CN106059381A - 斜梯型振幅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
一种斜梯型振幅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。本发明由基座、预加载组件、斜梯型定子和动子组成；所述定子的斜梯型振幅放大转换机构可实现微位移放大，利用其轴向刚度分布不均产生侧向位移的同时，既可增大摩擦驱动力，又可减小摩擦阻力。同时将摩擦调控波耦合叠加于斜梯型定子快速变形驱动阶段的锯齿驱动波中，从而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。本发明因具有结构紧凑、装配方便、定位精度高以及行程大等特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
本发明涉及一种斜梯型振幅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、易装配、定位精度高及行程不受限等优点，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，本发明公开一种斜梯型振幅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：
所述一种斜梯型振幅放大机构压电粘滑直线电机包括基座、预加载组件、斜梯型定子和动子。
所述基座采用不锈钢材料，采用“L”型结构设计，包括基座安装孔、预加载组件安装孔、动子安装基面和动子安装螺纹孔。所述基座安装孔，通过螺栓与外围平台固定连接，所述预加载组件安装孔，通过螺纹连接将预加载组件固定在基座上；所述动子安装基面和动子安装螺纹孔，通过动子安装螺纹孔将动子固定在动子安装基面上。所述预加载组件由下固定板、上移动板、手动调节螺杆和锁紧螺杆四部分组成。所述下固定板设置有手动调节螺杆安装孔，通过与手动调节螺杆采用螺纹连接预紧上移动板；所述下固定板设置有弹簧固定螺钉和预压弹簧，用于实现上移动板的回程运动；所述下固定板设置有导轨固定架，导轨固定架安装有导轨限位螺钉，避免上移动板滑出下固定板；所述下固定板设置有沉头孔，通过基座将下固定板与基座固连；所述下固定板设置有锁紧保持架和固定螺钉，通过锁紧保持架与上移动板的锁紧。所述上移动板设置有定子安装孔，通过定子安装孔将斜梯型定子安装在上移动板上；所述上移动板设置有锁紧螺纹孔，通过与锁紧螺杆采用螺纹配合来固定上移动板。
所述斜梯型定子包括斜梯型振幅放大转换机构、调整垫片、叠堆型压电陶瓷致动器和预紧调整螺栓。所述斜梯型振幅放大转换机构设置有定子固定孔，通过定子固定孔将斜梯型定子安装到上移动板上；所述斜梯型振幅放大转换机构采用斜梯型菱形铰链结构，斜梯型菱形铰链设置有铰链长轴和铰链短轴，可以改变斜梯型菱形铰链的微位移放大倍数。所述斜梯型振幅放大转换机构设置有斜梯型运动转换器，斜梯型运动转换器设置有直驱梁和斜驱梁，可调节斜梯型振幅放大转换机构的轴向偏转刚度，可以实现对摩擦力的综合调控。所述斜梯型振幅放大转换机构设置有驱动足，驱动动子实现运动输出。所述斜梯型振幅放大转换机构设置有预紧调整螺栓安装孔，通过与预紧调整螺栓采用螺纹连接实现叠堆型压电陶瓷致动器预紧固定。所述叠堆型压电陶瓷致动器的前后端面与预紧调整螺栓之间设置有调整垫片，目的是保护叠堆型压电陶瓷致动器，防止其产生切应变或局部受力不均，并通过调节预紧调整螺栓的旋进量，可改变叠堆型压电陶瓷致动器的轴向预紧力。
所述动子包括固定滑轨、滚柱保持架、双列交叉滚柱导轨安装螺栓、运动滑轨和端部限位螺钉。所述固定滑轨通过动子安装螺纹孔安装固定于动子安装基面上；所述运动滑轨端面涂有陶瓷类摩擦材料，运动滑轨通过滚柱保持架与固定滑轨间接接触；所述双列交叉滚柱导轨安装螺栓通过螺纹连接安装固定滑轨。
所述激励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斜梯型定子快速变形驱动阶段的锯齿驱动波中，所述摩擦调控波为正弦波；所述激励方法可减小快速变形驱动阶段斜梯型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梯型定子结构，并通过耦合激励电信号进行激励，增大斜梯型定子缓慢变形驱动阶段斜梯型定子与动子间摩擦驱动力，降低斜梯型定子快速变形驱动阶段斜梯型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的综合调控，可显著提升压电粘滑直线电机的机械输出特性，降低位移回退率，开环条件下定位精度可达纳米级。与当前已有技术相比，具有结构紧凑与控制方便等优点，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梯型振幅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梯型振幅放大机构压电粘滑直线电机的基座结构示意图；
图3所示为本发明提出的斜梯型振幅放大机构压电粘滑直线电机预加载组件结构示意图；
图4所示为本发明提出的斜梯型振幅放大机构压电粘滑直线电机下固定板结构示意图；
图5所示为本发明提出的斜梯型振幅放大机构压电粘滑直线电机上移动板结构示意图；
图6所示为本发明提出的斜梯型振幅放大机构压电粘滑直线电机斜梯型定子结构示意图；
图7所示为本发明提出的斜梯型振幅放大机构压电粘滑直线电机的斜梯型振幅放大转换机构结构示意图；
图8所示为本发明提出的斜梯型振幅放大机构压电粘滑直线电机的斜梯型振幅放大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梯型振幅放大机构压电粘滑直线电机的斜梯型振幅放大转换机构局部侧视结构示意图；
图10所示为本发明提出的斜梯型振幅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梯型振幅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梯型振幅放大机构压电粘滑直线电机的具体实施方案。所述一种斜梯型振幅放大机构压电粘滑直线电机包括基座1、预加载组件2、斜梯型定子3和动子4。
所述基座1采用不锈钢材料，其结构设计成“L”型。基座1包括基座安装孔1-1、预加载组件安装孔1-2、动子安装基面1-3和动子安装螺纹孔1-4。所述基座安装孔1-1，通过螺栓与外围平台固定连接；所述预加载组件安装孔1-2，用于将预加载组件2固定在基座1上；所述动子安装基面1-3和动子安装螺纹孔1-4，通过动子安装螺纹孔1-4将动子4固定在动子安装基面1-3上。
所述预加载组件2包括下固定板2-1、上移动板2-2、手动调节螺杆2-3和锁紧螺杆2-4，其中下固定板2-1和上移动板2-2采用45号钢材料。所述下固定板2-1设置有手动调节螺杆安装孔2-1-1，通过与手动调节螺杆2-3采用螺纹连接进行预紧上移动板2-2，调整手动调节螺杆2-3的旋进量可以改变上移动板2-2的位置，实现预加载组件2对斜梯型定子3的预紧力调节。所述下固定板2-1设置有弹簧固定螺钉2-1-2和预压弹簧2-1-4，通过弹簧固定螺钉2-1-2与预压弹簧2-1-4相固连，用于实现上移动板2-2的回程运动；所述下固定板2-1设置有导轨固定架2-1-3，用于支撑上移动板2-2；所述导轨固定架2-1-3安装有4n个导轨限位螺钉2-1-5，其中n为大于等于1的整数，避免上移动板2-2滑出下固定板2-1。所述下固定板2-1设置有沉头孔2-1-6，通过沉头孔2-1-6将下固定板2-1与基座1固连；所述下固定板2-1设置有锁紧保持架2-1-7和固定螺钉2-1-8，锁紧保持架2-1-7通过锁紧螺杆2-4与上移动板2-2固定，防止加载后上移动板2-2产生移动。所述上移动板2-2设置有定子安装孔2-2-1，通过定子安装孔2-2-1将斜梯型定子3固定在上移动板2-2上；所述上移动板2-2设置有锁紧螺纹孔2-2-2，通过锁紧螺纹孔2-2-2与锁紧螺杆2-4采用螺纹连接对上移动板2-2固定。
所述斜梯型定子3包括斜梯型振幅放大转换机构3-1、调整垫片3-2、叠堆型压电陶瓷致动器3-3和预紧调整螺栓3-4。所述斜梯型振幅放大转换机构3-1设置有定子固定孔3-1-1，通过定子固定孔3-1-1将斜梯型定子3固定在上移动板2-2上；所述斜梯型振幅放大转换机构3-1设置有斜梯型菱形铰链3-1-2，其采用5052铝合金材料；所述斜梯型菱形铰链3-1-2设置有铰链长轴和铰链短轴。具体地，铰链长轴长度为I，铰链短轴长度为K，其长轴与短轴的比值e=I/K为斜梯型菱形铰链3-1-2在垂直于驱动方向的微位移放大倍数，其微位移放大倍数e取值为1~10，调整比值e，可改变微位移放大倍数，实现斜梯型菱形铰链3-1-2的微位移放大，本实施方式中微位移的放大倍数e=7。所述斜梯型振幅放大转换机构3-1设置有柔性梁3-1-6和刚性梁3-1-7。具体地，柔性梁3-1-6的壁厚为F，刚性梁3-1-7的壁厚均为E，刚性梁与柔性梁的壁厚比值为P=E/F，壁厚值P取值为1.1~1.5，本实施方式中选取壁厚比值为P=1.2。通过改变柔性梁与刚性梁的壁厚比值进一步实现对叠堆型压电陶瓷致动器3-3的微位移放大；所述斜梯型振幅放大转换机构3-1设置有斜梯型运动转换器3-1-3，斜梯型运动转换器3-1-3设置有直驱臂3-1-8和斜驱臂3-1-9。具体地，直驱臂3-1-8的长度为B，考虑设计电机的结构紧凑、微型化和智能化等特点。本发明将铰链短轴长度K与直驱臂长度B设定为某一范围的比例关系，其中K/B取值为1.2~1.8，本实施方式中选取铰链短轴长度K与直驱臂3-1-8长度B的比值为1.5。斜梯型运动转换器3-1-3设置的直驱臂3-1-8与斜驱臂3-1-9间的夹角值为θ。具体地，直驱臂3-1-8与斜驱臂3-1-9间的夹角θ取值为30°~70°，通过改变夹角θ值，可调节斜梯型振幅放大转换机构3-1的轴向偏转刚度，并将叠堆型压电陶瓷致动器3-3的轴向振动产生微位移转换为斜梯型定子3的侧向位移输出，由于轴向刚度分布不均而产生侧向位移，可以实现对摩擦力的综合调控，本实施方式中直驱臂3-1-8与斜驱臂3-1-9的夹角值θ=40°。所述斜梯型振幅放大转换机构3-1设置有驱动足3-1-4，其端面涂有摩擦陶瓷类材料，通过线接触驱动动子4运动。具体地，驱动足3-1-4的厚度为H，通过改变厚度H可以改变驱动足3-1-4的刚度，当其厚度H小于动子4接触面宽度的1~2 mm时，可以实现很好的驱动效果，本实施方式中驱动足3-1-4的厚度为7 mm。所述斜梯型振幅放大转换机构3-1设置有预紧调整螺栓安装孔3-1-5，通过与预紧调整螺栓3-4采用螺纹连接固定叠堆型压电陶瓷致动器3-3。所述叠堆型压电陶瓷致动器3-3采用NEC公司的产品，叠堆型压电陶瓷致动器3-3的前后端面与预紧调整螺栓3-4之间设置有调整垫片3-2，其目的是保护叠堆型压电陶瓷致动器3-3，防止其产生切应变或局部受力不均，所述调整垫片3-2采用不锈钢材料，其厚度在2~3 mm范围时效果最佳，本实施方式中调整垫片的厚度为2 mm。通过调整预紧调整螺栓3-4的旋进量，可以间接的利用调整垫片3-2对叠堆型压电陶瓷致动器3-3预紧。
所述动子4包括固定滑轨4-1、滚柱保持架4-2、双列交叉滚柱导轨安装螺栓4-3、运动滑轨4-4和端部限位螺钉4-5。所述固定滑轨4-1通过动子安装螺纹孔1-4固定于动子安装基面1-3上，所述运动滑轨4-4端面涂有陶瓷类摩擦材料，所述滚柱保持架4-2为运动滑轨4-4的滑动提供支撑，所述双列交叉滚柱导轨安装螺栓4-3用于安装固定滑轨4-1，所述端部限位螺钉4-5用于限制运动滑轨4-4运动范围，避免其脱离固定滑轨4-1。
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梯型振幅放大机构压电粘滑直线电机激励方法的具体实施方案。所述一种斜梯型振幅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：斜梯型振幅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，综合调控定子与动子间的摩擦力，进而提升压电粘滑直线电机的机械输出特性。其中，在斜梯型定子缓慢变形驱动阶段，动子在静摩擦力作用下随着斜梯型定子一起发生缓慢的“粘”运动，此时静摩擦力提供驱动力，增大斜梯型定子与动子间摩擦力可提升电机输出性能；在斜梯型定子快速变形驱动阶段，斜梯型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，此时设法降低斜梯型定子与动子滑动摩擦阻力，可改善电机综合输出特性。本发明的斜梯型定子由于斜梯型振幅放大转换机构，使得斜梯型定子轴向刚度分布不均匀，激发斜梯型定子驱动端产生侧向位移，调整斜梯型定子与动子间接触的正压力，即在斜梯型定子缓慢变形驱动阶段，增大斜梯型定子与动子间接触的正压力，进而增加斜梯型定子与动子间的摩擦驱动力，在斜梯型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斜梯型定子快速变形驱动阶段的锯齿驱动波中，激发斜梯型定子处于微幅高频振动状态，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，本发明提供一种斜梯型振幅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。所提出的斜梯型振幅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。所提出的激励方法可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具有很好的应用前景。
Claims (10)
1.一种斜梯型振幅放大机构压电粘滑直线电机，其特征在于该斜梯型振幅放大机构压电粘滑直线电机由基座（1）、预加载组件（2）、斜梯型定子（3）和动子（4）组成；其中预加载组件（2）固定安装在基座（1）上，斜梯型定子（3）固定安装在预加载组件（2）上，动子（4）固定安装在基座（1）上。
2.根据权利要求1所述的一种斜梯型振幅放大机构压电粘滑直线电机，其特征在于基座（1）包括基座安装孔（1-1）、预加载组件安装孔（1-2）、动子安装基面（1-3）和动子安装螺纹孔（1-4）；所述基座安装孔（1-1）与外围平台连接，预加载组件（2）通过预加载组件安装孔（1-2）与基座（1）固定，通过动子安装螺纹孔（1-4）将动子（4）固定在动子安装基面（1-3）上。
3.根据权利要求1所述的一种斜梯型振幅放大机构压电粘滑直线电机，其特征在于预加载组件（2）包括有下固定板（2-1）、上移动板（2-2）、手动调节螺杆（2-3）和锁紧螺杆（2-4）；所述下固定板（2-1）设置有手动调节螺杆安装孔（2-1-1），通过与手动调节螺杆（2-3）采用螺纹连接预紧上移动板（2-2），下固定板（2-1）设置有弹簧固定螺钉（2-1-2）和预压弹簧（2-1-4）；下固定板（2-1）设置有导轨固定架（2-1-3），导轨固定架（2-1-3）安装有导轨限位螺钉（2-1-5）；下固定板（2-1）设置的沉头孔（2-1-6）；下固定板（2-1）设置有锁紧保持架（2-1-7）和固定螺钉（2-1-8），通过锁紧保持架（2-1-7）和锁紧螺杆（2-4）的螺纹连接将上移动板（2-2）固定；所述上移动板（2-2）设置有定子安装孔（2-2-1），上移动板（2-2）设置的锁紧螺纹孔（2-2-2）与锁紧螺杆（2-4）采用螺纹连接。
4.根据权利要求1所述的一种斜梯型振幅放大机构压电粘滑直线电机，其特征在于斜梯型定子（3）包括斜梯型振幅放大转换机构（3-1）、调整垫片（3-2）、叠堆型压电陶瓷致动器（3-3）和预紧调整螺栓（3-4）；所述斜梯型振幅放大转换机构（3-1）设置有定子固定孔（3-1-1），斜梯型振幅放大转换机构（3-1）设置有斜梯型菱形铰链（3-1-2），斜梯型振幅放大转换机构（3-1）设置有斜梯型运动转换器（3-1-3）和驱动足（3-1-4），斜梯型振幅放大转换机构（3-1）设置有预紧调整螺栓安装孔（3-1-5），通过与预紧调整螺栓（3-4）螺纹连接固定叠堆型压电陶瓷致动器（3-3）；所述叠堆型压电陶瓷致动器（3-3）的前后端面与预紧调整螺栓（3-4）之间设置有调整垫片（3-2）。
5.根据权利要求1所述的一种斜梯型振幅放大机构压电粘滑直线电机，其特征在于斜梯型定子（3）的斜梯型振幅放大转换机构（3-1）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；所述预加载组件（2）的下固定板（2-1）和上移动板（2-2）采用45号钢材料。
6.根据权利要求4所述的一种斜梯型振幅放大机构压电粘滑直线电机，其特征在于斜梯型定子（3）的斜梯型菱形铰链（3-1-2）设置有铰链长轴和铰链短轴，铰链长轴的长度为I，铰链短轴的长度为K，其铰链长轴与短轴的比值e=I/K为斜梯型菱形铰链（3-1-2）垂直于驱动方向的微位移放大倍数，e取值为1~10。
7.根据权利要求4所述的一种斜梯型振幅放大机构压电粘滑直线电机，其特征在于斜梯型定子（3）的斜梯型运动转换器（3-1-3）设置有直驱臂（3-1-8）和斜驱臂（3-1-9），直驱臂（3-1-8）与斜驱臂（3-1-9）间的夹角值为θ，其中θ取值为30°~70°。
8.根据权利要求4所述的一种斜梯型振幅放大机构压电粘滑直线电机，其特征在于斜梯型定子（3）的驱动足（3-1-4）端面涂有陶瓷类或玻璃纤维类摩擦材料。
9.根据权利要求1所述的一种斜梯型振幅放大机构压电粘滑直线电机，其特征在于动子（4）包括固定滑轨（4-1）、滚柱保持架（4-2）、双列交叉滚柱导轨安装螺栓（4-3）、运动滑轨（4-4）和端部限位螺钉（4-5）；所述固定滑轨（4-1）通过动子安装螺纹孔（1-4）和双列交叉滚柱导轨安装螺栓（4-3）固定于动子安装基面（1-3）上；运动滑轨（4-4）端面涂有陶瓷类摩擦材料，通过滚柱保持架（4-2）间接与固定滑轨（4-1）接触。
10.一种斜梯型振幅放大机构压电粘滑直线电机激励方法，该激励方法基于权利要求1所述的斜梯型振幅放大机构压电粘滑直线电机实现；所述激励方法特征在于，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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