CN108134536B - 水平双驱动型精密压电粘滑直线装置及其驱动方法 - Google Patents
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Abstract
一种水平双驱动型精密压电粘滑直线装置及其驱动方法，以解决当前压电粘滑直线马达由于采用单定子驱动所导致的输出推力小、行程短、精度低等技术问题。本发明由斜拉式水平定子、动子、底座、位移调节器、燕尾平台和燕尾平台限位条组成。所述斜拉式水平定子通过产生侧向位移，调整其与动子之间的接触正压力，以实现对摩擦力的综合调控；同时，本发明通过不同非对称电信号组合激励斜拉式水平定子，可实现输出加强型及运动急停型等多种驱动模式。本发明具有输出推力大、精度高、行程大等特点，在光学精密仪器和半导体加工等微纳精密驱动与定位领域中具有很好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种水平双驱动型精密压电粘滑直线装置及其驱动方法，属于微纳精密驱动与定位技术领域。
背景技术
压电马达是利用压电材料的逆压电效应实现精密输出运动的新型驱动装置。压电元件具有稳定性好、响应迅速、定位精确、能量转化率高、驱动力大等优点，常用的压电材料适于被加工成各种形状，而且经过特殊工艺制造的由多层压电陶瓷片构成的压电叠堆具有十分优良的性能，因此适合被应用到超精密定位技术领域中。由于压电驱动的诸多优势所在，压电精密微驱动技术己成为国内外学者研究的重点。
压电粘滑直线马达主要是将非对称激励电信号施加于压电元件，激发振子产生快慢交替的运动变形，控制振子与动子在“粘”和“滑”两种运动状态之间相互转换，利用振子与动子间的摩擦力驱动动子实现机械运动输出。
中国发明专利《菱形铰链斜拉式正交驱动型压电粘滑直线马达及其复合激励方法》，授权公告号为CN 105897043 B，授权公告日为2017.08.29，公开的菱形铰链斜拉式正交驱动型压电粘滑直线马达由预紧力调节装置、斜拉式定子和动子组成，其中斜拉式定子安装在预紧力调节装置上，动子安装在预紧力调节装置上；中国发明专利《斜槽式精密压电粘滑直线马达及其驱动方法》，授权公告号为CN 105827140 B，授权公告日为2017.08.22，公开的斜槽式精密压电粘滑直线马达由固定台、预压力调整机构、斜槽式定子和动子组成，其中预压力调整机构固定在固定台，斜槽式定子安装在预压力调整机构上，动子安装在固定台上；中国发明专利《斜梯形正交驱动型压电粘滑直线马达及其复合激励方法》，授权公告号为CN 105827144 B，授权公告日为2017.08.29，公开的斜梯形正交驱动型压电粘滑直线马达由加载装置、定子和动子组成，其中定子安装在加载装置上，动子固定安装在加载装置上。
上述几种公开技术，其虽能通过调整定子与动子间接触的正压力，实现对整个粘滑驱动过程中摩擦力的综合调控，但由于上述几种公开技术均采用单定子驱动方式，导致其存在输出推力小，行程短，精度低等技术问题，很大程度上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采用单定子驱动所导致的输出推力小，行程短，精度低等技术问题，本发明公开了一种水平双驱动型精密压电粘滑直线装置及其驱动方法。
本发明所采用的技术方案：
所述水平双驱动型精密压电粘滑直线装置包括斜拉式水平定子、动子、底座、位移调节器、燕尾平台和燕尾平台限位条。其中，两个以压电叠堆为驱动元件的斜拉式水平定子并联固定在底座上，动子安装在燕尾平台前端部，位移调节器安装在底座后端部，燕尾平台安装在底座上且限定在燕尾平台限位条内，燕尾平台限位条固定在底座上。
所述斜拉式水平定子包括压电叠堆、垫片、固定螺栓、菱形运动转换器和预紧螺栓；所述垫片和预紧螺栓将压电叠堆固定在菱形运动转换器内；所述固定螺栓固定安装斜拉式水平定子；所述菱形运动转换器可采用5025铝合金、6061铝合金、7075铝合金、Ti-35A钛合金或Ti-13钛合金材料；所述菱形运动转换器包括刚性连接横梁、垫片限位面、固定螺栓安装孔、预紧螺栓安装螺纹孔、半圆形驱动足和斜拉式运动转换梁；所述刚性连接横梁首尾封闭连接构成菱形运动转换器的主体框架；所述菱形运动转换器左右两端设置有垫片限位面；所述菱形运动转换器后端部设置有固定螺栓安装孔，通过固定螺栓与铰链安装螺纹孔的螺纹连接将菱形运动转换器直接固定在底座上；所述菱形运动转换器左右两端设置有预紧螺栓安装螺纹孔，所述预紧螺栓安装在预紧螺栓安装螺纹孔内；所述菱形运动转换器顶端部设置有半圆形驱动足；所述斜拉式运动转换梁由直梁和斜梁组成。
所述动子为双列交叉滚柱导轨，所述动子包括固定导轨、外围装置安装螺纹孔、活动导轨、限位螺栓、导轨安装孔、导轨固定螺栓和滚柱保持架组件；所述外围装置安装螺纹孔可与外围装置连接；所述滚柱保持架组件分别与固定导轨和活动导轨接触；所述限位螺栓安装在固定导轨和活动导轨两端；所述导轨安装孔通过导轨固定螺栓与导轨安装螺纹孔螺纹连接将固定导轨固定在燕尾平台的导轨安装平面上。
所述底座包括燕尾平台限位条安装槽、燕尾平台安装平面、位移调节器安装螺纹孔、垫块、底座安装孔、铰链限位凸台、铰链安装平面和铰链安装螺纹孔；所述燕尾平台限位条安装槽与燕尾平台限位条凸台间隙配合；所述燕尾平台安装平面与燕尾平台滑行面接触；所述位移调节器安装螺纹孔安装位移调节器；所述垫块可与其他外围装置进行接触；所述底座安装孔可与其他外围装置进行固定安装；所述铰链限位凸台限定菱形运动转换器的安装位置；所述铰链安装平面和铰链安装螺纹孔固定安装菱形运动转换器。
所述位移调节器包括调节螺杆和解耦球头；所述调节螺杆的外螺纹与位移调节器安装螺纹孔的内螺纹进行螺纹连接配合；所述解耦球头与位移调节器凹槽接触。
所述燕尾平台包括锁紧螺钉安装螺纹孔、锁紧螺钉、导轨安装平面、导轨安装螺纹孔、位移调节器挡板、燕尾平台滑行面、燕尾斜面和位移调节器凹槽；所述锁紧螺钉安装在锁紧螺钉安装螺纹孔内，所述锁紧螺钉通过锁紧螺钉安装螺纹孔后，与燕尾平台安装平面接触；所述导轨安装平面和导轨安装螺纹孔固定安装动子；所述位移调节器挡板设置在燕尾平台的后端部，与导轨安装平面垂直；所述燕尾平台滑行面与燕尾平台安装平面接触；燕尾斜面与燕尾平台限位平面接触；所述位移调节器凹槽与位移调节器接触。
所述垫片限位面的宽度为B，所述垫片的宽度为C，其中B=（C+1）mm；所述半圆形驱动足的厚度为N，半径为R，其中N的取值范围为6~9mm，R的取值范围为1.5~2.5mm，所述半圆形驱动足端面相应涂有陶瓷类或玻璃纤维类摩擦材料；所述直梁的长度为L，所述斜梁的长度为Q，直梁与斜梁的夹角为Ɵ，其中L的取值范围为5~8mm，Q的取值范围为3~5mm，Ɵ的取值范围为20o~70o。
另外，为了达到上述目的，本发明提供了一种水平双驱动型精密压电粘滑直线装置驱动方法，该驱动方法基于所述一种水平双驱动型精密压电粘滑直线装置实现。
所述驱动方法主要是在非对称电信号激励下，若同时将两组对称性为D1的电信号分别输入两个斜拉式水平定子，其中，对称性D1的取值范围为51~99%，可显著增大动子的正向输出推力；若同时将两组对称性为D2的电信号分别输入两个斜拉式水平定子，其中，对称性D2的取值范围为1~49%，可显著增大动子的反向输出推力；若同时将一组对称性为D1，另一组对称性为D2的电信号分别输入两个斜拉式水平定子，可实现动子运动过程中的精确急停。
所述非对称波电信号包括：锯齿波电信号、幂函数波电信号、梯形波电信号、非对称方波电信号或其任意两种信号组合。
本发明的有益效果：本发明的斜拉式水平定子由于采用斜拉式运动转换梁结构，使得斜拉式水平定子沿轴向刚度分布不均匀，激发斜拉式水平定子驱动端产生侧向位移，调整斜拉式水平定子与动子间接触的正压力，增加了斜拉式水平定子与动子间的摩擦驱动力，减小了斜拉式水平定子与动子间的摩擦阻力，综合调控斜拉式水平定子与动子间的摩擦力，降低位移回带率，实现对压电粘滑水平式驱动装置整个驱动过程的摩擦力的综合调控；同时在非对称电信号激励下，通过将不同组合的非对称电信号输入两个斜拉式水平定子，可实现输出加强型及运动急停型等多种驱动模式，进而显著提升压电粘滑直线马达机械输出特性，开环条件下可达到纳米级定位精度、毫米级运动行程。与当前已有技术相比，具有输出推力大、精度高和行程大等特点。
附图说明
图1所示为本发明提出的一种水平双驱动型精密压电粘滑直线装置的结构示意图；
图2所示为本发明提出的一种水平双驱动型精密压电粘滑直线装置的斜拉式水平定子结构示意图；
图3所示为本发明提出的一种水平双驱动型精密压电粘滑直线装置的菱形运动转换器机构示意图；
图4所示为本发明提出的一种水平双驱动型精密压电粘滑直线装置的菱形运动转换器的局部放大结构示意图；
图5所示为本发明提出的一种水平双驱动型精密压电粘滑直线装置的动子结构示意图；
图6所示为本发明提出的一种水平双驱动型精密压电粘滑直线装置的底座结构示意图；
图7所示为本发明提出的一种水平双驱动型精密压电粘滑直线装置的位移调节器结构示意图；
图8所示为本发明提出的一种水平双驱动型精密压电粘滑直线装置的燕尾平台结构示意图Ⅰ；
图9所示为本发明提出的一种水平双驱动型精密压电粘滑直线装置的燕尾平台结构示意图Ⅱ；
图10所示为本发明提出的一种水平双驱动型精密压电粘滑直线装置的燕尾平台限位条结构示意图；
图11所示为本发明提出的一种水平双驱动型精密压电粘滑直线装置的非对称电信号驱动波形示意图；
图12所示为本发明提出的一种水平双驱动型精密压电粘滑直线装置的驱动方法的不同组合激励信号波形及其运动原理示意图；
图13所示为本发明提出的一种斜拉式水平定子背靠背安装的水平双驱动型精密压电粘滑直线装置的结构示意图；
图14所示为本发明提出的一种斜拉式水平定子背靠背安装的水平双驱动型精密压电粘滑直线装置驱动方法的不同组合激励信号波形及其运动原理示意图。
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，本实施方式提供了一种水平双驱动型精密压电粘滑直线装置的具体实施方式，所述一种水平双驱动型精密压电粘滑直线装置的具体实施方式表述如下：
所述一种水平双驱动型精密压电粘滑直线装置由斜拉式水平定子1、动子2、底座3、位移调节器4、燕尾平台5和燕尾平台限位条6组成。其中，两个以压电叠堆1-1为驱动元件的斜拉式水平定子1并联固定在底座3上，动子2安装在燕尾平台5前端部，位移调节器4安装在底座3后端部，燕尾平台5安装在底座3上且限定在燕尾平台限位条6内，燕尾平台限位条6固定在底座3上。
所述斜拉式水平定子1包括压电叠堆1-1、垫片1-2、固定螺栓1-3、菱形运动转换器1-4和预紧螺栓1-5。所述垫片1-2和预紧螺栓1-5将压电叠堆1-1固定在菱形运动转换器1-4内。所述压电叠堆1-1可采用PI或NEC公司的产品。所述垫片1-2采用钨钢材料，目的是保护压电叠堆1-1，防止其产生切应变或局部受力不均，具体地，选取垫片1-2的厚度b为1~2.5毫米时效果最佳，本实施方式中垫片1-2的厚度为1.5毫米。所述固定螺栓1-3用于斜拉式水平定子1的安装固定。所述菱形运动转换器1-4可采用5025铝合金、6061铝合金、7075铝合金、Ti-35A钛合金或Ti-13钛合金材料，本实施方式中菱形运动转换器1-4采用7075铝合金材料。所述菱形运动转换器1-4包括刚性连接横梁1-4-1、垫片限位面1-4-2、固定螺栓安装孔1-4-3、预紧螺栓安装螺纹孔1-4-4、半圆形驱动足1-4-5和斜拉式运动转换梁1-4-6。所述刚性连接横梁1-4-1首尾封闭连接构成菱形运动转换器1-4的主体框架。所述菱形运动转换器1-4左右两端设置有垫片限位面1-4-2，垫片限位面1-4-2宽度为B，垫片1-2宽度为C，其中B=（C+1）mm，本实施方式中B=7mm，C=6mm。所述菱形运动转换器1-4后端部设置有固定螺栓安装孔1-4-3，通过固定螺栓1-3与铰链安装螺纹孔3-8的螺纹连接实现菱形运动转换器1-4在底座3上的直接固定。所述菱形运动转换器1-4左右两端设置有预紧螺栓安装螺纹孔1-4-4，预紧螺栓1-5通过预紧螺栓安装螺纹孔1-4-4实现对压电叠堆1-1的轴向预紧。所述菱形运动转换器1-4顶端部设置有半圆形驱动足1-4-5，该半圆形驱动足1-4-5的厚度为N，半径为R，所述活动导轨2-3的厚度为M，N<M可以保证有效接触面积，提高传动效率，其中N的取值范围为6~9mm，M=（N+2）mm，R的取值范围为1.5~2.5mm，本实施方式中N=6mm，M=8mm。所述半圆形驱动足1-4-5端面相应涂有陶瓷类或玻璃纤维类摩擦材料，所述半圆形驱动足1-4-5驱动动子2作直线运动。所述斜拉式运动转换梁1-4-6由直梁1-4-6-1和斜梁1-4-6-2组成，所述直梁1-4-6-1的长度为L，所述斜梁1-4-6-2的长度为Q，直梁1-4-6-1与斜梁1-4-6-2的夹角为Ɵ，其中L的取值范围为5~8mm，Q的取值范围为3~5mm，Ɵ的取值范围为20o~70o，本实施方式中L=4mm，Q=4.5mm，Ɵ=30o。所述斜拉式运动转换梁1-4-6使斜拉式水平定子1的半圆形驱动足1-4-5因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的摩擦驱动力，减少快速变形驱动阶段时的摩擦阻力，可实现对摩擦力的综合调控。
所述动子2为双列交叉滚柱导轨，所述动子2包括固定导轨2-1、外围装置安装螺纹孔2-2、活动导轨2-3、限位螺栓2-4、导轨安装孔2-5、导轨固定螺栓2-6和滚柱保持架组件2-7。所述外围装置安装螺纹孔2-2可与外围装置连接。所述活动导轨2-3与斜拉式水平定子1接触端面涂有陶瓷类或玻璃纤维类摩擦材料。所述滚柱保持架组件2-7分别与固定导轨2-1和活动导轨2-3接触。所述限位螺栓2-4用于活动导轨2-3的运动限位。所述导轨安装孔2-5通过导轨固定螺栓2-6与导轨安装螺纹孔5-4螺纹连接将固定导轨2-1固定在燕尾平台5的导轨安装平面5-3上。
所述底座3可采用不锈钢材料。所述底座3包括燕尾平台限位条安装槽3-1、燕尾平台安装平面3-2、位移调节器安装螺纹孔3-3、垫块3-4、底座安装孔3-5、铰链限位凸台3-6、铰链安装平面3-7和铰链安装螺纹孔3-8。所述燕尾平台限位条安装槽3-1用于燕尾平台限位条6的固定，所述燕尾平台限位条安装槽3-1与燕尾平台限位条凸台6-1间隙配合，燕尾平台限位条安装槽3-1与燕尾平台限位条凸台6-1采用环氧树脂胶粘连。所述燕尾平台安装平面3-2与燕尾平台滑行面5-6接触。所述位移调节器安装螺纹孔3-3用于位移调节器4的安装。所述垫块3-4可与其他外围装置进行接触，具有减震、防滑的作用。所述底座安装孔3-5可与其他外围装置进行固定安装。所述铰链限位凸台3-6用于限定菱形运动转换器1-4的安装位置，可快速完成菱形运动转换器1-4的固定安装。所述铰链安装平面3-7和铰链安装螺纹孔3-8用于菱形运动转换器1-4的固定安装。
所述位移调节器4包括调节螺杆4-1和解耦球头4-2。所述调节螺杆4-1采用高合金钢材料。所述调节螺杆4-1的外螺纹与位移调节器安装螺纹孔3-3的内螺纹进行螺纹连接配合，通过旋转调节螺杆4-1可实现螺旋运动。利用解耦球头4-2进行运动解耦，解耦球头4-2推动燕尾平台5沿燕尾平台限位条6直线运动，完成斜拉式水平定子1的移动。
所述燕尾平台5包括锁紧螺钉安装螺纹孔5-1、锁紧螺钉5-2、导轨安装平面5-3、导轨安装螺纹孔5-4、位移调节器挡板5-5、燕尾平台滑行面5-6、燕尾斜面5-7和位移调节器凹槽5-8。所述锁紧螺钉安装螺纹孔5-1用于锁紧螺钉5-2的安装，所述锁紧螺钉5-2通过锁紧螺钉安装螺纹孔5-1后，可与燕尾平台安装平面3-2接触，实现燕尾平台5的暂时性锁紧固定。所述导轨安装平面5-3和导轨安装螺纹孔5-4用于动子2的固定安装。所述位移调节器挡板5-5既可受力于位移调节器4，又用于限定动子2的安装位置，可快速完成动子2的固定安装。所述燕尾平台滑行面5-6与燕尾平台安装平面3-2接触。燕尾斜面5-7与燕尾平台限位平面6-2接触，燕尾平台5在燕尾平台安装平面3-2上沿燕尾平台限位平面6-2作直线滑行运动。所述位移调节器凹槽5-8与位移调节器4接触。
所述燕尾平台限位条6限定燕尾平台5只能沿燕尾平台限位平面6-2作直线滑行运动。所述燕尾平台限位条6包括燕尾平台限位条凸台6-1和燕尾平台限位平面6-2。所述燕尾平台限位条凸台6-1与燕尾平台限位条安装槽3-1间隙配合，燕尾平台限位条凸台6-1与燕尾平台限位条安装槽3-1采用环氧树脂胶粘连。所述燕尾平台限位平面6-2与燕尾斜面5-7接触，所述燕尾平台限位平面6-2限定燕尾平台5的运动方向。
具体实施方式二：结合图11~12说明本实施方式，本实施方式提出了一种水平双驱动型精密压电粘滑直线装置驱动方法的具体实施方式，所述一种水平双驱动型精密压电粘滑直线装置驱动方法表述如下：
水平双驱动型精密压电粘滑直线装置的驱动方法可分为输出加强型和运动急停型，主要是所述水平双驱动型精密压电粘滑直线装置采用斜拉式运动转换梁1-4-6结构，使得斜拉式水平定子1沿轴向刚度分布不均匀而产生侧向位移，调整斜拉式水平定子1与动子2之间接触的正压力，进而调控斜拉式水平定子1与动子2之间的摩擦力；同时，在不同组合的非对称电信号激励下，实现输出加强型及运动急停型等多种驱动模式，综合提升压电粘滑直线马达机械输出特性。如图11所示，所述一种非对称波电信号包括：锯齿波电信号、幂函数波电信号、梯形波电信号、非对称方波电信号或其任意两种信号组合。本实施方式中非对称波电信号选用锯齿波电信号。
所述输出加强型驱动方法可具体为正向输出加强型和反向输出加强型。其中，结合图12（a）说明，所述输出加强型的正向输出加强型驱动方法如下：
本发明由两个斜拉式水平定子1并联作为驱动源，（a）内的两组对称性均为51%~99%的锯齿波电信号，本实施方式中对称性为90%，分别将其输入两个斜拉式水平定子1，可使斜拉式水平定子1产生正向输出推力，且其输出推力提升1倍以上，输出速度提升1倍以上，输出效率提升1倍以上。其具体运动过程如下：
第一步：t0为初始时刻，此时两个斜拉式水平定子1的压电叠堆1-1均不供电，菱形运动转换器1-4呈现自由状态，活动导轨2-3与半圆形驱动足1-4-5接触，静止不动；
第二步：t0到t1时刻，两组激励信号均为锯齿波缓慢上升沿，此时间段内两个压电叠堆1-1均随电压缓慢增大而慢速伸长一定距离，由于压电叠堆1-1嵌入菱形运动转换器1-4内部，故菱形运动转换器1-4将在y方向上产生主运动，y方向弹性变形伸长量与压电叠堆1-1伸长量相等，菱形运动转换器1-4在y方向的主变形运动将使半圆形驱动足1-4-5与活动导轨2-3挤压，增大半圆形驱动足1-4-5与活动导轨2-3之间的最大静摩擦力，不易产生滑移现象，保证“粘”阶段的粘滞现象即活动导轨2-3与半圆形驱动足1-4-5保持相对静止。又因菱形运动转换器1-4采用斜拉式运动转换梁结构，在x正方向上将产生附加的寄生运动，半圆形驱动足1-4-5的位移量为Δx，此运动的两个斜拉式水平定子1直接促使活动导轨2-3在x正方向上产生ΔX位移，且ΔX>2Δx；
第三步：t1到t2时刻，两组激励信号均为锯齿波急剧下降沿，此时间段内两个压电叠堆1-1均随电压急剧下降而迅速缩短一定距离回复至初始长度，菱形运动转换器1-4不受压电叠堆1-1的挤压，也将回复至初始形状，半圆形驱动足1-4-5将在x、y方向上同时发生迅速回退运动，此时半圆形驱动足1-4-5在y方向的回退运动不再挤压活动导轨2-3，减小了与活动导轨2-3直接的正压力，使得两者之间更容易发生滑移现象，同时也减小了半圆形驱动足1-4-5在x方向的回退运动对活动导轨2-3的干扰，保证了“滑”阶段的滑移现象更加高效的发生，有效地减小了活动导轨2-3回撤时在x负方向上的微小位移量Δl，增大了斜拉式水平定子1的步长；
活动导轨2-3最终的位移为Δs=ΔX-Δl，（Δs>0）；
第四步：反复依次进行第二步到第三步的过程，斜拉式水平定子1将在x正方向上连续步进运动。
结合图12（b）说明，所述输出加强型的反向输出加强型驱动方法如下：
本发明由两个斜拉式水平定子1并联作为驱动源，（b）内的两组对称性均为1%~49%的锯齿波电信号，本实施方式中对称性为10%，分别将其输入两个压电叠堆1-1，可使斜拉式水平定子1产生反向输出推力，且其输出推力提升1倍以上，输出速度提升1倍以上，输出效率提升1倍以上。其具体运动过程如下：
第一步：t0为初始时刻，此时两个斜拉式水平定子1的压电叠堆1-1均不供电，菱形运动转换器1-4呈现自由状态，活动导轨2-3与半圆形驱动足1-4-5接触，静止不动；
第二步：t0到t1时刻，两组激励信号均为锯齿波急剧上升沿，此时间段内两个压电叠堆1-1均随电压急剧增大而迅速伸长一定距离，由于压电叠堆1-1嵌入菱形运动转换器1-4内部，故菱形运动转换器1-4将在y方向上产生主运动，y方向弹性变形伸长量与压电叠堆1-1伸长量相等，菱形运动转换器1-4在y方向的主变形运动将使半圆形驱动足1-4-5与活动导轨2-3挤压，又因菱形运动转换器1-4采用斜拉式运动转换梁结构，在x正方向上将产生附加的寄生运动，半圆形驱动足1-4-5的位移量为Δx，而半圆形驱动足1-4-5的加速度远大于滑动导轨的加速度，则更易产生“滑”阶段的滑移现象，即滑动导轨的位移量远小于半圆形驱动足1-4-5的位移量，此运动的两个斜拉式水平定子1直接促使活动导轨2-3在x正方向上产生Δl位移，且Δl<Δx；
第三步：t1到t2时刻，两组激励信号均为锯齿波缓慢下降沿，此时间段内两个压电叠堆1-1均随电压缓慢下降而慢速缩短一定距离回复至初始长度，菱形运动转换器1-4不受压电叠堆1-1的挤压，也将回复至初始形状，半圆形驱动足1-4-5将在x、y方向上同时发生慢速回退运动，而此时半圆形驱动足1-4-5与滑动导轨间存在最大静摩擦力，不易产生滑移现象，保证“粘”阶段的粘滞现象即活动导轨2-3与半圆形驱动足1-4-5保持相对静止，半圆形驱动足1-4-5回退至初始状态，在x负方向上的位移量为Δx，此运动的两个斜拉式水平定子1直接促使活动导轨2-3在x负方向上产生ΔX位移，且ΔX>2Δx；
活动导轨2-3最终的位移为Δs=ΔX-Δl，（Δs<0）；
第四步：反复依次进行第二步到第三步的过程，斜拉式水平定子1将在x负方向上连续步进运动。
结合图12（c）说明，所述运动急停型驱动方法如下：
本发明由两个斜拉式水平定子1并联作为驱动源，（c）内的两组对称性分别为51%~99%和1%~49%的锯齿波电信号，本实施方式中对称性为90%和10%，分别将其输入两个压电叠堆1-1，可使其中一个斜拉式水平定子1产生正向输出推力，另一个斜拉式水平定子1产生反向输出推力，最终实现动子2运动过程中精确急停。其具体运动过程如下：
第一步：t0为初始时刻，此时两个斜拉式水平定子1的压电叠堆1-1均不供电，菱形运动转换器1-4呈现自由状态，活动导轨2-3与半圆形驱动足1-4-5接触，静止不动；
第二步：t0到t1时刻，一组激励信号为锯齿波缓慢上升沿，一组激励信号为锯齿波迅速上升沿，此时间段内其中一个压电叠堆1-1随电压缓慢增大而慢速伸长一定距离，菱形运动转换器1-4将在y方向上产生主运动，y方向弹性变形伸长量与压电叠堆1-1伸长量相等，菱形运动转换器1-4在y方向的主变形运动将使半圆形驱动足1-4-5与活动导轨2-3挤压，增大半圆形驱动足1-4-5与活动导轨2-3之间的最大静摩擦力，不易产生滑移现象，保证“粘”阶段的粘滞现象即活动导轨2-3与半圆形驱动足1-4-5保持相对静止，又因菱形运动转换器1-4采用斜拉式运动转换梁结构，在x正方向上将产生附加的寄生运动，半圆形驱动足1-4-5的位移量为Δx，此运动的斜拉式水平定子1直接促使活动导轨2-3在x正方向上产生Δx位移；
另一个压电叠堆1-1随电压急剧增大而迅速伸长一定距离，菱形运动转换器1-4将在y方向上产生主运动，y方向弹性变形伸长量与压电叠堆1-1伸长量相等，菱形运动转换器1-4在y方向的主变形运动将使半圆形驱动足1-4-5与活动导轨2-3挤压，又因菱形运动转换器1-4采用斜拉式运动转换梁结构，在x正方向上将产生附加的寄生运动，半圆形驱动足1-4-5的位移量为Δx，而半圆形驱动足1-4-5的加速度远大于滑动导轨的加速度，则更易产生“滑”阶段的滑移现象，即滑动导轨的位移量远小于半圆形驱动足1-4-5的位移量，此运动的斜拉式水平定子1直接促使活动导轨2-3在x正方向上产生Δl位移，且Δl<Δx；活动导轨2-3此时间段内的位移为Δx+Δl；
第三步：t1到t2时刻，一组激励信号为锯齿波急剧下降沿，一组激励信号为锯齿波缓慢下降沿，此时间段内其中一个压电叠堆1-1随电压急剧下降而迅速缩短一定距离回复至初始长度，菱形运动转换器1-4不受压电叠堆1-1的挤压，也将回复至初始形状，半圆形驱动足1-4-5将在x、y方向上同时发生迅速回退运动，此时半圆形驱动足1-4-5在y方向的回退运动不再挤压活动导轨2-3，减小了与活动导轨2-3直接的正压力，使得两者之间更容易发生滑移现象，同时也减小了半圆形驱动足1-4-5在x方向的回退运动对活动导轨2-3的干扰，保证了“滑”阶段的滑移现象更加高效的发生，有效地减小了活动导轨2-3回撤时在x负方向上的微小位移量Δl；
另一个压电叠堆1-1随电压缓慢下降而慢速缩短一定距离回复至初始长度，菱形运动转换器1-4不受压电叠堆1-1的挤压，也将回复至初始形状，半圆形驱动足1-4-5将在x、y方向上同时发生慢速回退运动，而半圆形驱动足1-4-5与滑动导轨存在最大静摩擦力，不易产生滑移现象，保证“粘”阶段的粘滞现象即活动导轨2-3与半圆形驱动足1-4-5保持相对静止，半圆形驱动足1-4-5的位移量为Δx，此运动的斜拉式水平定子1直接促使活动导轨2-3在x负方向上产生Δx位移；
活动导轨2-3最终的位移为Δs=（Δx+Δl）-（Δl+Δx）=0；
第四步：反复依次进行第二步到第三步的过程，斜拉式水平定子1将实现运动中的精确急停。
具体实施方式三：结合图11、13、14说明本实施方式，本实施方式提出了一种斜拉式水平定子1背靠背安装的水平双驱动型精密压电粘滑直线装置驱动方法的具体实施方式，所述一种斜拉式水平定子背靠背安装的水平双驱动型精密压电粘滑直线装置驱动方法表述如下：
斜拉式水平定子1背靠背安装的水平双驱动型精密压电粘滑直线装置的驱动方法可分为输出加强型和运动急停型，主要是所述斜拉式水平定子背靠背安装的水平双驱动型精密压电粘滑直线装置采用斜拉式运动转换梁1-2-6结构，使得斜拉式水平定子1沿轴向刚度分布不均匀而产生侧向位移，调整斜拉式水平定子1与动子2之间接触的正压力，进而调控斜拉式水平定子1与动子2之间的摩擦力；同时，在不同组合的非对称电信号激励下，实现输出加强型及运动急停型等多种驱动模式，综合提升压电粘滑直线马达机械输出特性。如图12所示，所述一种非对称波电信号包括：锯齿波电信号、幂函数波电信号、梯形波电信号、非对称方波电信号或其任意两种信号组合。本实施方式中非对称波电信号选用锯齿波电信号。
所述输出加强型驱动方法可具体为正向输出加强型和反向输出加强型。其中，结合图14（a）说明，所述输出加强型的正向输出加强型驱动方法如下：
本发明由两个斜拉式水平定子1并联作为驱动源，（a）内的两组对称性分别为51%~99%和1%~49%的锯齿波电信号，本实施方式中对称性为90%和10%，将对称性为90%的锯齿波电信号输入左侧斜拉式水平定子1，将对称性为10%的锯齿波电信号输入右侧斜拉式水平定子1，可使斜拉式水平定子1产生正向输出推力，且其输出推力提升1倍以上，输出速度提升1倍以上，输出效率提升1倍以上。其具体运动过程如下：
第一步：t0为初始时刻，此时两个斜拉式水平定子1的压电叠堆1-1均不供电，菱形运动转换器1-4呈现自由状态，活动导轨2-3与半圆形驱动足1-4-5接触，静止不动；
第二步：t0到t1时刻，对称性为90%的电信号为锯齿波缓慢上升沿，此时间段内左侧压电叠堆1-1随电压缓慢增大而慢速伸长一定距离，由于压电叠堆1-1嵌入菱形运动转换器1-4内部，故菱形运动转换器1-4将在y方向上产生主运动，y方向弹性变形伸长量与压电叠堆1-1伸长量相等，菱形运动转换器1-4在y方向的主变形运动将使半圆形驱动足1-4-5与活动导轨2-3挤压，增大半圆形驱动足1-4-5与活动导轨2-3之间的最大静摩擦力，不易产生滑移现象，保证“粘”阶段的粘滞现象即活动导轨2-3与半圆形驱动足1-4-5保持相对静止。又因菱形运动转换器1-4采用斜拉式运动转换梁结构，在x正方向上将产生附加的寄生运动，半圆形驱动足1-4-5的位移量为Δx，此运动中左侧斜拉式水平定子1直接促使活动导轨2-3在x正方向上产生Δx位移；
对称性为10%的电信号为锯齿波急剧上升沿，此时间段内右侧压电叠堆1-1随电压急剧增大而迅速伸长一定距离，由于压电叠堆1-1嵌入菱形运动转换器1-4内部，故菱形运动转换器1-4将在y方向上产生主运动，y方向弹性变形伸长量与压电叠堆1-1伸长量相等，菱形运动转换器1-4在y方向的主变形运动将使半圆形驱动足1-4-5与活动导轨2-3挤压，又因菱形运动转换器1-4采用斜拉式运动转换梁结构，在x正方向上将产生附加的寄生运动，半圆形驱动足1-4-5的位移量为Δx，而半圆形驱动足1-4-5的加速度远大于滑动导轨的加速度，则更易产生“滑”阶段的滑移现象，即滑动导轨的位移量远小于半圆形驱动足1-4-5的位移量，则此运动中右侧斜拉式水平定子1直接促使活动导轨2-3在x负方向上产生Δl位移，且Δl<Δx；则最终活动导轨2-3在此时间段内的位移为Δx-Δl；
第三步：t1到t2时刻，对称性为90%的电信号为锯齿波急剧下降沿，此时间段内左侧压电叠堆1-1随电压急剧下降而迅速缩短一定距离回复至初始长度，菱形运动转换器1-4不受压电叠堆1-1的挤压，也将回复至初始形状，半圆形驱动足1-4-5将在x、y方向上同时发生迅速回退运动，此时半圆形驱动足1-4-5在y方向的回退运动不再挤压活动导轨2-3，减小了与活动导轨2-3直接的正压力，使得两者之间更容易发生滑移现象，同时也减小了半圆形驱动足1-4-5在x方向的回退运动对活动导轨2-3的干扰，保证了“滑”阶段的滑移现象更加高效的发生，有效地减小了活动导轨2-3回撤时在x负方向上的微小位移量Δl，此运动中左侧斜拉式水平定子1直接促使活动导轨2-3在x负方向上产生Δl位移；
对称性为10%的电信号为锯齿波缓慢下降沿，此时间段内右侧压电叠堆1-1随电压缓慢下降而慢速缩短一定距离回复至初始长度，菱形运动转换器1-4不受压电叠堆1-1的挤压，也将回复至初始形状，半圆形驱动足1-4-5将在x、y方向上同时发生慢速回退运动，而半圆形驱动足1-4-5与滑动导轨存在最大静摩擦力，不易产生滑移现象，保证“粘”阶段的粘滞现象即活动导轨2-3与半圆形驱动足1-4-5保持相对静止，半圆形驱动足1-4-5的位移量为Δx，此运动中右侧斜拉式水平定子1直接促使活动导轨2-3在x正方向上产生Δx位移；
则最终活动导轨2-3的位移为Δs=2Δx-2Δl，（Δs>0）；
第四步：反复依次进行第二步到第三步的过程，斜拉式水平定子1将在x正方向上连续步进运动。
结合图14（b）说明，所述输出加强型的反向输出加强型驱动方法如下：
本发明由两个斜拉式水平定子1并联作为驱动源，（b）内的两组对称性分别为1%~49%和51%~99%的锯齿波电信号，本实施方式中对称性为10%和90%，将对称性为10%的锯齿波电信号输入左侧斜拉式水平定子1，将对称性为90%的锯齿波电信号输入右侧斜拉式水平定子1，同理，可使斜拉式水平定子1产生反向输出推力，且其输出推力提升1倍以上，输出速度提升1倍以上，输出效率提升1倍以上。其具体运动过程参照正向输出加强型所述具体运动过程。
所述运动急停型驱动方法可具体为正向运动急停型和反向运动急停型。其中，结合图14（c）说明，所述正向运动急停型驱动方法如下：
本发明由两个斜拉式水平定子1并联作为驱动源，（c）内的两组对称性均为51%~99%的锯齿波电信号，本实施方式中对称性为90%，将两组对称性为90%的锯齿波电信号分别输入左、右两侧的斜拉式水平定子1，可使左侧斜拉式水平定子1产生正向输出推力，右侧斜拉式水平定子1产生反向输出推力，最终实现动子2正向运动过程中精确急停。其具体运动过程如下：
第一步：t0为初始时刻，此时两个斜拉式水平定子1的压电叠堆1-1均不供电，菱形运动转换器1-4呈现自由状态，活动导轨2-3与半圆形驱动足1-4-5接触，静止不动；
第二步：t0到t1时刻，两组激励信号均为锯齿波缓慢上升沿，此时间段内两个压电叠堆1-1均随电压缓慢增大而慢速伸长一定距离，由于压电叠堆1-1嵌入菱形运动转换器1-4内部，故菱形运动转换器1-4将在y方向上产生主运动，y方向弹性变形伸长量与压电叠堆1-1伸长量相等，菱形运动转换器1-4在y方向的主变形运动将使半圆形驱动足1-4-5与活动导轨2-3挤压，增大半圆形驱动足1-4-5与活动导轨2-3之间的最大静摩擦力，不易产生滑移现象，保证“粘”阶段的粘滞现象即活动导轨2-3与半圆形驱动足1-4-5保持相对静止。又因菱形运动转换器1-4采用斜拉式运动转换梁结构，在x正方向上将产生附加的寄生运动，半圆形驱动足1-4-5的位移量为Δx。此运动中左侧斜拉式水平定子1直接促使活动导轨2-3在x正方向上产生Δx位移，右侧斜拉式水平定子1直接促使活动导轨2-3在x负方向上产生Δx位移；则活动导轨2-3在此时间段内的位移为0，即该时间段内活动导轨2-3保持不动；
第三步：t1到t2时刻，两组激励信号均为锯齿波急剧下降沿，此时间段内两个压电叠堆1-1均随电压急剧下降而迅速缩短一定距离回复至初始长度，菱形运动转换器1-4不受压电叠堆1-1的挤压，也将回复至初始形状，半圆形驱动足1-4-5将在x、y方向上同时发生迅速回退运动，此时半圆形驱动足1-4-5在y方向的回退运动不再挤压活动导轨2-3，减小了与活动导轨2-3直接的正压力，使得两者之间更容易发生滑移现象，同时也减小了半圆形驱动足1-4-5在x方向的回退运动对活动导轨2-3的干扰，保证了“滑”阶段的滑移现象更加高效的发生，有效地减小了活动导轨2-3回撤时在x方向上的微小位移量Δl，此运动中左侧斜拉式水平定子1直接促使活动导轨2-3在x负方向上产生Δl位移，右侧斜拉式水平定子1直接促使活动导轨2-3在x正方向上产生Δl位移；则活动导轨2-3最终的位移为0，即活动导轨2-3保持不动；
第四步：反复依次进行第二步到第三步的过程，斜拉式水平定子1将实现正向运动过程中精确急停。
结合图14（d）说明，所述反向运动急停型驱动方法如下：
本发明由两个斜拉式水平定子1并联作为驱动源，（c）内的两组对称性均为1%~49%的锯齿波电信号，本实施方式中对称性为10%，将两组对称性为10%的锯齿波电信号分别输入左、右两侧的斜拉式水平定子1，使得左侧斜拉式水平定子1产生反向输出推力，右侧斜拉式水平定子1产生正向输出推力，最终实现动子2反向运动过程中精确急停。其具体运动过程参照正向运动急停型所述具体运动过程。
综合上述内容，本发明提供一种水平双驱动型精密压电粘滑直线装置及其驱动方法，所述水平双驱动型精密压电粘滑直线装置采用斜拉式运动转换梁结构，使得斜拉式水平定子沿轴向刚度分布不均匀而产生侧向位移，调整斜拉式水平定子与动子之间接触的正压力，综合调控斜拉式水平定子与动子之间的摩擦力；本发明提供的驱动方法能够实现输出加强型及运动急停型等多种驱动模式，进而显著提升压电粘滑直线马达机械输出特性。菱形运动转换器与压电叠堆装配成斜拉式水平定子，装配简单，易于调节；所设计的加载机构，可准确保证斜拉式水平定子沿直线驱动。本发明具有输出推力大、精度高和行程大等特点，在光学精密仪器和半导体加工等微纳精密驱动与定位领域中具有很好的应用前景。
Claims (8)
1.一种水平双驱动型精密压电粘滑直线装置，其特征在于：该水平双驱动型精密压电粘滑直线装置包括斜拉式水平定子（1）、动子（2）、底座（3）、位移调节器（4）、燕尾平台（5）和燕尾平台限位条（6）；其中，所述两个以压电叠堆（1-1）为驱动元件的斜拉式水平定子（1）并联固定在底座（3）上，所述动子（2）安装在燕尾平台（5）前端部，所述位移调节器（4）安装在底座（3）后端部，所述燕尾平台（5）安装在底座（3）上且限定在燕尾平台限位条（6）内，所述燕尾平台限位条（6）固定在底座（3）上；所述斜拉式水平定子（1）包括压电叠堆（1-1）、垫片（1-2）、固定螺栓（1-3）、菱形运动转换器（1-4）和预紧螺栓（1-5）；所述垫片（1-2）和预紧螺栓（1-5）将压电叠堆（1-1）固定在菱形运动转换器（1-4）内；所述固定螺栓（1-3）固定安装斜拉式水平定子（1）；所述菱形运动转换器（1-4）可采用5025铝合金、6061铝合金、7075铝合金、Ti-35A钛合金或Ti-13钛合金材料；所述菱形运动转换器（1-4）包括刚性连接横梁（1-4-1）、垫片限位面（1-4-2）、固定螺栓安装孔（1-4-3）、预紧螺栓安装螺纹孔（1-4-4）、半圆形驱动足（1-4-5）和斜拉式运动转换梁（1-4-6）；所述刚性连接横梁（1-4-1）首尾封闭连接构成菱形运动转换器（1-4）的主体框架；所述菱形运动转换器（1-4）左右两端设置有垫片限位面（1-4-2）；所述菱形运动转换器（1-4）后端部设置有固定螺栓安装孔（1-4-3），通过固定螺栓（1-3）与铰链安装螺纹孔（3-8）的螺纹连接将菱形运动转换器（1-4）直接固定在底座（3）上；所述菱形运动转换器（1-4）左右两端设置有预紧螺栓安装螺纹孔（1-4-4），所述预紧螺栓（1-5）安装在预紧螺栓安装螺纹孔（1-4-4）内；所述菱形运动转换器（1-4）顶端部设置有半圆形驱动足（1-4-5）；所述斜拉式运动转换梁（1-4-6）由直梁（1-4-6-1）和斜梁（1-4-6-2）组成。
2.根据权利要求1所述一种水平双驱动型精密压电粘滑直线装置，其特征在于，所述动子（2）为双列交叉滚柱导轨，所述动子（2）包括固定导轨（2-1）、外围装置安装螺纹孔（2-2）、活动导轨（2-3）、限位螺栓（2-4）、导轨安装孔（2-5）、导轨固定螺栓（2-6）和滚柱保持架组件（2-7）；所述外围装置安装螺纹孔（2-2）可与外围装置连接；所述滚柱保持架组件（2-7）分别与固定导轨（2-1）和活动导轨（2-3）接触；所述限位螺栓（2-4）安装在固定导轨（2-1）和活动导轨（2-3）两端；所述导轨安装孔（2-5）通过导轨固定螺栓（2-6）与导轨安装螺纹孔（5-4）螺纹连接将固定导轨（2-1）固定在燕尾平台（5）的导轨安装平面（5-3）上。
3.根据权利要求1所述一种水平双驱动型精密压电粘滑直线装置，其特征在于：所述底座（3）包括燕尾平台限位条安装槽（3-1）、燕尾平台安装平面（3-2）、位移调节器安装螺纹孔（3-3）、垫块（3-4）、底座安装孔（3-5）、铰链限位凸台（3-6）、铰链安装平面（3-7）和铰链安装螺纹孔（3-8）；所述燕尾平台限位条安装槽（3-1）与燕尾平台限位条凸台（6-1）间隙配合；所述燕尾平台安装平面（3-2）与燕尾平台滑行面（5-6）接触；所述位移调节器安装螺纹孔（3-3）安装位移调节器（4）；所述垫块（3-4）可与其他外围装置进行接触；所述底座安装孔（3-5）可与其他外围装置进行固定安装；所述铰链限位凸台（3-6）限定菱形运动转换器（1-4）的安装位置；所述铰链安装平面（3-7）和铰链安装螺纹孔（3-8）固定安装菱形运动转换器（1-4）。
4.根据权利要求1所述一种水平双驱动型精密压电粘滑直线装置，其特征在于：所述位移调节器（4）包括调节螺杆（4-1）和解耦球头（4-2）；所述调节螺杆（4-1）的外螺纹与位移调节器安装螺纹孔（3-3）的内螺纹进行螺纹连接配合；所述解耦球头（4-2）与位移调节器凹槽（5-8）接触。
5.根据权利要求1所述一种水平双驱动型精密压电粘滑直线装置，其特征在于：所述燕尾平台（5）包括锁紧螺钉安装螺纹孔（5-1）、锁紧螺钉（5-2）、导轨安装平面（5-3）、导轨安装螺纹孔（5-4）、位移调节器挡板（5-5）、燕尾平台滑行面（5-6）、燕尾斜面（5-7）和位移调节器凹槽（5-8）；所述锁紧螺钉（5-2）安装在锁紧螺钉安装螺纹孔（5-1）内，所述锁紧螺钉（5-2）通过锁紧螺钉安装螺纹孔（5-1）后，与燕尾平台安装平面（3-2）接触；所述导轨安装平面（5-3）和导轨安装螺纹孔（5-4）固定安装动子（2）；所述位移调节器挡板（5-5）设置在燕尾平台（5）的后端部，与导轨安装平面（5-3）垂直；所述燕尾平台滑行面（5-6）与燕尾平台安装平面（3-2）接触；燕尾斜面（5-7）与燕尾平台限位平面（6-2）接触；所述位移调节器凹槽（5-8）与位移调节器（4）接触。
6.根据权利要求1所述一种水平双驱动型精密压电粘滑直线装置，其特征在于：垫片限位面（1-4-2）的宽度为B，垫片（1-2）的宽度为C，其中B=（C+1）mm；半圆形驱动足（1-4-5）的厚度为N，半径为R，其中N的取值范围为6~9mm，R的取值范围为1.5~2.5mm，半圆形驱动足（1-4-5）端面相应涂有陶瓷类或玻璃纤维类摩擦材料；直梁（1-4-6-1）的长度为L，斜梁（1-4-6-2）的长度为Q，直梁（1-4-6-1）与斜梁（1-4-6-2）的夹角为Ɵ，其中L的取值范围为5~8mm，Q的取值范围为3~5mm，Ɵ的取值范围为20o~70o。
7.一种应用于上述权利要求1的水平双驱动型精密压电粘滑直线装置的驱动方法，其特征在于：所述驱动方法主要是在非对称电信号激励条件下，若同时将两组对称性为D1的电信号分别输入两个斜拉式水平定子（1），其中，对称性D1的取值范围为51~99%，可显著增大动子（2）的正向输出推力；若同时将两组对称性为D2的电信号分别输入两个斜拉式水平定子（1），其中，对称性D2的取值范围为1~49%，可显著增大动子（2）的反向输出推力；若同时将一组对称性为D1，另一组对称性为D2的电信号分别输入两个斜拉式水平定子（1），可实现动子（2）运动过程中的精确急停。
8.根据权利要求7所述一种水平双驱动型精密压电粘滑直线装置的驱动方法，其特征在于，所述非对称电信号包括锯齿波电信号、幂函数波电信号、梯形波电信号、非对称方波电信号或其任意两种信号的组合。
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