-2：通孔，1-1-5:圆形槽,1-1-6:出线孔,1-1-7:螺纹孔，1-2:上外壳,1-2-1：沉头孔，1-3:下外壳，1-3-1：沉头孔；2：驱动部分，2-1：驱动器，2-1-1：通孔，2-1-2：通孔，2-1-3：一号传动铰链，2-1-4：二号传动铰链，2-1-5：压电陶瓷安装槽，2-1-6：摩擦陶瓷安装槽，2-2：压电陶瓷，2-3：摩擦陶瓷输出端；3：传动部分，3-1：传动轴，3-1-1：第一轴段， 3-1-2：第二轴段，3-1-3：第三轴段，3-1-4：外螺纹，3-1-5：轴肩，3-1-6：螺纹孔，3-2：角接触轴承，3-3：轴承内圈固定件，3-3-1：内螺纹；4：执行部分，4-1：圆盘末端，4-1-1：通光孔，4-1-2：外凸台，4-1-3：螺纹孔，4-1-4：沉头孔，4-2：环形摩擦陶瓷片，4-3：圆形光栅尺，4-4：光栅尺固定件，4-4-1：内凸台，4-4-2：沉头孔；5：传感反馈部分，5-1：光栅。
具体实施方式
44.下面结合附图与实施例对本实用新型做进一步说明。
45.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本实用新型提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本实用新型所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
46.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本实用新型的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品
或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
47.在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
48.实施例一
49.如图1和图2所示，本发明的压电粘滑旋转定位平台包括基座部分1、驱动部分2、传动部分3、执行部分4、传感反馈部分5。
50.所述基座部分1包括基座本体1-1、上外壳1-2和下外壳1-3；如图3所示和图4所示，所述基座本体1-1为圆环状零件，内留有中心孔1-1-1和圆形凸台1-1-2，其中，传动部分3置于中心孔1-1-1中，通过圆形凸台1-1-2实现基座本体1-1与传动部分3中轴承内圈的轴向定位与固定，即实现传动部分3的定位。
51.基座本体1-1上表面设有三个安装槽，分别为一个光栅安装槽1-1-3和两个驱动器安装槽1-1-4，基座本体1-1的背面还设有一个圆形槽1-1-5。其中两个驱动器安装槽1-1-4沿基座本体1-1上表面圆周方向对称分布，光栅安装槽 1-1-3与驱动器安装槽夹角为90
°
。驱动器安装槽内有四个螺纹孔，其中两个螺纹孔1-1-4-1实现驱动器2-1的定位和固定，两个通孔1-1-4-2方便压电陶瓷2-2电源线的分布，线从通孔中穿出。光栅安装槽1-1-3有两个螺纹孔1-1-3-1，实现光栅5-1的固定；光栅安装槽1-1-3一侧为矩形通孔1-1-3-2，方便光栅 5-1的信号线的走线。将压电陶瓷2-2电源线集中于基座背面的圆形槽1-1-5中，和光栅5-1的信号线一起从出线孔1-1-6中穿出。
52.基座本体1-1沿上下面的圆周均分布螺纹孔1-1-7，实现上外壳和下外壳的安装与定位。
53.如图1所述，上外壳1-2与下外壳1-3为圆环状零件，圆周均布沉头孔1-2-1 和1-3-1，通过螺栓连接实现上外壳、下外壳与基座本体1-1的安装与固定。
54.如图5所示，所述驱动部分2包括驱动器2-1，压电陶瓷2-2、摩擦陶瓷片 2-3。
55.如图6所示，上述驱动器2-1使用线切割一体成型，所述驱动器包括两个通孔2-1-1和2-1-2、一号传动铰链2-1-3、二号传动铰链2-1-4、压电陶瓷安装槽2-1-5和摩擦陶瓷安装槽2-1-6。使用螺栓穿过通孔2-1-1与螺纹孔1-1-4-1，将驱动器2-1固定于基座本体1-1上，压电陶瓷2-2放置于压电陶瓷安装槽2-1-5 中，使用环氧树脂胶将摩擦陶瓷输出端2-3粘于摩擦陶瓷安装槽2-1-6中。当压电陶瓷2-2伸长或缩短，通过传动铰链2-1-3和2-1-4的变形旋转，将运动传递给驱动器2-1的摩擦陶瓷输出端2-3，而摩擦陶瓷输出端2-3与执行部分4 的环形摩擦陶瓷片4-2接触，因此，摩擦陶瓷输出端2-3可以通过静摩擦力带动执行部分4的圆盘末端4-1进行旋转，将直线运动转换为旋转运动。本发明的驱动器2-1直接将运动传递给执行部分4，而非驱动传动部分3，直接驱动的方式将减小能量损耗，增大驱动力。
56.如图7-8所示，所述传动部分3包括传动轴3-1、角接触轴承3-2、轴承内圈固定件3-3，其中轴承轴向承受重力，所以选用能够承受较大轴向负荷的角接触轴承以提高轴承的承载力，提高转台的旋转精度。
57.如图10所示，上述传动轴3-1为阶梯轴，且第一轴段3-1-1处有外螺纹3-1-4，第二轴段3-1-2与第三轴段3-1-3形成轴肩3-1-5，第三轴段3-1-3的端处有四个螺纹孔3-1-6。
58.如图11所示，所述轴承内圈固定件3-3为圆环状自制螺母，内圈有内螺纹 3-3-1，与传动轴3-1的外螺纹3-1-4配合；用轴承内圈固定件3-3的端面和轴肩3-1-5将角接触轴承
3-2内圈固定，实现角接触轴承3-2内圈的轴向固定。
59.如图9和图10所示，角接触轴承3-2的内圈与外圈均采用过盈配合，实现轴承圆周方向的定位与固定。其中角接触轴承3-2的内圈与第二轴段3-1-2接触，外圈与中心孔1-1-1内壁接触，且轴承外圈端面与圆形凸台1-1-2接触，从而实现轴承外圈的定位与固定，也实现了传动部分3相对于基座部分1的定位。
60.如图10所示，上述传动轴3-1的第三轴段3-1-3的端处有四个螺纹孔3-1-6，与圆盘末端4-1中四个沉头孔4-1-4配合，传动轴3-1通过螺栓连接与执行部分4的圆盘末端4-1进行固定。有了传动部分的运动，执行部分才能旋转。
61.如图13所示，上述执行部分4包括圆盘末端4-1、环形摩擦陶瓷片4-2、圆形光栅尺4-3和光栅尺固定件4-4。
62.如图12所示，所述圆盘末端4-1为圆环状零件，中心部分为通光孔4-1-1，下部有外凸台4-1-2，外凸台4-1-2内环实现圆形光栅尺4-3的定位，外凸台外环实现环形摩擦陶瓷片4-2的定位；圆盘中心部分有四个螺纹孔4-1-3和四个沉头孔4-1-4，其中螺纹孔4-1-3与光栅尺固定件4-4的沉头孔4-4-2配合，通过螺栓连接实现光栅尺固定件4-4的定位与固定，沉头孔4-1-4与螺纹孔3-1-6 配合，实现传动轴3-1与圆盘末端4-1的固定。
63.如图13所示，所述环形摩擦陶瓷片4-2为厚度较薄的环状零件，材料为氧化铝陶瓷片，绝缘耐磨耐高温，可以增大驱动器的摩擦力，以提高驱动力和驱动速度。通过环氧树脂胶将环形摩擦陶瓷片4-2粘在圆盘末端4-1上，同理，将圆形光栅尺4-3通过环氧树脂胶粘在圆盘末端4-1上。
64.如图14所示，光栅尺固定件4-4为圆环状零件，内圈有凸台4-4-1，凸台 4-4-1上有沉头孔4-4-2，实现与圆盘末端的固定。
65.如图13所示，光栅尺固定件4-4可用外圈厚度较薄的部分压住圆形光栅尺 4-3，实现圆形光栅尺z方向的固定。
66.如图2所示，所述传感反馈部分5为光栅5-1。光栅精度较高，测量位移值s，设圆形光栅尺4-3半径为r，则旋转角度α＝s/r，可以将光栅读到的位移信号转换为旋转的角度，把旋转角度反馈给控制器，实现闭环控制。例如加入pid 控制器，或者抗干扰的h∞控制器。因此本发明拥有较高的旋转精度，选用结构紧凑的内嵌型光栅，可以通过螺栓连接固定在光栅安装槽里。实际使用中，本实施例也可换用其他测量位移或者旋转角度的传感器。
67.实施例二
68.本实施例为压电粘滑旋转定位平台的驱动方式及双向旋转的控制方法：
69.在本实施例中，对压电陶瓷2-2施加三角信号，例图15中b所示，当施加斜率较小的上升斜坡信号、斜率较大的下降斜坡信号时，压电陶瓷2-2先缓慢伸长、后快速收缩，粘滑平台将先进行“粘”运动，即摩擦陶瓷输出端2-3与环形摩擦陶瓷片4-2间存在静摩擦力，圆盘末端4-1与摩擦陶瓷输出端2-3相对静止，圆盘4-1正向旋转α1；后进行“滑”运动，即摩擦陶瓷输出端2-3与环形摩擦陶瓷片4-2间存在动摩擦力，圆盘末端4-1与摩擦陶瓷输出端2-3相对运动，此时圆盘逆向旋转α2。通过粘滑运动，一个周期内圆盘末端4-1正向旋转角度(α1-α2)。
70.同理，若对压电陶瓷2-2施加图15中a所示的信号，圆盘末端4-1将正向进行“滑”运动，后逆向进行“粘”运动，即先正向旋转α3，后逆向旋转α4，一个周期内圆盘末端4-1逆向旋
转角度(α4-α3)。上述角度α均为绝对值。
71.综上所示，对压电陶瓷2-2施加斜率不同的上升斜坡信号和下降斜坡信号，可切换旋转平台“粘”和“滑”两种运动状态。每次粘滑运动称为一步，施加多个周期信号实现步进运动，即可实现全行程运动。不断施加信号可以旋转无限角度，因此本发明拥有极大的旋转范围，并通过施加不同的三角信号可以实现双向大行程角度旋转。
72.本实施例中粘滑旋转平台集成了光栅5-1，因此可以反馈旋转角度，使用 pid控制器或其他控制器对本发明的粘滑旋转平台进行闭环控制，因此本发明拥有极高的旋转精度。
73.上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。