CN102361411A - 一种压电直线驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种压电直线驱动器。该驱动器：包括底座导轨一体机构、驱动器箝位伸缩一体结构；所述底座导轨一体机构由底座和导轨采用一体结构组合形成；所述驱动器箝位伸缩一体结构由八杆柔性机构组成；所述驱动器箝位伸缩一体结构安装于所述底座导轨一体机构；所述驱动器箝位伸缩一体结构在所述底座导轨一体机构的导轨上作直线运动；所述驱动器箝位伸缩一体结构的箝位块与所述底座导轨一体机构的导轨之间通过紧固装置调整间隙和进行预紧。本发明能够使驱动器的结构简单，并且可以减少过多零部件装配时产生的装配误差，同时能使得驱动器的整体刚度得到增强。

Description

一种压电直线驱动器

技术领域

本发明属于机电技术领域，具体涉及一种压电直线驱动器。

背景技术

当前，纳米技术迅速发展。具有纳米精度的直线驱动器是纳米技术的动力部分，被称为纳米科技的心脏。目前国内外许多著名的研究机构都将微驱动系统作为主要的研究方向。同时，由于纳米科技领域所需要的短、小、轻、薄、低噪声、高精度、无电磁干扰等要求，现有技术中的传统驱动器已经无法满足要求，因此许多新型功能材料被用来制备超精密驱动器，而这其中，压电驱动器以其诸多优点成为较佳选择。

压电驱动器，利用压电材料的逆压电效应，即压电材料在电场作用下产生机械变形的特性实现驱动，能够产生纳米级的位移分辨率，因此定位精度高；由于压电效应只与电场有关，压电驱动器既不产生磁场也不受其影响，因此在要求磁干扰较小或强磁场的工作场合具有重要应用价值。压电驱动器还具有以下特点：输出力大，可实现低速大扭矩输出；具有微秒级的响应速度；可以直接将电能转换成动能因此能耗低发热少，不需润滑无磨损，可以在真空中应用，结构简单易于微型化，结构形状多样化。由此可见，压电驱动器同其它类型驱动器相比，在体积、定位精度，响应速度、功耗以及抗环境干扰等方面具有明显的优势，在超精密加工、精密操作与调整、微细加工、高精度测量等方面具有广泛的应用前景。

根据驱动机理的不同，压电驱动器可分为：压电超声波驱动器、压电微位移工作台、压电惯性驱动器和尺蠖型压电驱动器等。尺蠖型压电驱动器(Inchworm-type Piezoelectric Actuator)是仿照自然界中的爬行动物尺蠖，利用“箝位-驱动-箝位”的方式运动，也被称为蠕动式压电驱动器。它利用尺蠖原理，将压电元件的单步微量位移不断积累，形成连续的步进的精密位移输出，可以实现大行程高分辨率的双向运动，从而有效的解决了现有技术中几种驱动器大行程和高分辨率不能共存的问题，同时具有驱动原理简单，易于控制，输出力大等特点。

现有的尺蠖型压电直线驱动器，大多是由驱动器的箝位端与平面导轨或圆柱导轨之间的线或面接触产生的摩擦力提供箝位力，而箝位力的大小和箝位力的稳定型直接影响驱动器的输出力、运动分辨率和运动稳定性，因而对两接触面之间的接触情况进行研究对于提高驱动器的性能十分重要。同时由于驱动器箝位面与导轨的接触属于小间隙接触(一般只有几微米)，使得驱动器的性能容易受到外界因素如时效、温度、磨损、加工装配误差等因素的影响。

因此，发明人发现现有的尺蠖型压电直线驱动器存在缺陷：现有的压电直线驱动器，驱动结构复杂，由多个构件装配而成，产生的装配误差直接影响驱动器的运动精度和运动稳定性，同时因箝位方式选择简单的面与面接触方式，导致箝位力不足，驱动器的输出力和输出刚度也较小，并且由于各构件的接触并不是保持常态面与面间接触，从而降低了驱动器的整体刚度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种压电直线驱动器，能够使驱动器的结构简单，并且可以减少过多零部件装配时产生的装配误差，同时能使得驱动器的整体刚度得到增强；进一步的，V型箝位方式固有的接触面积大，箝位自对中特性使得对驱动器输出力和运行稳定性得到提高。

本发明提供一种压电直线驱动器：

包括底座导轨一体机构、驱动器箝位伸缩一体结构；

所述底座导轨一体机构由底座和导轨采用一体结构组合形成；

所述驱动器箝位伸缩一体结构由八杆柔性机构组成；

所述驱动器箝位伸缩一体结构安装于所述底座导轨一体机构；

所述驱动器箝位伸缩一体结构在所述底座导轨一体机构的导轨上作直线运动；

所述驱动器箝位伸缩一体结构的箝位块与所述底座导轨一体机构的导轨之间通过紧固装置调整间隙和进行预紧。

所述驱动器箝位伸缩一体结构由三组八杆柔性机构组成，整体采用一体结构；其中包括V型箝位八杆柔性结构和中间伸缩八杆柔性结构。

所述驱动器箝位伸缩一体结构的箝位块为V型；

所述底座导轨一体机构的导轨为V型；

所述驱动器箝位伸缩一体结构在装配压电陶瓷后，在V型的导轨上作直线运动。

所述V型的箝位块的水平和竖直两个方向设有微调整槽，并在与导轨接触表面设有导油沟。

所述导轨上设有箝位预紧力调节孔；

所述紧固装置通过箝位预紧力调节孔调整间隙和进行预紧。

所述压电直线驱动器还包括中间驱动用压电叠堆和V型箝位用压电叠堆；

所述中间驱动用压电叠堆和V型箝位用压电叠堆分别通过垫块、预紧螺钉安装紧固在所述驱动器箝位伸缩一体机构上。

所述V型箝位用压电叠堆和中间驱动用压电叠堆，加载按顺序施加的电压信号后产生单步位移；

当重复加载相同的电压信号实现压电直线驱动器的长行程运动；

通过改变加载电压信号的顺序实现压电直线驱动器的双向运动；

通过改变加载电压信号的幅值和频率实现压电直线驱动器单步位移和运动速度的调整。

在两箝位端加载电压时，箝位块水平方向的微调整槽和箝位块竖直方向的微调整槽通过产生变形改变接触面的接触。

所述压电直线驱动器为尺蠖型压电直线驱动器。

从上述技术方案可以看出，与现有技术相比，本发明技术方案具有以下有益效果：

(1)本发明采用一体机构不仅可以使系统的结构简单，并且可以减少过多零部件装配时产生的装配误差，同时由于减少了螺栓等连接件的使用，驱动器的整体刚度得到增强，具体的本发明压电直线驱动器的两端箝位和中间伸缩驱动八杆柔性部分采用一体化结构，减小了多个零件装配产生的装配误差，并且提高了驱动器整体的刚度；

(2)本发明压电直线驱动器的导轨和底座部分采用一体化结构，避免了由于导轨与底座螺栓连接造成的导轨不平行和导轨刚度的下降，同时采用了简便的预紧力调整机构，便于实际应用；

(3)本发明压电直线驱动器采用V型箝位，提高了驱动器的箝位力，使得驱动器具有较大的输出力和输出刚度；

(4)本发明由于V型结构本身具有的对中自调整特性以及在V型箝位块的水平和竖直方向添加了微调整槽，使得V型箝位机构能够有效抵抗箝位面与导轨面不平行的问题，驱动器箝位力的稳定性大大提高，从而使驱动器获得更高的运动精度和运动稳定性；

(5)本发明在保证箝位块有足够的响应精度的同时，加长V型箝位块的长度，使两箝位块在导轨中的偏摆较小，运动部分整体直线度提高，同时增大了实际的箝位接触面，降低系统的磨损；并且，通过在接触面添加导油沟，使用油润滑方式，进一步降低系统的磨损，从而提高驱动器的运动精度和使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明压电直线驱动器的装配示意图；

图2是本发明压电直线驱动器的运动原理图；

图3是本发明压电直线驱动器的运动部分装配示意图；

图4是本发明压电直线驱动器的运动部分装配主视图；

图5是本发明压电直线驱动器的两端箝位和中间伸缩八杆柔性结构原理示意图；

图6是图5的侧视图；

图7是本发明压电直线驱动器的底座导轨一体结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供的一种压电直线驱动器，具有纳米级精度、长行程、大输出力等特点，该新颖结构的尺蠖型压电直线驱动器，能够在保证纳米级定位精度的同时具有大行程、大输出力和大输出刚度的特点，并且能够有效抵抗驱动器长时间运行因磨损造成的驱动器性能下降问题。

本发明的压电直线驱动器，在驱动器运动部分和底座导轨均采用一体机构因此使系统的结构简单，并且可以减少过多零部件装配时产生的装配误差，从而可以克服现有技术中驱动结构复杂，由多个构件装配而导致的问题。而现有的压电直线驱动器，另外还具有其他一些缺陷，例如：1)箝位力不足，由于采用线接触或单面接触，驱动器由摩擦力产生的箝位力比较小，造成驱动器的输出力和输出刚度较小；2)箝位稳定性较差，由于驱动器箝位和中间驱动(伸缩)柔性铰链的加工装配误差造成的对中误差，压电陶瓷的安装误差造成的对中误差，导轨的加工装配误差造成的平行度误差等因素的影响，往往出现两箝位端相对于导轨摆动，箝位面与导轨面接触面不平行等情况，造成箝位摩擦力变化较大，箝位误差较大，严重影响驱动器的运动稳定度和定位精度，同时在应用中易于出现骤停、骤动等问题；3)驱动器的寿命较短，由于箝位面较小及箝位面与导轨局部接触造成驱动器磨损严重，随着使用时间的变化，驱动器的输出负载和运行精度下降，同时驱动器的预紧力需要定期调整。

本发明提供的压电直线驱动器，可以进一步解决上述现有技术存在的缺陷。

下面结合附图，详细介绍本发明技术方案的内容。

本发明的图1-图7中详细展示了本发明提供的压电直线驱动器的结构。其中，图中各附图标记如下解释：1.底座导轨一体机构，2.驱动器箝位伸缩一体结构，3.中间驱动用压电叠堆，4.V型箝位用压电叠堆，5.中间驱动用压电叠堆的垫块，6.中间驱动用压电叠堆的预紧螺钉，7.V型箝位用压电叠堆的垫块，8.V型箝位用压电叠堆的预紧螺钉，9.V型箝位八杆柔性结构，10.中间伸缩八杆柔性结构，11.箝位块水平方向微调整槽，12.箝位块竖直方向微调整槽，13.润滑用导油沟。

本发明提供的压电直线驱动器，主要包括：

底座导轨一体机构1和驱动器箝位伸缩一体机构2，其中中间驱动用压电叠堆3和V型箝位用压电叠堆4分别通过垫块5、7，预紧螺钉6、8安装紧固在驱动器箝位伸缩一体机构2上。

按上述方式装配好的结构(如图3所示)安装在底座导轨一体机构1上，通过两预紧螺钉8调整两V型箝位面与V型导轨的间隙并进行预紧。所述导轨上设有箝位预紧力调节孔；所述紧固装置通过箝位预紧力调节孔调整间隙和进行预紧。所述紧固装置为调节螺栓或其他具有类似功能的其他装置，本发明不加以限定。

驱动器箝位伸缩一体机构2在装配压电陶瓷后，在底座导轨一体机构1的高刚度V型导轨上作直线运动。通过使用箝位机构的预紧力调节螺栓可以调节V型箝位块与导轨之间的间隙或进行预紧力加载。

在本发明中，压电直线驱动器的驱动器运动部分和底座导轨均采用一体机构(如图3，7所示)，采用一体机构不仅可以使系统的结构简单，并且可以减少过多零部件装配时产生的装配误差，同时由于减少了螺栓等连接件的使用，驱动器的整体刚度得到增强。

如图2所示，是本发明的尺蠖型压电直线驱动器仿自然界尺蠖运动的运动原理图。

通过对两箝位用压电叠堆4和中间驱动用压电叠堆3顺序加电压实现如图2所示的单步位移，当重复加载相同的电压信号实现驱动器的长行程运动，通过改变加载电压信号的顺序实现驱动器的双向运动，通过改变加载电压信号的幅值和频率实现驱动器单步位移和运动速度的调整。

如图3、4、5、6所示，是本发明运动部分的示意图，其中图3是本发明压电直线驱动器的运动部分装配示意图；图4是本发明压电直线驱动器的运动部分装配主视图；图5是本发明压电直线驱动器的两端箝位和中间伸缩八杆柔性结构原理示意图；图6是图5的侧视图。

其中，箝位和伸缩运动采用八杆柔性结构，箝位端面采用V型箝位，在箝位面上添加导油沟，对驱动器与导轨的接触面进行润滑，降低系统的磨损，同时改善两刚性件之间的接触情况。

通过调整预紧螺钉8，使未调整前箝位面与导轨间的微米级间隙变为直接接触，此时在预紧力的作用下，通过箝位块V型箝位面本身具有的对中自调整特性，及通过箝位块水平方向微调整槽11和箝位块竖直方向微调整槽12来自调整V型箝位块与导轨加工装配所产生的间隙和配合不严密情况，使接触面由加工装配误差可能造成的线接触变为面接触，增加接触刚度和箝位力，减小长期线接触造成的磨损，增加箝位稳定性。

进一步的，当在两箝位端加载电压时，箝位块水平方向的微调整槽11和箝位块竖直方向的微调整槽12通过产生变形进一步改善接触面的接触情况。

本发明独特的V型箝位结构以及在V型嵌位块水平和竖直方向添加微调整槽，不仅可以提高驱动器的输出力和输出刚度，而且可以有效的抵抗箝位面与导轨不平行造成的箝位误差和箝位局部接触造成的磨损加剧问题，同时通过在接触表面添加导油沟使用油润滑方式，可以进一步减小系统的磨损，进而提高驱动器的运功精度和运动稳定性，延长驱动器的使用寿命。该驱动器结构简单、易装可调、运行稳定、输出力大，适用于精密加工、精密运动平台以及需求力较大场合的应用。

因此，从上述技术方案可以看出，与现有技术相比，本发明技术方案具有以下技术效果：

(1)本发明采用一体机构不仅可以使系统的结构简单，并且可以减少过多零部件装配时产生的装配误差，同时由于减少了螺栓等连接件的使用，驱动器的整体刚度得到增强，具体的本发明压电直线驱动器的两端箝位和中间伸缩驱动八杆柔性部分采用一体化结构，减小了多个零件装配产生的装配误差，并且提高了驱动器整体的刚度；

(2)本发明压电直线驱动器的导轨和底座部分采用一体化结构，避免了由于导轨与底座螺栓连接造成的导轨不平行和导轨刚度的下降，同时采用了简便的预紧力调整机构，便于实际应用；

(3)本发明压电直线驱动器采用V型箝位，提高了驱动器的箝位力，使得驱动器具有较大的输出力和输出刚度；

(4)本发明由于V型结构本身具有的对中自调整特性以及在V型箝位块的水平和竖直方向添加了微调整槽，使得V型箝位机构能够有效抵抗箝位面与导轨面不平行的问题，驱动器箝位力的稳定性大大提高，从而使驱动器获得更高的运动精度和运动稳定性；

(5)本发明在保证箝位块有足够的响应精度的同时，加长V型箝位块的长度，使两箝位块在导轨中的偏摆较小，运动部分整体直线度提高，同时增大了实际的箝位接触面，降低系统的磨损；并且，通过在接触面添加导油沟，使用油润滑方式，进一步降低系统的磨损，从而提高驱动器的运动精度和使用寿命。

以上对本发明实施例所提供的一种压电直线驱动器，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种压电直线驱动器，其特征在于：

包括底座导轨一体机构、驱动器箝位伸缩一体结构；

所述底座导轨一体机构由底座和导轨采用一体结构组合形成；

所述驱动器箝位伸缩一体结构由八杆柔性机构组成；

所述驱动器箝位伸缩一体结构安装于所述底座导轨一体机构；

所述驱动器箝位伸缩一体结构在所述底座导轨一体机构的导轨上作直线运动；

所述驱动器箝位伸缩一体结构的箝位块与所述底座导轨一体机构的导轨之间通过紧固装置调整间隙和进行预紧。

2.根据权利要求1所述的压电直线驱动器，其特征在于：

所述驱动器箝位伸缩一体结构由三组八杆柔性机构组成，整体采用一体结构；

其中包括V型箝位八杆柔性结构和中间伸缩八杆柔性结构。

3.根据权利要求1所述的压电直线驱动器，其特征在于：

所述紧固装置为调节螺栓。

4.根据权利要求1至3任一项所述的压电直线驱动器，其特征在于：

所述驱动器箝位伸缩一体结构的箝位块为V型；

所述底座导轨一体机构的导轨为V型；

所述驱动器箝位伸缩一体结构在装配压电陶瓷后，在V型的导轨上作直线运动。

5.根据权利要求4所述的压电直线驱动器，其特征在于：

所述V型的箝位块的水平和竖直两个方向设有微调整槽，并在与导轨接触表面设有导油沟。

6.根据权利要求1至3任一项所述的压电直线驱动器，其特征在于：

所述导轨上设有箝位预紧力调节孔；

所述紧固装置通过箝位预紧力调节孔调整间隙和进行预紧。

7.根据权利要求1至3任一项所述的压电直线驱动器，其特征在于：

所述压电直线驱动器还包括中间驱动用压电叠堆和V型箝位用压电叠堆；

所述中间驱动用压电叠堆和V型箝位用压电叠堆分别通过垫块、预紧螺钉安装紧固在所述驱动器箝位伸缩一体机构上。

8.根据权利要求7所述的压电直线驱动器，其特征在于：

所述V型箝位用压电叠堆和中间驱动用压电叠堆，加载按顺序施加的电压信号后产生单步位移；

当重复加载相同的电压信号实现压电直线驱动器的长行程运动；

通过改变加载电压信号的顺序实现压电直线驱动器的双向运动；

通过改变加载电压信号的幅值和频率实现压电直线驱动器单步位移和运动速度的调整。

9.根据权利要求7所述的压电直线驱动器，其特征在于：

在两箝位端加载电压时，箝位块水平方向的微调整槽和箝位块竖直方向的微调整槽通过产生变形改变接触面的接触。

10.根据权利要求7所述的压电直线驱动器，其特征在于：

所述压电直线驱动器为尺蠖型压电直线驱动器。

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