多自由度微纳米级仿生精密旋转驱动装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术涉及一种多自由度微纳米级仿生精密旋转驱动装置，属于精密加工领域。可进行绕确定方向的超精密步进式旋转运动和沿确定方向的直线步进式移动。本实用新型专利技术以高精度的压电驱动器驱动柔性铰链结构进行相关箝位，通过控制定子一、二层的压电箝位机构的箝位时间顺序实现绕确定转轴的步进式超精密旋转运动；同时通过控制定子底部竖直压电叠堆的伸缩量和定子一、二、三层柔性铰链的箝位来控制沿确定方向的直线步进式位移。主要由定子和转子组成。其中定子里封装有三层三爪式自定心压电箝位机构、低频旋转驱动机构和直线步进驱动机构；转子为可变式接口转轴。具有成本低、投资少、见效快、效益高等优点。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及精密加工领域，特别涉及一种多自由度微纳米级仿生精密旋转驱动装置。应用于超精密加工机床、精密超精密微细加工与测量技术、材料试件纳米力学性能检测、微机电系统(MEMS)、精密光学、半导体制造、现代医学与生物遗传工程、航空航天、机器人、军事技术等高尖端的科学

技术介绍
伴随着科学技术的迅猛发展，对产品加工精度的要求越来越高，尤其是在精密超精密微细加工与测量技术、微机电系统(MEMS)、纳米科技、半导体制造、现代医学与生物遗传工程、航空航天科技、军事技术等高尖端的科学
中显得格外重要。要想实现产品零件的精密超精密加工，就必须提供一种合适的高精度的驱动装置。传统的驱动装置，如普通电机、丝杠螺母、涡轮蜗杆等宏观大尺寸驱动装置已不能满足其精度要求。因此，各国的科研人员倾力于研究性能更优越的新型高精度驱动装置。所谓新式驱动装置，是指采用新型材料作为电能一机械能转换元件，再通过传动机构，使目标机构产生一定动作的装置。通过各国科研人员的不断探索，相当多的新型驱动装置已经被研制出来了，其中的一些已经在实际中得到了相关的应用。按照驱动元件的不同，新型驱动装置大体可分为以下几类相变材料驱动装置、热变形驱动装置、形状记忆合金驱动装置、电磁驱动装置、静电驱动装置、磁致伸缩驱动装置、电流变驱动装置、电致伸缩驱动装置、压电驱动装置等。其中能达到纳米级精度的目前只有电致伸缩驱动装置和压电驱动装置。相比于电致伸缩驱动装置，压电驱动装置因为体积小重量轻、响应快(微秒级)、 控制特性好、能量密度大、能耗低、不受磁场影响等特点而得到了更广泛的应用。以往的驱动装置往往存在结构尺寸偏大、步进精度低、往返重复定位精度低、难于加工等缺点；尽管其中也有一些驱动器输出稳定、精度高，但行程小，只有几十微米，严重限制了其应用的范围；同时，若要达到多自由度运动的输出的目的，往往需要有多个单自由运动模块组合、装配来实现，导致整个装置相当复杂，影响整体刚度。因此有必要设计一种定位精度和重复定位精度均较高，同时适用于旋转和直线运动输出的微小型精密驱动器。
技术实现思路
本技术的目的在于提供一种多自由度微纳米级仿生精密旋转驱动装置，解决了现有技术存在的上述问题。其具有箝位稳定、载荷输出较大的特点，并能实现大行程运动、直线和旋转运动输出并举等功能。本技术采用旋转运动模块和直线运动模块的方法来实现绕转子轴线的旋转运动和沿该轴线的直线运动；为了提高步进运动的稳定性，箝位装置采用一种特殊的柔性铰链结构，且每次箝位都有三个箝位柔性铰链同时动作，具有良好的对中性，并使钳位、驱动方式交替进行，从而实现钳位的稳定性和轴向旋转的准确性。其旋转驱动部分设计成三爪自定心柔性铰链，使结构紧凑并且响应迅速。低频下的旋转运动为推力起作用，本技术采用九组压电叠堆共同作用实现钳紧和推动，且钳紧和驱动按相应时序交替进行。转子部分无绕线结构，可使转子实现任意角度的旋转。直线步进运动由三组压电叠堆驱动，配合定子上三层的九组压电箝位机构的时序交替箝位作用， 使转子实现沿直线方向的步进运动。本技术的上述目的通过以下技术方案实现多自由度微纳米级仿生精密旋转驱动装置，包括转子1及定子2，所述转子1为一转轴，轴的输出端开有螺纹孔与定子2中部的轴孔过渡配合；所述定子2包括分别嵌有压电叠堆箝位柔性铰链的定子一、二、三层和嵌有竖直压电叠堆的定子底部；其中定子一层靠近轴孔部分通过三个箝位柔性铰链与转子1箝位， 三个箝位柔性铰链分别通过嵌入定子一层的A型压电叠堆I、II、III 3、11、19实现箝位驱动；螺纹紧固A型楔形块I、B型楔形块I 6、7预紧该A型压电叠堆I 3，螺纹紧固A型楔形块II、B型楔形块II 14、13预紧A型压电叠堆II 11，螺纹紧固A型楔形块III、B型楔形块 III 21,20预紧A型压电叠堆III 19,三个箝位柔性铰链组成了定子一层的三爪式自定心压电箝位结构；定子二、三层分别与上述定子一层的箝位、预紧结构相同，定子一、二层间通过三处薄壁柔性铰链相连接，定子二层的箝位、预紧结构与第一层完全相同，通过调节预紧螺钉 IV、V、VI观、29、44来调节A型楔形块ΥΠ、B型楔形块IV、B型楔形块VILA型楔形块VILB型楔形块IX、A型楔形块IX48、49、52、53、58、59的压紧程度，从而控制A型压电叠堆V、VI、 VDI 50、51、57来实现柔性铰链的预紧和箝位；定子三层的箝位、预紧结构与前两层相同，通过调节预紧螺钉VD、VILIX 27、30、42来调节B型楔形块X、A型楔形块X、A型楔形块XI、B 型楔形块XI、A型楔形块ΧΠ、B型楔形块ΧΠ 46、47、M、55、60、61的压紧程度，从而控制A型压电叠堆乂、/1、通50、51、57实现柔性铰链的预紧和箝位，第三层和第二层之间有三处薄壁柔性铰链相连，用以实现直线步进运动；定子底部为直线驱动部分，其内部嵌有B型压电叠堆IV、V、VI31、35、40，螺纹紧固A型楔形块IV、B型楔形块V 33、32预紧该B型压电叠堆IV 31，螺纹紧固A型楔形块V、 B型楔形块VI 37、36预紧B型压电叠堆V 35，螺纹紧固A型楔形块VI、B型楔形块ΥΠ 38、39 预紧B型压电叠堆VI40，该B型压电叠堆IV、V、VI31、35、40分别穿过定子三层中预留的圆孔，顶在定子二层的下表面，定子一、二层的外围嵌有三个旋转驱动结构，具体是驱动缩进 I > IKIII 8,16,24嵌在字子二层中过盈配合，B型压电叠堆I ,IIJII 5,15,23 一端分别固定在驱动缩进I、II、III8、16、24的上层，另一端顶在定子一层；所述的转子1为无绕线结构。所述的转子1为可变式接口转轴。所述的转子1通过A型压电叠堆I ΙΧ3、11、19、45、50、51、56、57、62实现不同频率下的转动或移动。所述的定子2的定子二层通过固定螺钉I、n、III、IV、V、VI4、9、12、17、22、25与外部壳体固定。本技术的有益效果有于可大大提高普通驱动器的驱动精度，降低结构的复杂性及尺寸，且具有成本低、投资少、见效快、效益高等优点。可以应用于精密加工机床、微机电系统以及机器人领域，目的在于提高系统微动精度、降低结构尺寸。本技术对于我国精密超精密加工领域的发展有着极其重要的意义，其在精密加工、半导体制造、航空航天、军事科技等众多领域必定有广阔的应用前景。具有箝位稳定、载荷输出较大的特点，并能实现大行程运动、直线和旋转运动输出并举等功能。本技术所涉及的一种多自由度超高精度驱动装置，总体尺寸为80X49mm，整体结构较小，可方便放置于各种器械中，用于实现对不同物件的绕固定轴的旋转驱动和沿固定方向的直线步进运动驱动。本技术的主要功能为实现超高精度的步进式旋转运动和步进式直线运动，其输出具有大行程、大扭矩的特点。转子单步转过的最大角位移为102yrad数量级；转子单步的最大直线位移为 10 μ m数量级，相对于以往的驱动装置，其精度有极大的提高。附图说明图1是本技术的整体结构示意图。图2是本技术的主视示意图。图3是本技术的仰视示意图。图4是本技术的俯视示意图。图5是图2的A-A剖视示意图。本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种多自由度微纳米级仿生精密旋转驱动装置，　包括转子（１）及定子（２），其特征在于：所述转子（１）为一转轴，轴的输出端开有螺纹孔与定子（２）中部的轴孔过渡配合；所述定子（２）包括分别嵌有压电叠堆箝位柔性铰链的定子一、二、三层和嵌有竖直压电叠堆的定子底部；其中定子一层靠近轴孔部分通过三个箝位柔性铰链与转子（１）箝位，三个箝位柔性铰链分别通过嵌入定子一层的Ａ型压电叠堆Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ（３、１１、１９）实现箝位驱动；螺纹紧固Ａ型楔形块Ⅰ、Ｂ型楔形块Ⅰ（６、７）预紧该Ａ型压电叠堆Ⅰ（３），螺纹紧固Ａ型楔形块Ⅱ、Ｂ型楔形块Ⅱ（１４、１３）预紧Ａ型压电叠堆Ⅱ（１１），螺纹紧固Ａ型楔形块Ⅲ、Ｂ型楔形块Ⅲ（２１、２０）预紧Ａ型压电叠堆Ⅲ（１９），三个柔性铰链组成了定子一层的三爪式自定心压电箝位结构；定子二、三层分别与上述定子一层的箝位、预紧结构相同，定子一、二层间通过三处薄壁柔性铰链相连接，定子二、三层间通过三处薄壁柔性铰链相连接；定子底部为直线驱动部分，其内部嵌有Ｂ型压电叠堆Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ（３１、３５、４０），螺纹紧固Ａ型楔形块Ⅳ、Ｂ型楔形块Ⅴ（３３、３２）预紧该Ｂ型压电叠堆Ⅳ（３１），螺纹紧固Ａ型楔形块Ⅴ、Ｂ型楔形块Ⅵ（３７、３６）预紧Ｂ型压电叠堆Ⅴ（３５），螺纹紧固Ａ型楔形块Ⅵ、Ｂ型楔形块Ⅶ（３８、３９）预紧Ｂ型压电叠堆Ⅵ（４０），该Ｂ型压电叠堆Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ（３１、３５、４０）分别穿过定子三层中预留的圆孔，顶在定子二层的下表面；定子一、二层的外围嵌有三个旋转驱动结构，具体是驱动缩进Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ（８、１６、２４）嵌在定子二层中过盈配合，Ｂ型压电叠堆Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ（５、１５、２３）一端分别固定在驱动缩进Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ（８、１６、２４）的上层，另一端顶在定子一层的凹槽侧面上。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：赵宏伟，李建平，任露泉，傅璐，曲涵，黄虎，刘长胜，赵波，史成利，胡晓利，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：实用新型
国别省市：82