CN106992712A - 压电‑液压混合直线型步进电机及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电‑液压混合直线型步进电机及其工作方法。该电机包括：定子、动子及底座；所述定子包括驱动足、支座以及弹性预紧机构，所述驱动足包括两组对称的平行于导轨布置的压电叠层和垂直于导轨方向布置的振动液压缸，分别为定子驱动足提供平行于导轨方向和垂直于导轨方向的微幅振动。用对称的三角形周期信号激励平行于导轨方向的压电叠层，用对称的矩形周期信号激励垂直于导轨方向的振动液压缸，实现电机定子和动子之间的摩擦驱动特性在驱动阶段和回程阶段具有明显差异，从而使得动子在驱动阶段的运动距离大于在回程阶段的运动距离，该类电机的定位精度也从纳米级向微米级渐变，这有望部分代替结构复杂的宏微结合的定位平台。

Description

压电-液压混合直线型步进电机及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种压电-液压混合直线型步进电机，属于压电精密致动技术领域。

背景技术

随着微/纳米技术的发展，众多工程技术领域的研究都迫切需要亚微米级、微/纳米级的精密作动器。但由于传统电磁电机需要减速装置，在微型化、高功重比的发展方向上很难突破。随着材料科学的发展，新型功能材料为这些应用提出了新的解决方案，其中，逆压电效应的发现及具有优越性能的压电陶瓷(PZT)材料的出现使得压电精密作动器的研究得到了广泛关注，并在精密作动领域显示出了广泛的应用前景。

直线型步进电机主要包括共振型超声电机和非共振型步进电机。共振型超声电机是利用压电陶瓷的逆压电效应激发弹性体的共振，并将弹性体的微变形通过摩擦耦合转换成转子或动子的宏观运动。由于超声电机在共振状态下运行，致使其性能受环境影响较大，同时对定子的加工精度要求较高。非共振型步进电机是利用压电叠层的精确位移输出特性，结合惯性冲击原理或者尺蠖原理，能够实现运动件连续、精密的步进运动。与共振式直线型步进电机相比，非共振状态具有较宽的工作频带，对周围环境的抗干扰性强；且对电机定子的尺寸和加工精度要求不太高，易于保证电机运行的平稳性。但是惯性冲击型和尺蠖原理非共振直线电机对驱动控制信号要求较为苛刻、驱动力很小。

近年来，南京航空航天大学黄卫清教授团队提出了一系列摩擦驱动原理型压电直线电机，通常利用两个压电叠层的非共振输出实现电机定子在非共振状态下具有较大振幅。当采用相位差π/2的对称周期信号分别激励两个压电叠层，就可以在驱动足端部实现椭圆运动轨迹，从而利用摩擦驱动原理，可以实现电机动子的连续运动。该类电机在非共振状态下工作，能够解决其他非共振型直线电机所具有的驱动信号苛刻和加工精度要求高等问题。同时利用了摩擦驱动原理可以实现大行程，一般为几十毫米。

现有的非共振摩擦驱动原理型直线电机但是在保证大行程的同时，并没有很好地解决输出力小的难题，目前该类型电机的输出力通常为几牛。现有的压电叠层直线电机采用压电叠层的位移变形提供电机定子和动子之间的正压力，由于压电叠层的输出位移一般为几微米到几十微米，所以转化为定子和动子的正压力一般为几十牛，这就限制了定子和动子之间摩擦力的大小。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种压电-液压混合直线型步进电机，该步进电机的动子在驱动阶段的运动距离大于在回程阶段的运动距离，定位精度也从纳米级向微米级渐变，这有望部分代替结构复杂的宏微结合的定位平台。

为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种压电‐液压混合直线型步进电机，包括定子、动子及底座，所述动子通过导轨连接在底座上，所述定子设置于底座上，定子包括驱动足以及弹性预紧机构，在弹性预紧机构的预紧力下，定子上的驱动足和动子在整个电机工作周期中始终保持紧密接触；

所述驱动足包括横向振动块、纵向振动框、固定块、一组平行导轨布置的横向压电叠层和一个垂直于导轨布置的振动液压缸；

所述横向振动块设置于纵向振动框内部，横向振动块的两侧分别通过一个横向压电叠层与纵向振动框预紧连接；

所述固定块平行设置在所述纵向振动框的下方，固定块和纵向振动框之间通过所述振动液压缸连接。

所述弹性预紧机构包括：支座以及两片预压板簧，其中，所述的支座上设有沿垂直导轨方向布置的通槽，驱动足设置在所述通槽内，所述通槽的上、下两端分别设有一片所述预压板簧，在预压板簧的夹紧力下，定子上的驱动足和动子在整个电机工作周期中始终保持紧密接触。

每片所述预压板簧包括：环形框架结构、柔性铰链和方板；环形框架结构的短边和方板通过柔性铰链连接，环形框架上设有与支座固定连接的圆孔，方板上设有与驱动足固定连接的通孔。

所述支座上位于通槽的两侧分别设有与底座相固定以及导向作用的通孔，支座上位于通槽的上、下两端分别设有用于与两片预压板簧固定连接的螺纹孔。

所述横向振动块在垂直导轨方向上通过两个平行布置的悬臂柔性梁与纵向振动框连接。

所述横向压电叠层和纵向振动框之间设有平行于导轨方向安装的导向块。

所述导向块在垂直导轨方向上通过柔性铰链与纵向振动框柔性连接，在纵向振动框的外部设置有用于调节所述横向压电叠层与纵向振动框之间松紧度的预紧螺栓。

一种基于所述的压电-液压混合直线型步进电机的工作方法，分别用对称的周期信号激励平行于导轨方向布置的两个横向压电叠层，用非对称的周期信号激励垂直于导轨方向的振动液压缸，实现电机定子和动子之间的摩擦驱动特性在驱动阶段和回程阶段具有明显差异，从而使得动子在驱动阶段的运动距离大于在回程阶段的运动距离，上述非对称的位移输出特性使得在推程阶段和回程阶段，电机定子和动子之间存在着不同的摩擦驱动特性，从而在驱动阶段和回程阶段电机动子的运动存在一个位移差，即差动式位移。

包括正向差动摩擦驱动过程和反向差动摩擦驱动过程：其中，

正向差动摩擦驱动过程：在一个作动周期内，电机的动作时序如下：

驱动阶段，用对称矩形周期信号激励振动液压缸，在前半个周期，振动液压缸的激励电压为最大值，振动液压缸的活塞杆迅速伸长，电机定子和动子之间的接触正压力最大；同时用相位相差半个周期的三角波信号分别激励两个横向压电叠层，使得位于纵向振动框左侧的横向压电叠层伸长、而位于纵向振动框右侧的横向压电叠层回缩，从而通过定子和动子接触面的摩擦力带动动子向右运动，产生的位移为Δx₁；

回程阶段：后半个周期，振动液压缸的激励电压相对于驱动阶段大幅下降，振动液压缸的活塞杆迅速收缩直至初始状态，此时电机定子和动子之间的接触正压力最小；同时用相位相差半个周期的三角波信号分别激励两个横向压电叠层，此时三角波信号处于降坡阶段，使得位于纵向振动框右侧的横向压电叠层伸长、而位于纵向振动框左侧的横向压电叠层回缩，此时的定子和动子间存在初始正压力，所以在摩擦的作用下定子带动动子向左运动，产生位移为Δx₂；

综上，由于横向振动块在驱动阶段和回程阶段的位移相等，但是驱动阶段时定子和动子之间的摩擦力大于回程阶段时定子和动子之间的摩擦力，所以

Δx₁>Δx₂，从而动子在整体上实现正向的差动位移Δx；

反向差动摩擦驱动过程：如果在驱动阶段，振动液压缸的激励电压为最小值，在回程阶段，振动液压缸的激励电压为最大值，其他条件不变；则能够实现整个运动周期内动子沿反向有一差动位移Δx。

本发明有益效果是：

第一、本发明一种压电‐液压混合直线型步进电机，定子驱动足采用了横向振动块和纵向振动框结构，这能够保证平行于导轨方向的位移输出与垂直于导轨方向的位移输出具有解耦特性，有利于独立控制两个方向的位移输出。

第二、本发明采用相位差为半个周期的两个对称周期信号分别激励两组对称布置压电叠层，用对称矩形周期信号激励垂直布置的振动液压缸；由于横向振动块在驱动阶段和回程阶段的位移相等，但是驱动阶段时定子和动子之间的摩擦力大于回程阶段时定子和动子之间的摩擦力，从而在驱动阶段和回程阶段电机动子的运动存在一个位移差，即差动式位移。

第三、该类型电机在非共振状态下工作，具有较宽的工作频带，易于保证电机的工作平稳性，对驱动控制信号和加工精度等要求较低。

第四、由于纵向位移输出采用液压缸驱动，能够在定子和动子界面上产生较大的正压力和摩擦力，所以该类型电机具有大推力的输出特性。同时该电机在0～1kHz频率范围内具有明显不同的差动摩擦特性，所以当驱动频率从低频到高频变化时，该类电机的定位精度也从纳米级向微米级渐变，这有望部分代替结构复杂的宏微结合的定位平台。

综上，本发明一种压电‐液压混合直线型步进电机具有非共振、宽频域和大推力的特点，能够在较宽频域范围内分别容易实现纳米级和微米级的位移分辨率，同时兼具制作成本低、寿命长和断电自锁的优点。

附图说明

图1是本发明所述的压电‐液压混合直线型步进电机立体结构示意图。

图2的本发明所述的压电‐液压混合直线型步进电机定子结构示意图。

图3是本发明所述的压电‐液压混合直线型步进电机驱动足结构示意图。

图4是本发明所述的压电‐液压混合直线型步进电机预压板簧结构示意图。

图5是本发明所述的压电‐液压混合直线型步进电机支座结构示意图。

图6是图5的俯视图。

图7是本发明所述的压电‐液压混合直线型步进电机实施例1中振动液压缸的电激励信号。

图8是本发明所述的压电‐液压混合直线型步进电机实施例1中两个横向压电叠层的电激励信号。

图9是本发明所述的压电‐液压混合直线型步进电机的运动过程。

图10为本发明实施例2电机正向运动时振动液压缸和横向压电叠层的电激励信号。

图11为本发明实施例2电机反向运动时振动液压缸和横向压电叠层的电激励信。

图12为本发明实施例2电机正向运动时振动液压缸和横向压电叠层另外一种波形的电激励信号。

图13为本发明实施例2电机反向运动时振动液压缸和横向压电叠层另外一种波形的电激励信号。

图14为本发明实施例2压电‐液压混合直线型步进电机的运动过程。

其中：1‐动子；2‐定子；3‐底座；(4，7)‐预压板簧；5‐支座；6‐驱动足；8‐振动液压缸；9‐固定块；10‐横向振动块；11‐第二横向压电叠层；(12，16)‐导向块；(13，15)‐预紧螺栓；14‐纵向振动框；15‐预紧螺栓；17‐第一横向压电叠层；18‐预紧弹簧。

具体实施方式

下面结合具体实施例以及附图对本发明的技术方案做进一步详细说明。

实施例1

如图1所示的压电-液压混合直线型步进电机结构，包括动子1、定子2及底座3；动子由通过螺栓固定在底座的侧板上；定子2通过螺栓固定在底座的底板上；通过控制定子2在底座的前后位置可控制定子2与动子1之间初始压力的大小。

如图2所示，定子结构包括驱动足6、支座5、预压板簧、振动液压缸8及固定块9。

如图4所示，预压板簧包括环形框架结构、柔性铰链和方板；环形框架结构的短边和方板通过柔性铰链连接；环形框架设有圆孔，可以与支座5固定连接；方板上有通孔，驱动足6的上下两端分别通过螺栓固定在预压板簧的方板上；预压板簧的环形框架通过螺栓固定在支座5上；驱动足下端布置振动液压缸8，振动液压缸8的活塞杆安装在驱动足6的下端；振动液压缸8下端安装在固定块9上，固定块通过螺栓安装在底座3上。

该预压板簧在平行于其长边方向上具有较大刚度，能保证驱动足在平行于导轨方向的稳定性；该预压板簧在平行于板簧厚度方向的刚度较小，能够保证在垂直于导轨运动方向发生较大的弹性变形，该弹性变形保证电机定子和动子在整个驱动阶段均处于接触状态。

如图3所示，定子驱动足包括横向振动块10、纵向振动框14、导向块和两组横向压电叠层；横向振动块由两平行悬臂柔性梁支撑，横向振动块的两侧安装有平行于导轨布置的第二横向压电叠层11和第一横向压电叠层17，两个横向压电叠层的另外一侧分别布置平行于导轨方向的导向块，分别由悬臂柔性梁支持，在平行于导轨方向有较大的柔性，导向块避免了第一横向压电叠层17和第二横向压电叠层11直接与预紧螺栓接触，起保护压电叠层的作用。

横向振动块10、导向块及第一横向压电叠层17、第二横向压电叠层11均安装在纵向振动框14内；纵向振动框14为U形刚性结构，有利于保持几何结构的不变性。纵向振动框下方与振动液压缸8连接；总体上，电机定子具有“推拉式”框架结构，框架的内部结构用于实现平行于导轨方向的运动；在振动液压缸的作用下，纵向振动框连同其内部各部分结构一起作垂直于导轨方向的运动。

因此，这种“推拉式”框架结构能够保证横向振动块的位移输出与纵向振动框垂直方向的位移输出具有解耦特性，有利于独立控制的第一横向压电叠层17、第二横向压电叠层11和振动液压缸8的位移输出，提高电机的定位精度。

如图5所示的压电‐液压混合直线型步进电机支座，中间为通槽，两侧设有起固定与导向作用的通孔,通过控制定子2在底座3的前后位置可控制定子与动子之间初始压力的大小；上下两侧分别有四个螺纹孔；支座的上下两端分别与预压板簧的外围连接。

图7为振动液压缸的电激励信号a；激励信号a为非对称矩形信号，图8为两个横向压电叠层的激励信号b₁和激励信号b₂，激励信号b₁和激励信号b₂为相位差半个周期的三角信号，分别为平行于导轨布置的第一横向压电叠层17、第二横向压电叠层11施加激励电压。

如图9所示，结合差动运动过程，对本发明实施例1公开的压电-液压混合直线型步进电机的差动摩擦驱动过程做进一步论述：

正向差动摩擦驱动过程：在一个作动周期内，电机的动作时序如下：

驱动阶段，用对称矩形周期信号激励振动液压缸，在前半个周期，振动液压缸的激励电压为最大值，振动液压缸的活塞杆迅速伸长，电机定子和动子之间的接触正压力最大；同时用相位相差半个周期的三角波信号分别激励两个横向压电叠层，使得第一横向压电叠层17伸长、而第二横向压电叠层11回缩，从而通过定子和动子接触面的摩擦力带动动子向右运动，产生的位移为Δx₁；

回程阶段：后半个周期，振动液压缸的激励电压相对于驱动阶段大幅下降，振动液压缸的活塞杆迅速收缩直至初始状态，此时电机定子和动子之间的接触正压力最小；同时用相位相差半个周期的三角波信号分别激励两个横向压电叠层，使得第二横向压电叠层11伸长、而第一横向压电叠层17回缩，此时的定子和动子间存在初始正压力，所以在摩擦的作用下定子带动动子向左运动，产生位移为Δx₂；

综上，由于横向振动块在驱动阶段和回程阶段的位移相等，但是驱动阶段时定子和动子之间的摩擦力大于回程阶段时定子和动子之间的摩擦力，所以Δx₁>Δx₂，从而动子在整体上实现正向的差动位移Δx；

反向差动摩擦驱动过程：如果在驱动阶段，振动液压缸的激励电压为最小值，在回程阶段，振动液压缸的激励电压为最大值，其他条件不变；则能够实现整个运动周期内动子沿反向有一差动位移Δx。

由于该电机采用振动液压缸来施加电机定子和动子的正压力，因此该类电机定子和动子之间能够产生至少几十牛的推力。同时该电机采用了纵向振动框结构，能够实现对定子驱动足两个方向位移的独立控制。因此，本发明具有大推力的特点，同时兼具制作成本低、寿命长和断电自锁的优点。

实施例2

实施例2与实施例1的区别在于，将实施例1中的第二横向压电叠层11替换为预紧弹簧，其他都不改变。

实施例2的工作原理与实施例1基本相同，只是在结构上，实施例1的横向压电叠层为对称布置，在激励电压方式上也要采用对称激励电压。实施例2在结构上和激励方式上都是非对称的，同时实施例2的非对称激励电压方式可以有多种选择，信号波形图如图10～图13所示。

实施例1中对称的结构和激励电压，其差动原理只能通过改变定子和动子之间的正压力，也就是振动液压缸的振动来实现；而实施例2非对称的差动原理还多了一个因素，即横向压电叠层在驱动阶段和回程阶段的非对称位移输出特性。因而实施例2方案的差动运动特性更加明显。

实施例1对称布置的优点是能够缓解压电直线电机在正向运动和反向运动存在运动特性不一致的问题。

Claims (9)

1.一种压电‐液压混合直线型步进电机，包括定子、动子及底座，其特征在于，所述动子通过导轨连接在底座上，所述定子设置于底座上，定子包括驱动足以及弹性预紧机构，在弹性预紧机构的预紧力下，定子上的驱动足和动子在整个电机工作周期中始终保持紧密接触；

所述驱动足包括横向振动块、纵向振动框、固定块、一组平行导轨布置的横向压电叠层和一个垂直于导轨布置的振动液压缸；

所述横向振动块设置于纵向振动框内部，横向振动块的两侧分别通过一个横向压电叠层与纵向振动框预紧连接；

所述固定块平行设置在所述纵向振动框的下方，固定块和纵向振动框之间通过所述振动液压缸连接。

2.根据权利要求1所述的压电-液压混合直线型步进电机，其特征在于，所述弹性预紧机构包括：支座以及两片预压板簧，其中，所述的支座上设有沿垂直导轨方向布置的通槽，驱动足设置在所述通槽内，所述通槽的上、下两端分别设有一片所述预压板簧，在预压板簧的夹紧力下，定子上的驱动足和动子在整个电机工作周期中始终保持紧密接触。

3.根据权利要求2所述的压电-液压混合直线型步进电机，其特征在于，每片所述预压板簧包括：环形框架结构、柔性铰链和方板；环形框架结构的短边和方板通过柔性铰链连接，环形框架上设有与支座固定连接的圆孔，方板上设有与驱动足固定连接的通孔。

4.根据权利要求1所述的压电-液压混合直线型步进电机，其特征在于，所述支座上位于通槽的两侧分别设有与底座相固定以及导向作用的通孔，支座上位于通槽的上、下两端分别设有用于与两片预压板簧固定连接的螺纹孔。

5.根据权利要求1所述的压电-液压混合直线型步进电机，其特征在于，所述横向振动块在垂直导轨方向上通过两个平行布置的悬臂柔性梁与纵向振动框连接。

6.根据权利要求1所述的压电-液压混合直线型步进电机，其特征在于，所述横向压电叠层和纵向振动框之间设有平行于导轨方向安装的导向块。

7.根据权利要求6所述的压电-液压混合直线型步进电机，其特征在于，所述导向块在垂直导轨方向上通过柔性铰链与纵向振动框柔性连接，在纵向振动框的外部设置有用于调节所述横向压电叠层与纵向振动框之间松紧度的预紧螺栓。

8.一种基于权利要求1所述的压电-液压混合直线型步进电机的工作方法，其特征在于，分别用对称的周期信号激励平行于导轨方向布置的两个横向压电叠层，用非对称的周期信号激励垂直于导轨方向的振动液压缸，实现电机定子和动子之间的摩擦驱动特性在驱动阶段和回程阶段具有明显差异，从而使得动子在驱动阶段的运动距离大于在回程阶段的运动距离，上述非对称的位移输出特性使得在推程阶段和回程阶段，电机定子和动子之间存在着不同的摩擦驱动特性，从而在驱动阶段和回程阶段电机动子的运动存在一个位移差，即差动式位移。

9.根据权利要求8所述的压电-液压混合直线型步进电机的工作方法，其特征在于，包括正向差动摩擦驱动过程和反向差动摩擦驱动过程：其中，

正向差动摩擦驱动过程：在一个作动周期内，电机的动作时序如下：

驱动阶段，用对称矩形周期信号激励振动液压缸，在前半个周期，振动液压缸的激励电压为最大值，振动液压缸的活塞杆迅速伸长，电机定子和动子之间的接触正压力最大；同时用相位相差半个周期的三角波信号分别激励两个横向压电叠层，使得位于纵向振动框左侧的横向压电叠层伸长、而位于纵向振动框右侧的横向压电叠层回缩，从而通过定子和动子接触面的摩擦力带动动子向右运动，产生的位移为Δx₁；

回程阶段：后半个周期，振动液压缸的激励电压相对于驱动阶段大幅下降，振动液压缸的活塞杆迅速收缩直至初始状态，此时电机定子和动子之间的接触正压力最小；同时用相位相差半个周期的三角波信号分别激励两个横向压电叠层，此时三角波信号处于降坡阶段，使得位于纵向振动框右侧的横向压电叠层伸长、而位于纵向振动框左侧的横向压电叠层回缩，此时的定子和动子间存在初始正压力，所以在摩擦的作用下定子带动动子向左运动，产生位移为Δx₂；

综上，由于横向振动块在驱动阶段和回程阶段的位移相等，但是驱动阶段时定子和动子之间的摩擦力大于回程阶段时定子和动子之间的摩擦力，所以Δx₁>Δx₂，从而动子在整体上实现正向的差动位移Δx；

反向差动摩擦驱动过程：如果在驱动阶段，振动液压缸的激励电压为最小值，在回程阶段，振动液压缸的激励电压为最大值，其他条件不变；则能够实现整个运动周期内动子沿反向有一差动位移Δx。