一种基于粘滑机制的压电式旋转驱动平台及其驱动方法

1.本发明涉及一种基于粘滑机制的压电式旋转驱动平台，属于微纳精密驱动与定位技术领域。

背景技术：

2.微型旋转驱动结构一般有电机驱动和压电驱动两种方式，其中采用压电驱动技术的结构具有精度高、体积小、响应快、抗电磁干扰等优点，在生物工程、微操作、精密测量、航空航天等领域有重要应用意义。
3.压电驱动是使用压电元件将电能转换成机械能的致动器件。根据驱动原理，压电驱动器主要有尺蠖式、超声波式、粘滑式和惯性式。其中粘滑式压电驱动结构通常具有定子和动子，利用定子和动子之间的摩擦使动子产生相应的运动。压电驱动利用摩擦力运动，无需齿轮传动，可以直接驱动动子；当未施加电源激励时，由于接触表面之间的摩擦力，其能自锁而保持原来的机械位置，减少能量消耗和热量产生，提高了定位精度。
4.基于粘滑机制研制了一种旋转式压电驱动结构。其中压电驱动器部分采用杠杆结构与平行四边形结构组合进行位移放大，显著增大了压电驱动的单步步长以及摩擦驱动力；目前大部分压电驱动结构只采用一个或两个压电叠堆来驱动整体机构，驱动力矩较小，输出性能较低，回退效应明显；本发明通过三个压电驱动器阵列的形式并联驱动转台，增大了驱动能力的同时减弱了回退效应，提高了位移分辨率。

技术实现要素：

5.本发明的目的在于解决普通压电驱动结构输出负载较小、驱动速度较低、位移分辨率不佳的问题，提供一种基于粘滑机制的压电式旋转驱动平台。
6.一种基于粘滑机制的压电式旋转驱动平台，包括转台、定子、固定轴和底座。所述的固定轴固定在底座上；定子固定在固定轴的外侧；转台与固定轴同轴转动连接。定子上设置有沿着固定轴的周向依次排列的n个压电驱动器；n≥3。
7.所述的压电驱动器包括压电陶瓷叠堆、一级柔顺结构、二级柔顺结构和驱动足。一级柔顺结构的内端与对应的连接部的外端通过柔性铰链连接。一级柔顺结构的内侧面的中部通过柔性铰链连接有推板。压电陶瓷叠堆设置在推板与对应的定子之间。
8.所述的二级柔顺结构设置在一级柔顺结构外侧面的外端。二级柔顺结构包括两个连接臂和一个安装臂；相互平行且等长的两个连接臂的内端均与一级柔顺结构连接。两个连接臂的外端与安装臂的两端分别连接。安装臂的外侧面固定有驱动足。压电陶瓷叠堆通电后，驱动足挤压转台，带动转台转动。
9.作为优选，每个压电陶瓷叠堆均对应一个预紧力螺栓；预紧力螺栓旋接在定子上，并抵住压电陶瓷叠堆的内端。预紧力螺栓对压电陶瓷叠堆施加预紧力。
10.作为优选，所述的定子的外侧设有n个驱动器安装位；驱动器安装位包括限位面和连接部。连接部的内侧面与限位面相互垂直。连接部与定子的主体一体成型。一级柔顺结构
的内端与连接部的外端连接。n个压电驱动器分别安装在n个驱动器安装位；定子上开设有n个第二螺纹通孔；n个第二螺纹通孔与n个限位面分别对应。第二螺纹通孔贯通在定子的内圆周面与对应的限位面之间。第二螺纹通孔的轴线垂直于对应的限位面。预紧力螺栓旋接在对应的第二螺纹通孔内。
11.作为优选，所述的压电陶瓷叠堆的外端与推板之间，以及压电陶瓷叠堆的内端与对应的预紧力螺栓之间均设置有垫片。
12.作为优选，所述的驱动足的外侧面呈半圆柱形，且设置有摩擦涂层。
13.作为优选，所述的驱动足的内侧面设置有榫头；安装臂的外侧面开设有榫槽；驱动足通过榫卯结构可拆卸连接。
14.作为优选，所述定子上的n个压电驱动器沿着固定轴的周向均布。
15.作为优选，所述的转台包括同轴且一体成型的中心轴、顶部转盘和转动环。转动环套置在各压电驱动器的外侧。中心轴与固定轴的中心孔转动连接。
16.作为优选，所述固定轴的中心孔两端均嵌入有深沟球轴承；转台的中心轴穿过两个深沟球轴承，并与深沟球轴承的内圈过盈配合。
17.作为优选，n的取值为3；所述定子的中心孔套置在固定轴的外侧；定子上开设有三个径向的第一螺纹通孔；三个第一螺纹通孔与三个压电驱动器沿着定子中心轴线的周向依次交替排列；三个调距螺栓分别螺纹连接在第一螺纹通孔中，且端部抵住固定轴。通过转动三个调距螺栓，调节定子与转台及固定轴的偏心程度，使得三个驱动足对转台的压力保持抑制。
18.该基于粘滑机制的压电式旋转驱动平台的驱动方法，具体如下：
19.对n个压电驱动器分别施加周期性的锯齿形电信号；沿着转台的转动方向，输入n个压电驱动器的锯齿形电信号依次错开1/n个周期；周期性电信号的一个周期包括上升段和下降段；电信号的电压值在上升段由0线性增加至最大值，在下降段由最大值线性减小至0。上升段的时长大于或等于下降段的时长的(n-1)倍。压电驱动器在上升段均推动转台沿正方向转动，在下降段回退复位。
20.本发明的有益效果在于：
21.1.本发明中一级柔顺结构利用杠杆原理放大驱动足的径向位移；二级柔顺结构采用可弹性变形的平行四边形结构，在确保驱动足与转台内壁之间的压力和摩擦力足够，确保转台负载能力的情况下，将驱动足的径向运动部分转化为切向运动，增大转台的转动幅度。
22.2.本发明通过将环绕排布的三个压电驱动器错开一定相位进行驱动，使得部分压电驱动器回退时，其余压电驱动器推动转台继续转动，从而有效抑制粘滑机制驱动器的回退问题。
23.3.本发明通过调节三个调距螺栓，能够调节定子与转子的轴线之间偏离程度，进而在三个驱动足磨损程度不同、定子的加工精度不足的情况下，利用三点成圆的原理使得三个驱动足的外边缘点在以转子轴线为圆心的同一圆上，使三个驱动足与转台之间的摩擦力保持均等。
附图说明
24.图1是本发明的外观示意图。
25.图2是本发明的爆炸视图。
26.图3是本发明中定子与三个压电驱动器的结构示意图。
27.图4是本发明中固定轴的结构示意图。
28.图5是本发明中转台的结构示意图。
29.图6是本发明中压电驱动器的工作原理示意图。
30.图7是本发明中三个压电陶瓷叠堆驱动信号的示意图。
31.图中：1、压电陶瓷叠堆；2、定子；2.1、一级柔顺结构；2.2、二级柔顺结构；2.3、驱动足；2.4、推板；3、转台；3.1、中心轴；3.2、顶部转盘；3.3、转动环；4、固定轴；4.1、深沟球轴承；5、调距螺栓；6、预紧力螺栓；7、底座
具体实施方式
32.下面将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。
33.如图1、2和3所示，一种基于粘滑机制的压电式旋转驱动平台，提高了旋转输出性能，对于提高驱动速度和位移精度，抑制转台的回退具有重要意义。该基于粘滑机制的压电式旋转驱动平台包括转台3、带有三个压电驱动器阵列的定子2、固定轴4和底座7。固定轴4固定在底座7上；
34.如图2、3和4所示，定子2同轴设置在固定轴4的外侧，在工作过程中与固定轴4保持相对静止。具体地，定子2的中心孔套置在固定轴4的外侧；定子2上开设有三个径向的第一螺纹通孔；固定轴4上开设有三个盲孔；三个第一螺纹通孔与三个盲孔分别对齐。三个调距螺栓5分别螺纹连接在第一螺纹通孔中，且端部抵住盲孔的底部。盲孔的直径大于调距螺栓5的直径，以便于调距螺栓5能够在盲孔内径向移动位置。通过转动三个调距螺栓5，能够调节定子2与转台及固定轴的相对位置，使得三个驱动足2.3对转台内圆周面的压力保持均衡。在利用三个调距螺栓5调整好定子2的位置后，可通过其余结构(如用于固定螺栓和螺母)将定子2与底座7固定在一起。
35.通过该调节三个调距螺栓5，能够降低定子2上的三个压电驱动器的尺寸精度要求。具体来说，即使三个驱动足2.3由于磨损程度不同，或压电驱动器的加工精度问题，而导致三个驱动足2.3未能完全处于以定子中心轴线为圆心的圆线上；由于三点成圆，只需要通过转动三个调距螺栓5的方式调节定子的位置，即可使得三个驱动足2.3均与转台的内圆周面接触，且压力相等。
36.如图2和5所示，转台3与固定轴4同轴转动连接。具体地，固定轴4的中心孔两端均嵌入有深沟球轴承4.1；转台3的中心轴穿过两个深沟球轴承4.1，并与深沟球轴承4.1的内圈过盈配合。定子2上的三个压电驱动器沿着固定轴4的周向均布。转台3包括同轴且一体成型的中心轴3.1、顶部转盘3.2和转动环3.3。转动环套置在三个压电驱动器的外侧。
37.如图3所示，定子2的外侧设有沿固定轴4的周向均布的三个驱动器安装位；驱动器安装位包括限位面和连接部。连接部的内侧面与限位面相互垂直。连接部与定子2的主体一体成型。单个压电驱动器包括压电陶瓷叠堆1、一级柔顺结构2.1、二级柔顺结构2.2和驱动足2.3。一级柔顺结构2.1和二级柔顺结构2.2均为与对应的连接部一体成型的金属弹性体。
38.一级柔顺结构2.1的内端与对应的连接部的外端通过柔性铰链连接。一级柔顺结构2.1的内侧面的中部通过柔性铰链连接有推板2.4。压电陶瓷叠堆1设置在推板2.4与对应的驱动器安装位之间。压电陶瓷叠堆1通电伸长时能够推动一级柔顺结构2.1向外翻转。由于推板2.4相对于一级柔顺结构2.1能够翻转，故能够使得压电陶瓷叠堆1工作时主要受到压力作用，避免大横向力导致叠堆损坏。
39.定子2上开设有三个第二螺纹通孔；三个第二螺纹通孔与三个限位面分别对应。第二第二螺纹通孔贯通在定子2的内圆周面与对应的限位面之间。第二第二螺纹通孔的轴线垂直于对应的限位面。三个第二螺纹通孔内均旋接有预紧力螺栓；三个预紧力螺栓与三个推板2.4分别对齐。三个预紧力螺栓分别抵住压电陶瓷叠堆1的内端，对压电陶瓷叠堆1施加预紧力。预紧力的大小为压电陶瓷叠堆1的标称的最大推力10％～20％的压力，防止叠堆松动。
40.本实施例提供一个可选的技术方案，压电陶瓷叠堆1的外端与推板2.4之间，以及压电陶瓷叠堆1的内端与对应的预紧力螺栓之间，均设置有垫片8；垫片8可以起到缓冲作用，增大压电陶瓷叠堆与两侧金属的接触面积。
41.二级柔顺结构2.2设置在一级柔顺结构2.1外侧面的外端。二级柔顺结构2.2呈平行四边形，包括两个连接臂和一个安装臂；连接臂厚度为0.5mm，安装臂厚度为0.6mm；一级柔顺结构2.1和二级柔顺结构2.2材质均为结构钢。相互平行且等长的两个连接臂的内端均与一级柔顺结构2.1连接。两个连接臂的外端与安装臂的两端分别连接。安装臂的外侧面固定有驱动足2.3；驱动足2.3的外侧呈球面状。在驱动足2.3挤压到转台3的内圆周面时，二级柔顺结构2.2发生弹性变形，将一级柔顺结构2.1外端沿固定轴的径向的运动，转变为切向运动，增大转台3的转动幅度。由于二级柔顺结构2.2发生弹性变形时产生的弹性力能够为驱动足2.3提供对转子的挤压力，从而在增大转动幅度的同时确保驱动足2.3与转子之间能够产生足够的静摩擦力来带动负载。
42.驱动足2.3的外侧面呈半圆柱(其圆弧面轴线与转台轴线平行)，且设置有耐磨涂层；具体采用基于陶瓷颗粒或金属粉末的耐磨涂料；驱动足2.3的内侧面设置有榫头；安装臂的外侧面开设有榫槽；驱动足2.3通过榫卯结构可拆卸连接，以便于在驱动足磨损后进行更换。
43.本实施例中，一级柔顺结构2.1为杠杆式位移放大结构；二级柔顺结构2.2为平行四边形位移放大结构，两者结合将压电陶瓷叠堆1的纵向位移(即沿固定轴径向的位移)转化为横向和纵向的耦合位移。
44.该基于粘滑机制的压电式旋转驱动平台的驱动方法，具体如下：
45.对三个压电驱动器分别施加周期性的锯齿形电信号；沿着转台的转动方向，输入三个压电驱动器的锯齿形电信号依次错开120
°
相位；周期性电信号的一个周期包括上升段和下降段；电信号的电压值在上升段由0线性增加至最大值，在下降段由最大值线性减小至0。上升段的时长占整个锯齿形电信号周期的80％；从而使得驱动足2.3推动转台转动时的速度远小于驱动足2.3复位的速度，抑制了转台在驱动足2.3复位时反向转动的幅度。
46.如图6所示，单个压电驱动器的驱动过程，包括以下步骤：
47.a)初始阶段，通过将预紧力螺钉6对压电陶瓷叠堆的预紧力保持在压电陶瓷叠堆最大推力的10％～20％。工作前，通过调整三个调距螺栓5的旋紧程度，使得三个驱动足2.3
与转台3之间的摩擦力相等。
48.b)压电陶瓷缓慢伸长阶段，向压电叠堆1输入锯齿形电信号，当电压缓慢增大时，基于逆压电效应，压电陶瓷叠堆随电压缓慢增大而慢速伸长，一级柔顺结构2.1放大压电叠堆在y方向的变形量，二级柔顺结构2.2在径向上使驱动足2.3挤压转台3的内圆周面，增大驱动足2.3与转台3之间的压力和静摩擦力，使驱动足2.3和转台3之间不易产生滑移现象，保证了两者之间相对静止。同时，二级柔顺结构2.2发生变形，使得驱动足2.3形成切向位移，带动转台3向切向的正方向运动d1距离。
49.c)压电陶瓷叠堆快速收缩阶段，当电压幅值急剧减小至0v时，压电陶瓷叠堆1随锯齿波电压的快速下降而迅速缩短，回复至初始长度，一级柔顺结构2.1和二级柔顺结构2.2复位，驱动足2.3将在径向和切向上同时发生迅速回撤运动，减小了与转台3之间的压力以及摩擦力，使得二者之间更容易发生滑移现象，同时转台3本身具有惯性，也会减小转台3在切向的负方向的回退运动。
50.并且，通过调整三组压电叠堆驱动信号的相位差可以起到抑制回退的作用。具体来说，由于输入三个压电陶瓷叠堆的锯齿波信号相互错开三分之一个周期，故其中一个压电驱动器回退时另两个压电驱动器处于伸长阶段，推动转台正向转动；具体参见图7中的t1时刻和t2时刻。在t1时刻，压电陶瓷叠堆a,b,c均处于缓慢伸长阶段，共同推动转台3运动；t2时刻，压电陶瓷叠堆a快速收缩，会造成转台3回退，但是陶瓷叠堆b,c均处于缓慢伸长阶段，三者共同作用下转台3仍然向正方向运动。此外，三个驱动器并联也提高了对转台3的驱动力，减少转台3的回退效应，从而提高旋转机构的负载能力。
51.因此，单个压电驱动器复位时对转台带来的回退位移d2接近于0；转台3在一个锯齿波周期的最终的位移为d
1-d2，其中d1》》d2；而d2可以忽略；通过不断施加周期锯齿波，转台3就可以连续旋转运动。

技术特征：

1.一种基于粘滑机制的压电式旋转驱动平台，包括转台(3)、定子(2)、固定轴(4)和底座(7)；其特征在于：所述的固定轴(4)固定在底座(7)上；定子(2)固定在固定轴(4)的外侧；转台(3)与固定轴(4)同轴转动连接；定子(2)上设置有沿着固定轴(4)的周向依次排列的n个压电驱动器；n≥3；所述的压电驱动器包括压电陶瓷叠堆(1)、一级柔顺结构(2.1)、二级柔顺结构(2.2)和驱动足(2.3)；一级柔顺结构(2.1)的内端与对应的连接部的外端通过柔性铰链连接；一级柔顺结构(2.1)的内侧面的中部通过柔性铰链连接有推板；压电陶瓷叠堆(1)设置在推板与对应的定子(2)之间；所述的二级柔顺结构(2.2)设置在一级柔顺结构(2.1)外侧面的外端；二级柔顺结构(2.2)包括两个连接臂和一个安装臂；相互平行且等长的两个连接臂的内端均与一级柔顺结构(2.1)连接；两个连接臂的外端与安装臂的两端分别连接；安装臂的外侧面固定有驱动足(2.3)。2.根据权利要求1所述的一种基于粘滑机制的压电式旋转驱动平台，其特征在于：每个压电陶瓷叠堆(1)均对应一个预紧力螺栓；预紧力螺栓旋接在定子(2)上，并抵住压电陶瓷叠堆(1)的内端；预紧力螺栓对压电陶瓷叠堆(1)施加预紧力。3.根据权利要求2所述的一种基于粘滑机制的压电式旋转驱动平台，其特征在于：所述的定子(2)的外侧设有n个驱动器安装位；驱动器安装位包括限位面和连接部；连接部的内侧面与限位面相互垂直；连接部与定子(2)的主体一体成型；一级柔顺结构(2.1)的内端与连接部的外端连接；n个压电驱动器分别安装在n个驱动器安装位；定子(2)上开设有n个第二螺纹通孔；n个第二螺纹通孔与n个限位面分别对应；第二螺纹通孔贯通在定子(2)的内圆周面与对应的限位面之间；第二螺纹通孔的轴线垂直于对应的限位面；预紧力螺栓旋接在对应的第二螺纹通孔内。4.根据权利要求2或3所述的一种基于粘滑机制的压电式旋转驱动平台，其特征在于：所述的压电陶瓷叠堆(1)的外端与推板之间，以及压电陶瓷叠堆(1)的内端与对应的预紧力螺栓之间均设置有垫片(8)。5.根据权利要求1、2或3所述的一种基于粘滑机制的压电式旋转驱动平台，其特征在于：所述的驱动足(2.3)的外侧面呈半圆柱，且设置有摩擦涂层。6.根据权利要求1、2或3所述的一种基于粘滑机制的压电式旋转驱动平台，其特征在于：所述的驱动足(2.3)的内侧面设置有榫头；安装臂的外侧面开设有榫槽；驱动足(2.3)通过榫卯结构可拆卸连接。7.根据权利要求1、2或3所述的一种基于粘滑机制的压电式旋转驱动平台，其特征在于：所述定子(2)上的n个压电驱动器沿着固定轴(4)的周向均布。8.根据权利要求1、2或3所述的一种基于粘滑机制的压电式旋转驱动平台，其特征在于：所述的转台(3)包括同轴且一体成型的中心轴、顶部转盘和转动环；转动环套置在各压电驱动器的外侧；所述固定轴(4)的中心孔两端均嵌入有深沟球轴承(4.1)；转台(3)的中心轴穿过两个深沟球轴承(4.1)，并与深沟球轴承(4.1)的内圈过盈配合。9.根据权利要求1、2或3所述的一种基于粘滑机制的压电式旋转驱动平台，其特征在于：n的取值为3；所述定子的中心孔套置在固定轴的外侧；定子(2)上开设有三个径向的第一螺纹通孔；三个第一螺纹通孔与三个压电驱动器沿着定子(2)中心轴线的周向依次交替
排列；三个调距螺栓(5)分别螺纹连接在第一螺纹通孔中，且端部抵住固定轴；通过转动三个调距螺栓(5)，调节定子(2)与转台及固定轴的偏心程度，使得三个驱动足对转台的压力保持抑制。10.如权利要求1所述的一种基于粘滑机制的压电式旋转驱动平台的驱动方法，其特征在于：对n个压电驱动器分别施加周期性的锯齿形电信号；沿着转台的转动方向，输入n个压电驱动器的锯齿形电信号依次错开1/n个周期；周期性电信号的一个周期包括上升段和下降段；电信号的电压值在上升段由0线性增加至最大值，在下降段由最大值线性减小至0；上升段的时长大于或等于下降段的时长的(n-1)倍；压电驱动器在上升段均推动转台沿正方向转动，在下降段回退复位。

技术总结

本发明公开了一种基于粘滑机制的压电式旋转驱动平台及其驱动方法；该压电式旋转驱动平台，包括转台、定子、固定轴和底座。所述的固定轴固定在底座上；定子固定在固定轴的外侧；转台与固定轴同轴转动连接。定子上设置有沿着固定轴的周向依次排列的n个压电驱动器。压电驱动器包括压电陶瓷叠堆、一级柔顺结构、二级柔顺结构和驱动足。本发明中一级柔顺结构利用杠杆原理放大驱动足的径向位移；二级柔顺结构采用可弹性变形的平行四边形结构，在确保驱动足与转台内壁之间的压力和摩擦力足够，确保转台负载能力的情况下，将驱动足的径向运动部分转化为切向运动，增大转台的转动幅度。增大转台的转动幅度。增大转台的转动幅度。