CN108199609B - 一种基于非牛顿流体的压电惯性驱动器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于非牛顿流体的压电惯性驱动器，属于压电精密驱动技术领域。运动体底部呈倒梯形，将运动体安放在底座上，运动体与底座接触区域为倒梯形左右两斜面，运动体底部倒梯形平面与底座凹槽底部平面间存在间隙可供非牛顿流体通过，压电叠堆一端固定粘接在运动体上，另一端固定粘接冲击质量块，底座凹槽中放置非牛顿流体。优点是：结构简单，采用单一压电叠堆作为驱动元件，配合锯齿形激励信号和非牛顿流体实现箝位摩擦力，略去了复杂的电路控制系统和机械变摩擦力结构，在此基础上，提高了步进式压电惯性驱动器的自适应控制能力。

Description

一种基于非牛顿流体的压电惯性驱动器
技术领域
本发明属于微小、精密驱动领域。
背景技术
近年来，随着微纳米驱动技术的飞速发展，在生物医学、精密机械、仿生机器人、自动控制、精密测量，精密操作、精密器件、超精密加工等技术领域对微小型机械的驱动要求逐年增加。微纳米级别的驱动技术作为探索微观领域的核心技术，已经成为国内外科研机构、学者的研究热点。传统的精密机械驱动方式一般采用机械结构式，比如精密车床中的丝杆副以及滚动、滑动导轨、精密螺旋楔块机构等，即便是超高精度的机械结构，还是无法避免存在装配间隙、摩擦磨损、爬行等现象，因此传统机械结构式驱动器难以提升精度水平，在这种形式下，发展出了很多新型的驱动方式，如静电吸引式、电磁吸引式、磁致伸缩式、形状记忆合金式和压电式等。压电陶瓷是一种广泛应用在精密驱动领域的智能材料，其具有低能耗、无电磁干扰、响应速度快等优点，以压电材料为驱动元件的驱动器成为近年来精密驱动领域的一个重要分支。
近年来压电精密驱动装置得到广泛研究与应用。惯性压电驱动器是将惯性质量块与压电元件共同作用产生的惯性冲击力作为驱动力的驱动装置，其机械结构简单，运动速度较快，形成的驱动运动方式易于控制，而且可以获得大行程的连续运动，可以稳定工作在高频状态，一直是国内外研究的热点。
目前所研制的惯性压电驱动器的工作机理多数是通过电控或者改变机械结构或得力差驱动运动，少数为利用摩擦力控制方式获得力差驱动运动，早期的研究工作主要是通过电信号产生不同的惯性冲击力使机构运动；随着研究工作与科学领域的扩展，从摩擦学原理上考虑，提出了利用非牛顿流体在不同速度下有不同粘度的特性，实现驱动器的驱动运动。
鉴于上述条件，本发明提出一种基于非牛顿流体的压电惯性驱动器。利用非对称锯齿波电信号作为激励信号，压电叠堆与冲击质量块在不同电压速度变化下产生不同大小的惯性冲击力，当产生的速度较小时，运动体无法驱动，当产生的速度变大时，非牛顿流体粘度变低，运动体实现运动。驱动器能在一定大小电压范围内，根据电压变化速度，调节自身阻力大小，具有良好的自适应能力。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：通过引入非牛顿流体来简化步进式压电驱动器的机械结构，以解决常见的压电箝位式驱动器多采用多个压电叠堆造成驱动器成本过高，且需要配合复杂的电路控制系统或需要根据不同输入条件调整机械变摩擦力结构等问题。
未解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
运动体(c)底部呈倒梯形，将运动体安放在底座(b)上，运动体(c)与底座(b)接触区域为倒梯形左右两斜面，运动体(c)底部倒梯形平面与底座(b)凹槽底部平面间存在间隙可供非牛顿流体通过，压电叠堆(d)一端固定粘接在运动体(c)上，另一端固定粘接冲击质量块(a)，底座(b)凹槽中放置的非牛顿流体具有随着速度增大，粘度降低的特性。
当运动体(c)在底座(b)凹槽中运动一段距离后，非牛顿流体会通过间隙保持运动体两侧平衡；底座(b)中的非牛顿流体应填平凹槽；将非对称锯齿波电信号作为该驱动器的激励信号。
本发明的优点是：结构简单，采用单一压电叠堆作为驱动元件，配合锯齿形激励信号和非牛顿流体实现箝位摩擦力，略去了复杂的电路控制系统和机械变摩擦力结构，在此基础上，提高了步进式压电惯性驱动器的自适应控制能力。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的俯视结构示意图与剖视图；
图3是本发明的运动过程示意简图；
图4是本发明的激励信号示意图。
具体实施方式
参照图1至图4具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于非牛顿流体的压电惯性驱动器，运动体c底部呈倒梯形，将运动体安放在底座b上，运动体c与底座b接触区域为倒梯形左右两斜面，运动体c底部倒梯形平面与底座b凹槽底部平面间存在间隙可供非牛顿流体通过，压电叠堆d一端固定粘接在运动体c上，另一端固定粘接冲击质量块a，底座b凹槽中放置的非牛顿流体具有随着速度增大，粘度降低的特性。
当运动体c在底座b凹槽中运动一段距离后，非牛顿流体会通过间隙保持运动体两侧平衡；底座b中的非牛顿流体应填平凹槽；将非对称锯齿波电信号作为该驱动器的激励信号。
本发明中采用的非牛顿流体具有随着速度增大，粘度快速降低的特性。
驱动器在初始位置(1)时，此时输入电信号在低电平e位置，输入信号从低电平e缓慢增加至高电平f，压电叠堆d缓慢伸长，此时驱动器整体如位置(2)所示，运动体c未发生位移，压电叠堆d伸长，输入信号从高电平f快速降低到低电平g，压电叠堆d快速收缩，此时压电叠堆d与冲击质量块a产生一个使运动体c快速运动的力，运动体c向前运动一步，实现驱动器的运动。

Claims (1)

1.一种基于非牛顿流体的压电惯性驱动器，其包括：冲击质量块(a)、底座(b)、运动体(c)、压电叠堆(d)，其特征在于：运动体(c)底部呈倒梯形，将运动体安放在底座(b)上，运动体(c)与底座(b)接触区域为倒梯形左右两斜面，运动体(c)底部倒梯形平面与底座(b)凹槽底部平面间存在间隙可供非牛顿流体通过，压电叠堆(d)一端固定粘接在运动体(c)上，另一端固定粘接冲击质量块(a)，底座(b)凹槽中放置的非牛顿流体具有随着速度增大，粘度降低的特性；当运动体(c)在底座(b)凹槽中运动一段距离后，非牛顿流体会通过间隙保持运动体两侧平衡；利用非对称锯齿波电信号作为该驱动器的激励信号。
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