CN106602927B - 一种谐振方波同步钳位压电直线马达 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种谐振方波同步钳位压电直线马达，属于精密驱动与定位技术领域，包括驱动振子、钳位振子、光轴、夹紧机构和基座。所述驱动振子和钳位振子由金属悬臂梁和压电陶瓷构成，靠驱动振子和钳位振子之间的协调动作驱动光轴产生单方向直线运动。根据方波的傅里叶变换，方波可由不同频率、不同幅值的谐波叠加得到。所述金属悬臂梁采用一系列增减材料的方法来调整结构，进而达到将前n阶振型固有频率的比例调整为1:3:5…的目的。所述驱动振子和钳位振子由合成的方波信号频率恰为压电振子前n阶固有频率驱动。由于所述压电马达利用谐振同步钳位控制，工作过程中不存在摩擦磨损，寿命较长，工作频率高，且输出功率大、能量传输效率高。
Description
技术领域
本发明属于精密驱动与定位技术领域，具体地说，它涉及一种谐振方波同步钳位压电直线马达。
背景技术
压电马达因为其独特的特性，在近年来越来越被重视，相关研究也越来越多。并且已经被广泛用于机器人、航空航天及医疗设备等。压电马达目前可主要分为惯性冲击马达、尺蠖马达和超声马达等。
综合目前的各类压电马达，都存在一些缺陷。冲击式压电马达，是利用惯性冲击来实现微位移的一种驱动机构，具有结构简单、控制方式简洁、分辨率高、可被微型化、可实现精密定位等优点。然而，由于其是利用惯性冲击来实现微位移，定、转子间存在滑动摩擦，导致了较低的效率和使用寿命。尺蠖马达通过三组压电元件和一个导引元件实现单向运动，虽工作过程始终不存在滑动摩擦，在输出力和效率方面具有优势；但准静态下的工作频率较低，从而输出速度相对较低。超声马达通过定、转子之间的摩擦获得运动和扭矩，其优势是谐振工作状态频率高、静音驱动、速度快；然而，超声马达超声频段下的摩擦磨损问题突出，不适合在连续长时间运转的场合使用。
发明内容
本发明的主要目的在于针对上述问题，提供了一种谐振方波同步钳位压电直线马达。
一种谐振方波同步钳位压电直线马达，所述直线马达包括驱动机构、基座4和夹紧机构7。所述驱动机构包括驱动振子1、质量块2和光轴3，所述驱动振子1、质量块2依次连接于光轴3的一端，驱动振子1上设有第一压电片11。所述夹紧机构7包括两件平行直立的钳位振子6，两件钳位振子6结构相同，所述钳位振子6上设有第二压电片62，所述两件钳位振子6组成钳口，所述夹紧机构7安装于基座4上。所述光轴3的另一端位于夹紧机构7的钳口之间，且在钳口松开时光轴3实现直线移动。
工作时，当第一压电片11施加高电平，使得光轴3产生向一个方向的直线位移势能，此时第二压电片62施加低电平，使得夹紧机构7的钳口松开，实现光轴3在钳口中产生直线位移。当第一压电片11施加低电平时，使得光轴3产生向另一个方向的直线位移势能，此时第二压电片62施加高电平，使得夹紧机构7的钳口夹紧，钳口中的光轴3被夹紧后处于静止状态。如此反复重复多个周期实现所述驱动机构相对于基座4的定量位移。反之，改变第一压电片11和第二压电片62的高、低电平施加的配合方式，即可改变所述驱动机构相对于基座4的位移方向。
进一步限定的技术方案如下：
所述基座4设有平板46和两块墙板45，所述平板46为一块长方形板，所述墙板45为正方形板，两块墙板45分别连接于平板46的长度方向的两端，两块墙板45相互平行且垂直于平板46，两块墙板45上均设有轴承孔451，两轴承孔451的中心线相重合，轴承孔451内设有直线轴承42，所述直线轴承42用于安装光轴3。
所述平板46设有四个基孔44，四个基孔44分别位于平板46的四个角上，且为贯通孔，所述基孔44用于将基座4连接到负载设备上。所述平板46设有六个螺纹孔43，六个螺纹孔43位于两块墙板45之间，沿平板46的长度方向分两列分布，每列三个，用于安装和紧固夹紧机构7。
所述轴承孔451为两级台阶圆孔，大圆孔孔口位于墙板45的外侧，大圆孔和直线轴承42的外圈为过盈配合，大圆孔上设有环槽，所述环槽上设有孔用弹性挡圈41，孔用弹性挡圈41用于限制直线轴承42的轴向移动。
所述钳位振子6的主板呈直立状，上端是底边向下的等腰三角形板，底边上连接一块长方形板，长方形板的长边和三角形板的底边长度相等。设定主板的一个侧面为正面，则另一个侧面为背面，所述三角形板顶端设有频率调整块65，所述频率调整块65为一长方体，它的一端连接于三角形板顶端，且长方体与主板正面相垂直。三角形板顶部设有频率调整孔64。
所述主板正面上，长方形板的上侧水平方向连接一块上位板，所述上位板的上平面与主板垂直，下平面呈倾斜状且与主板形成钝角，上位板的左、右两侧各设一个工艺孔61。所述上位板的下方，且位于所述长方形板下侧水平方向连接一块下位板，所述下位板的上下两个平面均与主板垂直，下位板的左、右两侧各设一个沉孔68，，上位板的中间、下位板的中间均设有夹紧孔63。所述等腰三角形板的底部设有第二压电片62。
所述主板背面上，三角形板的下侧中间位置设有钳位半圆槽66，长方形板的中间位置设有长方块67。
所述夹紧机构7包括两件钳位振子6、两件楔形块5、两件预紧螺栓8、两件预紧螺母9和两件夹紧螺栓10。所述楔形块5为六面体，楔形块5的上平面为倾斜面，且倾斜的角度与钳位振子6的上位板的下平面的倾斜角度相同。楔形块5设有贯通上下平面的两个方形孔51，两个方形孔51的中间设有中间孔52。两个方形孔51的两侧分别设有一个水平方向的调整孔53。
安装时，两件钳位振子6背面靠背面平行直立，利用沉头螺钉通过工艺孔61将钳位振子6紧固于基座4上。两件钳位振子6上的钳位半圆槽66组成钳口。两件楔形块5分别设于两件钳位振子6的上位板、下位板之间，由两件预紧螺栓8穿过调整孔53，用预紧螺母9锁紧；夹紧螺栓10穿过夹紧孔63紧固于基座4上。
所述驱动振子1为菱形片状，菱形的一侧平面上，且在菱形对角线的交点上设有第一压电片11，所述菱形的的两个锐角处分别设有调整孔13。菱形的另一侧平面上两个钝角角尖的连线为中心粘贴线14，中心粘贴线14的两侧均为悬臂梁12，且两侧的悬臂梁12沿中心粘贴线14镜像对称。
所述质量块2是一块小长方体和一块大长方体组成的凸字状结构，所述小长方体的外侧端面设有贴合面22，所述大长方体上设有内螺纹21，所述内螺纹21位于凸字状结构的对称线上。
所述光轴3为一根外圆具有形状和几何精度的光轴，光轴3的横截面为圆形，它光轴3的一端设有第一螺纹31，光轴3的另一端设有第二螺纹32，第一螺纹31与所述直线马达的负载相连接，第二螺纹32和所述质量块2上的内螺纹21连接。
所述第一压电片11、和第二压电片62均采用PZT-4。
本发明的有益技术效果是：
(1)本发明利用驱动振子和钳位振子同步协调动作使压电马达实现单方向直线运动，并且方波驱动信号可使驱动器位移近似方波，工作状态绝大部分时间处于准静止状态，非常方便钳位器夹紧，不会消耗动力
(2)本发明具有高频率、高速度、磨损小和寿命长等优点，且输出功率大、能量传输效率高，较其他传统类型马达性能更加优越。
附图说明
图1是本发明结构示意图。
图2(a)、图2(b)是本发明驱动振子结构示意图。
图3(a)、图3(b)是本发明质量块示意图。
图4是本发明光轴示意图。
图5是本发明预紧结构楔形块示意图。
图6(a)、图6(b)是本发明钳位振子示意图。
图7是本发明钳位振子和预紧结构装配示意图。
图8是本发明基座结构示意图。
图9(a)、图9(b)、图9(c)是本发明近似方波合成示意图。
图10(a)、图10(b)、图10(c)、图10(d)是本发明工作原理示意图。
上图中序号：驱动振子1、第一压电片11、悬臂梁12、调整孔13、中心粘贴线14；
质量块2、内螺纹21、贴合面22；
光轴3、第一螺纹31、第二螺纹32；
基座4、孔用弹性挡圈41、直线轴承42、螺纹孔43、基孔44、墙板45、轴承孔451、平板46；
楔形块5、方形孔51、中间孔52、调整孔53；
钳位振子6、工艺孔61、第二压电片62、夹紧孔63、频率调整孔64、频率调整块65、钳位半圆槽66、长方块67、沉孔68；
夹紧机构7、预紧螺栓8、预紧螺母9、夹紧螺栓10。
编号说明：双位数序号是对应的单位数序号的子零件，如驱动振子压电陶瓷11是驱动振子1的子零件。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地说明。
实施例
参见图1，一种谐振方波同步钳位压电直线马达，其特征在于：所述直线马达包括驱动振子1、质量块2、光轴3、基座4、楔形块5、钳位振子6、夹紧机构7、预紧螺栓8、预紧螺母9和夹紧螺栓10。
参见图2(a)、图2(b)，所述驱动振子1为菱形片状，菱形片状的一侧平面上，且在菱形对角线的交点上设有第一压电片11。所述菱形的的两个锐角处分别设有调整孔13。菱形的另一侧平面上两个钝角角尖的连线为中心粘贴线14，中心粘贴线14的两侧均为悬臂梁12，且两侧的悬臂梁12沿中心粘贴线14镜像对称。
参见图3(a)、图3(b)，所述质量块2是一块小长方体和一块大长方体组成的凸字状结构，所述小长方体的外侧端面设有贴合面22，所述大长方体上设有内螺纹21，所述内螺纹21位于凸字状结构的对称线上。
参见图4，所述光轴3为一根外圆具有形状和几何精度的光轴，光轴3的横截面为圆形，光轴3的一端设有第一螺纹31，光轴3的另一端设有第二螺纹32，第一螺纹31与所述直线马达的负载相连接，第二螺纹32和所述质量块2上的内螺纹21连接。
参见图6(a)、图6(b)、图7和图8，所述基座4设有平板46和两块墙板45，所述平板46为一块长方形板，所述墙板45为正方形板，两块墙板45分别连接于平板46的长度方向的两端，两块墙板45相互平行且垂直于平板46，两块墙板45上均设有轴承孔451，两轴承孔451的中心线相重合，轴承孔451内设有直线轴承42，所述直线轴承42用于安装光轴3。所述轴承孔451为两级台阶圆孔，大圆孔孔口位于墙板45的外侧，大圆孔和直线轴承42的外圈为过盈配合，大圆孔上设有环槽，所述环槽上设有孔用弹性挡圈41，孔用弹性挡圈41用于限制直线轴承42的轴向移动。
所述平板46设有四个基孔44，四个基孔44分别位于平板46的四个角上，且为贯通孔，所述基孔44用于将基座4连接到负载设备上。所述平板46设有六个螺纹孔43，六个螺纹孔43位于两块墙板45之间，沿平板46的长度方向分两列分布，每列三个，用于安装和紧固夹紧机构7。
所述钳位振子6的主板呈直立状，上端是底边向下的等腰三角形板，底边上连接一块长方形板，长方形板的长边和三角形板的底边长度相等。设定主板的一个侧面为正面，则另一个侧面为背面，所述三角形板顶端设有频率调整块65，所述频率调整块65为一长方体，它的一端连接于三角形板顶端，且长方体与主板正面相垂直。三角形板顶部设有频率调整孔64。
所述主板正面上，长方形板的上侧水平方向连接一块上位板，所述上位板的上平面与主板垂直，下平面呈倾斜状且与主板形成钝角，上位板的左、右两侧各设一个工艺孔61。所述上位板的下方，且位于所述长方形板下侧水平方向连接一块下位板，所述下位板的上下两个平面均与主板垂直，下位板的左、右两侧各设一个沉孔68，上位板的中间、下位板的中间均设有夹紧孔63。所述等腰三角形板的底部设有第二压电片62。
所述第一压电片11、和第二压电片62均采用PZT-4.
所述主板背面上，三角形板的下侧中间位置设有钳位半圆槽66，长方形板的中间位置设有长方块67。
参见图图5和图7，夹紧机构7包括两件钳位振子6、两件楔形块5、两件预紧螺栓8和两件预紧螺母9。所述楔形块5为六面体，楔形块5的上平面为倾斜面，且倾斜的角度与钳位振子6的上位板的下平面的倾斜角度相同。楔形块5设有贯通上下平面的两个方形孔51，两个方形孔51的中间设有中间孔52。两个方形孔51的两侧分别设有一个水平方向的调整孔53。
安装时，两件钳位振子6背面靠背面平行直立，利用沉头螺钉通过工艺孔61将钳位振子6紧固于基座4上。两件钳位振子6上的钳位半圆槽66组成钳口。两件楔形块5分别设于两件钳位振子6的上位板、下位板之间，由两件预紧螺栓8穿过调整孔53，用预紧螺母9锁紧。夹紧螺栓10穿过夹紧孔63紧固于基座4上。
所述两件钳位振子6结构相同，所述钳位振子6的一个侧面设有钳位半圆槽66，钳位半圆槽66相对应的另一侧面的位置上设有第二压电片62，所述两件钳位振子6组成钳位组合7，所述钳位组合7安装于所述两块墙板45之间，两件钳位半圆槽66组成的钳位孔的中心线与所述两轴承孔451的中心线相重合。
工作时，设定所述光轴3的连接负载端为所述直线马达的前方，则驱动振子1的位置为所述直线马达的后方，第一压电片11施加高电平时，驱动振子1两个悬臂梁12向前方弯曲变形，根据能量守恒定律，驱动振子1的弯曲产生了驱动光轴3向后方的直线位移势能F1，此时，第二压电片62施加低电平，钳位组合7的两件钳位半圆槽66组成的钳口松开，光轴3在F1的作用下向后方移动一个微小距离δ；第一压电片11施加低电平时，驱动振子1两个悬臂梁12向后方弯曲变形，根据能量守恒定律，驱动振子1的弯曲产生了驱动光轴3向前方的直线位移势能F2，此时，第二压电片62施加高电平，钳位组合7的两件钳位半圆槽66组成的钳口闭合，并克服了光轴3上F2，光轴3保持静止状态。如此反复重复多个周期实现所述驱动机构相对于基座4的定量位移。反之，改变第一压电片11和第二压电片62的高、低电平施加的配合方式，即可改变所述驱动机构相对于基座4的位移方向。
所述直线马达的工作原理如下：
根据方波的傅里叶变换：
式中f(t)为方波函数。A为振幅。
方波由不同幅值且频率为基频奇数倍的谐波组成，考虑到设计的复杂性以及三级以上高次谐波的振幅系数较小，忽略三级以上谐波，本实施例仅利用方波傅里叶分解的前两级谐波来合成近似谐振方波。
利用所述驱动振子1和钳位振子6的第一、第二阶弯曲振型频率作为近似方波合成的前两级谐波频率。根据式(K)，驱动振子1和钳位振子6的第一、第二阶弯曲振型频率比必须为1:3。此外，计算结果显示，当振幅比为4:1时，合成的近似方波形状比较理想，如图9所示。
各向同性等截面悬臂梁端部自由时，其第一、第二阶弯曲固有频率比不能满足方波合成所需要的1:3的比例。因此，采用一些方法进行频率调节。本实施例优选的采用增减材料的方法来调节两振子的固有频率。
图2是驱动振子1结构示意图，由图可知驱动振子1包括金属悬臂梁12和压电陶瓷片11。其中所述金属悬臂梁12两端做变窄处理变为两个对称的等腰三角形，然后分别在两个等腰三角形顶角处做中空处理，保证其第一、二阶弯曲振型频率比为1:3。
图3是质量块2的示意图，所述质量块2的作用在于除了连接驱动振子1和光轴3之外，还可以起到调节光轴3在自由和卡紧状态下的共振频率的作用。
图9(a)、图9(b)、图9(c)是本发明实施例所提出近似方波合成示意图，根据方波傅里叶变换当振子第一、第二阶弯曲振型频率满足谐振频率比为1:3，且幅值比为4:1时，所合成的波形比较好。
图10(a)、图10(b)、图10(c)、图10(d)是本发明实施例所提出的谐振方波同步钳位压电直线马达工作原理示意图。
图10(a)中间图所示为在t0时刻方波信号x瞬变为正值，即对应的驱动振子1的响应为快速向左摆动到最左端，根据动量守恒定理知，光轴3向右移动一个微小步距δ。如图10(b)左侧图，在t0到t1时间段，驱动振子1保持弯曲不动，光轴3也停留不动。如图10(b)右侧图光轴3的位移，在此时间段内一对钳位振子6迅速卡紧，并保持卡紧状态。图10(c)右侧图所示方波y保持正值至驱动振子1回摆至初始状态。在驱动振子1回摆的过程中，光轴3因被一对钳位振子6卡紧而保持不动。在t1到t2时间段内，如图10(d)所示，驱动振子1已经回摆至最右端并维持静止状态半个周期方波x保持负值半个周期，光轴3也静止不动，此时间段里一对钳位振子6松开方波y变为负值，并持续到下一个周期的到来。光轴3的速度v和位移s如图10(a)、图10(b)、图10(c)、图10(d)右侧图所示。经过上述过程，可知本实施例压电直线马达在一个方波周期内实现x方向位移δ。两振子均工作在谐振状态下，如此反复重复多个周期就可以实现本实施例压电直线马达单方向位移，且改变初始状态即可改变马达运动方向。
以上内容并非对本发明的结构、形状作任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (7)
1.一种谐振方波同步钳位压电直线马达，其特征在于：所述直线马达包括驱动机构、基座（4）和夹紧机构（7）；所述驱动机构包括驱动振子（1）、质量块（2）和光轴（3），所述驱动振子（1）、质量块（2）依次连接于光轴（3）的一端，驱动振子（1）上设有第一压电片（11）；所述夹紧机构（7）包括两件平行直立的钳位振子（6），两件钳位振子（6）结构相同，所述钳位振子（6）上设有第二压电片（62），所述两件钳位振子（6）组成钳口，所述夹紧机构（7）安装于基座（4）上；所述光轴（3）的另一端位于夹紧机构（7）的钳口之间，且在钳口松开时光轴（3）实现直线移动；
所述钳位振子（6）的主板呈直立状，上端是底边向下的等腰三角形板 ，底边上连接一块长方形板，长方形板的长边和三角形板的底边长度相等 ；设定主板的一个侧面为正面，则另一个侧面为背面，所述三角形板顶端设有频率调整块（65），所述频率调整块（65）为一长方体，它的一端连接于三角形板顶端 ，且长方体与主板正面相垂直；三角形板顶部设有频率调整孔（64）；
所述主板正面上，长方形板的上侧水平方向连接一块上位板，所述上位板的上平面与主板垂直，下平面呈倾斜状且与主板形成钝角 ，上位板的左、右两侧各设一个工艺孔（61）；所述上位板的下方，且位于所述长方形板下侧水平方向连接一块下位板，所述下位板的上下两个平面均与主板垂直，下位板的左、右两侧各设一个沉孔（68），上位板的中间、下位板的中间均设有夹紧孔（63）；所述等腰三角形板的底部设有第二压电片（62）；
所述主板背面上，三角形板的下侧中间位置设有钳位半圆槽（66），长方形板的中间位置设有长方块（67）；
所述夹紧机构（7）包括两件钳位振子（6）、两 件楔形块（5）、两件预紧螺栓（8）、两件预紧螺母（9）和两件夹紧螺栓（10）；所述楔形块（5）为六面体，楔形块（5）的上平面为倾斜面，且倾斜的角度与钳位振子（6）的上位板的下平面的倾斜角度相同；楔形块（5）设有贯通上下平面的两个方形孔（51），两个方形孔（51）的中间设有中间孔（52）；两个方形孔（51）的两侧分别设有一个水平方向的调整孔（53）；
安装时，两件钳位振子（6）背面靠背面平行直立 ，利用沉头螺钉通过工艺孔（61）将钳位振子（6）紧固于基座（4）上；两件钳位振子（6）上的钳位半圆槽（66）组成钳口；两件楔形块（5）分别设于两件钳位振子（6）的上位板、下位板之间，由两件预紧螺栓（8）穿过调整孔（53），用预紧螺母（9）锁紧；夹紧螺栓（10）穿过夹紧孔（63）紧固于基座（4）上；
工作时，当第一压电片（11）施加高电平时，使得光轴（3）产生向一个方向的直线位移势能，此时第二压电片（62）施加低电平，使得夹紧机构（7）的钳口松开，实现光轴（3）在钳口中产生直线位移；当第一压电片（11）施加低电平时，使得光轴（3）产生向另一个方向的直线位移势能，此时第二压电片（62）施加高电平，使得夹紧机构（7）的钳口夹紧，钳口中的光轴（3）被夹紧后处于静止状态；如此反复重复多个周期实现所述驱动机构相对于基座（4）的定量位移；反之，改变第一压电片（11）和第二压电片（62）的高、低电平施加的配合方式，即可改变所述驱动机构相对于基座（4）的位移方向。
2.根据权利要求1所述的一种谐振方波同步钳位压电直线马达，其特征在于：所述基座（4）设有平板（46）和两块墙板（45），所述平板（46）为一块长方形板，所述墙板（45）为正方形板，两块墙板（45）分别连接于平板（46）的长度方向的两端，两块墙板（45）相互平行且垂直于平板（46），两块墙板（45）上均设有轴承孔（451），两轴承孔（451）的中心线相重合，轴承孔（451）内设有直线轴承（42），所述直线轴承（42）用于安装光轴（3）；
所述平板（46）设有四个基孔（44），四个基孔（44）分别位于平板（46）的四个角上，且为贯通孔，所述基孔（44）用于将基座（4）连接到负载设备上；所述平板（46）设有六个螺纹孔（43），六个螺纹孔（43）位于两块墙板（45）之间，沿平板（46）的长度方向分两列分布，每列三个，用于安装和紧固夹紧机构（7）。
3.根据权利要求2所述的一种谐振方波同步钳位压电直线马达，其特征在于：所述轴承孔（451）为两级台阶圆孔，大圆孔孔口位于墙板（45）的外侧，大圆孔和直线轴承（42）的外圈为过盈配合，大圆孔上设有环槽，所述环槽上设有孔用弹性挡圈（41），孔用弹性挡圈（41）用于限制直线轴承（42）的轴向移动。
4.根据权利要求1所述的一种谐振方波同步钳位压电直线马达，其特征在于：所述驱动振子（1）为菱形片状，菱形的一侧平面上，且在菱形对角线的交点上设有第一压电片（11），所述菱形的的两个锐角处分别设有调整孔（13）；菱形的另一侧平面上两个钝角角尖的连线为中心粘贴线（14），中心粘贴线（14）的两侧均为悬臂梁（12），且两侧的悬臂梁（12）沿中心粘贴线（14）镜像对称。
5.根据权利要求1所述的一种谐振方波同步钳位压电直线马达，其特征在于：所述质量块（2）是一块小长方体和一块大长方体组成的凸字状结构，所述小长方体的外侧端面设有贴合面（22），所述大长方体上设有内螺纹（21），所述内螺纹（21）位于凸字状结构的对称线上。
6.根据权利要求5所述的一种谐振方波同步钳位压电直线马达，其特征在于：所述光轴（3）为一根外圆具有形状和几何精度的光轴，光轴（3）的横截面为圆形 ，光轴（3）的一端设有第一螺纹（31），光轴（3）的另一端设有第二螺纹（32），第一螺纹（31）与所述直线马达的负载相连接，第二螺纹（32）和所述质量块（2）上的内螺纹（21）连接。
7.根据权利要求1所述的一种谐振方波同步钳位压电直线马达，其特征在于：所述第一压电片（11）、和第二压电片（62）均采用PZT-4。
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