CN105897044A - 斜楔式菱形放大机构压电粘滑直线电机及其激励方法 - Google Patents
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Abstract
一种斜楔式菱形放大机构压电粘滑直线电机及其激励方法，以解决当前压电粘滑直线电机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。本发明包括预压力调节机构、斜楔式定子和动子；所述定子的斜楔式菱形运动转换机构具有微位移放大功能，由于其轴向刚度分布不均既产生侧向位移，又可增大摩擦驱动力和减小摩擦阻力；同时将摩擦调控波耦合叠加于斜楔式定子快速变形驱动阶段的锯齿驱动波中，降低快速变形驱动阶段定、动子间摩擦阻力，实现对摩擦力的综合调控，提升压电粘滑直线电机的机械输出特性。本发明因具有结构简单紧凑、易装配、控制方便、定位精度高以及行程大等优点可以广泛应用于半导体加工等微纳精密驱动与定位技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种斜楔式菱形放大机构压电粘滑直线电机及其激励方法，属于微纳精密驱动与定位技术领域。
背景技术
压电粘滑直线电机是一种基于压电元件的逆压电效应，在非对称电信号激励下激发定子（或称振子）产生微幅高频振动，利用定子与动子间的摩擦耦合实现机械能输出的微纳精密压电粘滑直线电机。按照驱动原理的不同，压电粘滑直线电机主要分为共振型压电电机（也称超声波电机）与非共振型压电电机（也称压电粘滑电机）两大类。与共振型压电电机相比，压电粘滑直线电机具有结构简单紧凑、控制方便、定位精度高及行程不受限等特点，被广泛应用于半导体加工、精密光学仪器等微纳精密驱动与定位技术领域。
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驱动阶段，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电机无法实现对整个粘滑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电机快速变形驱动阶段的摩擦力进行调控，进一步限制压电粘滑直线电机的应用与发展。
发明内容
为解决已有压电粘滑直线电机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，本发明公开一种斜楔式菱形放大机构压电粘滑直线电机及其激励方法。
本发明所采用的技术方案是：
所述斜楔式菱形放大机构压电粘滑直线电机包括预压力调节机构、斜楔式定子和动子。
所述预压力调节机构由固定台架、加载平台和手动调节螺栓组成，其中预压力调节机构的固定台架与加载平台采用不锈钢材料。所述固定台架设置有动子安装孔和动子安装基面，用于固定安装动子，所述固定台架底部设置有沉头孔，用于与外围装置连接固定，所述固定台架设置有滚珠保持架组件和内侧固定导轨，通过滚珠保持架组件连接内侧固定导轨，用于完成加载平台的预加载操作，内侧固定导轨安装有下导轨限位螺钉，避免加载平台滑出内侧固定导轨，所述固定台架设置有固定螺钉、锁紧保持架和锁紧螺栓，通过调节锁紧螺栓实现锁紧保持架和加载平台的固定，避免工作过程中加载平台发生窜动，所述固定台架设置有手动调节螺栓安装孔，通过与手动调节螺栓采用螺纹配合实现对斜楔式定子的预紧力调节，所述固定台架设置有安装弹簧和下弹簧固定销，用于完成加载平台预加载后的回程运动。所述加载平台设置有定子安装孔，通过螺纹连接将斜楔式定子固定在加载平台上，所述加载平台设置有上导轨限位螺钉，通过与下导轨限位螺钉成对使用来限制加载平台的移动范围，所述加载平台设置有上弹簧固定销，用于与安装弹簧的另一端固连，所述加载平台设置有锁紧螺纹孔，通过螺纹连接安装锁紧螺栓，所述加载平台设置有外侧移动导轨，用于带动加载平台移动。所述手动调节螺栓与手动调节螺栓安装孔采用螺纹连接，通过改变手动调节螺栓的旋进量，可以调整对加载平台的锁紧力。
所述斜楔式定子由斜楔式菱形运动转换机构、垫片、压电堆叠和预紧螺钉组成。所述斜楔式菱形运动转换机构设置有定子固定孔，用于实现斜楔式定子与加载平台的紧固连接，所述斜楔式菱形运动转换机构设置有驱动足，用于驱动动子实现运动输出，所述斜楔式菱形运动转换机构设置有斜楔式运动转换器，用于将受到锯齿波电信号激励的压电堆叠振动产生的微位移转换为驱动足侧向位移。由于轴向刚度分布不均而产生侧向位移的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。所述斜楔式菱形运动转换机构设置有斜楔式菱形柔性铰链，用于将压电堆叠的微位移放大，所述斜楔式菱形柔性铰链设置有铰链短轴和铰链长轴，改变铰链长轴与短轴的比值，可以调节斜楔式菱形柔性铰链在垂直驱动方向上的微位移放大倍数，所述斜楔式菱形运动转换机构设置有预紧螺钉安装孔，通过与预紧调整螺栓采用螺纹连接方式实现压电堆叠预紧。所述压电堆叠的前后端面和预紧调整螺栓之间设置有垫片，目的是保护压电堆叠，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进量，可以改变压电堆叠的轴向预紧力。
所述动子为双列交叉滚柱导轨，包括固定滑轨、运动滑轨、滚柱保持架和端部限位螺钉。所述固定滑轨通过动子安装螺纹孔安装于动子安装基面上，所述滚柱保持架用于连接运动滑轨和固定滑轨。
所述激励方法中采用的耦合激励电信号由摩擦调控波耦合叠加于斜楔式定子快速变形驱动阶段的驱动波中，所述摩擦调控波为正弦波，所述驱动波为锯齿波；所述激励方法可减小快速变形驱动阶段斜楔式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：
本发明采用具有摩擦力综合调控功能的斜楔式定子结构，并通过耦合激励电信号进行激励，增大斜楔式定子缓慢变形驱动阶段斜楔式定子与动子间摩擦驱动力，降低定子快速变形驱动阶段斜楔式定子与动子间摩擦阻力，实现对压电粘滑直线电机整个驱动过程的摩擦力进行综合调控，可显著提升其机械输出特性，降低位移回带率，开环条件下定位精度可达纳米级。与当前已有技术相比，结构简单紧凑、装配方便、输出力提升10%以上，输出速度提升50%以上，输出效率提升60%以上。
附图说明
图1所示为本发明提出的斜楔式菱形放大机构压电粘滑直线电机的结构示意图；
图2所示为本发明提出的斜楔式菱形放大机构压电粘滑直线电机的预压力调节机构结构示意图；
图3所示为本发明提出的斜楔式菱形放大机构压电粘滑直线电机的固定台架结构示意图；
图4所示为本发明提出的斜楔式菱形放大机构压电粘滑直线电机的加载平台俯视结构示意图；
图5所示为本发明提出的斜楔式菱形放大机构压电粘滑直线电机的加载平台仰视结构示意图；
图6所示为本发明提出的斜楔式菱形放大机构压电粘滑直线电机的斜楔式定子结构示意图；
图7所示为本发明提出的斜楔式菱形放大机构压电粘滑直线电机的斜楔式菱形运动转换机构结构示意图；
图8所示为本发明提出的斜楔式菱形放大机构压电粘滑直线电机的斜楔式菱形运动转换机构局部俯视结构示意图；
图9所示为本发明提出的斜楔式菱形放大机构压电粘滑直线电机的斜楔式定子局部侧视结构示意图；
图10所示为本发明提出的斜楔式菱形放大机构压电粘滑直线电机的动子结构示意图；
图11所示为本发明提出的斜楔式菱形放大机构压电粘滑直线电机的耦合激励电信号波形示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1~图10说明本实施方式。本实施方式提供一种斜楔式菱形放大机构压电粘滑直线电机的具体实施方案。所述一种使用斜楔式菱形放大机构压电粘滑直线电机由预压力调节机构1、斜楔式定子2和动子3组成。
所述预压力调节机构1由固定台架1-1、加载平台1-2和手动调节螺栓1-3组成，其中预压力调节机构1的固定台架1-1与加载平台1-2采用不锈钢材料。所述固定台架1-1设置有动子安装孔1-1-1和动子安装基面1-1-12，通过动子安装孔1-1-1将动子3固定在动子安装基面1-1-12上；所述固定台架1-1底部设置有沉头孔1-1-2，用于与外围装置进行连接固定；所述固定台架1-1设置有滚珠保持架组件1-1-4，用于辅助支撑加载平台1-2运动；所述固定台架1-1设置有固定螺钉1-1-5、锁紧保持架1-1-6和锁紧螺栓1-1-7，通过调节锁紧螺栓1-1-7实现锁紧保持架1-1-6和加载平台1-2固定，防止电机工作过程中加载平台1-2发生窜动。所述固定台架1-1设置有手动调节螺栓安装孔1-1-8，通过与手动调节螺栓1-3采用螺纹配合实现对斜楔式定子2预紧。所述固定台架1-1设置有下弹簧固定销1-1-9和安装弹簧1-1-10，实现加载平台1-2预加载后的回程运动；所述固定台架1-1设置有内侧固定导轨1-1-11，用于辅助加载平台1-2完成预加载操作，内侧固定导轨1-1-11安装有4n个下导轨限位螺钉1-1-3，其中n为大于等于1的整数，避免加载平台1-2滑出内侧固定导轨1-1-11。所述加载平台1-2设置有定子安装孔1-2-1，通过螺纹连接来固定斜楔式定子2；所述加载平台1-2设置有4n个上导轨限位螺钉1-2-2，其中n为大于等于1的整数，通过与下导轨限位螺钉1-1-3共同使用来限制加载平台1-2的移动范围。所述加载平台1-2设置有上弹簧固定销1-2-3，用于固定安装弹簧1-1-10的另一端；所述加载平台1-2设置有锁紧螺纹孔1-2-4，通过螺纹连接安装锁紧螺栓1-1-7；所述加载平台1-2设置有外侧移动导轨1-2-5，用于带动加载平台1-2移动。所述手动调节螺栓1-3与手动调节螺栓安装孔1-1-8进行螺纹连接，通过改变手动调节螺栓1-3的旋进量，可以调整加载平台1-2的锁紧力，实现对斜楔式定子2的预紧力调节。
所述斜楔式定子2由斜楔式菱形运动转换机构2-1、垫片2-2、压电堆叠2-3和预紧螺钉2-4组成。所述斜楔式菱形运动转换机构2-1采用斜楔式菱形柔性铰链结构，其加工材料采用5052铝合金材料。所述斜楔式菱形运动转换机构2-1设置有定子固定孔2-1-1，通过螺纹连接实现斜楔式定子2与加载平台1-2的紧固连接；所述斜楔式菱形运动转换机构2-1设置有驱动足2-1-4，其端面涂有摩擦陶瓷材料，通过滑动摩擦表面接触来驱动动子3移动。具体地，驱动足2-1-4的厚度为H，通过调节驱动足2-1-4的厚度H可以改变与动子3间的实际接触面积；其厚度H小于动子接触面宽度的1~2 mm，本实施方式中选取驱动足的厚度为6 mm。所述斜楔式菱形运动转换机构2-1设置有斜楔式运动转换器2-1-3，其沿短轴方向的长度值为N，为保证电机整装结构的紧凑性，便于微型化与智能化。斜楔式运动转换器沿短轴方向的长度值为N与铰链短轴A之间满足一定比值关系，其中N/A满足的具体范围为0.5~1.5之间，本实施方式中选取斜楔式运动转换器沿长度值为N与铰链短轴A之间的比值N/A为1.2。斜楔式运动转换器用于将压电堆叠2-3振动产生的微位移转换为驱动足2-1-4的侧向位移；所述斜楔式运动转换器2-1-3与驱动足2-1-4形成一定的夹角值θ，其中夹角θ取值为20°~80°，通过改变夹角θ值，可以改变斜楔式运动转换器的轴向刚度，进而调节转化的侧向位移值大小。由于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，同时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，本实施方式中选取夹角θ值为30°。所述斜楔式菱形运动转换机构2-1设置有斜楔式菱形柔性铰链2-1-2，用于压电堆叠2-3的微位移放大，所述斜楔式菱形柔性铰链2-1-2设置有铰链短轴和铰链长轴。具体地，铰链短轴的长度为A，铰链长轴的长度为B，其长轴与短轴的比值K=B/A为斜楔式菱形柔性铰链2-1-2在垂直驱动方向上的微位移放大倍数，其微位移放大倍数K取值为1~10，调整长轴与短轴比值B/A，可改变铰链的微位移放大倍数，本实施方式中铰链的微位移放大倍数K=8。所述斜楔式菱形运动转换机构2-1设置有刚性梁2-1-6和柔性梁2-1-7。具体地，刚性梁2-1-6的厚度为C，柔性梁2-1-7的厚度为D，柔性梁2-1-7厚度D值小于刚性梁2-1-6厚度值C，其比值为e=C/D取值为1.1~1.5，通过调节e值，进一步将压电堆叠产生的微位移放大，本实施方式中刚性梁2-1-6和柔性梁2-1-7的厚度比e=1.2。所述斜楔式菱形运动转换机构2-1设置有预紧螺钉安装孔2-1-5，通过与预紧螺钉2-4进行螺纹连接实现压电堆叠2-3的预紧。所述压电堆叠2-3可以采用PI公司的压电堆叠产品，所述压电堆叠2-3的前后端面和预紧螺钉2-4之间设置有垫片2-2，目的是保护压电堆叠2-3，防止其产生切应变或局部受力不均，通过调节预紧螺钉2-4的旋进量，可以改变压电堆叠2-3的轴向预紧力。
所述动子3为双列交叉滚柱导轨，包括固定滑轨3-1、运动滑轨3-2、滚柱保持架3-3和端部限位螺钉3-4。所述固定滑轨3-1通过动子安装基面1-1-12安装于固定台架1-1上，所述运动滑轨3-2端面涂有陶瓷类或玻璃纤维类摩擦材料；所述滚柱保持架3-3用于连接运动滑轨3-2和固定滑轨3-1；所述端部限位螺钉3-4用于避免运动滑轨3-2滑出固定滑轨3-1。
具体实施方式二：结合图11说明本实施方式。本实施方式提供一种斜楔式菱形放大机构压电粘滑直线电机激励方法的具体实施方案。所述一种斜楔式菱形放大机构压电粘滑直线电机的激励方法如下所示。
所述激励方法中采用的复合激励电信号由摩擦调控波复合叠加于斜楔式定子快速变形驱动阶段的锯齿驱动波中，所述摩擦调控波可为正弦波。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。
工作原理：斜楔式菱形放大机构压电粘滑直线电机的激励方法主要是在耦合电信号激励下，综合调控斜楔式定子与动子间的摩擦力，进而提升压电粘滑直线电机机械输出特性。其中，在斜楔式定子缓慢变形驱动阶段，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电机输出性能；在定子快速变形驱动阶段，斜楔式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，此时设法降低斜楔式定子与动子滑动摩擦阻力，可改善电机综合输出特性。本发明的斜楔式定子由于采用斜楔式菱形运动转换机构，使得斜楔式定子轴向刚度分布不均匀，激发斜楔式定子的驱动足产生侧向位移，调整斜楔式定子与动子间接触的正压力，即在斜楔式定子缓慢变形驱动阶段，增大斜楔式定子与动子间接触的正压力，进而增加斜楔式定子与动子间的摩擦驱动力，在斜楔式定子快速变形驱动阶段，减小斜楔式定子与动子间接触的正压力，进而减小斜楔式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斜楔式定子快速变形驱动阶段的锯齿驱动波中，激发斜楔式定子处于微幅高频振动状态，改善斜楔式定子与动子间传动接触状态，减小斜楔式定子与动子间的真实接触面积和实际接触时间，从而降低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电机的机械输出特性。
综合以上所述内容，本发明提供一种斜楔式菱形放大机构压电粘滑直线电机及其激励方法，以解决当前压电粘滑直线电机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。所提出的斜楔式菱形放大机构压电粘滑直线电机，具有结构紧凑、装配方便、定位精度高及行程不受限等特点。所提出的激励方法明显降低压电粘滑直线电机的位移回带率，提升其机械输出特性，在精密光学仪器、半导体加工等微纳精密驱动与定位技术领域能够得到广泛应用。
Claims (9)
1.一种斜楔式菱形放大机构压电粘滑直线电机，其特征在于该斜楔式菱形放大机构压电粘滑直线电机由预压力调节机构（1）、斜楔式定子（2）和动子（3）组成；所述斜楔式定子（2）固定安装在预压力调节机构（1）上，动子（3）固定安装在预压力调节机构（1）上。
2.根据权利要求1所述的一种斜楔式菱形放大机构压电粘滑直线电机，其特征在于预压力调节机构（1）由固定台架（1-1）、加载平台（1-2）和手动调节螺栓（1-3）组成；所述固定台架（1-1）设置有动子安装孔（1-1-1）和动子安装基面（1-1-12），固定台架（1-1）底部设置有沉头孔（1-1-2），固定台架（1-1）设置有滚珠保持架组件（1-1-4）和内侧固定导轨（1-1-11），固定台架（1-1）设置有固定螺钉（1-1-5）、锁紧保持架（1-1-6）和锁紧螺栓（1-1-7），锁紧螺栓（1-1-7）通过锁紧保持架（1-1-6）与加载平台（1-2）固定，固定台架（1-1）设置有手动调节螺栓安装孔（1-1-8），通过与手动调节螺栓（1-3）螺纹连接预紧斜楔式定子（2），固定台架（1-1）设置有下弹簧固定销（1-1-9）和安装弹簧（1-1-10）；所述加载平台（1-2）设置有定子安装孔（1-2-1），斜楔式定子（2）通过定子安装孔（1-2-1）与加载平台（1-2）固定，加载平台（1-2）设置有上弹簧固定销（1-2-3），安装弹簧（1-1-10）固接于上弹簧固定销（1-2-3）上，加载平台（1-2）设置有锁紧螺纹孔（1-2-4），通过与锁紧螺栓（1-1-7）采用螺纹连接预紧加载平台（1-2），加载平台（1-2）设置有外侧移动导轨（1-2-5），与加载平台（1-2）采用螺纹连接固定。
3.根据权利要求1所述的一种斜楔式菱形放大机构压电粘滑直线电机，其特征在于斜楔式定子（2）包括斜楔式菱形运动转换机构（2-1）、垫片（2-2）、压电堆叠（2-3）和预紧螺钉（2-4）；所述的斜楔式菱形运动转换机构（2-1）设置有定子固定孔（2-1-1），斜楔式定子（2）通过定子固定孔（2-1-1）与加载平台（1-2）固定，斜楔式菱形运动转换机构（2-1）设置有驱动足（2-1-4）和斜楔式运动转换器（2-1-3），斜楔式菱形运动转换机构（2-1）设置有斜楔式菱形铰链（2-1-2），斜楔式菱形运动转换机构（2-1）设置有预紧螺钉安装孔（2-1-5），通过与预紧螺钉（2-4）配合预紧固定压电堆叠（2-3）；所述的压电堆叠（2-3）的前后端面与预紧螺钉（2-4）之间设置有垫片（2-2）。
4.根据权利要求3所述的一种斜楔式菱形放大机构压电粘滑直线电机，其特征在于斜楔式定子（2）的驱动足（2-1-4）和斜楔式运动转换器（2-1-3），斜楔式运动转换器（2-1-3）与驱动足（2-1-4）之间形成的夹角值为θ，其中θ取值为20°~80°。
5.根据权利要求3所述的一种斜楔式菱形放大机构压电粘滑直线电机，其特征在于斜楔式定子（2）的铰链短轴长度值为A，铰链长轴长度值为B，其长轴与短轴的比值K=B/A为斜楔式菱形铰链（2-1-2）在垂直驱动方向上的微位移放大倍数，其中，微位移放大倍数K取值为1~10。
6.根据权利要求3所述的一种斜楔式菱形放大机构压电粘滑直线电机，其特征在于斜楔式定子（2）的斜楔式菱形运动转换机构（2-1）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3所述的一种斜楔式菱形放大机构压电粘滑直线电机，其特征在于定子（2）的驱动足（2-1-4）端面涂有陶瓷类或玻璃纤维类摩擦材料。
8.根据权利要求1所述的一种斜楔式菱形放大机构压电粘滑直线电机，其特征在于斜楔式动子（3）为双列交叉滚柱导轨，包括固定滑轨（3-1）、运动滑轨（3-2）、滚柱保持架（3-3）和端部限位螺钉（3-4）；固定滑轨（3-1）通过动子安装螺纹孔（1-1-1）固定于动子安装基面（1-1-12）上，固定滑轨（3-1）通过滚柱保持架（3-3）与运动滑轨（3-2）连接；端部限位螺钉（3-4）设置于固定导轨（3-1）和运动滑轨（3-2）的端部。
9.一种斜楔式菱形放大机构压电粘滑直线电机的激励方法，该激励方法基于权利要求1所述的斜楔式菱形放大机构压电粘滑直线电机实现；所述激励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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