CN105743387A - 基于杠杆放大的交替步进压电直线电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于杠杆放大的交替步进压电直线电机，采用叠层压电陶瓷作为主要驱动元件，通过在定子组合体上合理布置叠层压电陶瓷的位置，利用杠杆机构与铰链机构实现叠层压电陶瓷的位移放大输出，使得该压电直线电机可输出较大的直线速度以及推力，理论上具有相等的双向输出性能，能产生较大的行程，精度高，稳定性好。本发明解决了现有技术中由于叠层压电陶瓷输出位移较小，加工误差导致的电机输出稳定性较低等问题。
Description
技术领域
本发明属于压电精密致动应用技术领域，尤其涉及一种基于杠杆放大的交替步进压电直线电机。
背景技术
压电直线电机是一种新型的直线作动机构，近几年发展迅速，引起了国内外研究人员的广泛关注，其利用了压电材料的逆压电效应，一般具有特定的结构形式。压电直线电机具有较高的推重比，易于微型化，能直接产生直线输出、结构简单、响应快、位置和速度控制精度高、无电磁干扰等优点，可以满足高新技术对精密定位技术的要求。当前，研究者们已经研发出种类繁多的压电直线电机，其中一些实现了商品化。
根据压电器件对驱动足激振方式的不同，压电直线电机可分为共振式和非共振式两种：共振式压电直线电机利用压电元件激发定子弹性体的共振，从而得到放大的变形，再由这种变形来驱动，主要有驻波型、行波型、声表面波型及模态复合型等；非共振式压电直线电机大都采用自身变形较大（可达微米级）的叠层式压电元件作为驱动元件，主要有直接驱动式、尺蠖原理式、位移放大式及惯性冲击式。
在非共振式压电直线电机中，直接驱动式电机直接利用压电元件的变形驱动，位置分辨率高，输出推力较大，但是行程较小；尺蠖原理式电机利用多个压电元件间的特定关系的交替驱动和箝位实现高精度步进，具有大行程，但是该种电机对加工精度要求很高，输出推力通常较小。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中由于叠层压电陶瓷输出位移较小、加工误差导致的电机输出稳定性较低的问题，提供一种基于杠杆放大的交替步进压电直线电机。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
基于杠杆放大的交替步进压电直线电机，包含底板、第一至第三滑轨、第一至第三滑块、定子、预压固定块和预压螺钉；
所述第一至第三滑块分别对应第一至第三滑轨，能够在其上滑动；
所述第一至第三滑轨均固定在底板上，其中，第二滑轨和第三滑轨相互平行、在第一滑轨的同一侧且均与第一滑轨垂直；
所述定子包含框体、以及第一至第四压电单元；
所述第一至第四压电单元均包含杠杆放大机构、叠层压电陶瓷组和预紧螺钉；
所述框体呈U型，包含第一侧边、第二侧边和底边，所述第一侧边、第二侧边和底边之间的夹角均为直角；
所述第一侧边固定在第二滑块上，第二侧边固定在第三滑块上，且第一侧边、第二侧边在底边和第一滑块之间，框体能够在第二滑轨、第三滑轨上滑动；
所述第四压电单元的杠杆放大机构的一端与所述第一侧边的内侧呈90度柔性铰链连接，另一端与所述第一压电单元的杠杆放大机构的一端呈90度柔性铰链连接；
所述第一压电单元的杠杆放大机构的另一端与所述第一滑块相抵；
所述第三压电单元的杠杆放大机构的一端与所述第二侧边的内侧呈90度柔性铰链连接，另一端与所述第二压电单元的杠杆放大机构的一端呈90度柔性铰链连接；
所述第二压电单元的杠杆放大机构的另一端与所述第一滑块相抵；
所述第一压电单元的叠层压电陶瓷组和第四压电单元的杠杆放大机构平行，一端和所述第一压电单元的杠杆放大机构的中点部分相抵，另一端与穿过第一侧边的第一压电单元的预紧螺钉的端部相抵；
所述第二压电单元的叠层压电陶瓷组和第三压电单元的杠杆放大机构平行，一端和所述第二压电单元的杠杆放大机构的中点部分相抵，另一端与穿过第二侧边的第二压电单元的预紧螺钉的端部相抵；
所述第三压电单元的叠层压电陶瓷组和第二侧边平行，一端和所述第三压电单元的杠杆放大机构相抵，另一端与穿过底边的第三压电单元的预紧螺钉的端部相抵；
所述第四压电单元的叠层压电陶瓷组和第一侧边平行，一端和所述第四压电单元的杠杆放大机构相抵，另一端与穿过底边的第四压电单元的预紧螺钉的端部相抵；
所述底边上设有供预压螺钉穿过的通孔；
所述预压固定块固定在底板上，其上设有和所述预压螺钉相匹配的螺纹孔；
所述预压螺钉穿过所述通孔与所述预压固定块螺纹连接，用于调节第一压电单元的杠杆放大机构、第二压电单元的杠杆放大机构与第一滑块之间的压力。
作为本发明基于杠杆放大的交替步进压电直线电机进一步的优化方案，所述第一压电单元的杠杆放大机构、第二压电单元的杠杆放大机构与第一滑块之间设有耐磨陶瓷条；
所述耐磨陶瓷条固定在第一滑块上，第一压电单元的杠杆放大机构、第二压电单元的杠杆放大机构与其相抵。
作为本发明基于杠杆放大的交替步进压电直线电机进一步的优化方案，所述预压螺钉的螺帽和所述底边之间设有弹性结构。
作为本发明基于杠杆放大的交替步进压电直线电机进一步的优化方案，所述弹性结构为弹簧。
作为本发明基于杠杆放大的交替步进压电直线电机进一步的优化方案，所述弹性结构为设置在底边上的弹片。
作为本发明基于杠杆放大的交替步进压电直线电机进一步的优化方案，所述第一至第四压电单元中，杠杆放大机构与叠层压电陶瓷组之间设有预紧片；
所述预紧片一面与叠层压电陶瓷组的端部相抵，另一面和杠杆放大机构柔性铰链连接。
作为本发明基于杠杆放大的交替步进压电直线电机进一步的优化方案，所述第一至第四压电单元中，叠层压电陶瓷组和预紧螺钉的端部之间设有预紧垫块和预紧球；
所述预紧球呈球体；
所述预紧垫块一面平滑、与叠层压电陶瓷组的端部相抵，另一面设有与所述预紧球相匹配的凹槽；
所述预紧螺钉的端部通过预紧球与与预紧垫块的凹槽相抵。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1.该对称式双足驱动非共振压电直线电机中的压电元件采用压电叠堆，输出位移及输出力都较大，定位精度较高，结构工作在非共振模式下，不易受环境因素干扰，较采用压电陶瓷的共振电机更为稳定；
2.定子整体结构采用轴对称结构，确保了电机双向作动时性能的一致性：对称分布的两个导向调节机构的可以确保定予的两个驱动足与动子导轨保持良好的接触状态；
3.各部件结构简单，加工难度小，连接方便。
附图说明
图1为压电直线电机的结构示意图；
图2为压电直线电机定子组合体部分的结构分解图；
图3为压电直线电机在工作模式下的激励电压信号图；
图4为压电直线电机在一个周期内的运动机理图。
图中，a-第一滑块，b-第一滑轨，c-底板，d-第三滑轨，g-第二滑轨，e-耐磨陶瓷条，f-预压固定块，h-定子，i-预压螺钉，h1-第一侧边，h2-第二侧边，h3-底边，h4-杠杆放大机构，h5-叠层压电陶瓷组，h6-预紧螺钉，h7-弹片，h8-预紧片，h9预紧垫块，h10-预紧球。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
如图1、图2所示，本发明公开了一种基于杠杆放大的交替步进压电直线电机，包含底板、第一至第三滑轨、第一至第三滑块、定子、预压固定块和预压螺钉；
所述第一至第三滑块分别对应第一至第三滑轨，能够在其上滑动；
所述第一至第三滑轨均固定在底板上，其中，第二滑轨和第三滑轨相互平行、在第一滑轨的同一侧且均与第一滑轨垂直；
所述定子包含框体、以及第一至第四压电单元；
所述第一至第四压电单元均包含杠杆放大机构、叠层压电陶瓷组和预紧螺钉；
所述框体呈U型，包含第一侧边、第二侧边和底边，所述第一侧边、第二侧边和底边之间的夹角均为直角；
所述第一侧边固定在第二滑块上，第二侧边固定在第三滑块上，且第一侧边、第二侧边在底边和第一滑块之间，框体能够在第二滑轨、第三滑轨上滑动；
所述第四压电单元的杠杆放大机构的一端与所述第一侧边的内侧呈90度柔性铰链连接，另一端与所述第一压电单元的杠杆放大机构的一端呈90度柔性铰链连接；
所述第一压电单元的杠杆放大机构的另一端与所述第一滑块相抵；
所述第三压电单元的杠杆放大机构的一端与所述第二侧边的内侧呈90度柔性铰链连接，另一端与所述第二压电单元的杠杆放大机构的一端呈90度柔性铰链连接；
所述第二压电单元的杠杆放大机构的另一端与所述第一滑块相抵；
所述第一压电单元的叠层压电陶瓷组和第四压电单元的杠杆放大机构平行，一端和所述第一压电单元的杠杆放大机构的中点部分相抵，另一端与穿过第一侧边的第一压电单元的预紧螺钉的端部相抵；
所述第二压电单元的叠层压电陶瓷组和第三压电单元的杠杆放大机构平行，一端和所述第二压电单元的杠杆放大机构的中点部分相抵，另一端与穿过第二侧边的第二压电单元的预紧螺钉的端部相抵；
所述第三压电单元的叠层压电陶瓷组和第二侧边平行，一端和所述第三压电单元的杠杆放大机构相抵，另一端与穿过底边的第三压电单元的预紧螺钉的端部相抵；
所述第四压电单元的叠层压电陶瓷组和第一侧边平行，一端和所述第四压电单元的杠杆放大机构相抵，另一端与穿过底边的第四压电单元的预紧螺钉的端部相抵；
所述底边上设有供预压螺钉穿过的通孔；
所述预压固定块固定在底板上，其上设有和所述预压螺钉相匹配的螺纹孔；
所述预压螺钉穿过所述通孔与所述预压固定块螺纹连接，用于调节第一压电单元的杠杆放大机构、第二压电单元的杠杆放大机构与第一滑块之间的压力。
所述第一压电单元的杠杆放大机构、第二压电单元的杠杆放大机构与第一滑块之间设有耐磨陶瓷条，该耐磨陶瓷条固定在第一滑块上，第一压电单元的杠杆放大机构、第二压电单元的杠杆放大机构与其相抵。
所述预压螺钉的螺帽和所述底边之间设有弹性结构，该弹性结构可以是弹簧，也可以是设置在底边上的弹片。
所述第一至第四压电单元中，杠杆放大机构与叠层压电陶瓷组之间设有预紧片；预紧片一面与叠层压电陶瓷组的端部相抵，另一面和杠杆放大机构柔性铰链连接。
所述第一至第四压电单元中，叠层压电陶瓷组和预紧螺钉的端部之间设有预紧垫块和预紧球；预紧球呈球体；预紧垫块一面平滑、与叠层压电陶瓷组的端部相抵，另一面设有与预紧球相匹配的凹槽；预紧螺钉的端部通过预紧球与与预紧垫块的凹槽相抵。
如图3所示为压电电机在工作模式下施加在四个叠层压电陶瓷组上的电压信号，如图4所示为压电电机在一个周期T内的工作机理图。结合图3和图4，其中a（c2）表示t=0（t=T）的后一瞬间，b1表示t=T/2的前一瞬间，b2表示t=T/2的后一瞬间，c1表示t=T的前一瞬间。
a时刻，第一压电单元的叠层压电陶瓷组上加高电平为A的方波信号，其在z轴正方向伸长，左驱动足在杠杆放大机构的作用下顶紧动子；
b1时刻，第二压电单元的叠层压电陶瓷组和第四压电单元的叠层压电陶瓷组都升压至A，分别沿y轴正方向和y轴负方向伸长一定的位移量，从a时刻到b1时刻，通过杠杆放大机构的位移放大左驱动足推动动子在y轴正方向运动了一定的位移；
b2时刻，第一压电单元的叠层压电陶瓷组上的电压变为0，左驱动足缩回，第三压电单元的叠层压电陶瓷组上的电压为A，右驱动足在杠杆放大机构的作用下顶紧动子；
c1时刻，第二压电单元的叠层压电陶瓷组上的电压变为0，左驱动足回到初始位置，第四压电单元的叠层压电陶瓷组上的电压变为0，右驱动足在柔性铰链回复力的作用下推动动子在y轴正方向运动了一定的距离。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.基于杠杆放大的交替步进压电直线电机，其特征在于，包含底板、第一至第三滑轨、第一至第三滑块、定子、预压固定块和预压螺钉；
所述第一至第三滑块分别对应第一至第三滑轨，能够在其上滑动；
所述第一至第三滑轨均固定在底板上，其中，第二滑轨和第三滑轨相互平行、在第一滑轨的同一侧且均与第一滑轨垂直；
所述定子包含框体、以及第一至第四压电单元；
所述第一至第四压电单元均包含杠杆放大机构、叠层压电陶瓷组和预紧螺钉；
所述框体呈U型，包含第一侧边、第二侧边和底边，所述第一侧边、第二侧边和底边之间的夹角均为直角；
所述第一侧边固定在第二滑块上，第二侧边固定在第三滑块上，且第一侧边、第二侧边在底边和第一滑块之间，框体能够在第二滑轨、第三滑轨上滑动；
所述第四压电单元的杠杆放大机构的一端与所述第一侧边的内侧呈90度柔性铰链连接，另一端与所述第一压电单元的杠杆放大机构的一端呈90度柔性铰链连接；
所述第一压电单元的杠杆放大机构的另一端与所述第一滑块相抵；
所述第三压电单元的杠杆放大机构的一端与所述第二侧边的内侧呈90度柔性铰链连接，另一端与所述第二压电单元的杠杆放大机构的一端呈90度柔性铰链连接；
所述第二压电单元的杠杆放大机构的另一端与所述第一滑块相抵；
所述第一压电单元的叠层压电陶瓷组和第四压电单元的杠杆放大机构平行，一端和所述第一压电单元的杠杆放大机构的中点部分相抵，另一端与穿过第一侧边的第一压电单元的预紧螺钉的端部相抵；
所述第二压电单元的叠层压电陶瓷组和第三压电单元的杠杆放大机构平行，一端和所述第二压电单元的杠杆放大机构的中点部分相抵，另一端与穿过第二侧边的第二压电单元的预紧螺钉的端部相抵；
所述第三压电单元的叠层压电陶瓷组和第二侧边平行，一端和所述第三压电单元的杠杆放大机构相抵，另一端与穿过底边的第三压电单元的预紧螺钉的端部相抵；
所述第四压电单元的叠层压电陶瓷组和第一侧边平行，一端和所述第四压电单元的杠杆放大机构相抵，另一端与穿过底边的第四压电单元的预紧螺钉的端部相抵；
所述底边上设有供预压螺钉穿过的通孔；
所述预压固定块固定在底板上，其上设有和所述预压螺钉相匹配的螺纹孔；
所述预压螺钉穿过所述通孔与所述预压固定块螺纹连接，用于调节第一压电单元的杠杆放大机构、第二压电单元的杠杆放大机构与第一滑块之间的压力。
2.根据权利要求1所述的基于杠杆放大的交替步进压电直线电机，其特征在于，所述第一压电单元的杠杆放大机构、第二压电单元的杠杆放大机构与第一滑块之间设有耐磨陶瓷条；
所述耐磨陶瓷条固定在第一滑块上，第一压电单元的杠杆放大机构、第二压电单元的杠杆放大机构与其相抵。
3.根据权利要求1所述的基于杠杆放大的交替步进压电直线电机，其特征在于，所述预压螺钉的螺帽和所述底边之间设有弹性结构。
4.根据权利要求3所述的基于杠杆放大的交替步进压电直线电机，其特征在于，所述弹性结构为弹簧。
5.根据权利要求3所述的基于杠杆放大的交替步进压电直线电机，其特征在于，所述弹性结构为设置在底边上的弹片。
6.根据权利要求1所述的基于杠杆放大的交替步进压电直线电机，其特征在于，所述第一至第四压电单元中，杠杆放大机构与叠层压电陶瓷组之间设有预紧片；
所述预紧片一面与叠层压电陶瓷组的端部相抵，另一面和杠杆放大机构柔性铰链连接。
7.根据权利要求1所述的基于杠杆放大的交替步进压电直线电机，其特征在于，所述第一至第四压电单元中，叠层压电陶瓷组和预紧螺钉的端部之间设有预紧垫块和预紧球；
所述预紧球呈球体；
所述预紧垫块一面平滑、与叠层压电陶瓷组的端部相抵，另一面设有与所述预紧球相匹配的凹槽；
所述预紧螺钉的端部通过预紧球与与预紧垫块的凹槽相抵。
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