CN117013874A - 基于可变模态共振驱动的压电多自由度执行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于可变模态共振驱动的压电多自由度执行器，包括有驱动盘、壳体、底座、驱动机构和压电晶片，其中壳体装配在底座上，驱动盘设在壳体的顶端，驱动机构和压电晶片集成在壳体的内腔中，压电晶片与驱动机构相连接，压电晶片通过驱动机构带动驱动盘进行上下直线运动以及任意角度和方向的摆动。驱动盘底部的中心部位通过铰头帽铰接在球形铰头上，驱动盘能够在球形铰头上进行任意角度的摆动，球形铰头下部的直杆与下方的连接轴相螺接，有益效果：精确控制压电晶片的位移放大倍数，能够实现改变压电晶片外端位移放大的比例。实现对压电晶片振动频率的调节。能够在需要角度定位的场合发挥作用。

Description

基于可变模态共振驱动的压电多自由度执行器

技术领域

本发明涉及一种压电多自由度执行器，特别涉及一种基于可变模态共振驱动的压电多自由度执行器。

背景技术

目前，压电驱动器是利用压电材料的逆压电效应，对压电材料通电使之产生位移输出，进而实现机械运动。压电驱动器具有灵敏度高、响应快、结构简单、无电磁干扰等特点，是实现精密运动与控制的有效手段。精密仪器等领域往往需要高精度且具有多自由度运动的驱动装置。传统电磁、液压等驱动器难以满足精密运动要求。

传统的压电驱动器，多为单自由度输出，只能实现沿一个方向的直线运动输出或者绕固定轴的旋转输出，难以应对复杂的工作场景，因而应用空间有限。而现有的多自由度压电驱动装置，通常需要多个压电驱动器串联，占用空间大，结构冗杂。另外，传统驱动器在相同的电源输入情况下产生的输出为一定值，难以应对复杂的工作环境。因此，本文提出一种空间利用率高、可变频率输出且具有多自由度输出功能的精密驱动装置，可以实现沿直线振动输出和绕球形支点摆动输出。

发明内容

本发明是为了解决传统的压电驱动器多为单自由度输出，只能实现沿一个方向的直线运动输出或者绕固定轴的旋转输出，难以应对复杂工作场景的问题，而提供的一种基于可变模态共振驱动的压电多自由度执行器。

本发明提供的基于可变模态共振驱动的压电多自由度执行器包括有驱动盘、壳体、底座、驱动机构和压电晶片，其中壳体装配在底座上，驱动盘设在壳体的顶端，驱动机构和压电晶片集成在壳体的内腔中，压电晶片与驱动机构相连接，压电晶片通过驱动机构带动驱动盘进行上下直线运动以及任意角度和方向的摆动。

驱动盘底部的中心部位通过铰头帽铰接在球形铰头上，驱动盘能够在球形铰头上进行任意角度的摆动，球形铰头下部的直杆与下方的连接轴相螺接，球形铰头下部的直杆套设有铰头座，铰头座裹设在球形铰头的下部，球形铰头下方的连接轴插设在壳体底盘中心部位的固定座的中心孔内，连接轴能够在固定座的中心孔内进行滑动。

驱动盘的底部设置有十字型相交叉的滑道，驱动机构上的第一滑块卡接在滑道上，第一滑块能够沿滑道进行滑动。

驱动机构包括有第一滑块和驱动杆，其中第一滑块装配在驱动杆的顶端，第一滑块卡接在驱动盘底部的滑道上，驱动杆的底部固连在压电晶片上，压电晶片的振动使驱动杆能够带动第一滑块沿驱动盘底部的滑道进行滑动。

压电晶片装配有四片，四片压电晶片两两一组呈十字型交叉设置，十字型的压电晶片与驱动盘的底部的十字型滑道相对应，四片压电晶片的内端均固连在壳体底盘中心部位的固定座上，四片压电晶片的外端均与驱动机构上的驱动杆相固连，驱动机构上的驱动杆与压电晶片对应也装配有四个。

每片压电晶片靠近固定座的部位均开设有调节槽，调节槽内装配有变频螺杆，通过增减变频螺杆的数量以及调整变频螺杆在调节槽内的位置从而调节压电晶片的固有频率。

每片压电晶片上均套设有第二滑块，壳体的底盘上对应第二滑块的位置处开设有滑槽，第二滑块能够在压电晶片上和滑槽内进行滑动，第二滑块的底部设置有连杆，连杆的外端固连在升降台上，升降台套设在滑轴上，升降台能够在滑轴上进行上下移动，升降台在滑轴上的上下移动通过连杆带动第二滑块在压电晶片上和滑槽内进行滑动从而改变第二滑块在压电晶片上的位置，滑轴的顶端固连在壳体底盘中间部位的固定座底面上，升降台底部的滑轴上装配有调节螺母，通过调节螺母能够调节升降台在滑轴上的设定位置，调节螺母下部的滑轴上装配有限位环用于调节螺母的限位。

本发明的工作原理：

本发明提供的基于可变模态共振驱动的压电多自由度执行器在使用时通过电源为压电晶片供电，并调整电源的频率、幅值及振型等调节压电晶片的位移，压电晶片的位移经过套设在压电晶片上第二滑块杠杆支点的放大作用后将经由压电晶片外端的驱动杆传递至驱动盘上，进而达成控制执行器位移的目的。通过调节电源的相位控制执行器的运动模式，分别能够实现上下直线振动和绕球形铰头任意角度的摆动运动，同时也能够实现两种运动的同时叠加输出。同时，四个压电晶片能实现运动的钳位，在掉电状态下仍具有较高的保持力。

每片压电晶片上均开设有改变压电晶片质量的调节槽，通过增减变频螺杆来增减***的质量以及调整变频螺杆在调节槽中的位置以改变压电晶片的固有频率。

驱动盘连接在球形铰头上，驱动盘不仅能够实现直线振动，还能够实现绕球形铰头的任意角度的摆动，能够在需要角度定位的场合(如透镜偏转角度控制)发挥作用。

四片压电晶片两两一组呈对称的十字型布设，每个压电晶片独立供电，由于逆压电效应，在对压电晶片施加交变电流时压电晶片会产生振动，能够将压电晶片的振动位移按照一定的放大比例传导至驱动盘，从而实现驱动功能。位移放大功能由第二滑块实现，调整升降台的位置能够调节位移放大比例，同时也能够添加变频螺杆配合对改变压电晶片的固有频率。

具体工作过程如下：

直线位移：当四个压电晶片的交变电源幅值、频率和相位均相同时，四个压电晶片的位移模式相同，故会在驱动杆上传导相同的位移，使得驱动盘做上下直线运动。通过调整电源模式即可控制驱动盘的位移大小。

摆动位移：驱动盘在三维空间的姿态由四个滑道配合对控制，控制位置相对的两个压电晶片的电若相位相差T/2(T为交变电源振动的最小正周期)，其余参数均相同时，压电晶片的位移方向相反，故驱动盘会向位移方向为下的驱动杆方向倾斜，同理，同时调整另外两个相对的压电晶片电源，能够调整驱动盘在另一个方向的倾斜角度，从而能够实现驱动盘绕球形铰头任意角度的摆动。

本发明的有益效果：

本发明提供的基于可变模态共振驱动的压电多自由度执行器通过压电晶片驱动和机械结构传动，精确控制压电晶片的位移放大倍数，在使用过程中需要调节执行器放大倍数时，只需停止供电，并调整升降台的高度即可实现杠杆支点在壳体底盘滑槽上的滑动，即能够实现改变压电晶片外端位移放大的比例，此调整装置设在壳体底盘下方开孔处，可直接接触，故无需拆卸本发明即可调节。

本发明能够调节压电晶片的振动频率，在每片压电晶片上留有改变压电晶片质量的调节槽，通过增减变频螺杆来增减***的质量，或者改变变频螺杆位置以调整压电晶片的刚度，从而实现对压电晶片振动频率的调节。

本发明的驱动盘连接在球形铰头上，不仅能够实现直线振动，还能够实现绕球形铰头的任意角度的摆动，能够在需要角度定位的场合(如透镜偏转角度控制)发挥作用。

附图说明

图1为本发明所述的压电多自由度执行器整体结构示意图。

图2为本发明所述的压电多自由度执行器内部整体结构仰视图。

图3为本发明所述的压电多自由度执行器内部整体结构正视图。

图4为本发明所述的压电多自由度执行器***结构示意图。

图5为本发明所述的压电晶片装配结构示意图。

图6为本发明所述的驱动盘底部结构示意图。

图7为本发明所述的壳体底盘结构示意图。

图8为本发明所述的压电晶片结构示意图。

图9为本发明所述的驱动盘翻转控制原理示意图。

图10为本发明所述的执行器放大倍数改变原理示意图。

图11为本发明所述的支点改变放大倍数原理示意图。

上图中的标注如下：

1、驱动盘2、壳体3、底座4、压电晶片5、铰头帽6、球形铰头

7、连接轴8、铰头座9、固定座10、滑道11、第一滑块

12、驱动杆13、调节槽14、变频螺杆15、第二滑块16、滑槽

17、连杆18、升降台19、滑轴20、底盘21、调节螺母

22、限位环。

具体实施方式

请参阅图1至图11所示：

本发明提供的基于可变模态共振驱动的压电多自由度执行器包括有驱动盘1、壳体2、底座3、驱动机构和压电晶片4，其中壳体2装配在底座3上，驱动盘1设在壳体2的顶端，驱动机构和压电晶片4集成在壳体2的内腔中，压电晶片4与驱动机构相连接，压电晶片4通过驱动机构带动驱动盘1进行上下直线运动以及任意角度和方向的摆动。

驱动盘1底部的中心部位通过铰头帽5铰接在球形铰头6上，驱动盘1能够在球形铰头6上进行任意角度的摆动，球形铰头6下部的直杆与下方的连接轴7相螺接，球形铰头6下部的直杆套设有铰头座8，铰头座8裹设在球形铰头6的下部，球形铰头6下方的连接轴7插设在壳体2底盘20中心部位的固定座9的中心孔内，连接轴7能够在固定座9的中心孔内进行滑动。

驱动盘1的底部设置有十字型相交叉的滑道10，驱动机构上的第一滑块11卡接在滑道10上，第一滑块11能够沿滑道10进行滑动。

驱动机构包括有第一滑块11和驱动杆12，其中第一滑块11装配在驱动杆12的顶端，第一滑块11卡接在驱动盘1底部的滑道10上，驱动杆12的底部固连在压电晶片4上，压电晶片4的振动使驱动杆12能够带动第一滑块11沿驱动盘1底部的滑道10进行滑动。

压电晶片4装配有四片，四片压电晶片4两两一组呈十字型交叉设置，十字型的压电晶片4与驱动盘1的底部的十字型滑道10相对应，四片压电晶片4的内端均固连在壳体2底盘20中心部位的固定座9上，四片压电晶片4的外端均与驱动机构上的驱动杆12相固连，驱动机构上的驱动杆12与压电晶片4对应也装配有四个。

每片压电晶片4靠近固定座9的部位均开设有调节槽13，调节槽13内装配有变频螺杆14，通过增减变频螺杆14的数量以及调整变频螺杆14在调节槽13内的位置从而调节压电晶片4的固有频率。

每片压电晶片4上均套设有第二滑块15，壳体2的底盘20上对应第二滑块15的位置处开设有滑槽16，第二滑块15能够在压电晶片4上和滑槽16内进行滑动，第二滑块15的底部设置有连杆17，连杆17的外端固连在升降台18上，升降台18套设在滑轴19上，升降台18能够在滑轴19上进行上下移动，升降台18在滑轴19上的上下移动通过连杆17带动第二滑块15在压电晶片4上和滑槽16内进行滑动从而改变第二滑块15在压电晶片4上的位置，滑轴19的顶端固连在壳体2底盘20中间部位的固定座9底面上，升降台18底部的滑轴19上装配有调节螺母21，通过调节螺母21能够调节升降台18在滑轴19上的设定位置，调节螺母21下部的滑轴19上装配有限位环22用于调节螺母21的限位。

本发明的工作原理：

本发明提供的基于可变模态共振驱动的压电多自由度执行器在使用时通过电源为压电晶片4供电，并调整电源的频率、幅值及振型等调节压电晶片4的位移，压电晶片4的位移经过套设在压电晶片4上第二滑块15杠杆支点的放大作用后将经由压电晶片4外端的驱动杆12传递至驱动盘1上，进而达成控制执行器位移的目的。通过调节电源的相位控制执行器的运动模式，分别能够实现上下直线振动和绕球形铰头6任意角度的摆动运动，同时也能够实现两种运动的同时叠加输出。同时，四个压电晶片4能实现运动的钳位，在掉电状态下仍具有较高的保持力。

每片压电晶片4上均开设有改变压电晶片4质量的调节槽13，通过增减变频螺杆14来增减***的质量以及调整变频螺杆14在调节槽13中的位置以改变压电晶片4的固有频率。

驱动盘1连接在球形铰头6上，驱动盘1不仅能够实现直线振动，还能够实现绕球形铰头6的任意角度的摆动，能够在需要角度定位的场合(如透镜偏转角度控制)发挥作用。

四片压电晶片4两两一组呈对称的十字型布设，每个压电晶片4独立供电，由于逆压电效应，在对压电晶片4施加交变电流时压电晶片4会产生振动，能够将压电晶片4的振动位移按照一定的放大比例传导至驱动盘1，从而实现驱动功能。位移放大功能由第二滑块15实现，调整升降台18的位置能够调节位移放大比例，同时也能够添加变频螺杆14配合对改变压电晶片4的固有频率。

具体工作过程如下：

直线位移：当四个压电晶片4的交变电源幅值、频率和相位均相同时，四个压电晶片4的位移模式相同，故会在驱动杆12上传导相同的位移，使得驱动盘1做上下直线运动。通过调整电源模式即可控制驱动盘1的位移大小。

摆动位移：驱动盘1在三维空间的姿态由四个滑道10配合对控制，控制相对的两个压电晶片4的电若相位相差T/2(T为交变电源振动的最小正周期)，其余参数均相同时，压电晶片4的位移方向相反，故驱动盘1会向位移方向为下的驱动杆12方向倾斜，同理，同时调整另外两个相对的压电晶片4电源，能够调整驱动盘1在另一个方向的倾斜角度，从而能够实现驱动盘1绕球形铰头6任意角度的摆动。

Claims (7)

1.一种基于可变模态共振驱动的压电多自由度执行器，其特征在于：包括有驱动盘、壳体、底座、驱动机构和压电晶片，其中壳体装配在底座上，驱动盘设在壳体的顶端，驱动机构和压电晶片集成在壳体的内腔中，压电晶片与驱动机构相连接，压电晶片通过驱动机构带动驱动盘进行上下直线运动以及任意角度和方向的摆动。

2.根据权利要求1所述的一种基于可变模态共振驱动的压电多自由度执行器，其特征在于：所述的驱动盘底部的中心部位通过铰头帽铰接在球形铰头上，驱动盘能够在球形铰头上进行任意角度的摆动，球形铰头下部的直杆与下方的连接轴相螺接，球形铰头下部的直杆套设有铰头座，铰头座裹设在球形铰头的下部，球形铰头下方的连接轴插设在壳体底盘中心部位的固定座的中心孔内，连接轴能够在固定座的中心孔内进行滑动。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于可变模态共振驱动的压电多自由度执行器，其特征在于：所述的驱动盘的底部设置有十字型相交叉的滑道，驱动机构上的第一滑块卡接在滑道上，第一滑块能够沿滑道进行滑动。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于可变模态共振驱动的压电多自由度执行器，其特征在于：所述的驱动机构包括有第一滑块和驱动杆，其中第一滑块装配在驱动杆的顶端，第一滑块卡接在驱动盘底部的滑道上，驱动杆的底部固连在压电晶片上，压电晶片的振动使驱动杆能够带动第一滑块沿驱动盘底部的滑道进行滑动。

5.根据权利要求4所述的一种基于可变模态共振驱动的压电多自由度执行器，其特征在于：所述的压电晶片装配有四片，四片压电晶片两两一组呈十字型交叉设置，十字型的压电晶片与驱动盘的底部的十字型滑道相对应，四片压电晶片的内端均固连在壳体底盘中心部位的固定座上，四片压电晶片的外端均与驱动机构上的驱动杆相固连，驱动机构上的驱动杆与压电晶片对应也装配有四个。

6.根据权利要求1或5所述的一种基于可变模态共振驱动的压电多自由度执行器，其特征在于：所述的每片压电晶片靠近固定座的部位均开设有调节槽，调节槽内装配有变频螺杆，通过增减变频螺杆的数量以及调整变频螺杆在调节槽内的位置从而调节压电晶片的固有频率。

7.根据权利要求1或5所述的一种基于可变模态共振驱动的压电多自由度执行器，其特征在于：所述的每片压电晶片上均套设有第二滑块，壳体的底盘上对应第二滑块的位置处开设有滑槽，第二滑块能够在压电晶片上和滑槽内进行滑动，第二滑块的底部设置有连杆，连杆的外端固连在升降台上，升降台套设在滑轴上，升降台能够在滑轴上进行上下移动，升降台在滑轴上的上下移动通过连杆带动第二滑块在压电晶片上和滑槽内进行滑动从而改变第二滑块在压电晶片上的位置，滑轴的顶端固连在壳体底盘中间部位的固定座底面上，升降台底部的滑轴上装配有调节螺母，通过调节螺母能够调节升降台在滑轴上的设定位置，调节螺母下部的滑轴上装配有限位环用于调节螺母的限位。