CN104218846A - 一种步进式压电驱动器及其驱动实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种步进式压电驱动器，包括具有内齿圈的刚轮、具有外齿圈的柔轮和嵌置在柔轮中的压电换能器，在柔轮上镂空槽中设有与柔轮外齿相对设置的位移放大结构，位移放大结构为中空对称结构，一种步进式压电驱动器的驱动实现方法包括如下步骤：（1）给第一组层叠式压电陶瓷堆输入驱动信号而产生横向变形并推动刚轮绕其中心轴摆动一个相应的方位；（2）接着按步进脉冲序列给第一组层叠式压电陶瓷堆任意一侧的第二组层叠式压电陶瓷堆输入端分别输入驱动信号，此时第二组层叠式压电陶瓷堆正上方的柔轮齿同样推动刚轮绕其中心轴摆动一个相应的方位；（3）按顺序依次将三组层叠式压电陶瓷堆均施加一次高电平信号，整个柔轮完成一个周期的形变，同时在这个过程中，作为振子的刚轮在柔轮驱动下也完成了一个圆周步进运动。

Description

一种步进式压电驱动器及其驱动实现方法

技术领域

本发明涉及一种驱动器，具体来讲是一种步进式压电驱动器，还涉及该驱动器的驱动实现方法。

背景技术

1992年，Sugawara等人公布了命名为“弹珠式”的金属陶瓷复合压电致动器，能把压电陶瓷的径向位移转换成轴向位移并把位移放大（10倍左右）。美国宾州大学国际致动器和换能器中心的Aydin Dogan等人研制出了钹形致动器，由夹在二个截锥形金属帽盖之间的园柱形压电陶瓷元件组成，它产生的位移量是同样尺寸的陶瓷元件的40倍左右。弹珠式和钹形致动器在汽车工业上有很大应用潜力，可用作传感器和减振器元件，阀门的开关元件以及一些对致动器要求尺寸小、响应快的场合，Omron公司已成功地将其用于光扫描器、高密度记忆贮存驱动器等场合；目前，对于步进式压电电机，由于对放大倍数和驱动力矩的要求较高，因此业内还没有这方面研制成功的报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种精度高、传动力矩大的步进式压电驱动器，同时还提供该驱动器的驱动方法。

本发明解决以上技术问题的技术方案：

一种步进式压电驱动器，包括具有内齿圈的刚轮、同轴布置于刚轮内具有外齿圈的柔轮和嵌置在柔轮中的压电换能器，所述的定子组件由类似于谐波传动的柔轮和位移放大器形复合压电换能器组成，位移放大器形复合压电换能器镶嵌于柔轮的内槽中，其中的位移放大器形复合压电换能器为一个位移放大器和层叠式压电陶瓷堆组成。所述的环形动子为一定位于柔轮和套筒、轴承之间的带齿刚轮；在柔轮上沿其径向开有镂空槽，在镂空槽的外端延伸出与柔轮外齿相对设置的位移放大结构，位移放大结构为中空对称结构，并且位移放大结构的对称轴与其对应柔轮外齿的径向线重叠；压电换能器利用预压力方式镶嵌在与位移放大结构交叉处的镂空槽中，经试验发现：采用预压力方式安装压电换能器，可显著增加输出位移，同时减小迟滞度减小；该驱动器是通过同轴设置的位移放大结构将压电换能器横向应变放大，并将其累加到柔轮齿顶端的总变形上，使其具有更大的位移输出，从而推动刚轮齿转动。

本发明进一步限定的技术方案为：

进一步的，位移放大结构主要由等腰三角形和矩形的第一镂空槽和第二镂空槽组合形成，所述第一镂空槽的顶角与柔轮外齿相对设置，三角形镂空槽的底角度数δ与放大倍数β之间的关系可由如下公式确定：                                               ，其中△y为位移放大结构径向形变量，△x为位移放大器横向形变量；将位移放大结构设计成等腰三角形+矩形的结构是因为申请人经过无数次的试验后发现，该结构的位移放大器只要通过调节三角形镂空槽的底角度数δ即可精确地控制放大倍数β，而且放大倍数要远比目前使用的位移放大器要大的多，由公式可知：当δ=1°，β=57.29；当δ=0.5°，β=114.59，远大于目前普通的放大调节装置的放大倍数。

再进一步的，还包括底座、立在底座上的套筒、周向固定在套筒中的轴向缓冲件，刚轮设在轴向缓冲件中与所述轴向缓冲件形成转动副，所述柔轮通过其芯部的预紧装置紧固在所述底座上，轴向缓冲件用以保障柔轮和刚轮之间只存在相对转动,而不会发生径向滑移；柔轮具有压电换能器变形并通过位移放大结构放大后带动外齿圈发生形变，外齿圈的轮齿与刚轮内齿圈轮齿相互挤压的第一状态，以及外齿圈的齿轮恢复原状后与刚轮内齿圈轮齿相分离的第二状态。

还进一步地，预紧装置包含定位销套、螺母、调整垫片、销和定位销, 定位销套穿过柔轮中心处嵌在底座内, 定位销立于定位销套中，所述销的一端穿过定位销套外壁上开设的销孔与定位销相抵，所述销的另一端抵在压电换能器的侧端上。

一种步进式压电驱动器的驱动实现方法，其特征在于：包括如下步骤：（1）先给第一组层叠式压电陶瓷堆输入端输入驱动信号；此时只有一组层叠式压电陶瓷堆由于驱动电压处于高电平而产生横向变形,这一横向变形经柔轮顶部的位移放大结构将其放大并转化为柔轮的径向形变并对相接触的刚轮在啮合面产生一定的挤压作用,同时在预紧系统所提供的一定预压力作用下，可推动刚轮的齿沿二者接触面的切平面绕其中心轴摆动一个相应的方位；

（2）接着按步进脉冲序列给第一组层叠式压电陶瓷堆任意一侧的第二组层叠式压电陶瓷堆驱动信号因输入端分别输入驱动信号，驱动电压处于高电平，此时另外组的层叠式压电陶瓷堆因驱动信号处于低电平，其陶瓷片不产生静致变形，则此时只有第二组层叠式压电陶瓷堆正上方的柔轮的齿受其影响产生伸缩变形推动其接触位置处的刚轮的齿沿二者接触面的切平面绕其中心轴摆动一个相应的方位；

（3）按顺序将层叠式压电陶瓷堆均施加一次高电平信号，整个柔轮完成一个周期的形变，同时在这个过程中，作为振子的刚轮也完成了一个圆周步进运动。

进一步的，驱动信号为E=-Vsinωt和E=-Vcosωt，式中：V为电压值；ω为振子的工作模态频率；t为时间。

本发明的步进式压电驱动器结合了谐波传动和层叠式压电陶瓷的特点，通过设计特殊形状的位移放大结构，增大了放大倍数，提高了输出力矩大，机械效率高，转动平稳，精度和分辨率高、响应快，驱动电路简单，从而可在小型传输机械、航天仪表及光学仪器设备仪表诸如罗盘、分度盘、喂料机构、定时器的进给或定位中得到很广阔的应用。

附图说明

图1是步进式压电作动器结构示意图；

图2是步进式压电作动器剖视结构示意图；

图3是刚轮和柔轮结构示意图；

图4是步进式压电驱动器一个运动周期的状态示意图；

图5是图4对应的步进脉冲序列示意图；

图6是步进电机驱动机理图；

图7是位移放大结构示意图

图8是位移放大结构变形示意图；

图9是预紧结构示意图；

图中：1 底座，2 套筒， 3 螺母，4 调整垫片，5 销，6定位销，7 定位销套,8 层叠式压电陶瓷堆，9弹性轴承，10刚轮,11 柔轮。

具体实施方式

    实施例1 

下面具体说明步进压电作动器的工作原理及具体实施方式。

步进压电作动器基本结构如图1-图2所示,由振子组件、基座组件及预紧组件构成，振子组件是结构的核心部件，为环形柔轮11,刚轮10和3组单极化的层叠式压电陶瓷堆8所组成，3组层叠式压电陶瓷堆8分别镶嵌于柔轮11的三条矩形镂空槽中；基座组件由底座1，套筒2，轴承3组成，底座1用于支承柔轮11, 套筒2用于刚轮10的平面定位并通过螺栓与底座1相联接, 弹性轴承9位于刚轮10和套筒2之间,作为固定和旋转联接，柔轮11由3只螺栓固定在底座1上；预紧组件由螺母3，调整垫片4，销5，定位销6，定位销套7组成；图9为预紧结构示意图，定位销7嵌在柔轮11及其三条矩形槽的几何中心处,销5穿过定位销7外壁上开设的三圆孔(圆孔开孔于定位销套7外壁的中间位置),顶端分别抵住在3片叠层压电陶瓷8的侧端上, 定位销6处于定位销套7中心处,其中间部位抵住三只销5的另一端,通过调整定位销6顶部的预紧螺母3可以改善预紧力的大小。

图9中定位销套7用来进行预紧结构定位，外壁紧卡在柔轮11内开槽之间，三只销5穿过定位销套7圆周上互成120°的圆孔抵在叠层压电陶瓷堆8的底端上, 定位销套7中央放置一定位销6，通过调节定位销6顶端的预紧螺母3来实现对整个机构施加预紧载荷的目的。

刚轮和柔轮的结构如图3所示，柔轮的功能主要由位移放大结构及叠层压电陶瓷8产生,压电陶瓷的逆压电效应使定子发生变形,经位移放大结构使柔轮11上的外齿产生较大的径向位移,与刚轮转子10上的齿相啮合,对三组层叠式压电陶瓷堆8不同方式通电可使得柔轮11和刚轮10在不同位置啮合；采用合适的定转子齿数配合可使得转子在压电陶瓷的脉冲序列作用下产生正向或反向步进运动，本实施例中采用3组层叠式压电陶瓷堆8,在柔轮11上均布6枚外齿,在刚轮内圈均布32枚内齿。

步进压电作动器受力状况和步进原理如图6所示,柔轮11的外齿在层叠式压电陶瓷堆8作用下沿径向运动时,其作用在柔轮11上的力F在作用面上的切向分量Fr克服接触面上的摩擦力Ff使得转子以Ft方向转动,当定子转子啮合时,转子不再转动。

驱动力F由下列决定：柔轮齿边与直径夹角φ,柔轮径向作用力F及界面摩擦力Ff有关,F=(Fcosφ-Ff)sinφ；

按图5中所示信号序列依次施加电压给压电陶瓷单元(1,2,3),使作动器顺序经历图中(a),(b),(c)状态,驱动作动器按图4所示步进旋转，步进的步数由脉冲序列确定。

步距角ω为柔轮齿间夹角的1/3

ω=1/3*360°/32=3.75°

要实现上述原理,一个关键问题是：柔轮齿在压电陶瓷作用下的径向位移必须大于柔轮齿高,这要求压电陶瓷有足够大的静变形,目前能实现静变形的层压电陶瓷可达微米级,如果经位移放大结构将其放大到亚毫米级,就可以通过传统机械加工手段进行转子齿的加工了。

位移放大结构放大原理如图7和图8所示,放大倍数取决于底角δ，x方向和y方向的位移有下面关系：

，

；

若δ=1°,β=57.29;若δ=0.5°, β=114.59。

步进压电作动器依靠柔轮上的齿驱动和定位,运行中没有累积误差,摩擦力做负功，驱动力距与压电陶瓷静变形力和转子齿边与直径的夹角有关，步距角由转子齿数I,定子变形形态数j确定,最小步距角为：

； 

如图4和图5所示，当先在叠层层叠式压电陶瓷堆8的一处驱动信号输入端分别输入E=-Vsinωt和E=-Vcosωt驱动信号时，此时只有一组层叠式压电陶瓷堆由于驱动电压处于高电平而产生横向静致变形,这一横向静致变形经柔轮顶部的位移放大结构将其放大并转化为柔轮11的径向变形, 柔轮11会随整体产生伸缩变形，对相接触的刚轮10在啮合面产生一定的挤压作用,同时在预紧系统所提供的一定预压力作用下，可推动刚轮10的齿沿二者接触面的切平面绕其中心轴摆动一个相应的方位。这时整只刚轮10也随之转过一个角度；当第二组层叠式压电陶瓷堆驱动信号因输入端分别输入E=-Vsinωt和E=-Vcosωt（其中：V为电压值；ω为振子的工作模态频率；t为时间。）驱动信号驱动电压处于高电平时，此时另外两组层叠式压电陶瓷堆因驱动信号处于低电平，其陶瓷片不产生静致变形，则此时只有第二组层叠式压电陶瓷堆8所在矩形槽正对上方的柔轮型定子11的齿受其影响产生伸缩变形，推动其接触位置处的刚轮10的齿沿二者接触面的切平面绕其中心轴摆动一个相应的方位。这时整只刚轮10也随之转过一个角度。

接着按图5中步进脉冲序列给最后的第三组层叠式压电陶瓷堆8施加高电平，其它两组层叠式压电陶瓷堆8则是处于低电平脉冲序列，同理只有第三组层叠式压电陶瓷堆正对上方的柔轮型定子11的齿产生明显的伸缩变形，推动相邻的刚轮齿转动。当三组层叠式压电陶瓷堆均施加一次高电平信号后，整个系统的运动轨迹，经历图4所示状态，完成一个周期。在这个过程中，作为振子的刚轮10也完成了一个周期的逆时针方向的圆周步进运动。

由此，对系统作用一定的预压力使得整个作动器可以有效工作后，不断重复上述工作步骤，通过上述各个步进驱动信号的连续激励，即可使环形振子部件产生圆周方向的连续步进运动，达到运动和力矩输出的目的。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种步进式压电驱动器，包括具有内齿圈的刚轮、同轴布置于刚轮内具有外齿圈的柔轮和嵌在柔轮中的压电换能器，其特征在于：在所述柔轮上沿其径向开有镂空槽，在所述镂空槽的外端延伸出与柔轮外齿相对设置的位移放大结构，所述位移放大结构为中空对称结构，并且所述位移放大结构的对称轴与其对应柔轮外齿的径向线重叠；所述压电换能器经过预压力作用后嵌置在与位移放大结构相连并关于中心点成扇形对称的镂空槽中。

2.根据权利要求1所述的步进式压电驱动器，其特征在于：所述位移放大结构主要由等腰三角形和矩形的第一镂空槽和第二镂空槽相连形成，所述第一镂空槽的顶角与柔轮外齿相对设置，所述三角形镂空槽的底角度数δ与放大倍数β之间的关系可由如下公式确定：                                                ，其中△y为位移放大结构径向形变量，△x为位移放大器横向形变量。

3.根据权利要求2所述的步进式压电驱动器，其特征在于：还包括底座、立在底座上的套筒、周向固定在套筒中的轴向缓冲件，所述刚轮设在轴向缓冲件中与所述轴向缓冲件形成转动副，所述柔轮通过其芯部的预紧装置紧固在所述底座上；所述柔轮具有压电换能器变形并通过位移放大结构放大后带动外齿圈发生形变，外齿圈的轮齿与刚轮内齿圈轮齿相互挤压的第一状态，以及外齿圈的齿轮恢复原状后与刚轮内齿圈轮齿相分离的第二状态。

4.根据权利要求3所述的步进式压电驱动器，其特征在于：所述预紧装置包含定位销套、螺母、调整垫片、销和定位销, 定位销套穿过柔轮中心处嵌在底座内, 定位销立于定位销套中，所述销的一端穿过定位销套外壁上开设的销孔与定位销相抵，所述销的另一端抵在压电换能器的侧端上。

5.一种步进式压电驱动器的驱动实现方法，其特征在于：包括如下步骤：

（1）先给第一组层叠式压电陶瓷堆输入端输入驱动信号；此时只有一组层叠式压电陶瓷堆由于驱动电压处于高电平而产生横向变形,这一横向变形经柔轮顶部的位移放大结构将其放大并转化为柔轮的径向形变并对相接触的刚轮在啮合面产生一定的挤压作用,同时在预紧系统所提供的一定预压力作用下，可推动刚轮的齿沿二者接触面的切平面绕其中心轴摆动一个相应的方位；

（2）接着按步进脉冲序列给第一组层叠式压电陶瓷堆任意一侧的第二组层叠式压电陶瓷堆驱动信号因输入端分别输入驱动信号驱动电压处于高电平时，此时另外组的层叠式压电陶瓷堆因驱动信号处于低电平，其陶瓷片不产生静致变形，则此时只有第二组层叠式压电陶瓷堆正上方的柔轮的齿受其影响产生伸缩变形推动其接触位置处的刚轮的齿沿二者接触面的切平面绕其中心轴摆动一个相应的方位；

（3）按顺序将层叠式压电陶瓷堆均施加一次高电平信号，整个柔轮完成一个周期的形变，同时在这个过程中，作为振子的刚轮也完成了一个圆周步进运动。

6.根据权利要求7所述的步进式压电驱动器的驱动实现方法，其特征在于：所述驱动信号为E=-Vsinωt和E=-Vcosωt，式中：V为电压值；ω为振子的工作模态频率；t为时间。