CN105827143A - 菱形斜楔式正交驱动型压电粘滑直线马达及其复合激励方法 - Google Patents
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Abstract
一种菱形斜楔式正交驱动型压电粘滑直线马达及其复合激励方法，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。本发明由斜楔形定子、预加载装置、安装支座和动子组成四部分组成，所述斜楔形定子采用楔形结构的非对称铰链，利用斜楔式菱形运动转换器与定子驱动足轴向刚度分布不均来产生侧向位移，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，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，在精密医疗器械、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
本发明涉及一种菱形斜楔式正交驱动型压电粘滑直线马达及其复合激励方法，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综合调控困难，所导致的机械输出特性受限，产生类锯齿状不平稳运动输出，劣化输出性能等技术问题，本发明公开了一种菱形斜楔式正交驱动型压电粘滑直线马达及其复合激励方法。
本发明所采用的技术方案是：
一种使用精密压电粘滑直线马达由斜楔形定子、预加载装置、安装支座和动子组成。
所述斜楔形定子包括斜楔式菱形运动转换器、压电堆叠、预紧螺栓和调整垫片。所述斜楔式菱形运动转换器采用楔形结构的非对称铰链，所述斜楔式菱形运动转换器设置有固定安装光孔，通过螺钉将斜楔式菱形运动转换器与上矩形滑台的上表面进行紧固连接。压电堆叠产生的轴向输出力驱使斜楔式菱形运动转换器产生单侧偏转，所述斜楔式菱形运动转换器设置有菱形铰链，所述斜楔式菱形运动转换器设置定子驱动足和运动转换机构，所述运动转换机构可将压电堆叠产生的轴向位移转换为定子驱动足的侧向位移，所述定子驱动足驱动端面涂有摩擦材料，所述定子驱动活动导轨运动。所述预紧螺钉安装孔与预紧螺钉进行螺纹连接，所述压电堆叠的后端面与预紧螺钉之间设置有调整垫片，所述压电堆叠的前端面与斜楔式菱形运动转换器之间设置有调整垫片，通过调整预紧螺钉的旋进长度，可实现对压电堆叠的轴向预紧调节。
所述预加载装置包括下矩形滑台、上矩形滑台、手动调节螺杆和滑台锁紧螺钉。所述下矩形滑台设置有螺纹孔用于与手动调节螺杆进行螺纹连接，所述下矩形滑台设置有弹簧固定短圆柱销用于安装预压弹簧，所述下矩形滑台设置有导向导轨用于上矩形滑台的移动。所述导向导轨设置有导轨限位螺钉可避免上矩形滑台超出导向导轨的行程。所述下矩形滑台底部设置有沉头孔，通过螺钉可实现与安装支座之间的固定安装，所述下矩形滑台设置有上矩形滑台锁紧架和锁紧架固定螺钉，通过调节滑台锁紧螺钉实现对上矩形滑台的锁紧。所述上矩形滑台上端面设置有定子安装螺纹孔用于固定安装斜楔形定子，所述上矩形滑台的侧面设置有上矩形滑台螺钉安装孔与滑台锁紧螺钉进行螺纹连接。
所述安装支座包括支座安装孔、预加载装置安装孔、导轨安装接触面和导轨螺纹安装孔。所述安装支座通过支座安装沉头孔将安装支座与其它外围装置进行固定，预加载装置安装孔，用于预加载装置的固定，所述导轨安装接触面和导轨螺纹安装孔用于固定动子。
所述动子为双列交叉滚柱导轨，包括固定导轨、活动导轨、滚柱保持架和限位螺栓。通过螺钉与导轨螺纹安装孔配合将固定导轨安装在导轨安装接触面上，所述固定导轨设置有滚柱保持架和滚柱，所述活动导轨端面相应涂有陶瓷类或玻璃纤维类摩擦材料。动子的固定导轨和活动导轨的两端设置限位螺栓进行限位。
所述复合激励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。所述复合激励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楔形定子结构，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，抑制位移回退运动的产生，可显著提升压电粘滑直线马达机械输出特性。与当前已有技术相比，输出力提升10%以上，输出速度提升25%以上，位移回退率降低50%以上，输出效率提升了35%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菱形斜楔式正交驱动型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菱形斜楔式正交驱动型压电粘滑直线马达斜楔形定子结构示意图；
图3所示为本发明提出的菱形斜楔式正交驱动型压电粘滑直线马达斜楔形定子的斜楔式菱形运动转换器的结构示意图；
图4所示为本发明提出的菱形斜楔式正交驱动型压电粘滑直线马达斜楔形定子的斜楔式菱形运动转换器的局部放大结构示意图；
图5所示为本发明提出的菱形斜楔式正交驱动型压电粘滑直线马达预加载装置的结构示意图；
图6所示为本发明提出的菱形斜楔式正交驱动型压电粘滑直线马达下矩形滑台的结构示意图；
图7所示为本发明提出的菱形斜楔式正交驱动型压电粘滑直线马达上矩形滑台的结构示意图；
图8所示为本发明提出的菱形斜楔式正交驱动型压电粘滑直线马达安装支座的结构示意图；
图9所示为本发明提出的菱形斜楔式正交驱动型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菱形斜楔式正交驱动型压电粘滑直线马达复合激励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菱形斜楔式正交驱动型压电粘滑直线马达的具体实施方案。所述一种菱形斜楔式正交驱动型压电粘滑直线马达由斜楔形定子1、预加载装置2、安装支座3和动子4组成。
所述斜楔形定子1包括斜楔式菱形运动转换器1-1、压电堆叠1-2、预紧螺栓1-3和调整垫片1-4；所述斜楔式菱形运动转换器1-1采用楔形结构的非对称铰链，所述斜楔式菱形运动转换器1-1可采用5052、6061或7075铝合金材料，所述斜楔式菱形运动转换器1-1设置有固定安装光孔1-1-1，通过螺钉将斜楔式菱形运动转换器1-1与上矩形滑台2-2的上表面进行紧固连接，所述斜楔式菱形运动转换器1-1设置有弧形柔性铰链1-1-2、切口型柔性铰链1-1-6。弧形柔性铰链1-1-2具有圆角半径值R1，切口型柔性铰链1-1-6具有圆角半径值R2，R1与R2的比值范围为0.1~1，调整圆角半径R1与R2的比值，可改变斜楔式菱形运动转换器1-1的轴向刚度分布，压电堆叠1-2产生的轴向输出力驱使斜楔式菱形运动转换器1-1产生单侧偏转，所述斜楔式菱形运动转换器1-1设置有菱形铰链1-1-3。具体地，菱形铰链1-1-3壁厚值为b，R1与b的比值范围为0.1~0.45，调整壁厚值b与圆角半径R1的比值，可改变斜楔式菱形运动转换器1-1的偏转角。所述斜楔式菱形运动转换器1-1设置定子驱动足1-1-4、运动转换机构1-1-5，所述定子驱动足1-1-4与运动转换机构1-1-5形成一定角度θ，其中θ的取值范围为45°~80°，所述运动转换机构1-1-5可将压电堆叠1-2产生的轴向位移转换为定子驱动足1-1-4的侧向位移，改变θ的值可改变压电堆叠1-2的轴向位移的放大倍数。所述定子驱动足1-1-4高度值为L、宽度值Z，L与Z的比值范围为1~4，调整L与Z的比值可以改变定子驱动足1-1-4的偏转角范围。定子驱动足1-1-4的圆形驱动端半径为R3，R3与Z的比值范围为0.1~0.25，通过调整R3与Z的比值可以改变斜楔形定子1的驱动平稳性。所述定子驱动足1-1-4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。所述定子驱动足1-1-4驱动端面涂有陶瓷类或玻璃纤维类摩擦材料，所述斜楔形定子1驱动活动导轨4-2运动。斜楔形定子1采用斜楔式菱形运动转换器1-1使其轴向刚度分布不均，在压电堆叠1-2产生输出力使得定子驱动足1-1-4产生侧向偏转位移，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，所述预紧螺钉安装孔1-1-7与预紧螺栓1-3进行螺纹连接，所述压电堆叠1-2可以是PI或NEC等公司的压电堆叠产品，所述压电堆叠1-2的后端面与预紧螺栓1-3之间设置有调整垫片1-4，所述压电堆叠1-2的前端面与斜楔式菱形运动转换器1-1之间设置有调整垫片1-4，所述压电堆叠1-2前后端面设置调整垫片1-4的目的是为了保护压电堆叠1-2，通过调整预紧螺栓1-3的旋进长度，可实现对压电堆叠1-2的轴向预紧调节。
所述预加载装置2包括下矩形滑台2-1、上矩形滑台2-2、手动调节螺杆2-3和滑台锁紧螺钉2-4。所述下矩形滑台2-1设置有螺纹孔2-1-1，其用于与手动调节螺杆2-3进行螺纹连接，所述下矩形滑台2-1设置有弹簧固定短圆柱销2-1-2，用于安装预压弹簧2-1-4，所述下矩形滑台2-1设置有导向导轨2-1-3，用于上矩形滑台2-2的移动。所述导向导轨2-1-3设置有8n个导轨限位螺钉2-1-5可避免上矩形滑台2-2超出导向导轨2-1-3的行程，其中n为大于等于1的整数。所述下矩形滑台2-1底部设置有沉头孔2-1-6，通过螺钉可实现与安装支座3之间的固定安装，所述下矩形滑台2-1设置有上矩形滑台锁紧架2-1-7和锁紧架固定螺钉2-1-8，通过调节滑台锁紧螺钉2-4，可以实现对上矩形滑台2-2的锁紧，防止预加载完成后上矩形滑台2-2的移动。所述上矩形滑台2-2上端面设置有定子安装螺纹孔2-2-1，用于固定安装斜楔形定子1，所述上矩形滑台2-2的侧面设置有上矩形滑台螺钉安装孔2-2-2，所述上矩形滑台螺钉安装孔2-2-2与滑台锁紧螺钉2-4进行螺纹连接。
所述安装支座3包括支座安装孔3-1、预加载装置安装孔3-2、导轨安装接触面3-3和导轨螺纹安装孔3-4。所述安装支座3可采用高导磁不锈钢材料。所述支座安装孔3-1为沉头孔，可将安装支座3与其他外围装置进行固定，预加载装置安装孔3-2，用于预加载装置2的固定，所述导轨安装接触面3-3和导轨螺纹安装孔3-4用于固定安装动子4。
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、滚柱保持架4-3和限位螺栓4-4。通过螺钉与导轨螺纹安装孔3-4配合将固定导轨4-1固定于导轨安装接触面3-3上，所述固定导轨4-1设置有滚柱保持架4-3和滚柱，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，所述滚柱保持架4-3和滚柱为动子4的滑动提供支撑。为了避免滚柱保持架4-3和滚柱滑出导轨，分别在动子4的固定导轨4-1和活动导轨4-2的两端设置限位螺栓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菱形斜楔式正交驱动型压电粘滑直线马达复合激励方法的具体实施方案。所述一种菱形斜楔式正交驱动型压电粘滑直线马达复合激励方法如下所示。
所述复合激励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，所述复合激励方法中所采用的复合激励电信号由微幅摩擦正弦调控波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，所述复合激励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：菱形斜楔式正交驱动型压电粘滑直线马达及其复合激励方法主要是在复合电信号激励下，利用定子驱动足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。本发明由于采用斜楔式运动转换器使定子沿轴向刚度分布不均，激发定子驱动足产生侧向位移，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，本发明提供一种菱形斜楔式正交驱动型压电粘滑直线马达，利用定子驱动足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；本发明提供的复合激励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。斜楔式菱形运动转换器与压电堆叠装配成一个定子，装配简单，易于调节；所设计的预加载装置可方便的调节定子与动子之间接触的预紧力。本发明具有结构简单、精度高和行程大等特点，在精密医疗器械、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 (10)
1.一种菱形斜楔式正交驱动型压电粘滑直线马达，其特征在于该菱形斜楔式正交驱动型压电粘滑直线马达由斜楔形定子（1）、预加载装置（2）、安装支座（3）和动子（4）组成，斜楔形定子（1）通过螺栓固定在预加载装置（2）上，预加载装置（2）通过螺纹连接安装在支座（3）上，动子（4）通过螺纹连接固定在安装支座（3）上。
2.根据权利要求1所述的一种菱形斜楔式正交驱动型压电粘滑直线马达，其特征在于所述斜楔形定子（1）包括斜楔式菱形运动转换器（1-1）、压电堆叠（1-2）、预紧螺栓（1-3）和调整垫片（1-4），所述压电堆叠（1-2）通过预紧螺栓（1-3）和调整垫片（1-4）固定在斜楔式菱形运动转换器（1-1）内；所述斜楔式菱形运动转换器（1-1）设置有固定安装光孔（1-1-1），通过螺钉与固定安装光孔（1-1-1）配合将斜楔式菱形运动转换器（1-1）与上矩形滑台（2-2）的上表面进行紧固连接，所述斜楔式菱形运动转换器（1-1）设置有弧形柔性铰链（1-1-2）、切口型柔性铰链（1-1-6），所述斜楔式菱形运动转换器（1-1）设置定子驱动足（1-1-4）、运动转换机构（1-1-5），所述定子驱动足（1-1-4）驱动端面涂有摩擦材料，所述斜楔形定子（1）驱动活动导轨（4-2）运动，所述预紧螺钉安装孔（1-1-7）与预紧螺栓（1-3）进行螺纹连接，所述压电堆叠（1-2）的后端面与预紧螺栓（1-3）之间设置有调整垫片（1-4），所述压电堆叠（1-2）的前端面与斜楔式菱形运动转换器（1-1）之间设置有调整垫片（1-4），通过调整预紧螺栓（1-3）的旋进长度，可实现对压电堆叠（1-2）的轴向预紧调节。
3.根据权利要求2所述的一种菱形斜楔式正交驱动型压电粘滑直线马达，其特征在于所述弧形柔性铰链（1-1-2）具有圆角半径值R1，切口型柔性铰链（1-1-6）具有圆角半径值R2，R1/R2的比值为0.1~1。
4.根据权利要求2所述的一种菱形斜楔式正交驱动型压电粘滑直线马达，其特征在于所述定子驱动足（1-1-4）与运动转换机构（1-1-5）形成一定角度θ，其中θ的取值范围为45°~80°；所述定子驱动足（1-1-4）高度值为L、宽度值Z，L/Z的比值为1~4。
5.根据权利要求2所述的一种斜梯形运动转换式精密压电粘滑直线马达，其特征在于所述斜楔式菱形运动转换器（1-1）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。
6.根据权利要求2所述的一种菱形斜楔式正交驱动型压电粘滑直线马达，其特征在于斜楔形定子（1）的定子驱动足（1-1-4）端面相应涂有陶瓷类或玻璃纤维类摩擦材料。
7.根据权利要求1所述的一种菱形斜楔式正交驱动型压电粘滑直线马达，其特征在于所述预加载装置（2）包括下矩形滑台（2-1）、上矩形滑台（2-2）、手动调节螺杆（2-3）和滑台锁紧螺钉（2-4）；所述下矩形滑台（2-1）设置有螺纹孔（2-1-1）与手动调节螺杆（2-3）进行螺纹连接，所述下矩形滑台（2-1）设置有弹簧固定短圆柱销（2-1-2）和安装预压弹簧（2-1-4），所述下矩形滑台（2-1）设置有导向导轨（2-1-3），所述导向导轨（2-1-3）设置有导轨限位螺钉（2-1-5），所述下矩形滑台（2-1）底部设置有沉头孔（2-1-6），通过螺钉可实现与安装支座（3）之间的固定安装，所述下矩形滑台（2-1）设置有上矩形滑台锁紧架（2-1-7）和锁紧架固定螺钉（2-1-8），通过调节滑台锁紧螺钉（2-4），可以实现对上矩形滑台（2-2）的锁紧，所述上矩形滑台（2-2）上端面设置有定子安装螺纹孔（2-2-1），用于固定安装斜楔形定子（1），所述上矩形滑台（2-2）的侧面设置有上矩形滑台螺钉安装孔（2-2-2）与滑台锁紧螺钉（2-4）进行螺纹连接。
8.根据权利要求1所述的一种菱形斜楔式正交驱动型压电粘滑直线马达，其特征在于所述安装支座（3）包括支座安装孔（3-1）、预加载装置安装孔（3-2）、导轨安装接触面（3-3）和导轨螺纹安装孔（3-4）；所述安装支座（3）设置有支座安装孔（3-1）和预加载装置安装孔（3-2），所述导轨安装接触面（3-3）和导轨螺纹安装孔（3-4）用于固定安装动子（4）。
9.根据权利要求1所述的一种菱形斜楔式正交驱动型压电粘滑直线马达，其特征在于所述动子（4）包括固定导轨（4-1）、活动导轨（4-2）、滚柱保持架（4-3）和限位螺栓（4-4）；通过螺钉与导轨螺纹安装孔（3-4）配合将固定导轨（4-1）固定于导轨安装接触面（3-3）上，所述固定导轨（4-1）设置有滚柱保持架（4-3）和滚柱，动子（4）的固定导轨（4-1）和活动导轨（4-2）的两端设置限位螺栓（4-4）进行限位。
10.一种菱形斜楔式正交驱动型压电粘滑直线马达复合激励方法，该复合激励方法基于权利要求1所述的种菱形斜楔式正交驱动型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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