CN105897042A - 非对称菱形铰链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
一种非对称菱形铰链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。本发明由加载平台、定子和动子组成；所述定子利用非对称菱形运动转换器产生侧向位移，增大了摩擦驱动力，减小了摩擦阻力，所产生的侧向运动通过定子驱动足驱动动子运动；同时将摩擦调控波耦合叠加于定子快速变形阶段的锯齿驱动波中，降低快速变形阶段定、动子间摩擦阻力，降低位移回带率，显著提升压电粘滑直线马达的机械输出特性。本发明因具有结构紧凑、定位精度高等优点，在微纳操作、半导体加工以及精密光学仪器等具有结构微型化、定位精度要求高的领域中具有很好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种非对称菱形铰链正交驱动型压电粘滑直线马达及其激励方法，属于半导体加工与光学精密仪器等先进技术领域。
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，非共振型压电粘滑直线马达具有定位精度高、结构简单紧凑以及控制方便等优点，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，劣化驱动器输出性能等技术问题，本发明公开了一种非对称菱形铰链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：
所述的一种非对称菱形铰链正交驱动型压电粘滑直线马达由加载平台、定子和动子组成。所述加载平台由基座、上滑台和手动调节螺杆组成。所述基座设置动子安装孔与动子安装平面，用于安装动子；所述基座底部设置有基座安装孔，通过螺纹连接可实现与外围装置的固定安装；所述基座设置有导向架限位螺钉，用于滑台的移动限位；所述基座设置有滚珠架，用于上滑台的滑动；所述基座设置有滑板紧固螺钉、止动螺钉滑板和止动螺钉，所述止动螺钉用于上滑台的固定，通过调节止动螺钉，可实现对上滑台的锁紧，防止加载后上滑台移动；所述基座设置有导向架，用于支撑上滑台；所述导向架安装有导向架限位螺钉，为避免上滑台滑出导向架；所述基座设置有弹簧，用于上滑台的回程移动；所述基座设置有下弹簧固定柱，用于安装固定弹簧；所述基座设置有手动调节螺杆安装孔，其与手动调节螺杆进行螺纹连接。所述上滑台设置有定子安装孔，用于安装定子；所述上滑台设置有滑台限位螺钉，用于上滑台的移动限位；所述上滑台设置有上弹簧固定柱，配合下弹簧固定柱用于安装固定弹簧；所述上滑台侧面设置有止动螺钉安装孔，所述止动螺钉安装孔与止动螺钉螺纹连接；所述上滑台设置有导向滑杆，用于上滑台的移动；所述导向滑杆安装有滑台限位螺钉，避免上滑台滑出导向架。所述手动调节螺杆与手动调节螺杆安装孔螺纹连接，通过调整手动调节螺杆的旋进长度可以调节上滑台的位置，实现加载平台对预紧力的调节。
所述定子包括非对称菱形运动转换器、压电堆叠、预紧螺钉和调整垫片。所述非对称菱形运动转换器采用非对称菱形结构的铰链。所述非对称菱形运动转换器设置有安装通孔，通过螺钉将非对称菱形运动转换器与上滑台的上表面进行紧固连接；所述非对称菱形运动转换器设置有切口型柔性铰链、圆弧形柔性铰链，可改变非对称菱形运动转换器的轴向刚度分布；所述非对称菱形运动转换器设置有菱形铰链，可改变非对称菱形运动转换器的偏转刚度；所述非对称菱形运动转换器设置有圆弧切口和定子驱动足；所述圆弧切口会引起菱形铰链的刚度分布不均匀，引起定子驱动足的单向偏转，所述圆弧切口可将压电堆叠的轴向振动位移转换为定子驱动足的侧向位移，所述定子驱动足驱动活动导轨运动。定子采用非对称菱形铰链运动转换器，使其轴向刚度分布不均而产生单一方向的侧向位移，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非对称菱形运动转换器之间设置有调整垫片，所述压电堆叠前后端面设置垫片的目的是为了保护压电堆叠，防止其产生切应变或局部受力不均，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。
所述动子为非对称菱形铰链正交驱动型压电粘滑直线马达的动子，所述动子为双列交叉滚柱导轨，包括固定导轨、活动导轨、滚柱保持架和导轨安装螺栓。所述固定导轨，通过螺钉固定于动子安装平面上；所述活动导轨端面涂有陶瓷类或玻璃纤维类摩擦材料；所述动子设置有滚柱保持架，滚柱保持架为导轨的滑动提供支撑。为了避免滚柱保持架滑出导轨，同时限制动子的运动范围，分别在动子的固定导轨和活动导轨的两端设置导轨安装螺栓。
所述驱动方法中所采用的复合激励电信号由摩擦调控波耦合叠加于定子快速变形阶段的驱动波中，所述摩擦调控波为正弦波，驱动波为锯齿波。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定子结构，同时采用复合激励电信号进行激励，增大了定子缓慢变形阶段定子与动子间摩擦驱动力，降低了定子快速变形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综合调控，降低了位移回带率，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30%以上，输出效率提升40%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非对称菱形铰链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非对称菱形铰链正交驱动型压电粘滑直线马达的加载平台结构示意图；
图3所示为本发明提出的非对称菱形铰链正交驱动型压电粘滑直线马达的加载平台的基座的结构示意图；
图4所示为本发明提出的非对称菱形铰链正交驱动型压电粘滑直线马达的加载平台的上滑台的俯视结构示意图；
图5所示为本发明提出的非对称菱形铰链正交驱动型压电粘滑直线马达的加载平台的上滑台的仰视结构示意图；
图6所示为本发明提出的非对称菱形铰链正交驱动型压电粘滑直线马达的定子的结构示意图；
图7所示为本发明提出的非对称菱形铰链正交驱动型压电粘滑直线马达的定子的非对称菱形运动转换器的结构示意图；
图8所示为本发明提出的非对称菱形铰链正交驱动型压电粘滑直线马达的非对称菱形运动转换器的局部放大结构示意图；
图9所示为本发明提出的非对称菱形铰链正交驱动型压电粘滑直线马达的动子结构示意图；
图10所示为本发明提出的非对称菱形铰链正交驱动型压电粘滑直线马达的复合激励方法波形示意图。
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非对称菱形铰链正交驱动型压电粘滑直线马达的具体实施方案。所述非对称菱形铰链正交驱动型压电粘滑直线马达由加载平台1、定子2和动子3组成。
所述加载平台1为非对称菱形铰链正交驱动型压电粘滑直线马达的预紧力调节装置，所述加载平台1由基座1-1、上滑台1-2和手动调节螺杆1-3组成。所述基座1-1可采用不锈钢材料。所述基座1-1设置动子安装孔1-1-1、动子安装平面1-1-8，用于安装动子3；所述基座1-1底部设置有基座安装孔1-1-2，通过螺纹连接可实现与外围装置的固定安装；所述基座1-1设置有导向架限位螺钉1-1-3，用于基座1-1的移动限位；所述基座1-1设置有滚珠架1-1-4，用于上滑台1-2的滑动；所述基座1-1设置有滑板紧固螺钉1-1-5、止动螺钉滑板1-1-6和止动螺钉1-1-7，所述止动螺钉1-1-7用于上滑台1-2的固定，通过调节止动螺钉1-1-7，可实现对上滑台1-2的锁紧，防止加载后上滑台1-2移动；所述基座1-1设置有导向架1-1-9，用于支撑上滑台1-2，所述导向架1-1-9安装有4n个导向架限位螺钉1-1-3，其中n为大于等于1的整数，避免上滑台1-2滑出导向架1-1-9；所述基座1-1设置有弹簧1-1-10，用于上滑台1-2的回程移动；所述基座1-1设置有下弹簧固定柱1-1-11，用于安装固定弹簧1-1-10；所述基座1-1设置有手动调节螺杆安装孔1-1-12，其与手动调节螺杆1-3进行螺纹连接。所述上滑台1-2设置有定子安装孔1-2-1，用于安装定子2；所述上滑台1-2设置有滑台限位螺钉1-2-2，用于上滑台1-2的移动限位；所述上滑台1-2设置有上弹簧固定柱1-2-3，配合下弹簧固定柱1-1-11用于安装固定弹簧1-1-10；所述上滑台1-2侧面设置有止动螺钉安装孔1-2-4，所述止动螺钉安装孔1-2-4与止动螺钉1-1-7螺纹连接；所述上滑台1-2设置有导向滑杆1-2-5，用于上滑台1-2的移动，所述导向滑杆1-2-5安装有4n个滑台限位螺钉1-2-2，其中n为大于等于1的整数，避免上滑台1-2滑出导向架1-1-9。所述手动调节螺杆1-3与手动调节螺杆安装孔1-1-12螺纹连接，通过调整手动调节螺杆1-3的旋进长度可以调节上滑台1-2的位置，实现加载平台1对锁紧力的调节。
所述定子2包括非对称菱形运动转换器2-1、压电堆叠2-2、预紧螺钉2-3和调整垫片2-4。所述非对称菱形运动转换器2-1采用非对称菱形结构的铰链，所述非对称菱形运动转换器2-1可采用5052、6061或7075铝合金材料。所述非对称菱形运动转换器2-1设置有安装通孔2-1-1，非对称菱形运动转换器2-1通过安装通孔2-1-1与上滑台1-2的上表面进行紧固连接；所述非对称菱形运动转换器2-1设置有切口型柔性铰链2-1-2、圆弧形柔性铰链2-1-6，切口型柔性铰链2-1-2具有圆角半径值R1，圆弧形柔性铰链2-1-6具有圆角半径值R2，R1与R2的比值为2~5，调整圆角半径R1与R2的比值，可改变非对称菱形运动转换器2-1的轴向刚度分布。本实施方式中R1与R2的比值的取值为3。R1与R2的值不同，引起非对称菱形运动转换器2-1的轴向刚度分布不均匀，在压电堆叠2-2产生轴向振动位移时，非对称菱形运动转换器2-1的轴线会发生偏转产生侧向位移。所述非对称菱形运动转换器2-1设置有菱形铰链2-1-3，菱形铰链2-1-3壁厚值为b，R1与b的比值为0.1~0.45，调整圆角半径R1与壁厚值b的比值，可改变非对称菱形运动转换器2-1的偏转刚度，本实施方式中R1与b的比值的取值为0.2；所述非对称菱形运动转换器2-1设置有圆弧切口2-1-4、定子驱动足2-1-5，所述圆弧切口会引起菱形铰链2-1-3的刚度分布不均匀，所述圆弧切口2-1-4具有厚度值a，a与b的比值为0.1~0.45，改变a与b的比值可以改变菱形铰链2-1-3的刚度分布，引起定子驱动足2-1-5的单向偏转，本实施方式中a与b的比值的取值为0.3。所述圆弧切口2-1-4可将压电堆叠2-2的轴向振动位移转换为定子驱动足2-1-5的侧向位移，所述定子驱动足2-1-5驱动动子3运动，所述定子驱动足2-1-5相应端面涂有摩擦材料。定子2采用非对称菱形铰链运动转换器，使其轴向刚度分布不均而产生单一方向的侧向位移，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。所述预紧螺钉安装孔2-1-7与预紧螺钉2-3进行螺纹连接。所述压电堆叠2-2的后端面与预紧螺钉2-3之间设置有调整垫片2-4，所述压电堆叠2-2的前端面与非对称菱形运动转换器2-1之间设置有调整垫片2-4，目的是为了保护压电堆叠2-2，防止其产生切应变或局部受力不均。通过调整预紧螺钉2-3的旋进长度，可实现对压电堆叠2-2的轴向预紧调节。
所述动子3为双列交叉滚柱导轨，动子3选用高碳钢作为加工材料。所述动子3包括固定导轨3-1、活动导轨3-2、滚柱保持架3-3和导轨安装螺栓3-4。所述固定导轨3-1，通过螺钉固定于动子安装平面1-1-8上；所述活动导轨3-2端面涂有陶瓷类或玻璃纤维类摩擦材料；所述动子3设置有滚柱保持架3-3，滚柱保持架3-3为导轨的滑动提供支撑。另外，为了避免滚柱保持架3-3滑出导轨，同时限制动子3的运动范围，分别在动子3的固定导轨3-1和活动导轨3-2的两端设置导轨安装螺栓3-4。
具体实施方式二：结合图10说明本实施方式。本实施方式提供了一种非对称菱形铰链正交驱动型压电粘滑直线马达的复合激励方法的具体实施方案。所述一种非对称菱形铰链正交驱动型压电粘滑直线马达的复合激励方法如下所示。
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驱动波中，所述摩擦调控波为正弦波，驱动波为锯齿波。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。
工作原理：非对称菱形铰链正交驱动型压电粘滑直线马达主要是通过改变定子在非对称电信号激励下缓慢变形与快速变形两个阶段的摩擦力。其中在定子缓慢变形阶段，动子在静摩擦力作用下随着定子一起发生缓慢的“粘”运动，此时静摩擦力提供驱动力，增大定子与动子间摩擦力可提升马达输出性能；在定子快速变形阶段，定子与动子间产生的滑动摩擦力为摩擦阻力，特别是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，微观上表现为类锯齿状的不平稳运动，劣化输出性能，影响定位精度，此时设法降低定子与动子滑动摩擦阻力，可改善马达综合输出特性。本发明由于采用非对称菱形铰链结构作为定子结构，使得定子轴向刚度分布不均匀，激发定子驱动端产生侧向位移，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阶段摩擦驱动力与快速变形阶段摩擦阻力的综合调控，提升马达输出性能。同时，本发明通过将摩擦调控波耦合施加于定子快速变形阶段的驱动波中，激发定子处于微幅高频振动状态，从而降低了快速变形阶段定、动子间摩擦阻力，降低了位移回带率，显著提升压电粘滑直线马达的机械输出特性。
综合以上所述内容，本发明提供一种非对称菱形铰链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。其中，定子利用非对称菱形运动转换器来产生侧向位移，增大了摩擦驱动力，减小了摩擦阻力；同时将摩擦调控波耦合叠加于定子快速变形阶段的锯齿驱动波中，降低了快速变形阶段定、动子间摩擦阻力，降低了位移回带率，显著提升压电粘滑直线马达的机械输出特性。本发明具有结构紧凑、定位精度高、行程大等特点，在微纳操作、半导体加工以及精密光学仪器等具有结构微型化、定位精度要求高的领域中具有很好的应用前景。
Claims (8)
1.一种非对称菱形铰链正交驱动型压电粘滑直线马达，其特征在于该非对称菱形铰链正交驱动型压电粘滑直线马达由加载平台（1）、定子（2）和动子（3）组成；所述定子（2）固定安装在加载平台（1）上，动子（3）固定安装在加载平台（1）上。
2.根据权利要求1所述的一种非对称菱形铰链正交驱动型压电粘滑直线马达，其特征在于加载平台（1）由基座（1-1）、上滑台（1-2）和手动调节螺杆（1-3）组成；所述基座（1-1）设置动子安装孔（1-1-1）、动子安装平面（1-1-8），通过动子安装孔（1-1-1）将动子（3）安装在动子安装平面（1-1-8）上，基座（1-1）底部设置有基座安装孔（1-1-2），通过螺纹连接可实现基座（1-1）与外围装置的固定安装，基座（1-1）设置有导向架限位螺钉（1-1-3），用于上滑台（1-2）的移动限位，基座（1-1）设置有滚珠架（1-1-4），用于上滑台（1-2）的移动导向，基座（1-1）设置有滑板紧固螺钉（1-1-5）、止动螺钉滑板（1-1-6）和止动螺钉（1-1-7），止动螺钉（1-1-7）和止动螺钉滑板（1-1-6）采用螺纹连接，通过调节止动螺钉（1-1-7）实现上滑台（1-2）的固定，所述基座（1-1）设置有导向架（1-1-9），导向架（1-1-9）安装有导向架限位螺钉（1-1-3），基座（1-1）设置有弹簧（1-1-10）和下弹簧固定柱（1-1-11），弹簧（1-1-10）的一端通过下弹簧固定柱（1-1-11）连接在基座（1-1）上，基座（1-1）设置有手动调节螺杆安装孔（1-1-12），其与手动调节螺杆（1-3）进行螺纹连接；所述上滑台（1-2）设置有定子安装孔（1-2-1），上滑台（1-2）设置有滑台限位螺钉（1-2-2），上滑台（1-2）设置有上弹簧固定柱（1-2-3），上滑台（1-2）侧面设置有止动螺钉安装孔（1-2-4），止动螺钉安装孔（1-2-4）与止动螺钉（1-1-7）螺纹连接，上滑台（1-2）设置有导向滑杆（1-2-5），导向滑杆（1-2-5）安装有滑台限位螺钉（1-2-2）；所述手动调节螺杆（1-3）与手动调节螺杆安装孔（1-1-12）采用螺纹连接。
3.根据权利要求1所述的一种非对称菱形铰链正交驱动型压电粘滑直线马达，其特征在于定子（2）包括非对称菱形运动转换器（2-1）、压电堆叠（2-2）、预紧螺钉（2-3）和调整垫片（2-4）；所述非对称菱形运动转换器（2-1）采用非对称菱形结构的铰链，非对称菱形运动转换器（2-1）设置有安装通孔（2-1-1），非对称菱形运动转换器（2-1）通过安装通孔（2-1-1）与上滑台（1-2）的上表面进行紧固连接，非对称菱形运动转换器（2-1）设置有切口型柔性铰链（2-1-2）、圆弧形柔性铰链（2-1-6），非对称菱形运动转换器（2-1）设置有圆弧切口（2-1-4）、定子驱动足（2-1-5），非对称菱形运动转换器（2-1）设置有预紧螺钉安装孔（2-1-7）与预紧螺钉（2-3）进行螺纹连接；所述压电堆叠（2-2）的后端面与预紧螺钉（2-3）之间设置有调整垫片（2-4），压电堆叠（2-2）的前端面与非对称菱形运动转换器（2-1）之间设置有调整垫片（2-4）。
4.根据权利要求1所述的一种非对称菱形铰链正交驱动型压电粘滑直线马达，其特征在于动子（3）为双列交叉滚柱导轨，包括固定导轨（3-1）、活动导轨（3-2）、滚柱保持架（3-3）和导轨安装螺栓（3-4）；所述固定导轨（3-1）通过动子安装孔（1-1-1）固定于动子安装平面（1-1-8）上，动子（3）设置有滚柱保持架（3-3）；固定导轨（3-1）和活动导轨（3-2）的两端安装有导轨安装螺栓（3-4）。
5.根据权利要求1所述的一种非对称菱形铰链正交驱动型压电粘滑直线马达，其特征在于定子（2）的非对称菱形运动转换器（2-1）采用5052铝合金、6061铝合金、7075铝合金或Ti-13钛合金材料；所述加载平台（1）的基座（1-1）采用的是不锈钢材料；所述动子（3）采用高碳钢材料。
6.根据权利要求3所述的一种非对称菱形铰链正交驱动型压电粘滑直线马达，其特征在于定子（2）的定子驱动足（2-1-5）端面涂有陶瓷类或玻璃纤维类摩擦材料；所述活动导轨（3-2）端面涂有陶瓷类或玻璃纤维类摩擦材料。
7.根据权利要求3所述的一种非对称菱形铰链正交驱动型压电粘滑直线马达，其特征在于所述定子（2）的非对称菱形运动转换器（2-1）设置有切口型柔性铰链（2-1-2）和圆弧形柔性铰链（2-1-6），切口型柔性铰链（2-1-2）具有圆角半径值R1，圆弧形柔性铰链（2-1-6）具有圆角半径值R2，R1与R2的比值为2~5。
8.一种非对称菱形铰链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所述的一种非对称菱形铰链正交驱动型压电粘滑直线马达实现；所述复合激励方法特征在于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驱动波中，所述驱动波为锯齿波，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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