專利名稱：壓電雙晶片驅(qū)動的精密轉(zhuǎn)動機構(gòu)及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
壓電雙晶片驅(qū)動的精密轉(zhuǎn)動機構(gòu)及其裝置屬于精密機械運動控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在精密加工、測量及控制領(lǐng)域，對儀器設(shè)備的位置控制精度要求越來越高。在精密機械運動控制技術(shù)領(lǐng)域，當(dāng)直線運動分辨率要求達到微米甚至納米，或轉(zhuǎn)角達到分級甚至秒級時，壓電陶瓷類驅(qū)動器由于具有分辨率高、響應(yīng)快、效率高等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于微操作精密機械運動控制系統(tǒng)。
由于單一的壓電陶瓷類驅(qū)動器輸出形式比較簡單，而且輸出位移較小，因此，需要設(shè)計新型機構(gòu)，實現(xiàn)大行程或大扭矩以及不同運動形式的輸出。1990年日本Alps電子有限公司的Ohnishi等基于蠕動原理設(shè)計了一個蠕動式旋轉(zhuǎn)電機(Ohnishi K.，Umeda M.，Kurosawa M.etal.Rotary inchworm-type piezoelectric actuator.Electrical Engineering in Japan，1990，Vol.110，No.3，pp.107-114蠕動式壓電旋轉(zhuǎn)作動器，日本電子工程，1990，Vol.110，No.3，pp.107-114)，該電機采用伸縮變形的壓電作動器對轉(zhuǎn)子鉗位，用扭轉(zhuǎn)變形的壓電作動器驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，通過對鉗位壓電作動器和驅(qū)動壓電作動器的不同時序控制，實現(xiàn)輸出軸的連續(xù)轉(zhuǎn)動。在工作頻率為10Hz時，產(chǎn)生0.2Nm的扭矩，但輸出軸轉(zhuǎn)動速度僅為3°/min。這類旋轉(zhuǎn)電機雖然可以用于精密角位移定位控制，但其輸出轉(zhuǎn)速一般比較低。
壓電慣性沖擊式精密作動器主要由堆式或雙晶片式壓電驅(qū)動元件與慣性質(zhì)量塊構(gòu)成，利用質(zhì)量塊的慣性，配合壓電驅(qū)動元件的伸縮或彎曲變形，實現(xiàn)大范圍快速的移動或轉(zhuǎn)動。張宏壯等研制了一種以自由端帶有集中質(zhì)量的懸臂式壓電雙晶片為驅(qū)動單元的慣性沖擊式旋轉(zhuǎn)精密驅(qū)動器(張宏壯，曾平，華順明，程光明，楊志剛.壓電雙晶片型慣性沖擊式旋轉(zhuǎn)精密驅(qū)動器研究.光學(xué)精密工程，2005，第13卷，第3期，pp.298-304)，其旋轉(zhuǎn)行程為180°。該驅(qū)動器主要由壓電雙晶片、沖擊質(zhì)量塊、柔性鉸鏈、彈簧、軸和基座等組成；壓電雙晶片和沖擊質(zhì)量塊構(gòu)成驅(qū)動單元，壓電雙晶片的一端與軸固連，另一端為固連一質(zhì)量塊的自由端；采用特定的定頻調(diào)壓驅(qū)動方法實現(xiàn)驅(qū)動器轉(zhuǎn)動輸出。該驅(qū)動器逆時針轉(zhuǎn)動一步的工作原理為首先使壓電雙晶片的自由端帶動質(zhì)量塊在驅(qū)動電信號作用下慢速逆時針擺動，控制驅(qū)動電壓波形，使壓電雙晶片自由端質(zhì)量塊產(chǎn)生的慣性力矩小于軸與軸承之間的摩擦力矩，此時輸出軸靜止不動；控制驅(qū)動電信號使電壓波形產(chǎn)生造成壓電雙晶片的自由端帶動質(zhì)量塊急停、快速順時針擺動，形成逆時針的慣性力矩，此時慣性力矩大于摩擦力矩，推動輸出軸逆時針轉(zhuǎn)動。從其工作原理可以看出，該類作動器的輸出轉(zhuǎn)速和力矩受到壓電雙晶片自由端質(zhì)量塊產(chǎn)生的慣性力矩、軸與軸承之間的摩擦力矩的限制，僅適合于力矩較小的場合。
壓電超聲波電機是近20年來微型電機研究領(lǐng)域的一個熱門方向，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、噪聲小等優(yōu)點，它與傳統(tǒng)電磁式電機最顯著的差別是無磁且不受磁場的影響。壓電超聲波電機一般由轉(zhuǎn)子、定子與壓電元件組成，利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)激發(fā)超聲振動，借助于彈性體諧振放大，定子通過與轉(zhuǎn)子的接觸，通過摩擦耦合產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動或直線運動。按照壓電陶瓷激勵形式的不同，壓電超聲波電機又可分為行波驅(qū)動型、駐波驅(qū)動型、混合激勵型和循環(huán)激勵型。美國Penn State大學(xué)的Uchino等人利用行波驅(qū)動原理，設(shè)計了一種微型超聲波電機(Uchino K.，Cagatay S.，Koc B.，et al.Micro Piezoelectric Ultrasonic Motors.Journal ofElectroceramics，2004，Vol.13，No.1-3，pp.393-401微型壓電超聲波電機.壓電陶瓷學(xué)報，2004，Vol.13，No.1-3，pp.393-401)，該超聲波電機的壓電陶瓷定子由一個有中心孔的壓電陶瓷盤片與一個固定在該陶瓷片上的齒狀金屬環(huán)組成，利用壓電陶瓷的剪切變形模式，通過輸入正弦和余弦兩路控制信號，驅(qū)動壓電陶瓷定子在其一階共振頻率附近振動，借助于摩擦力帶動轉(zhuǎn)子實現(xiàn)轉(zhuǎn)動輸出。一般的壓電旋轉(zhuǎn)型超聲波電機是靠摩擦力進行運動傳遞，從而存在諸多缺點，如摩擦能量損耗大，磨損較大，壽命較短，輸出最大力矩亦受到摩擦的限制。
目前的壓電旋轉(zhuǎn)電機一般為微小型壓電驅(qū)動機構(gòu)，由于受其機構(gòu)或結(jié)構(gòu)的制約，這類壓電電機很難兼顧輸出力矩和輸出轉(zhuǎn)速的高性能要求，或者輸出轉(zhuǎn)速較小，或者輸出力矩較小，難以滿足一些工程應(yīng)用需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是設(shè)計一種壓電雙晶片驅(qū)動的精密轉(zhuǎn)動機構(gòu)。由壓電雙晶片致動件和擺桿組成微幅擺動機構(gòu)，離合器的主動件和從動件分別與擺桿和輸出軸固結(jié)，基于一種新穎的轉(zhuǎn)動蠕動運動原理，在保持高角位移分辨率的同時，實現(xiàn)輸出軸的精密轉(zhuǎn)動。
壓電雙晶片由一般由三層構(gòu)成，上下兩層為壓電陶瓷層43，中間一層為彈性梁層42，如圖11所示。每個壓電陶瓷層有特定的極化方向。當(dāng)所加電場方向與極化方向相同時，壓電陶瓷層在電場方向(圖11中z方向)將伸長，而在垂直于電場的方向(圖11中x方向)將收縮；相反的，當(dāng)所加電場方向與極化方向相反時，壓電陶瓷層在電場方向?qū)⑹湛s，而在垂直于電場的方向?qū)⑸扉L。本發(fā)明中所使用的壓電雙晶片中兩層陶瓷層極化方向相反，因此，當(dāng)壓電雙晶片一端完全固定、另一端自由時，在電場的作用下，一層陶瓷層收縮，而另一層伸長，因而壓電雙晶片自由端將向上或向下產(chǎn)生彎曲變形，從而輸出作用力和位移。本發(fā)明中所使用的壓電雙晶片采用懸臂梁式的工作方式一端固定，另一端自由。
本發(fā)明提出的機構(gòu)的特征在于，含有兩組壓電雙晶片致動件、兩組擺桿、兩個離合器、一個輸出軸和一個底座；所述輸出軸通過滑動軸承支撐在底座上，所述兩個離合器分別由從動件和主動件組成，所述從動件與輸出軸固結(jié)，所述兩個離合器主動件分別位于從動件的兩側(cè)，并套在輸出軸上；所述兩組擺桿分別位于所述兩個離合器的兩側(cè)，每一組擺桿均含有兩個撥板和一個套筒，兩個撥板分別固定在套筒的兩端，所述套筒與輸出軸構(gòu)成轉(zhuǎn)動副，其中的一個撥板與與它靠近的一個離合器主動件固定；所述兩組壓電雙晶片致動件分別位于所述兩個離合器的兩側(cè)，每一組壓電雙晶片致動件由壓電雙晶片和銷軸固結(jié)構(gòu)成，壓電雙晶片的一端與銷軸固結(jié)，另一端固定在底座上，所述銷軸與撥板上的槽配合構(gòu)成平面高副，所述壓電雙晶片致動件和擺桿組成微幅擺動機構(gòu)。
本發(fā)明所提出的精密轉(zhuǎn)動裝置，其特征在于，它含有一個輸出軸、四個壓電雙晶片致動件、兩個擺桿、兩個離合器、兩個滑動軸承和底座；所述的輸出軸由兩個滑動軸承支撐在底座上；所述的兩個離合器由兩個主動件和一個從動件組成，所述主動件在通電狀態(tài)下與從動件吸合，在斷電狀態(tài)下與從動件分離；所述從動件與輸出軸固結(jié)，兩個主動件分別位于從動件的兩側(cè)；所述兩個擺桿分別連接在兩個主動件的兩側(cè)，每一個擺桿由兩個撥板和一個套筒組成，兩個撥板固結(jié)在套筒的兩端，套筒空套在輸出軸上，與輸出軸構(gòu)成轉(zhuǎn)動副；所述靠近主動件的一個撥板與該主動件固結(jié)；在撥板遠離輸出軸的一端開有槽；所述四個壓電雙晶片致動件分為兩組分別位于所述離合器主動件的兩側(cè)，每一組含有兩個壓電雙晶片致動件，該兩個壓電雙晶片致動件相對輸出軸的軸線對稱分布；每個壓電雙晶片致動件由壓電雙晶片和銷軸組成，壓電雙晶片靠近輸出軸的一端與底座固定，遠離輸出軸的一端與銷軸固結(jié)，所述銷軸兩端插入兩塊撥板上的槽內(nèi)，與撥板構(gòu)成可移動和轉(zhuǎn)動的兩自由度平面高副。
所述離合器主動件由電磁鐵芯、線圈和外殼組成，線圈繞在鐵芯上，當(dāng)線圈通電時，離合器主動件與從動件吸合。所述壓電雙晶片是通過卡具和螺釘固定在底座上。
實驗證明本發(fā)明利用蠕動運動原理，采用兩組壓電雙晶片致動件交替驅(qū)動，通過對兩個離合器吸合和松開的時序控制，能夠?qū)崿F(xiàn)將壓電雙晶片末端擺動轉(zhuǎn)化為輸出軸的精密連續(xù)轉(zhuǎn)動和大轉(zhuǎn)矩單向間歇式轉(zhuǎn)動；同時，通過對兩組壓電雙晶片致動件和離合器控制時序的調(diào)節(jié)，可以實現(xiàn)輸出軸的雙向任意角度連續(xù)微轉(zhuǎn)動。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，具有步進角連續(xù)可調(diào)、行程大、可精密定位、易于控制等特點，本發(fā)明可應(yīng)用于微操作、精密裝配、精密定位等領(lǐng)域。


圖1是本發(fā)明設(shè)計的精密轉(zhuǎn)動機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明設(shè)計的精密轉(zhuǎn)動裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是圖2的俯視圖。
圖4是圖2的正面剖視圖。
圖5是圖3中A部分的放大視圖。
圖6是底座的結(jié)構(gòu)視圖。
圖7是離合器的剖視圖。
圖8是銷軸的結(jié)構(gòu)視圖。
圖9是套筒的結(jié)構(gòu)視圖。
圖10是撥板的結(jié)構(gòu)視圖。
圖11是壓電雙晶片工作原理圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖，詳細介紹本發(fā)明的內(nèi)容。
圖1-圖10中，6、11、17、23為壓電雙晶片；7、12、18、24為銷軸，37為銷軸上的矩形槽；5、8、9、13為撥板，39、40為撥板上的方形槽，41為撥板上的圓孔；2、10為套筒，38為套筒上安裝撥板的定位凸臺；19、22為離合器主動件，34為離合器鐵芯，36為離合器線圈，35為離合器外套，25為離合器外套上的引線孔(共2個)，20為離合器從動件，21為緊定螺釘；1、16為底座的兩側(cè)肋板，32、33為兩側(cè)肋板上的軸承孔，31為底座的底板，29為安裝壓電雙晶片的凸臺(共4個)，30為螺釘孔(共8個)；4為卡具(共4個)，3為螺釘(共8個)；14為輸出軸，15、26為滑動軸承，27為墊片，28為彈簧。
圖1是本發(fā)明的壓電雙晶片驅(qū)動的精密轉(zhuǎn)動機構(gòu)，其基本設(shè)計思路是基于蠕動運動原理，采用兩組壓電雙晶片致動件驅(qū)動套在輸出軸上的擺桿小幅擺動，配以兩個離合器，通過一定的時序控制，實現(xiàn)輸出軸的精密轉(zhuǎn)動。
如圖1所示，壓電雙晶片6、11、17、23分別與銷軸7、12、18、24固結(jié)構(gòu)成四個壓電雙晶片致動件，壓電雙晶片遠離輸出軸14的一端固結(jié)銷軸槽內(nèi)，另一端與底座固定；撥板5、8和9、13分別與套筒2、10固結(jié)組成兩個擺桿，擺桿上的套筒2、10分別與輸出軸14構(gòu)成轉(zhuǎn)動副；四個壓電雙晶片致動件的銷軸7、12、18、24分別與擺桿中撥板5、8、9、13上的長方形槽配合構(gòu)成平面運動高副，由四個壓電雙晶片致動件和兩個擺桿組成兩個微幅擺動機構(gòu)。輸出軸14通過滑動軸承15、26支撐在底座上；由離合器主動件19、22和從動件20組成兩個離合器，主動件19、22分別與擺桿上靠近離合器的撥板8、9固結(jié)，并空套在輸出軸14上，從動件20與輸出軸14固結(jié)；擺桿、離合器和輸出軸組成運動轉(zhuǎn)化機構(gòu)，該機構(gòu)將擺桿的擺動轉(zhuǎn)化為輸出軸微步距的連續(xù)運動輸出或大轉(zhuǎn)矩單向間歇式轉(zhuǎn)動。這就構(gòu)成了可實現(xiàn)大角位移行程的壓電雙晶片驅(qū)動的精密轉(zhuǎn)動機構(gòu)?；竟ぷ髟砣缦滤龅膲弘婋p晶片驅(qū)動的精密轉(zhuǎn)動機構(gòu)，含有四個壓電雙晶片，共分為兩組；其特征在于，首先使離合器主動件22與從動件20吸合，而從動件20與主動件19松開；對壓電雙晶片6和23施加電壓而產(chǎn)生同步運動，一個向上彎曲，另一個向下彎曲，通過銷軸7和24將運動傳遞給撥板5和8；由于撥板8與離合器主動件22固結(jié)，故撥板8帶動離合器主動件22同步擺動，從而使與離合器主動件22吸合的從動件20帶動輸出軸14運動。當(dāng)施加在壓電雙晶片6和23上的電壓達到最大值時，使離合器主動件22與從動件20松開；然后，卸去加在壓電雙晶片6和23上的電壓，使其恢復(fù)到初始狀態(tài)，完成了壓電雙晶片6和23的一個驅(qū)動周期，實現(xiàn)了輸出軸14的一個微步距轉(zhuǎn)動輸出。
同理，使離合器主動件19與從動件20吸合，而從動件20與主動件22松開；對壓電雙晶片11和17施加電壓而產(chǎn)生同步運動，一個向上彎曲，另一個向下彎曲，通過銷軸12和18將運動傳遞給撥板9和13；由于撥板9與離合器主動件19固結(jié)，故撥板9帶動離合器主動件19同步擺動，從而使從動片20帶動輸出軸14旋轉(zhuǎn)。當(dāng)施加在壓電雙晶片11和17上的電壓達到最大值時，使離合器主動件19與從動件20松開；然后，卸去加在壓電雙晶片11和17上的電壓，使其恢復(fù)到初始狀態(tài)，完成了壓電雙晶片11和17的一個驅(qū)動周期，實現(xiàn)了輸出軸14的一個微步距轉(zhuǎn)動輸出。
通過對兩組壓電雙晶片6與23和11與17施加電壓的時序控制，使上述壓電雙晶片致動件懸臂端上下擺動，如圖11所示，經(jīng)過撥板5、8和9、13將運動傳遞給離合器主動件，通過控制離合器主動件與從動件的吸合來實現(xiàn)力矩在輸出軸上的轉(zhuǎn)動輸出。循環(huán)上述過程，即可實現(xiàn)機構(gòu)的連續(xù)轉(zhuǎn)動輸出。通過控制兩組壓電雙晶片和兩個離合器的動作時序，既可以實現(xiàn)輸出軸的連續(xù)微步矩轉(zhuǎn)動輸出，也可以實現(xiàn)單向間歇運動輸出。改變兩個離合器和兩組壓電雙晶片致動件的控制順序，即可實現(xiàn)輸出軸雙向轉(zhuǎn)動?？刂萍佑趬弘婋p晶片致動件的電壓波形，亦可實現(xiàn)較大步距的正反轉(zhuǎn)運動輸出以及換步間循環(huán)過程中的微小步距連續(xù)轉(zhuǎn)動輸出。這就是本發(fā)明的基本運動原理。
基于圖1所示的運動機構(gòu)，本發(fā)明的壓電雙晶片驅(qū)動的步進轉(zhuǎn)動裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖示的壓電雙晶片6通過卡具4和兩個螺釘3固定在如圖6所示的底座凸臺29上，另外三個壓電雙晶片23、11和17采用相同的固定方式分別固定在底座的其他三個凸臺上；壓電雙晶片6的輸出端固結(jié)在如圖8所示的銷軸7上的矩形槽37內(nèi)，構(gòu)成壓電雙晶片致動件；銷軸7的兩端與如圖10所示的撥板5、8上的方形槽39構(gòu)成高副連接，另外三個壓電雙晶片23、11和17與銷軸12、18、24、撥板5、8和9、13的連接方式相同；撥板5、8與套筒2在撥板上的圓形孔41與如圖9所示的套筒兩側(cè)的定位凸臺38處固結(jié)構(gòu)成擺桿，撥板8又與離合器鐵芯34固結(jié)；即撥板5、8，套筒2和離合器主動件22固結(jié)，并通過套筒2與輸出軸14構(gòu)成轉(zhuǎn)動副；撥板9、13，套筒10和離合器主動件19的配合方式和連接方式與上述情況類似；從動件20通過緊定螺釘與輸出軸14固結(jié)；電磁線圈36的繞線通過離合器上的引線孔25引出；軸承26、15分別與如圖6所示的底座兩側(cè)肋板1、16上的軸承孔32、33固結(jié)，輸出軸14通過滑動軸承15、26支撐在底座上；圖5中的彈簧28位于墊片27和軸套2之間，用以提供軸向預(yù)緊力、摩擦力和阻尼力，也可以通過調(diào)節(jié)墊片27的厚度對上述力進行微調(diào)節(jié)。
對應(yīng)圖2所示的步進轉(zhuǎn)動裝置，其基本工作原理如下(1)逆時針轉(zhuǎn)動當(dāng)與擺桿固結(jié)的離合器主動件與從動件吸合，而另一個離合器主動件與從動件松開時，使壓電雙晶片致動件驅(qū)動該擺桿逆時針擺動；當(dāng)擺桿順時針擺動時，使與該擺桿固結(jié)的離合器主動件與從動件松開。
首先，使與離合器主動件22固結(jié)的離合器線圈36通電，使離合器主動件22與從動件20吸合，而與離合器主動件19固結(jié)的離合器線圈處于斷電狀態(tài)，使離合器19與從動件20松開；對壓電雙晶片6、23施加電壓，使得壓電雙晶片6向上彎曲，壓電雙晶片23向下彎曲，從而帶動撥板5、8和離合器主動件22逆時針轉(zhuǎn)動；由于離合器主動件22與從動件20吸合，因而從動件20帶動輸出軸14逆時針轉(zhuǎn)動；當(dāng)壓電雙晶片6和23的電壓達到最大值時，離合器主動件22與從動件20松開，而使離合器主動件19與從動件20吸合，此時已帶動輸出軸14逆時針轉(zhuǎn)動了一步。然后，施加電壓使壓電雙晶片11向上彎曲，壓電雙晶片17向下彎曲；而卸去作用在壓電雙晶片6和23的電壓使其回復(fù)到初始狀態(tài)；此時壓電雙晶片11和17末端的擺動帶動撥板9和13以及離合器主動件19逆時針轉(zhuǎn)動，從而使與離合器主動件19吸合的從動件20帶動輸出軸14逆時針轉(zhuǎn)動；當(dāng)壓電雙晶片11和17的驅(qū)動電壓達到最大值時，離合器主動件19與從動件20松開，離合器主動件22與從動件20吸合，卸去施加在壓電雙晶片11和17的電壓使其回復(fù)到初始狀態(tài)。循環(huán)上述過程，即可實現(xiàn)壓電步進轉(zhuǎn)動機構(gòu)的輸出軸精密連續(xù)逆時針轉(zhuǎn)動。改變壓電雙晶片控制電壓的頻率和幅值，可實現(xiàn)機構(gòu)輸出軸不同轉(zhuǎn)速和不同步進角(每組壓電雙晶片一次工作周期內(nèi)輸出軸轉(zhuǎn)過的角度)的連續(xù)轉(zhuǎn)動。
(2)順時針轉(zhuǎn)動當(dāng)與擺桿固結(jié)的離合器主動件與從動件吸合，而另一個離合器主動件與從動件松開時，使壓電雙晶片致動件驅(qū)動該擺桿順時針擺動；當(dāng)擺桿逆時針擺動時，使與該擺桿固結(jié)的離合器主動件與從動件松開。具體方法是改變工作循環(huán)初始時施加在兩組壓電雙晶片6、23和11、17上的電場方向當(dāng)離合器主動件22與從動件20吸合時，對壓電雙晶片6、23施加電壓，使得壓電雙晶片6向下彎曲，壓電雙晶片23向上彎曲；當(dāng)離合器主動件19與從動件20吸合時，施加電壓使壓電雙晶片11向下彎曲，壓電雙晶片17向上彎曲。采用與實現(xiàn)精密轉(zhuǎn)動裝置輸出軸逆時針轉(zhuǎn)動類似的工作過程，即可以實現(xiàn)機構(gòu)輸出軸的順時針轉(zhuǎn)動輸出。改變壓電雙晶片控制電壓的頻率和幅值，可實現(xiàn)機構(gòu)輸出軸不同轉(zhuǎn)速和不同步進角的連續(xù)轉(zhuǎn)動。
(3)大轉(zhuǎn)矩單向間歇式轉(zhuǎn)動單向間歇式逆時針轉(zhuǎn)動的實現(xiàn)過程如下使離合器主動件22、19與從動件20同時吸合，對壓電雙晶片6、23、11、17施加電壓，使得壓電雙晶片6、11向上彎曲，壓電雙晶片23、17向下彎曲，帶動撥板5、8、9、13和離合器主動件22、19等逆時針轉(zhuǎn)動；由于離合器主動件22、19與從動件20吸合，因而從動件20帶動輸出軸14逆時針轉(zhuǎn)動；當(dāng)施加在壓電雙晶片上的電壓達到最大值時，離合器主動件22、19與從動件20松開，卸去作用在壓電雙晶片6、23、11、17上的電壓使其回復(fù)到初始狀態(tài)，此時已帶動輸出軸14逆時針轉(zhuǎn)動了一步，完成了機構(gòu)的一個運動周期。由于四個壓電雙晶片同時驅(qū)動輸出軸，因而可以輸出較大的轉(zhuǎn)矩。循環(huán)上述過程，即可實現(xiàn)壓電步進轉(zhuǎn)動機構(gòu)的輸出軸單向間歇式逆時針轉(zhuǎn)動。
單向間歇式順時針轉(zhuǎn)動的實現(xiàn)過程如下使離合器主動件22、19與從動件20同時吸合，對壓電雙晶片6、23、11、17施加電壓，使得壓電雙晶片6、11向下彎曲，壓電雙晶片23、17向上彎曲。按照上述工作過程，即可實現(xiàn)壓電步進轉(zhuǎn)動機構(gòu)的輸出軸單向間歇式順時針轉(zhuǎn)動。
權(quán)利要求
1.一種壓電雙晶片驅(qū)動的精密轉(zhuǎn)動機構(gòu)，其特征在于，含有兩組壓電雙晶片致動件、兩組擺桿、兩個離合器、一個輸出軸和一個底座；所述輸出軸通過滑動軸承支撐在底座上，所述兩個離合器分別由從動件和主動件組成，所述從動件與輸出軸固結(jié)，所述兩個離合器主動件分別位于從動件的兩側(cè)，并套在輸出軸上；所述兩組擺桿分別位于所述兩個離合器的兩側(cè)，每一組擺桿均含有兩個撥板和一個套筒，兩個撥板分別固定在套筒的兩端，所述套筒與輸出軸構(gòu)成轉(zhuǎn)動副，其中的一個撥板與與它靠近的一個離合器主動件固定；所述兩組壓電雙晶片致動件分別位于所述兩個離合器的兩側(cè)，每一組壓電雙晶片致動件由壓電雙晶片和銷軸固結(jié)構(gòu)成，壓電雙晶片的一端與銷軸固結(jié)，另一端固定在底座上，所述銷軸與撥板上的槽配合構(gòu)成平面高副，所述壓電雙晶片致動件和擺桿組成微幅擺動機構(gòu)。
2.一種壓電雙晶片驅(qū)動的精密轉(zhuǎn)動裝置，其特征在于，它含有一個輸出軸、四個壓電雙晶片致動件、兩個擺桿、兩個離合器、兩個滑動軸承和底座；所述的輸出軸由兩個滑動軸承支撐在底座上；所述的兩個離合器由兩個主動件和一個從動件組成，所述主動件在通電狀態(tài)下與從動件吸合，在斷電狀態(tài)下與從動件分離；所述從動件與輸出軸固結(jié)，兩個主動件分別位于從動件的兩側(cè)；所述兩個擺桿分別連接在兩個主動件的兩側(cè)，每一個擺桿由兩個撥板和一個套筒組成，兩個撥板固結(jié)在套筒的兩端，套筒空套在輸出軸上，與輸出軸構(gòu)成轉(zhuǎn)動副；所述靠近主動件的一個撥板與該主動件固結(jié)；在撥板遠離輸出軸的一端開有槽；所述四個壓電雙晶片致動件分為兩組分別位于所述離合器主動件的兩側(cè)，每一組含有兩個壓電雙晶片致動件，該兩個壓電雙晶片致動件相對輸出軸的軸線對稱分布；每個壓電雙晶片致動件由壓電雙晶片和銷軸組成，壓電雙晶片靠近輸出軸的一端與底座固定，遠離輸出軸的一端與銷軸固結(jié)，所述銷軸兩端插入兩塊撥板上的槽內(nèi)，與撥板構(gòu)成可移動和轉(zhuǎn)動的兩自由度平面高副。
3.如權(quán)利要求2所述的壓電雙晶片驅(qū)動的精密轉(zhuǎn)動裝置，其特征在于，所述離合器主動件由電磁鐵芯、線圈和外殼組成，線圈繞在鐵芯上，當(dāng)線圈通電時，離合器主動件與從動件吸合。
4.如權(quán)利要求2所述的壓電雙晶片驅(qū)動的精密轉(zhuǎn)動裝置，其特征在于，所述壓電雙晶片是通過卡具和螺釘固定在底座上。
全文摘要
壓電雙晶片驅(qū)動的精密轉(zhuǎn)動機構(gòu)及其裝置屬于精密機械運動控制技術(shù)領(lǐng)域。含有兩組壓電雙晶片致動件、兩組擺桿、兩個離合器、輸出軸和底座；輸出軸通過滑動軸承支撐在底座上，兩個離合器分別由從動件和主動件組成，從動件與輸出軸固結(jié)，兩個主動件分別位于從動件兩側(cè)，套在輸出軸上；兩組擺桿分別位于兩個離合器兩側(cè)，每組均含有兩個撥板和一個套筒，兩個撥板分別固定在套筒兩端，其中一個撥板與主動件固定；兩組壓電雙晶片致動件分別位于兩個離合器兩側(cè)，每組由壓電雙晶片和銷軸固結(jié)構(gòu)成，壓電雙晶片一端與銷軸固結(jié)，另一端固定在底座上，銷軸與撥板的槽配合構(gòu)成平面高副。本發(fā)明具有可精確控制轉(zhuǎn)角、壽命長的優(yōu)點，可應(yīng)用于精密裝配、定位等領(lǐng)域。
文檔編號H02N2/10GK1913329SQ200610088848
公開日2007年2月14日 申請日期2006年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月20日
發(fā)明者閻紹澤, 張付興, 溫詩鑄 申請人:清華大學(xué)