CN105827140A - 斜槽式精密压电粘滑直线马达及其驱动方法 - Google Patents
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Abstract
一种斜槽式精密压电粘滑直线马达及其驱动方法，以解决当前压电粘滑直线马达由于摩擦力综合调控困难所导致的输出机械性能受限等问题。本发明由底座、预压力调整机构、斜槽式定子和动子四部分组成，所述定子采用对称的柔性铰链结构来产生位移放大，利用斜槽与半圆形驱动足沿轴向刚度分布不均而产生侧向位移，增大摩擦驱动力，减小摩擦阻力；同时将摩擦调控波复合叠加于定子快速变形阶段的锯齿驱动波中，从而降低快速变形阶段定、动子间摩擦阻力，实现对摩擦力的综合调控，显著提升压电粘滑直线马达机械输出特性。本发明具有结构简单、精度高、行程大等特点，在航空航天、光学精密仪器和半导体加工等微纳精密驱动与定位领域中具有很好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种斜槽式精密压电粘滑直线马达及其驱动方法，属于微纳精密驱动与定位技术领域。
背景技术
压电粘滑直线马达是一种利用压电元件的逆压电效应，在非对称电信号激励下激发振子（或称定子）产生微幅振动，通过振子与动子间的摩擦耦合实现机械能输出的精密微纳驱动器。按照驱动工作原理的不同，压电粘滑直线马达主要分为共振型压电马达（也称超声波电机）与非共振型压电马达（也称压电粘滑马达）两大类。与共振型压电马达相比，压电粘滑直线马达具有结构简单紧凑、定位精度高和控制方便等优点，被广泛应用于精密驱动与定位的技术领域。
压电粘滑驱动主要是将锯齿激励电信号施加于压电元件，激发定子产生快慢交替的运动变形，控制定子与动子在“粘”和“滑”两种运动状态之间相互转换，利用摩擦力驱动动子实现机械运动输出。然而，由于压电粘滑驱动缓慢与快速变形阶段，定子与动子间摩擦力起到不同作用，具体为缓慢变形驱动阶段时表现为摩擦驱动力，而快速变形驱动阶段时表现为摩擦阻力。已有公开技术表明当前压电粘滑直线马达无法实现对整个驱动过程的摩擦力进行综合调控，导致其输出机械性能受限。特别在定子的快速变形驱动阶段，由于动子所受摩擦力与其运动方向相反，当动子惯性力不足以克服该摩擦阻力时，将会导致动子产生回退运动，表现为类锯齿状的不平稳运动输出，劣化输出性能，已有锯齿激励电信号无法实现对压电粘滑直线马达快速变形驱动阶段摩擦力的调控，进一步限制了压电粘滑直线马达的应用与发展。
发明内容
为解决已有压电粘滑直线马达由于定子与动子间摩擦力综合调控困难，所导致的输出机械性能受限，产生类锯齿状不平稳运动输出，劣化输出性能等技术问题，本发明公开了一种斜槽式精密压电粘滑直线马达及其驱动方法。
本发明所采用的技术方案是：
所述一种斜槽式精密压电粘滑直线马达由底座、预压力调整机构、斜槽式定子和动子组成。
所述底座包括底座安装孔、预压力调整机构安装孔、导轨固定安装接触平面和导轨螺纹安装孔，所述底座安装孔为沉头孔可将底座与其它外围装置进行固定，预压力调整机构安装孔用于预压力调整机构的固定，所述导轨固定安装接触平面和导轨螺纹安装孔用于固定安装动子。
所述预压力调整机构包括下固定滑台、上移动滑台、螺杆和平台锁紧螺钉。所述下固定滑台设置有螺纹孔用于与螺杆进行螺纹连接，所述下固定滑台设置有短圆柱销用于安装预压力调整弹簧，所述下固定滑台设置有平移导向导轨用于上移动滑台的平移加载，所述平移导向导轨设置有限位螺钉可限制上移动滑台的运动行程。所述下固定滑台底部设置有沉头孔，通过螺钉可实现与底座之间的固定安装，所述下固定滑台设置有锁紧支撑架和螺钉，通过旋合平台锁紧螺钉可以实现对上移动滑台的锁紧。所述上移动滑台上端面设置有螺纹孔用于固定安装斜槽式定子，所述上移动滑台的侧面设置有平台锁紧螺钉安装孔，所述螺纹安装孔与螺钉进行螺纹连接。
所述斜槽式定子包括斜槽式框形结构铰链、压电堆叠、预紧调整螺栓和垫片。所述斜槽式框形结构铰链采用对称矩形结构的柔性铰链，所述斜槽式框形结构铰链设置有紧固螺栓安装通孔，通过螺栓将斜槽式框形结构铰链与上移动滑台上的螺纹孔进行螺纹紧固连接。所述斜槽式框形结构铰链两侧设置有直圆型柔性铰链，所述的直圆型柔性铰链通过刚性梁进行连接，所述斜槽式框形结构铰链设置有斜槽，所述斜槽式框形结构铰链设置有半圆形驱动足，锯齿波电信号激励压电堆叠产生输出力，通过斜槽传递到半圆形驱动足上。所述斜槽式定子采用对称矩形结构的柔性铰链进行位移放大，斜槽与半圆形驱动足沿轴向刚度分布不均而产生侧向位移。增大缓慢变形驱动阶段时摩擦驱动力，减小快速变形驱动阶段时摩擦阻力，可实现对摩擦力的综合调控。所述半圆形驱动足端面相应涂有摩擦材料，所述半圆形驱动足驱动动子运动，所述预紧螺钉安装孔与预紧调整螺栓进行螺纹连接，所述压电堆叠的后端面与预紧螺钉之间设置有垫片，所述压电堆叠的前端面与斜槽式框形结构铰链之间设置有垫片，防止其产生切应变或局部受力不均。通过调节预紧调整螺栓的旋合长度，可实现对压电堆叠的预紧调节。
所述动子为双列交叉滚柱导轨，包括固定导轨、活动导轨、双列交叉滚柱导轨保持架和导轨限位螺钉。所述固定导轨通过导轨螺纹安装孔固定于导轨固定安装接触平面上，所述活动导轨端面相应涂有摩擦材料，所述固定导轨设置有双列交叉滚柱导轨保持架和滚柱，双列交叉滚柱导轨保持架和滚柱为动子的滑动提供支撑。为了避免双列交叉滚柱导轨保持架和滚柱滑出导轨，同时限制动子的运动范围，分别在动子的固定导轨两端设置导轨安装螺钉进行限位。
所述驱动方法中所采用的复合激励电信号由摩擦调控波复合叠加于定子快速变形阶段的锯齿驱动波中，所述驱动波为锯齿波，所述摩擦调控波为正弦波；所述驱动方法可减小快速变形阶段定子与动子之间的摩擦阻力，抑制回退运动产生，其中锯齿驱动波周期为T1，激励电压幅值为V1，对称性为D，微幅摩擦正弦调控波周期为T2，激励电压幅值为V2，锯齿驱动波与微幅摩擦正弦调控波的周期比为T1/T2=10~100000，激励电压幅值比为V1/V2大于2。
本发明的有益效果是：
本发明由于采用具有摩擦力综合调控功能的斜槽式定子结构，同时通过复合激励电信号进行激励，增大了定子缓慢变形驱动阶段定子与动子间摩擦驱动力，降低了定子快速变形驱动阶段定子与动子间摩擦阻力，实现了对压电粘滑直线马达整个驱动过程的摩擦力进行综合调控，可显著提升压电粘滑直线马达机械输出特性，抑制位移回退运动的产生。与当前已有技术相比，输出力提升10%以上，输出速度提升20%以上，位移回退率降低50%以上，输出效率提升30%以上，开环条件下定位精度可达纳米级。
附图说明
图1所示为本发明提出的一种斜槽式精密压电粘滑直线马达的结构示意图；
图2所示为本发明提出的一种斜槽式精密压电粘滑直线马达底座的结构示意图；
图3所示为本发明提出的一种斜槽式精密压电粘滑直线马达预压力调整机构的结构示意图；
图4所示为本发明提出的一种斜槽式精密压电粘滑直线马达预压力调整机构的下固定滑台的结构示意图；
图5所示为本发明提出的一种斜槽式精密压电粘滑直线马达预压力调整机构的上活动滑台的结构示意图；
图6所示为本发明提出的一种斜槽式精密压电粘滑直线马达斜槽式定子的结构示意图；
图7所示为本发明提出的一种斜槽式精密压电粘滑直线马达斜槽式定子的框形结构柔性铰链的结构示意图；
图8所示为本发明提出的一种斜槽式精密压电粘滑直线马达斜槽式定子的局部放大结构示意图；
图9所示为本发明提出的一种斜槽式精密压电粘滑直线马达动子的结构示意图；
图10所示为本发明提出的一种斜槽式精密压电粘滑直线马达驱动方法的电信号波形示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1~图9说明本实施方式。本实施方式提供了一种斜槽式精密压电粘滑直线马达的具体实施方案。所述一种斜槽式精密压电粘滑直线马达由底座1、预压力调整机构2、斜槽式定子3和动子4组成。
所述底座1包括底座安装孔1-1、预压力调整机构安装孔1-2、导轨固定安装接触平面1-3和导轨螺纹安装孔1-4，所述底座1可采用铝合金材料。所述底座安装孔1-1为沉头孔，可将底座1与其它外围装置进行固定，预压力调整机构安装孔1-2，用于预压力调整机构2的固定，所述导轨固定安装接触平面1-3和导轨螺纹安装孔1-4用于固定安装动子4。
所述预压力调整机构2包括下固定滑台2-1、上移动滑台2-2、螺杆2-3和平台锁紧螺钉2-4。所述下固定滑台2-1设置有螺纹孔2-1-1，其用于与螺杆2-3进行螺纹连接，所述下固定滑台2-1设置有短圆柱销2-1-2，用于安装预压力调整弹簧2-1-4，所述下固定滑台2-1设置有平移导向导轨2-1-3，用于上移动滑台2-2的平移加载。所述平移导向导轨2-1-3设置有8n个导轨限位螺钉2-1-5可限制上移动滑台2-2的运动行程，其中n为大于等于1的整数。所述下固定滑台2-1底部设置有沉头孔2-1-6，通过螺钉可实现与底座1之间的固定安装，所述下固定滑台2-1设置有锁紧支撑架2-1-7和螺钉2-1-8，通过旋合平台锁紧螺钉2-4，可以实现对上移动滑台2-2的锁紧，防止加载后上移动滑台2-2的移动。所述上移动滑台2-2上端面设置有螺纹孔2-2-1，用于固定安装斜槽式定子3，所述上移动滑台2-2的侧面设置有平台锁紧螺钉安装孔2-2-2，所述螺纹安装孔2-2-2与螺钉2-4进行螺纹连接。
所述斜槽式定子3包括斜槽式框形结构铰链3-1、压电堆叠3-2、预紧调整螺栓3-3和垫片3-4。所述斜槽式框形结构铰链3-1采用对称矩形结构的柔性铰链，所述斜槽式框形结构铰链3-1可采用5052铝合金、6061铝合金、7075铝合金、Ti-35A钛合金或Ti-13钛合金材料。所述斜槽式框形结构铰链3-1设置有紧固螺栓安装通孔3-1-1，通过螺栓将斜槽式框形结构铰链3-1与上移动滑台2-2上的螺纹孔2-2-1进行螺纹紧固连接。所述斜槽式框形结构铰链3-1一侧设置有4个直圆型柔性铰链3-1-2，另一侧设置有4个直圆型柔性铰链3-1-6，所述的直圆型柔性铰链3-1-2和直圆型柔性铰链3-1-6通过刚性梁3-1-3进行连接，所述2个刚性梁3-1-3之间的距离为L，刚性梁的宽度为L1，厚度为B，其中L1/L取值范围为1/6~1/2，B/L取值范围为0.5~1可以保证直圆型柔性铰链3-1-2和直圆型柔性铰链3-1-6具有位移放大的能力，本实施方式中L=13mm，L1=2.5mm，B=7mm。所述直圆型柔性铰链3-1-2和直圆型柔性铰链3-1-6具有相同的圆角半径值R1，其中R1/L取值范围为1/60~1/12。所述斜槽式框形结构铰链3-1设置有斜槽3-1-5，所述斜槽3-1-5的个数为N，高度为L2，宽度为C，与竖直方向的夹角为α，其中N≥1，L2/C取值范围为1~8，C/L取值范围为0.01~0.1，夹角α的取值范围为10°~80°，本实施方式中的夹角α为15°，斜槽3-1-5的个数N为5。所述斜槽式框形结构铰链3-1设置有半圆形驱动足3-1-4，锯齿波电信号激励压电堆叠3-2产生输出力，通过斜槽3-1-5传递到半圆形驱动足3-1-4上，所述斜槽式定子3采用对称矩形结构的柔性铰链进行位移放大，斜槽3-1-5与半圆形驱动足3-1-4沿轴向刚度分布不均而产生侧向位移。增大缓慢变形驱动阶段时摩擦驱动力，减小快速变形驱动阶段时摩擦阻力，可实现对摩擦力的综合调控。所述半圆形驱动足3-1-4端面相应涂有陶瓷类或玻璃纤维类摩擦材料，所述半圆形驱动足3-1-4的厚度为N，活动导轨4-2的厚度为M，其中N≤M可以保证有效接触面积，提高传动效率，其中M=（N+1）mm，本实施方式中M=8mm，N=7mm。所述半圆形驱动足3-1-4驱动动子4运动，所述预紧螺钉安装孔3-1-7与预紧调整螺栓3-3进行螺纹连接，所述压电堆叠3-2可以是PI或NEC等公司的压电堆叠产品。所述压电堆叠的后端面与预紧螺钉3-3之间设置有垫片3-4，所述压电堆叠3-2的前端面与斜槽式框形结构铰链3-1之间设置有垫片3-4，所述压电堆叠3-2前后端面设置垫片3-4的目的是为了保护压电堆叠3-2，防止其产生切应变或局部受力不均。通过调节预紧调整螺栓3-3的旋合长度，可实现对压电堆叠3-2的轴向预紧调节。
所述动子4为双列交叉滚柱导轨，包括固定导轨4-1、活动导轨4-2、双列交叉滚柱导轨保持架4-3和导轨限位螺钉4-4。所述固定导轨4-1，通过导轨螺纹安装孔1-4固定于导轨固定安装接触平面1-3上，所述活动导轨4-2端面相应涂有陶瓷类或玻璃纤维类摩擦材料，所述固定导轨4-1设置有双列交叉滚柱导轨保持架4-3和滚柱，双列交叉滚柱导轨保持架4-3和滚柱为动子4的滑动提供支撑。为了避免双列交叉滚柱导轨保持架4-3和滚柱滑出导轨，同时限制动子4的运动范围，分别在动子4的固定导轨4-1和活动导轨4-2的两端设置导轨限位螺钉4-4进行限位。
具体实施方式二：结合图10图说明本实施方式。本实施方式提供了一种斜槽式精密压电粘滑直线马达驱动方法的具体实施方案。所述一种斜槽式精密压电粘滑直线马达驱动方法如下所示。
所述驱动方法中所采用的复合激励电信号由摩擦调控波复合叠加于定子快速变形阶段的锯齿驱动波中，所述驱动波为锯齿波，所述摩擦调控波为正弦波。具体地，所述驱动方法可减小快速变形阶段定子与动子之间的摩擦阻力，抑制回退运动产生，优化了输出性能。其中锯齿驱动波周期为T1，激励电压幅值为V1，对称性为D，微幅摩擦正弦调控波周期为T2，激励电压幅值为V2，锯齿驱动波与微幅摩擦正弦调控波的周期比为T1/T2=10~100000，激励电压幅值比为V1/V2大于2。
工作原理：斜槽式精密压电粘滑直线马达及其驱动方法主要是在复合电信号激励下，利用半圆形驱动足与斜槽之间沿轴向刚度分布不均而产生侧向位移，综合调控定子与动子间的摩擦力，进而提升压电粘滑直线马达机械输出特性。本发明的斜槽式定子由于采用对称柔性铰链机构进行位移放大，利用斜槽与半圆形驱动足沿轴向刚度分布不均而产生侧向位移，调整定子与动子间接触的正压力，即在定子缓慢变形驱动阶段，增大定子与动子间接触的正压力，进而增加定子与动子间的摩擦驱动力，在定子快速变形驱动阶段，减小定子与动子间接触的正压力，进而减小定子与动子间的摩擦阻力，实现对缓慢变形驱动阶段摩擦驱动力与快速变形驱动阶段摩擦阻力的综合调控，提升整机输出性能。同时，本发明通过将摩擦调控波复合叠加于定子快速变形阶段的锯齿驱动波中，激发定子处于微幅高频振动状态，改善定子与动子间传动接触状态，减小定子与动子间的真实接触面积和实际接触时间，从而降低了快速变形驱动阶段定、动子间摩擦阻力，抑制回退运动产生，可显著提升压电粘滑直线马达机械输出特性。
综合以上所述内容，本发明提供一种斜槽式精密压电粘滑直线马达，利用半圆形驱动足与斜槽之间沿轴向刚度分布不均而产生侧向位移，综合调控定子与动子间的摩擦力；本发明提供的驱动方法能够抑制位移回退运动的产生，显著提升压电粘滑直线马达机械输出特性。斜槽式框形结构铰链与压电堆叠装配成一个定子，装配简单，易于调节；所设计的预压力调整机构可方便的调节定子与动子之间接触的预压力。本发明具有结构简单、精度高和行程大等特点，在航空航天、光学精密仪器和半导体加工等微纳精密驱动与定位领域中具有很好的应用前景。
Claims (9)
1.一种斜槽式精密压电粘滑直线马达，其特征在于该斜槽式精密压电粘滑直线马达由底座（1）、预压力调整机构（2）、斜槽式定子（3）和动子（4）组成，其中预压力调整机构（2）固定在底座（1），斜槽式定子（3）安装在预压力调整机构（2）上，动子（4）安装在底座（1）上。
2.根据权利要求1所述的一种斜槽式精密压电粘滑直线马达，其特征在于所述底座（1）包括底座安装孔（1-1）、预压力调整机构安装孔（1-2）、导轨固定安装接触平面（1-3）和导轨螺纹安装孔（1-4）；所述底座安装孔（1-1）为沉头孔，可将底座（1）与其它外围装置进行固定，预压力调整机构安装孔（1-2），用于预压力调整机构（2）的固定，所述导轨固定安装接触平面（1-3）和导轨螺纹安装孔（1-4）用于固定安装动子（4）。
3.根据权利要求1所述的一种斜槽式精密压电粘滑直线马达，其特征在于所述预压力调整机构（2）包括下固定滑台（2-1）、上移动滑台（2-2）、螺杆（2-3）和平台锁紧螺钉（2-4），下固定滑台（2-1）与上移动滑台（2-2）通过平台锁紧螺钉（2-4）进行锁紧，调节螺杆（2-3）推动上移动滑台（2-2）移动；所述下固定滑台（2-1）设置有螺纹孔（2-1-1），其用于与螺杆（2-3）进行螺纹连接，所述下固定滑台（2-1）设置有短圆柱销（2-1-2），用于安装预压力调整弹簧（2-1-4），所述下固定滑台（2-1）设置有平移导向导轨（2-1-3），所述平移导向导轨（2-1-3）设置有导轨限位螺钉（2-1-5），所述下固定滑台（2-1）底部设置有沉头孔（2-1-6），通过螺钉可实现与底座（1）之间的固定安装，所述下固定滑台（2-1）设置有锁紧支撑架（2-1-7）和螺钉（2-1-8），所述上移动滑台（2-2）上端面设置有螺纹孔（2-2-1），所述上移动滑台（2-2）的侧面设置有平台锁紧螺钉安装孔（2-2-2），所述螺纹安装孔（2-2-2）与平台锁紧螺钉（2-4）进行螺纹连接。
4.根据权利要求1所述的一种斜槽式精密压电粘滑直线马达，其特征在于所述的所述斜槽式定子（3）包括斜槽式框形结构铰链（3-1）、压电堆叠（3-2）、预紧调整螺栓（3-3）和垫片（3-4），所述压电堆叠（3-2）通过预紧调整螺栓（3-3）和垫片（3-4）固定在斜槽式框形结构铰链（3-1）内；所述斜槽式框形结构铰链（3-1）设置有紧固螺栓安装通孔（3-1-1），通过螺栓将斜槽式框形结构铰链（3-1）与上移动滑台（2-2）上的螺纹孔（2-2-1）进行螺纹紧固连接，所述斜槽式框形结构铰链（3-1）一侧设置有直圆型柔性铰链（3-1-2），另一侧设置有直圆型柔性铰链（3-1-6），所述斜槽式框形结构铰链（3-1）设置有半圆形驱动足（3-1-4），压电堆叠（3-2）通过斜槽（3-1-5）将输出力传递到半圆形驱动足（3-1-4）上，所述半圆形驱动足（3-1-4）端面相应涂有摩擦材料，所述半圆形驱动足（3-1-4）驱动动子（4）运动，所述预紧螺钉安装孔（3-1-7）与预紧调整螺栓（3-3）进行螺纹连接，所述压电堆叠（3-2）前后端面设置垫片（3-4），通过调节预紧调整螺栓（3-3）的旋合长度，可实现对压电堆叠（3-2）的轴向预紧调节。
5.根据权利要求4所述的一种斜槽式精密压电粘滑直线马达，其特征在于所述的直圆型柔性铰链（3-1-2）和直圆型柔性铰链（3-1-6）通过刚性梁（3-1-3）进行连接，所述2个刚性梁（3-1-3）之间的距离为L，所述直圆型柔性铰链（3-1-2）和直圆型柔性铰链（3-1-6）具有相同的圆角半径值R1，其中R1/L取值范围为1/60~1/12，所述斜槽式框形结构铰链（3-1）设置有斜槽（3-1-5），所述斜槽（3-1-5）的高度为L2，宽度为C，与竖直方向的夹角为α，其中L2/C取值范围为1~8，C/L取值范围为0.01~0.1，夹角α的取值范围为10°~80°。
6.根据权利要求4所述的一种斜槽式精密压电粘滑直线马达，其特征在于所述斜槽式框形结构铰链（3-1）可采用5052铝合金、6061铝合金、7075铝合金、Ti-35A钛合金或Ti-13钛合金材料。
7.根据权利要求4所述的一种斜槽式精密压电粘滑直线马达，其特征在于斜槽式定子（3）的半圆形驱动足（3-1-4）端面相应涂有陶瓷类或玻璃纤维类摩擦材料。
8.根据权利要求1所述的一种斜槽式精密压电粘滑直线马达，其特征在于所述的所述动子（4）为双列交叉滚柱导轨，包括固定导轨（4-1）、活动导轨（4-2）、双列交叉滚柱导轨保持架（4-3）和导轨限位螺钉（4-4）；所述固定导轨（4-1），通过导轨螺纹安装孔（1-4）固定于导轨固定安装接触平面（1-3）上，所述活动导轨（4-2）端面相应涂有陶瓷类或玻璃纤维类摩擦材料，所述固定导轨（4-1）设置有双列交叉滚柱导轨保持架（4-3）和滚柱，动子（4）的固定导轨（4-1）和活动导轨（4-2）的两端设置导轨限位螺钉（4-4）进行限位。
9.一种斜槽式精密压电粘滑直线马达驱动方法，该驱动方法基于权利要求1所述的斜槽式精密压电粘滑直线马达实现；所述驱动方法特征在于驱动波为锯齿波，摩擦调控波为正弦波，其中锯齿驱动波周期为T1，激励电压幅值为V1，对称性为D，微幅摩擦正弦调控波周期为T2，激励电压幅值为V2，锯齿驱动波与微幅摩擦正弦调控波的周期比为T1/T2=10~100000，激励电压幅值比为V1/V2大于2。
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