CN106026766B - 菱形铰链拨片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
一种菱形铰链拨片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。本发明由预紧力调节机构、拨片式定子和动子三部分组成；所述拨片式定子利用拨片式菱形运动转换器来产生侧向位移，增大摩擦驱动力，减小摩擦阻力；同时将摩擦调控波耦合叠加于拨片式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的机械输出特性。本发明具有结构简单、精度高和行程大等特点，可广泛应用于半导体加工与光学精密仪器等先进技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种菱形铰链拨片式正交驱动型压电粘滑直线马达，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定子（或称振子）产生微幅振动，通过定子与动子间的摩擦耦合实现机械能输出的精密微纳马达。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，压电粘滑直线马达因具有结构简单、行程大、输出力大等优点，被广泛应用于半导体加工与光学精密仪器等先进技术领域。
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铰链拨片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：
所述一种菱形铰链拨片式正交驱动型压电粘滑直线马达由预紧力调节机构、拨片式定子和动子三部分组成。
所述预紧力调节机构由下支撑台、预压滑台和预紧螺栓组成。所述下支撑台设置有动子安装孔和动子安装基准面，通过动子安装孔将动子固定于动子安装基准面上；所述下支撑台设置有锥形孔，通过锥形孔将下支撑台与外围装置固定；所述下支撑台设置有内侧固定导轨，内侧固定导轨安装有下导轨限位螺钉，用于避免预压滑台滑出内侧固定导轨；所述下支撑台设置有滚珠保持架，通过与内侧固定导轨配合使用；所述下支撑台设置有固定螺钉、锁紧保持架和锁紧螺栓，通过调节锁紧螺栓将锁紧保持架和预压滑台固定；所述下支撑台设置有预压弹簧和下弹簧固定销，通过预压弹簧和下弹簧固定销固连，用于实现预压滑台的回程运动；所述下支撑台设置有预紧螺栓安装孔，通过预紧螺栓和预紧螺栓安装孔的螺纹连接，实现预压滑台的固定。所述预压滑台设置有铰链安装孔，通过铰链安装孔将拨片式定子固定在预压滑台上；所述预压滑台设置有上导轨限位螺钉，用于限制预压滑台的运动范围；所述预压滑台设置有上弹簧固定销，用于固定预压弹簧的另一端；所述预压滑台端部设置有锁紧螺纹孔，通过与锁紧螺栓采用螺纹连接固定预压滑台；所述预压滑台设置有外侧固定导轨，通过滚珠保持架与内侧固定导轨间接接触。
所述拨片式定子包括拨片式运动转换机构、叠堆型压电陶瓷、预紧螺钉和垫块。所述拨片式运动转换机构设置有铰链固定孔，通过铰链固定孔将拨片式定子与预压滑台连接固定；所述拨片式运动转换机构设置有端部直圆形柔性铰链和中部直圆形柔性铰链；所述拨片式运动转换机构设置有J形运动足，所述J形运动足可将受到锯齿波电信号激励的叠堆型压电陶瓷振动产生的微位移转化为拨片式定子的侧向位移输出，实现了摩擦力的综合调控；所述运动足端面摩擦陶瓷材料，有助于驱动活动导轨移动；所述拨片式运动转换机构设置有预紧螺钉安装孔，通过与预紧螺钉采用螺纹连接固定叠堆型压电陶瓷，所述叠堆型压电陶瓷的前端面与拨片式运动转换机构之间设置有垫块，叠堆型压电陶瓷的后端面与预紧螺钉之间设置有垫块。通过调整预紧螺钉的旋进量，可实现对叠堆型压电陶瓷的轴向预紧。
所述动子包括固定导轨、活动导轨、滚柱保持架和导轨安装螺栓；所述固定导轨通过动子安装孔固定在动子安装基准面上，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，所述动子设置有滚柱保持架，固定导轨通过滚柱保持架与活动导轨间接接触，所述动子端部设置有导轨安装螺栓，用于限制活动导轨的运动范围。
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拨片式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。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拨片式定子结构，同时通过复合激励电信号进行激励，增大了拨片式定子缓慢变形阶段拨片式定子与动子间摩擦驱动力，降低了拨片式定子快速变形阶段拨片式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的机械输出特性。与当前已有技术相比，本发明提出的压电粘滑直线马达输出力提升20%以上，输出速度提升30%以上，输出效率提升50%以上，位移回退率降低50%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铰链拨片式正交驱动型压电粘滑直线马达的结构示意图；
图2所示为本本发明提出的菱形铰链拨片式正交驱动型压电粘滑直线马达的预紧力调节机构的结构示意图；
图3所示为本发明提出的菱形铰链拨片式正交驱动型压电粘滑直线马达的预紧力调节机构的下支撑台结构示意图；
图4所示为本发明提出的菱形铰链拨片式正交驱动型压电粘滑直线马达的预紧力调节机构的预压滑台俯视结构示意图；
图5所示为本发明提出的菱形铰链拨片式正交驱动型压电粘滑直线马达的预紧力调节机构的预压滑台的仰视结构示意图；
图6所示为本发明提出的菱形铰链拨片式正交驱动型压电粘滑直线马达的拨片式定子结构示意图；
图7所示为本发明提出的菱形铰链拨片式正交驱动型压电粘滑直线马达的拨片式定子的拨片式运动转换机构结构示意图；
图8所示为本发明提出的菱形铰链拨片式正交驱动型压电粘滑直线马达的拨片式定子的拨片式运动转换机构局部放大结构示意图；
图9所示为本发明提出的菱形铰链拨片式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菱形铰链拨片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铰链拨片式正交驱动型压电粘滑直线马达的具体实施方案。所述一种菱形铰链拨片式正交驱动型压电粘滑直线马达包括预紧力调节机构1、拨片式定子2和动子3组成。
所述预紧力调节机构1由下支撑台1-1、预压滑台1-2和预紧螺栓1-3组成，其中预紧力调节机构1的下支撑台1-1和预压滑台1-2均采用不锈钢材料。所述下支撑台1-1设置有动子安装孔1-1-1和动子安装基准面1-1-8，通过动子安装孔1-1-1将动子2固定在动子安装基准面1-1-8上；所述下支撑台1-1设置有锥形孔1-1-2，通过锥形孔1-1-2将下支撑台1-1与外围装置固定；所述下支撑台1-1设置有内侧固定导轨1-1-9，内侧固定导轨1-1-9安装有下导轨限位螺钉1-1-3，用于避免预压滑台1-2滑出内侧固定导轨1-1-9；所述下支撑台1-1设置有滚珠保持架1-1-4，用于与内侧固定导轨1-1-9滑动接触配合；所述下支撑台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将锁紧保持架1-1-6和预压滑台1-2固定；所述下支撑台1-1设置有预压弹簧1-1-10和下弹簧固定销1-1-11，通过预压弹簧1-1-10和下弹簧固定销1-1-11固连，用于实现预压滑台1-2的回程运动；所述下支撑台1-1设置有预紧螺栓安装孔1-1-12，通过预紧螺栓1-3和预紧螺栓安装孔1-1-12采用螺纹连接，实现预压滑台1-2的预紧固定。所述预压滑台1-2设置有铰链安装孔1-2-1，通过铰链安装孔1-2-1将拨片式定子2固定在预压滑台1-2上；所述预压滑台1-2设置有上导轨限位螺钉1-2-2，用于限制预压滑台1-2的运动范围；所述预压滑台1-2设置有上弹簧固定销1-2-3，用于预压弹簧1-1-10的固定；所述预压滑台1-2端部设置有锁紧螺纹孔1-2-4，通过与锁紧螺栓1-1-7采用螺纹连接固定预压滑台1-2；所述预压滑台1-2设置有外侧固定导轨1-2-5，通过滚珠保持架1-1-4与内侧固定导轨1-1-9间接接触。
所述拨片式定子2包括拨片式运动转换机构2-1、叠堆型压电陶瓷2-2、预紧螺钉2-3、垫块2-4。所述拨片式运动转换机构2-1可以采用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，本实施方式中的拨片式运动转换机构2-1采用7075铝合金材料。所述拨片式运动转换机构2-1设置有铰链固定孔2-1-1，通过铰链固定孔2-1-1将拨片式定子2与预压滑台1-2连接固定。所述拨片式运动转换机构2-1设置有端部直圆形柔性铰链2-1-2和中部直圆形柔性铰链2-1-5，端部直圆形柔性铰链2-1-2具有的圆角半径为R1，中部直圆形柔性铰链2-1-5具有的圆角半径R2，端部直圆形柔性铰链2-1-2与中部直圆形柔性铰链2-1-5具有的圆角半径的比值K=R1/R2，其圆角半径的比值K的取值为0.1~0.8，通过调节圆角半径的比值K，可改变拨片式运动转换机构2-1的轴向刚度分布，本实施方式端部直圆形柔性铰链2-1-2与中部直圆形柔性铰链2-1-5具有的圆角半径的比值为0.6。所述拨片式运动转换机构2-1设置有拨片式菱形铰链2-1-3，拨片式菱形铰链2-1-3的壁厚与端部直圆形柔性铰链2-1-2的圆角半径R1满足的比例关系如下，拨片式菱形铰链2-1-3的壁厚为b，R1与b的比值R1/b取值为0.1~0.5，调整壁厚值b与圆角半径R1的比值，可改变拨片式运动转换机构2-1的偏转刚度，本实施方式中选取的壁厚比值R1/b为0.3。所述拨片式运动转换机构2-1设置有J形运动足2-1-4，J形运动足2-1-4可将受到锯齿波电信号激励下的叠堆型压电陶瓷2-2振动产生的微位移转化为侧向位移输出，J形运动足2-1-4的内弧圆角半径为R3，外弧圆角半径R4，其中内、外弧圆角半径的比值e=R3/R4取值为0.2~0.5，通过调节e值，可以改变拨片式定子2的轴向刚度，实现了摩擦力的综合调控，本实施方式中选取的圆半径的比值e=0.3。所述J形运动足2-1-4底端壁厚为a，所述拨片式菱形铰链2-1-3的铰链端部设置的平面的宽度为Z，通过调节二者的比值M=a/Z，可以改变J形运动足2-1-4的刚度，其比值M的取值为0.3~0.6，本实施方式中选取的比值M=0.4。考虑到马达自身需要满足结构紧凑性需求，J形运动足2-1-4在沿轴向的距离设置为L，轴向距离L=20~30 mm，本实施方式中选取L值=25 mm。所述运动足2-1-4端面摩擦陶瓷材料，用于驱动动子3运动；所述拨片式运动转换机构2-1设置有预紧螺钉安装孔2-1-6，预紧螺钉安装孔2-1-6与预紧螺钉2-3采用螺纹连接，所述叠堆型压电陶瓷2-2采用PI或NEC公司的产品，所述叠堆型压电陶瓷2-2的后端面与预紧螺钉2-3之间设置有垫块2-4，叠堆型压电陶瓷2-2的前端面与拨片式运动转换机构2-1之间设置有垫块2-4，目的是为了保护叠堆型压电陶瓷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的旋进量，可实现对叠堆型压电陶瓷2-2的轴向预紧。
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通过动子安装孔1-1-1固定在动子安装基准面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，固定导轨3-1通过滚柱保持架3-3与活动导轨3-2间接接触，所述动子3端部设置有导轨安装螺栓3-4，用于限制活动导轨3-2的运动范围。
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菱形铰链拨片式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。所述一种菱形铰链拨片式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拨片式定子快速变形阶段的锯齿驱动波中，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。
工作原理：菱形铰链拨片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，利用拨片式运动转换机构沿轴向刚度分布不均而产生侧向位移，综合调控拨片式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。本发明的定子由于采用拨片式结构，使得拨片式定子沿轴向刚度分布不均匀，激发拨片式定子驱动端产生侧向位移，调整拨片式定子与动子间接触的正压力，即在拨片式定子缓慢变形阶段，增大拨片式定子与动子间接触的正压力，进而增加拨片式定子与动子间的摩擦驱动力，在拨片式定子快速变形阶段，减小拨片式定子与动子间接触的正压力，进而减小拨片式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，提升整机输出性能。同时，本发明通过将摩擦调控波复合叠加于拨片式定子快速变形阶段的锯齿驱动波中，激发拨片式定子处于微幅高频振动状态，改善拨片式定子与动子间传动接触状态，减小拨片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铰链拨片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。其中利用拨片式运动转换机构来产生侧向位移，增大摩擦驱动力，减小摩擦阻力；同时将摩擦调控波耦合叠加于拨片式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，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、精度高和输出大等特点，在半导体加工与光学精密仪器等先进技术领域具有很好的应用前景。
Claims (8)
1.一种菱形铰链拨片式正交驱动型压电粘滑直线马达，该菱形铰链拨片式正交驱动型压电粘滑直线马达包括预紧力调节机构（1）、拨片式定子（2）和动子（3）；所述拨片式定子（2）固定安装在预紧力调节机构（1）上，动子（3）固定安装在预紧力调节机构（1）上；其特征在于预紧力调节机构（1）由下支撑台（1-1）、预压滑台（1-2）和预紧螺栓（1-3）组成；所述下支撑台（1-1）设置有动子安装孔（1-1-1）和动子安装基准面（1-1-8），通过动子安装孔（1-1-1）将动子（2）固定在动子安装基准面（1-1-8）上，下支撑台（1-1）设置有锥形孔（1-1-2），通过锥形孔（1-1-2）将下支撑台（1-1）与外围装置固定，下支撑台（1-1）设置有内侧固定导轨（1-1-9），内侧固定导轨（1-1-9）安装有下导轨限位螺钉（1-1-3），下支撑台（1-1）设置有滚珠保持架（1-1-4），下支撑台（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）将锁紧保持架（1-1-6）和预压滑台（1-2）固定，下支撑台（1-1）设置有预压弹簧（1-1-10）和下弹簧固定销（1-1-11），下支撑台（1-1）设置有预紧螺栓安装孔（1-1-12），通过预紧螺栓（1-3）和预紧螺栓安装孔（1-1-12）采用螺纹连接进行预压滑台（1-2）的固定；所述预压滑台（1-2）设置有铰链安装孔（1-2-1），通过铰链安装孔（1-2-1）将拨片式定子（2）固定，预压滑台（1-2）设置有上导轨限位螺钉（1-2-2）和上弹簧固定销（1-2-3），预压滑台（1-2）端部设置有锁紧螺纹孔（1-2-4），通过与锁紧螺栓（1-1-7）采用螺纹连接固定预压滑台（1-2），预压滑台（1-2）设置有外侧固定导轨（1-2-5），通过滚珠保持架（1-1-4）与内侧固定导轨（1-1-9）间接接触。
2.根据权利要求1所述的一种菱形铰链拨片式正交驱动型压电粘滑直线马达，其特征在于拨片式定子（2）包括拨片式运动转换机构（2-1）、叠堆型压电陶瓷（2-2）、预紧螺钉（2-3）和垫块（2-4）；所述拨片式运动转换机构（2-1）设置有铰链固定孔（2-1-1），通过铰链固定孔（2-1-1）将拨片式定子（2）固定在预压滑台（1-2）上，拨片式运动转换机构（2-1）设置有端部直圆形柔性铰链（2-1-2）和中部直圆形柔性铰链（2-1-5），拨片式运动转换机构（2-1）设置有J形运动足（2-1-4），拨片式运动转换机构（2-1）设置有预紧螺钉安装孔（2-1-6），其中，预紧螺钉安装孔（2-1-6）与预紧螺钉（2-3）采用螺纹连接；所述叠堆型压电陶瓷（2-2）的后端面与预紧螺钉（2-3）之间设置有垫块（2-4），叠堆型压电陶瓷（2-2）的前端面与拨片式运动转换机构（2-1）之间设置有垫块（2-4）。
3.根据权利要求1所述的一种菱形铰链拨片式正交驱动型压电粘滑直线马达，其特征在于动子（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）通过动子安装孔（1-1-1）固定在导轨安装平面（1-1-8）上，动子（3）设置有滚柱保持架（3-3），固定导轨（3-1）通过滚柱保持架（3-3）与活动导轨（3-2）间接接触，所述动子（3）端部设置有导轨安装螺栓（3-4）。
4.根据权利要求2所述的一种菱形铰链拨片式正交驱动型压电粘滑直线马达，其特征在于拨片式定子（2）的拨片式运动转换机构（2-1）设置有端部直圆形柔性铰链（2-1-2）和中部直圆形柔性铰链（2-1-5），端部直圆形柔性铰链（2-1-2）具有的圆角半径为R1，中部直圆形柔性铰链（2-1-5）的圆角半径为R2，端部直圆形柔性铰链（2-1-2）与中部直圆形柔性铰链（2-1-5）具有的圆角半径的比值K=R1/R2，其圆角半径的比值K的取值为0.1~0.8。
5.根据权利要求2所述的一种菱形铰链拨片式正交驱动型压电粘滑直线马达，其特征在于拨片式定子（2）的拨片式运动转换机构（2-1）设置有菱形铰链拨片式菱形铰链（2-1-3），所述端部直圆形柔性铰链（2-1-2）的圆角半径为R1，菱形铰链拨片式菱形铰链（2-1-3）的壁厚为b，R1与b的比值R1/b取值为0.1~0.5。
6.根据权利要求2所述的一种菱形铰链拨片式正交驱动型压电粘滑直线马达，其特征在于拨片式定子（2）的拨片式运动转换机构（2-1）采用5052铝合金、6061铝合金、7075铝合金或Ti-35A钛合金材料。
7.根据权利要求2所述的一种菱形铰链拨片式正交驱动型压电粘滑直线马达，其特征在于拨片式定子（2）的J形运动足（2-1-4）端面涂有陶瓷类或玻璃纤维类摩擦材料。
8.一种菱形铰链拨片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所述的菱形铰链拨片式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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