CN105811802A - 一种基于柔顺足驱动的大负载、高精度、跨尺度压电直线马达 - Google Patents
一种基于柔顺足驱动的大负载、高精度、跨尺度压电直线马达 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于柔顺足驱动的大负载、高精度、跨尺度压电直线马达，涉及精密仪器设备技术领域。本发明是为了解决现有的直线马达承载能力小、分辨率低且寿命短的问题。本发明利用各柔顺足本身的柔性变形及各柔顺足与动子之间的摩擦接触，配合各压电叠堆在锯齿波信号电压下的位移输出，实现动子的步进式平稳运动。具有负载能力大，运动分辨率高，理论行程无限大，运行平稳等优点，可被广泛应用于各类精密超精密加工与运动、微机电系统、机器人、微纳操作等高尖端的科学技术领域。
Description
技术领域
本发明属于精密仪器设备技术领域，尤其涉及一种压电直线马达。
背景技术
由于微纳米科技的迅速发展，各类精密超精密微细加工与测量技术、微机电系统、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领域都迫切需要亚微米级、微/纳米级的精密驱动马达，传统的宏观大尺寸驱动装置，如普通电机、齿轮传动、丝杠螺母、蜗轮蜗杆等已很难满足精度要求。
随着材料科学的发展，新型功能材料为这些问题提供了新的解决方案，其中，逆压电效应的发现及具有优越性能的压电陶瓷材料的出现使得压电精密马达的研究得到了广泛关注，并在精密驱动领域显示出了广泛的应用前景。
压电马达是利用压电材料的逆压电效应设计的可输出精密运动的新式驱动装置。虽然压电元件变形微小，却具有稳定性好、响应迅速、定位精确、机械能-电能转化率高、驱动力大等优点，常用的压电材料适于被加工成各种形状，而且经过特殊工艺制造的由多层压电陶瓷片构成的压电叠堆具有十分优良的性能，因此非常适合被应用到超精密定位技术领域中。由于压电驱动的诸多优势所在，压电精密微驱动技术已成为国内外学者研究的重点。
在过去的半个多世纪的时间里，针对不同的应用背景、基于不同的工作原理，研究人员开发了形式各异的压电马达，从而形成独具特色的压电驱动技术体系。根据驱动机理的不同，压电马达可分为：压电超声波马达、压电微位移工作台、压电惯性摩擦式马达和尺蠖型压电马达等。
压电超声波马达是利用压电元件的逆压电效应激励定子产生超声波频域范围内的机械振动，并将定子弹性体的微变形通过共振放大和摩擦耦合转换成转子或动子的宏观运动。压电微位移工作台是将压电元件的输出微变形(或力)作用于柔性铰链机构上，利用柔性铰链的微量变形(包括变形的放大或缩小)最终实现对目标物体的精密驱动。尺蠖型压电马达是开发人员仿照自然界尺蠖运动开发的，它是一种以压电元件为动力转换元件，能将目标物体的单步微量位移不断积累，具有高分辨率、大行程特点的马达。惯性摩擦式压电马达是根据动量定理，通过惯性块和压电元件配合作用实现驱动作用的马达。
检索相关文献，可以将目前压电直线马达的局限性总结如下：
1、载荷输出小，运动稳定性差，易出现运行不稳定和直线度不稳定的现象；
2、箝位面与导轨面之间磨损大，易造成承载能力下降甚至马达失效，使用寿命短；
3、结构和操作复杂、成本高、能量损失大；
4、驱动行程和高分辨率难以同时实现。
发明内容
本发明是为了解决现有的直线马达承载能力小、分辨率低且寿命短的问题。现提供一种基于柔顺足驱动的大负载、高精度、跨尺度压电直线马达。
一种基于柔顺足驱动的大负载、高精度、跨尺度压电直线马达，它包括基座、定子、正向驱动部件、反向驱动部件和动子，
正向驱动部件和反向驱动部件的结构相同，且正向驱动部件和反向驱动部件均以动子为中心轴呈对称结构，
正向驱动部件包括第一正向驱动压电叠堆、第一正向驱动压电叠堆预紧螺栓、第二正向驱动压电叠堆预紧螺栓、第二正向驱动压电叠堆、第二正向柔顺足和第一正向柔顺足，
反向驱动部件包括第一反向驱动压电叠堆预紧螺栓、第一反向驱动压电叠堆、第一反向柔顺足、第二反向柔顺足、第二反向驱动压电叠堆和第二反向驱动压电叠堆预紧螺栓，
定子设置在基座上，且定子通过螺栓与基座固定连接，
在定子的中心位置且沿基座的长度方向上设置有一个长方形凹槽，该凹槽用于设置导轨，动子设置在导轨上，
定子上面设置有四个相同的凹槽，四个相同的凹槽以动子为中心轴两两相对设置，
位于动子一侧的两个凹槽内分别设置有第一正向驱动压电叠堆和第一反向驱动压电叠堆，位于动子另一侧的两个凹槽内分别设置有第二正向驱动压电叠堆和第二反向驱动压电叠堆，且第一正向驱动压电叠堆和第二正向驱动压电叠堆以动子为中心相对设置，第一反向驱动压电叠堆和第二反向驱动压电叠堆以动子为中心相对设置，
定子的两个相对的侧面设置有四个螺孔，第一正向驱动压电叠堆预紧螺栓、第一反向驱动压电叠堆预紧螺栓、第二反向驱动压电叠堆预紧螺栓和第二正向驱动压电叠堆预紧螺栓通过四个螺孔分别为第一正向驱动压电叠堆、第一反向驱动压电叠堆、第二反向驱动压电叠堆和第二正向驱动压电叠堆提供预紧力，
第一反向柔顺足、第二反向柔顺足、第二正向柔顺足和第一正向柔顺足均设置在定子上，
第一反向柔顺足的一端与动子一个侧面的一端摩擦接触，第一反向柔顺足的另一端连接第一反向驱动压电叠堆的驱动端，
第二反向柔顺足的一端与动子另一个侧面的一端摩擦接触，第二反向柔顺足的另一端连接第二反向驱动压电叠堆的驱动端，
第二正向柔顺足的一端与动子另一个侧面的另一端摩擦接触，第二正向柔顺足的另一端连接第二正向驱动压电叠堆的驱动端，
第一正向柔顺足的一端与动子一个侧面的另一端摩擦接触，第一正向柔顺足的另一端连接第一正向驱动压电叠堆的驱动端。
本发明的有益效果为：采用第二正向柔顺足的一端、第一正向柔顺足的一端、第一反向柔顺足的一端和第二反向柔顺足的一端分别与动子之间摩擦接触，第二正向柔顺足的另一端、第一正向柔顺足另一端、第一反向柔顺足另一端和第二反向柔顺足另一端分别配合各压电叠堆，根据各压电叠堆的锯齿波信号电压下的位移输出，实现动子的步进式平稳运动。具有负载能力大，运动分辨率高，理论行程无限大，运行平稳等优点。
附图说明
图1为具体实施方式一所述的一种基于柔顺足驱动的大负载、高精度、跨尺度压电直线马达的立体结构示意图；
图2为图1所述的一种基于柔顺足驱动的大负载、高精度、跨尺度压电直线马达的俯视图；
图3为图1中定子的俯视图；
图4为一种基于柔顺足驱动的大负载、高精度、跨尺度压电直线马达中柔顺足的设计参数图；
图5为一种基于柔顺足驱动的大负载、高精度、跨尺度压电直线马达的控制电压信号波形图；
图6为一种基于柔顺足驱动的大负载、高精度、跨尺度压电直线马达中压电叠堆通电和断电下的形态示意图，附图标记A表示压电叠堆通电下的形态，附图标记B表示压电叠堆断电下的形态；
图7为一种基于柔顺足驱动的大负载、高精度、跨尺度压电直线马达中压电叠堆不带电，处于原长状态下的驱动原理图；
图8为一种基于柔顺足驱动的大负载、高精度、跨尺度压电直线马达中给压电叠堆缓慢通电下的驱动原理图；
图9为一种基于柔顺足驱动的大负载、高精度、跨尺度压电直线马达中给压电叠堆迅速断电下的驱动原理图。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1至图3具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于柔顺足驱动的大负载、高精度、跨尺度压电直线马达，它包括基座1、定子2、正向驱动部件、反向驱动部件和动子5，
正向驱动部件和反向驱动部件的结构相同，且正向驱动部件和反向驱动部件均以动子5为中心轴呈对称结构，
正向驱动部件包括第一正向驱动压电叠堆3、第一正向驱动压电叠堆预紧螺栓4、第二正向驱动压电叠堆预紧螺栓12、第二正向驱动压电叠堆13、第二正向柔顺足14和第一正向柔顺足15，
反向驱动部件包括第一反向驱动压电叠堆预紧螺栓6、第一反向驱动压电叠堆7、第一反向柔顺足8、第二反向柔顺足9、第二反向驱动压电叠堆10和第二反向驱动压电叠堆预紧螺栓11，
定子2设置在基座1上，且定子2通过螺栓与基座1固定连接，
在定子2的中心位置且沿基座1的长度方向上设置有一个长方形凹槽，该凹槽用于设置导轨，动子5设置在导轨上，
定子2上面设置有四个相同的凹槽，四个相同的凹槽以动子5为中心轴两两相对设置，
位于动子5一侧的两个凹槽内分别设置有第一正向驱动压电叠堆3和第一反向驱动压电叠堆7，位于动子5另一侧的两个凹槽内分别设置有第二正向驱动压电叠堆13和第二反向驱动压电叠堆10，且第一正向驱动压电叠堆3和第二正向驱动压电叠堆13以动子5为中心相对设置，第一反向驱动压电叠堆7和第二反向驱动压电叠堆10以动子5为中心相对设置，
定子2的两个相对的侧面设置有四个螺孔，第一正向驱动压电叠堆预紧螺栓4、第一反向驱动压电叠堆预紧螺栓6、第二反向驱动压电叠堆预紧螺栓11和第二正向驱动压电叠堆预紧螺栓12通过四个螺孔分别为第一正向驱动压电叠堆3、第一反向驱动压电叠堆7、第二反向驱动压电叠堆10和第二正向驱动压电叠堆13提供预紧力，
第一反向柔顺足8、第二反向柔顺足9、第二正向柔顺足14和第一正向柔顺足15均设置在定子2上，
第一反向柔顺足8的一端与动子5一个侧面的一端摩擦接触，第一反向柔顺足8的另一端连接第一反向驱动压电叠堆7的驱动端，
第二反向柔顺足9的一端与动子5另一个侧面的一端摩擦接触，第二反向柔顺足9的另一端连接第二反向驱动压电叠堆10的驱动端，
第二正向柔顺足14的一端与动子5另一个侧面的另一端摩擦接触，第二正向柔顺足14的另一端连接第二正向驱动压电叠堆13的驱动端，
第一正向柔顺足15的一端与动子5一个侧面的另一端摩擦接触，第一正向柔顺足15的另一端连接第一正向驱动压电叠堆3的驱动端。
本实施方式中，正向驱动部件和反向驱动部件的结构完全相同，且以与y方向平行的中心轴成左右对称分布。动子5安装在定子2上面的导轨内，可左右滑动；反向柔顺足I8、反向柔顺足II9、正向柔顺足II14和正向柔顺足I15直接加工在定子2上。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于柔顺足驱动的大负载、高精度、跨尺度压电直线马达作进一步说明，本实施方式中，第二正向柔顺足14、第一正向柔顺足15、第一反向柔顺足8和第二反向柔顺足9和定子2为整体加工。
本实施方式中，反向柔顺足I8、反向柔顺足II9、正向柔顺足II14和正向柔顺足I15与定子2为整体加工，以保证其精度。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于柔顺足驱动的大负载、高精度、跨尺度压电直线马达作进一步说明，本实施方式中，用于安装动子5的导轨与定子2为整体加工。
本实施方式中，用于安装动子5的导轨与定子2为整体加工，以保证安装精度。
具体实施方式四：参照图4具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于柔顺足驱动的大负载、高精度、跨尺度压电直线马达作进一步说明，本实施方式中，第一反向柔顺足8、第二反向柔顺足9、第二正向柔顺足14和第一正向柔顺足15均为圆弧形板状结构。
本实施方式中，如图4所示，柔顺足几何形状为一段圆弧，柔顺足垂直长度h、厚度t、曲率半径r、以及驱动角度θ等几何参数可根据直线马达的整体尺寸进行优化选择。
如图5至图9，本发明的具体工作过程如下：
1.初始状态时，压电叠堆不带电，处于原长状态，如图6中的附图标记B所示，柔顺足15末端与动子5侧面处于小间隙接触状态，如图7所示。
2.给压电叠堆3缓慢通电，如图6中的附图标记A所示，在逆压电效应的作用下，压电叠堆3缓慢伸长距离l，在力的作用下，柔顺足15实现弹性变形，在摩擦力作用下，推动动子5前进距离d1，如图8所示的状态。
3.给压电叠堆3迅速断电，如图6中的附图标记A所示，压电叠堆3迅速恢复原长，在摩擦力和惯性双重作用下，动子5后退距离d2，此时，动子5前进距离d＝d1-d2，如图9所示的状态。
这样，直线马达便完成了一个工作循环，不断循环此过程，该马达便会实现大行程的位移输出。
Claims (4)
1.一种基于柔顺足驱动的大负载、高精度、跨尺度压电直线马达，其特征在于，它包括基座(1)、定子(2)、正向驱动部件、反向驱动部件和动子(5)，
正向驱动部件和反向驱动部件的结构相同，且正向驱动部件和反向驱动部件均以动子(5)为中心轴呈对称结构，
正向驱动部件包括第一正向驱动压电叠堆(3)、第一正向驱动压电叠堆预紧螺栓(4)、第二正向驱动压电叠堆预紧螺栓(12)、第二正向驱动压电叠堆(13)、第二正向柔顺足(14)和第一正向柔顺足(15)，
反向驱动部件包括第一反向驱动压电叠堆预紧螺栓(6)、第一反向驱动压电叠堆(7)、第一反向柔顺足(8)、第二反向柔顺足(9)、第二反向驱动压电叠堆(10)和第二反向驱动压电叠堆预紧螺栓(11)，
定子(2)设置在基座(1)上，且定子(2)通过螺栓与基座(1)固定连接，
在定子(2)的中心位置且沿基座(1)的长度方向上设置有一个长方形凹槽，该凹槽用于设置导轨，动子(5)设置在导轨上，
定子(2)上面设置有四个相同的凹槽，四个相同的凹槽以动子(5)为中心轴两两相对设置，
位于动子(5)一侧的两个凹槽内分别设置有第一正向驱动压电叠堆(3)和第一反向驱动压电叠堆(7)，位于动子(5)另一侧的两个凹槽内分别设置有第二正向驱动压电叠堆(13)和第二反向驱动压电叠堆(10)，且第一正向驱动压电叠堆(3)和第二正向驱动压电叠堆(13)以动子(5)为中心相对设置，第一反向驱动压电叠堆(7)和第二反向驱动压电叠堆(10)以动子(5)为中心相对设置，
定子(2)的两个相对的侧面设置有四个螺孔，第一正向驱动压电叠堆预紧螺栓(4)、第一反向驱动压电叠堆预紧螺栓(6)、第二反向驱动压电叠堆预紧螺栓(11)和第二正向驱动压电叠堆预紧螺栓(12)通过四个螺孔分别为第一正向驱动压电叠堆(3)、第一反向驱动压电叠堆(7)、第二反向驱动压电叠堆(10)和第二正向驱动压电叠堆(13)提供预紧力，
第一反向柔顺足(8)、第二反向柔顺足(9)、第二正向柔顺足(14)和第一正向柔顺足(15)均设置在定子(2)上，
第一反向柔顺足(8)的一端与动子(5)一个侧面的一端摩擦接触，第一反向柔顺足(8)的另一端连接第一反向驱动压电叠堆(7)的驱动端，
第二反向柔顺足(9)的一端与动子(5)另一个侧面的一端摩擦接触，第二反向柔顺足(9)的另一端连接第二反向驱动压电叠堆(10)的驱动端，
第二正向柔顺足(14)的一端与动子(5)另一个侧面的另一端摩擦接触，第二正向柔顺足(14)的另一端连接第二正向驱动压电叠堆(13)的驱动端，
第一正向柔顺足(15)的一端与动子(5)一个侧面的另一端摩擦接触，第一正向柔顺足(15)的另一端连接第一正向驱动压电叠堆(3)的驱动端。
2.根据权利要求1所述的一种基于柔顺足驱动的大负载、高精度、跨尺度压电直线马达，其特征在于，第二正向柔顺足(14)、第一正向柔顺足(15)、第一反向柔顺足(8)和第二反向柔顺足(9)和定子(2)为整体加工。
3.根据权利要求1所述的一种基于柔顺足驱动的大负载、高精度、跨尺度压电直线马达，其特征在于，用于安装动子(5)的导轨与定子(2)为整体加工。
4.根据权利要求1所述的一种基于柔顺足驱动的大负载、高精度、跨尺度压电直线马达，其特征在于，第一反向柔顺足(8)、第二反向柔顺足(9)、第二正向柔顺足(14)和第一正向柔顺足(15)均为圆弧形板状结构。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |