CN108322087B - 一种精密加载式压电直线电机及其驱动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种精密加载式压电直线电机及其驱动方法，以解决当前压电驱动器由于受到尺寸、重量、运动副间隙等方面的制约，很难实现大行程、高精度的精密运动。该压电驱动器由底座、导轨组件、安装螺钉Ⅰ、定子组件、安装螺钉Ⅱ、导向机构、挡板、固定螺钉Ⅰ、螺纹副和锁紧螺钉组成。本发明由双陶瓷折梁柔性铰链产生的斜向力和对压电驱动器的激励方法对摩擦力进行综合调控，具有结构紧凑、装配方便、定位精度高及行程大等特点。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能够由广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种精密加载式压电直线电机及其驱动方法，属于压电精密驱动技术领域。
背景技术
压电驱动技术是一种利用压电材料的逆压电效应将电能转化为机械能的新型驱动方式，与传统的电磁驱动方式相比，具有低速大转矩（推力）、力矩密度高、设计灵活、结构紧凑、定位精度高、响应速度快、断电自锁且不受电磁干扰以及可不使用轴承和润滑等优点，在机器人关节驱动、精密仪器仪表、超精密加工、航空航天以及生命科学等领域均具有广泛的应用前景，是近年来精密特种驱动技术领域研究的热点之一。
其中基于压电粘滑驱动原理与柔性铰链技术的压电驱动器不论是从体积尺寸、定位精度还是响应频率和能耗等性能方面均具有显著优势。随着各种类型的新型换能材料不断开发、研制与应用，基于不同运动方式的新一类驱动器也如雨后春笋般不断崭露头角。新型的精密驱动器通常具有以下几方面特点：体积小、结构紧凑、重量轻、响应速度快、运动精度高等，被广泛的应用于诸多前沿科学领域内。而当今超精密驱动定位技术要求微纳米级别精度，传统驱动器由于受到尺寸、重量、运动副间隙等方面的制约，很难实现大行程、高精度的精密驱动。
发明内容
为解决当前超精密驱动技术难实现大行程、高精度的精密驱动等技术问题，本发明公开了一种精密加载式压电直线电机及其驱动方法。
本发明所采用的技术方案是：
所述一种精密加载式压电直线电机及其驱动方法包括底座、导轨组件、安装螺钉Ⅰ、定子组件、安装螺钉Ⅱ、导向机构、挡板、固定螺钉Ⅰ、螺纹副和锁紧螺钉；所述导轨组件通过安装螺钉Ⅰ和安装螺孔Ⅰ螺纹连接固定在底座上；所述导向机构置于底座内部，与底座内表面滑动接触；所述定子组件通过安装螺钉Ⅱ和安装螺孔Ⅱ螺纹连接固定在导向机构上部；所述挡板通过固定螺钉Ⅰ和固定螺孔Ⅰ螺纹连接固定在底座侧边；所述螺纹副通过胶粘放置在挡板中心位置。
所述导轨组件包括定导轨、沉头孔Ⅰ、滚柱保持架和动导轨，所述滚柱保持架放置于定导轨和动导轨之间；所述底座设置有导轨组件安装平面和安装螺孔Ⅰ，安装螺钉Ⅰ穿过沉头孔Ⅰ与安装螺孔Ⅰ螺纹连接，将导轨组件安装在导轨组件安装平面上部；所述底座还设置有固定螺孔Ⅱ、底座内表面、固定螺孔Ⅰ、矩形凹槽和锁紧螺孔；所述锁紧螺孔与锁紧螺钉螺纹连接；所述矩形凹槽与导向机构滑动接触；所述底座采用45号钢材料。
所述导向机构包括导向轴、弹簧和导向块；所述导向轴一端的外螺纹与固定螺孔Ⅱ螺纹连接，所述弹簧套在导向轴外侧，放置在底座与导向块之间；所述导向块设置有安装螺孔Ⅱ、盲孔和导向块侧板，所述盲孔与导向轴间隙配合；所述导向块侧板与矩形凹槽滑动接触；通过安装螺孔Ⅱ固定定子组件。
所述定子组件包括双陶瓷折梁柔性铰链、压电陶瓷Ⅰ、压电陶瓷Ⅱ、垫片Ⅱ、预紧螺钉和垫片Ⅰ；所述压电陶瓷Ⅰ、垫片Ⅰ、压电陶瓷Ⅱ和垫片Ⅱ放置在双陶瓷折梁柔性铰链内部，通过预紧螺钉进行预紧；所述双陶瓷折梁柔性铰链包括驱动足、端部横梁、刚性折梁Ⅰ、直圆型铰链Ⅰ、直圆型铰链Ⅱ、定子组件安装孔、刚性直梁、直圆型铰链Ⅲ、刚性折梁Ⅱ、直圆型铰链Ⅳ、直圆型铰链Ⅴ和预紧螺孔；所述直圆型铰链Ⅰ设置在刚性折梁Ⅰ拐点处，所述直圆型铰链Ⅱ设置在刚性折梁Ⅰ一端，直圆型铰链Ⅰ和直圆型铰链Ⅱ通过刚性折梁Ⅰ刚性连接；所述直圆型铰链Ⅲ设置在刚性折梁Ⅱ拐点处，所述圆型铰链Ⅳ设置在刚性折梁Ⅱ一端，直圆型铰链Ⅰ和直圆型铰链Ⅱ通过刚性折梁Ⅰ刚性连接；所述直圆型铰链Ⅴ设置在刚性直梁一端；所述驱动足与动导轨线接触；所述预紧螺孔和预紧螺钉螺纹连接，以固定压电陶瓷Ⅰ和压电陶瓷Ⅱ；安装螺钉Ⅱ穿过定子组件安装孔与安装螺孔Ⅱ螺纹连接以固定定子组件。
所述挡板包括沉头孔Ⅱ和通孔；所述通孔与螺纹副的螺母基体胶粘连接，固定螺钉Ⅰ通过沉头孔Ⅱ与固定螺孔Ⅰ螺纹连接。所述螺纹副包括螺母基体、螺杆和解耦球头，所述螺母基体和螺杆螺纹连接，螺母基体胶粘于挡板中心位置；所述解耦球头与导向块点接触，通过解耦球头将螺杆的螺旋运动转换为直线进给运动。
所述双陶瓷折梁柔性铰链的刚性折梁Ⅰ、刚性直梁和刚性折梁Ⅱ的宽度均为K，K的取值范围为2.5~3mm；所述直圆型铰链Ⅰ、直圆型铰链Ⅱ、直圆型铰链Ⅲ、直圆型铰链Ⅳ和直圆型铰链Ⅴ的半径均为R，R的取值范围为0.5~1mm；所述双陶瓷折梁柔性铰链采用铝合金7075材料。
所述驱动方法中采用的复合激励电信号实现，复合激励电信号包括摩擦调控波和驱动波，通过将摩擦调控波复合叠加于驱动波的快速通电阶段，激发定子组件在快速变形阶段处于微副高频共振状态，基于超声减摩效应降低快速变形阶段定子组件与导轨组件间的摩擦阻力；所述驱动波为锯齿波，所述摩擦调控波为正弦波，其中锯齿波的周期为T1，激励电压幅值为V1，对称性为S，正弦波周期为T2，激励电压幅值为V2，锯齿波与正弦波的周期比为T1/T2=100~20000，激励电压幅值比为V1/V2=2~6。
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双陶瓷折梁柔性铰链，并采用寄生运动原理，可增大压电驱动器在“粘”阶段的驱动力，减小压电驱动器在“滑”阶段的摩擦阻力，实现了对压电驱动器驱动过程摩擦力的综合调控，可显著提升压电驱动器的输出性能，与现有技术相比，输出力提升30%以上，输出速度提升40%以上，闭环下定位精度可达纳米级。
附图说明
图1所示为本发明提出的一种精密加载式压电直线电机的结构示意图；
图2所示为本发明提出的一种精密加载式压电直线电机的底座的结构示意图；
图3所示为本发明提出的一种精密加载式压电直线电机的导轨组件的结构示意图；
图4所示为本发明提出的一种精密加载式压电直线电机的定子组件的结构示意图；
图5所示为本发明提出的一种精密加载式压电直线电机的双陶瓷折梁柔性铰链的结构示意图；
图6所示为本发明提出的一种精密加载式压电直线电机的导向机构的结构示意图；
图7所示为本发明提出的一种精密加载式压电直线电机的导向块的结构示意图；
图8所示为本发明提出的一种精密加载式压电直线电机的挡板的结构示意图；
图9所示为本发明提出的一种精密加载式压电直线电机的螺纹副的结构示意图；
图10所示为本发明提出的一种精密加载式压电直线电机驱动方法的波形示意图。
具体实施方式
具体实施方式：结合图1~图9说明本实施方式，本实施方式提供了一种精密加载式压电直线电机及其驱动方法。所述该使用双陶瓷折梁柔性铰链的压电粘滑驱动器包括底座1、导轨组件2、安装螺钉Ⅰ3、定子组件4、安装螺钉Ⅱ5、导向机构6、挡板7、固定螺钉Ⅰ8、螺纹副9和锁紧螺钉10。所述导轨组件2通过安装螺钉Ⅰ3和安装螺孔Ⅰ1-2螺纹连接固定在底座1上；所述导向机构6置于底座1内部，与底座内表面1-4滑动接触；所述挡板7通过固定螺钉Ⅰ8和固定螺孔Ⅰ1-5螺纹连接固定在底座1侧边；所述螺纹副9与挡板7胶粘连接；所述定子组件4通过安装螺钉Ⅱ5和安装螺孔Ⅱ6-3-1螺纹连接固定在导向机构6上，并与导轨组件2线接触；当定子组件4固定好后，为避免在驱动过程中定子组件4发生剧烈振动，使用锁紧螺钉10对导向机构6进行竖直方向上的锁紧。
所述导轨组件2包括定导轨2-1、沉头孔Ⅰ2-2、滚柱保持架2-3和动导轨2-4。所述滚珠保持架2-3放置于定导轨2-1和动导轨2-4之间，分别与定导轨2-1和动导轨2-4滑动接触；所述底座1设置有导轨组件安装平面1-1和安装螺孔Ⅰ1-2，安装螺钉Ⅰ3穿过沉头孔Ⅰ2-2与安装螺孔Ⅰ1-2螺纹连接，将导轨组件2安装在导轨组件安装平面1-1上部；所述底座1还设置有固定螺孔Ⅱ1-3、底座内表面1-4、固定螺孔Ⅰ1-5、矩形凹槽1-6和锁紧螺孔1-7；所述锁紧螺孔1-7与锁紧螺钉10螺纹连接；所述矩形凹槽1-6与导向机构6滑动接触。所述底座1采用45号钢材料。
所述导向机构6包括导向轴6-1、弹簧6-2和导向块6-3；所述导向轴6-1一端的外螺纹与固定螺孔Ⅱ1-3螺纹连接，用于固定导向轴6-1；所述弹簧6-2套在导向轴6-1外侧，放置在底座1与导向块6-3之间；所述导向块6-3设置有安装螺孔Ⅱ6-3-1、盲孔6-3-2和导向块侧板6-3-3，所述盲孔6-3-2与导向轴6-1间隙配合；所述导向块侧板6-3-3与矩形凹槽1-6滑动接触；通过安装螺孔Ⅱ6-3-1固定定子组件4。为保证系统稳定性，导向轴6-1和导向块6-3均采用不锈钢材料。
所述定子组件4包括双陶瓷折梁柔性铰链4-1、压电陶瓷Ⅰ4-2、压电陶瓷Ⅱ4-3、垫片Ⅱ4-4、预紧螺钉4-5和垫片Ⅰ4-6。所述压电陶瓷Ⅰ4-2、垫片Ⅰ4-6、压电陶瓷Ⅱ4-3和垫片Ⅱ4-4放置在双陶瓷折梁柔性铰链4-1内部，通过预紧螺钉4-5进行预紧；所述双陶瓷折梁柔性铰链4-1包括驱动足4-1-1、端部横梁4-1-2、刚性折梁Ⅰ4-1-3、直圆型铰链Ⅰ4-1-4、直圆型铰链Ⅱ4-1-5、定子组件安装孔4-1-6、刚性直梁4-1-7、直圆型铰链Ⅲ4-1-8、刚性折梁Ⅱ4-1-9、直圆型铰链Ⅳ4-1-10、直圆型铰链Ⅴ4-1-11和预紧螺孔4-1-12；所述直圆型铰链Ⅰ4-1-4设置在刚性折梁Ⅰ4-1-3拐点处，所述直圆型铰链Ⅱ4-1-5设置在刚性折梁Ⅰ4-1-3下端，直圆型铰链Ⅰ4-1-4和直圆型铰链Ⅱ4-1-5通过刚性折梁Ⅰ4-1-3刚性连接；所述直圆型铰链Ⅲ4-1-8设置在刚性折梁Ⅱ4-1-9拐点处，所述直圆型铰链Ⅳ4-1-10设置在刚性折梁Ⅱ4-1-9一端，直圆型铰链Ⅰ4-1-4和直圆型铰链Ⅱ4-1-5通过刚性折梁Ⅰ4-1-3刚性连接；所述直圆型铰链Ⅴ4-1-11设置在刚性直梁4-1-7一端；所述驱动足4-1-1与动导轨2-4线接触；所述预紧螺孔4-1-12和预紧螺钉4-5螺纹连接，以固定压电陶瓷Ⅰ4-2和压电陶瓷Ⅱ4-3；安装螺钉Ⅱ5穿过定子组件安装孔4-1-6与安装螺孔Ⅱ6-3-1螺纹连接以固定定子组件4。端部横梁4-1-2和刚性折梁Ⅰ4-1-3所夹角度为θ，θ的取值范围为90°~150°，本实施方式中θ为105°。双陶瓷折梁柔性铰链4-1的刚性折梁Ⅰ4-1-3、刚性直梁4-1-7和刚性折梁Ⅱ4-1-9的宽度均为K，K的取值范围为2.5~3mm，本实施方式中K为2.5mm；所述直圆型铰链Ⅰ4-1-4、直圆型铰链Ⅱ4-1-5、直圆型铰链Ⅲ4-1-8、直圆型铰链Ⅳ4-1-10和直圆型铰链Ⅴ4-1-11的半径均为R，R的取值范围为0.5~1mm，本实施方式中R为1mm；双陶瓷折梁柔性铰链4-1采用铝合金7075材料。
所述挡板7包括沉头孔Ⅱ7-1和通孔7-2；所述通孔7-2与螺纹副9的螺母基体9-1胶粘连接，固定螺钉Ⅰ8通过沉头孔Ⅱ7-1与固定螺孔Ⅰ1-5螺纹连接。所述螺纹副9包括螺母基体9-1、螺杆9-2和解耦球头9-3，所述螺母基体9-1和螺杆9-2螺纹连接，螺母基体9-1胶粘于挡板7中心位置；所述解耦球头9-3与导向块6-3点接触，通过解耦球头9-3将螺杆9-2的螺旋运动转换为直线进给运动。
具体实施方式二：结合图10说明本实施方式，本实施方式提供了一种精密加载式压电直线电机驱动方法的具体实施方案，所述一种精密加载式压电直线电机的驱动方法如下所示。
所述驱动方法中采用的复合激励电信号实现，复合激励电信号包括摩擦调控波和驱动波，通过将摩擦调控波复合叠加于驱动波的快速通电阶段，激发定子组件在4快速变形阶段处于微副高频共振状态，基于超声减摩效应降低快速变形阶段定子组件4与导轨组件2间的摩擦阻力；所述驱动波为锯齿波，所述摩擦调控波为正弦波，其中锯齿波的周期为T1，激励电压幅值为V1，对称性为S，正弦波周期为T2，激励电压幅值为V2，锯齿波与正弦波的周期比为T1/T2=100~20000，激励电压幅值比为V1/V2=2~6。
工作原理：本发明采用非对称锯齿波电信号作为驱动信号，当对压电陶瓷施加高对称性的锯齿波形信号时，压电陶瓷先缓慢伸长，后快速缩短，当缓慢伸长时定子与动子间为静摩擦，此时位移转换机构对动子施加了一个逐渐增大的斜向压力，这个斜向压力可分解为法向的正压力和切向的摩擦驱动力，由于法向正压力逐渐增大，摩擦驱动力也随之逐渐增大，即可增大“粘”阶段动子的输出特性；当快速缩短时定子与动子间为动摩擦，此时位移转换机构对动子的斜向压力逐渐减小，摩擦阻力也随之逐渐减小。
综合以上所述内容，本发明提供一种精密加载式压电直线电机及其驱动方法，以解决当前压电驱动器由于受到尺寸、重量、运动副间隙等方面的制约，很难实现大行程、高精度的精密运动的问题。该压电粘滑驱动器具有结构紧凑、装配方便、定位精度高及行程大等特点。通过使用具有摩擦调控功能的驱动方法可显著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能够得到广泛应用。
Claims (5)
1.一种精密加载式压电直线电机，该压电直线电机包括底座（1）、导轨组件（2）、安装螺钉Ⅰ（3）、定子组件（4）、安装螺钉Ⅱ（5）、导向机构（6）、挡板（7）、固定螺钉Ⅰ（8）、螺纹副（9）和锁紧螺钉（10）；所述导轨组件（2）通过安装螺钉Ⅰ（3）和安装螺孔Ⅰ（1-2）螺纹连接固定在底座（1）上；所述导向机构（6）置于底座（1）内部，与底座内表面（1-4）滑动接触；所述定子组件（4）通过安装螺钉Ⅱ（5）和安装螺孔Ⅱ（6-3-1）螺纹连接固定在导向机构（6）上部；所述挡板（7）通过固定螺钉Ⅰ（8）和固定螺孔Ⅰ（1-5）螺纹连接固定在底座（1）侧边；所述螺纹副（9）通过胶粘放置在挡板（7）中心位置；所述导轨组件（2）包括定导轨（2-1）、沉头孔Ⅰ（2-2）、滚柱保持架（2-3）和动导轨（2-4），所述滚柱保持架（2-3）放置于定导轨（2-1）和动导轨（2-4）之间；所述底座（1）设置有导轨组件安装平面（1-1）和安装螺孔Ⅰ（1-2），安装螺钉Ⅰ（3）穿过沉头孔Ⅰ（2-2）与安装螺孔Ⅰ（1-2）螺纹连接，将导轨组件（2）安装在导轨组件安装平面（1-1）上部；所述底座（1）还设置有固定螺孔Ⅱ（1-3）、底座内表面（1-4）、固定螺孔Ⅰ（1-5）、矩形凹槽（1-6）和锁紧螺孔（1-7）；所述锁紧螺孔（1-7）与锁紧螺钉（10）螺纹连接；所述矩形凹槽（1-6）与导向机构（6）滑动接触；所述底座（1）采用45号钢材料；所述导向机构（6）包括导向轴（6-1）、弹簧（6-2）和导向块（6-3）；所述导向轴（6-1）一端的外螺纹与固定螺孔Ⅱ（1-3）螺纹连接，所述弹簧（6-2）套在导向轴（6-1）外侧，放置在底座（1）与导向块（6-3）之间；所述导向块（6-3）设置有安装螺孔Ⅱ（6-3-1）、盲孔（6-3-2）和导向块侧板（6-3-3），所述盲孔（6-3-2）与导向轴（6-1）间隙配合；所述导向块侧板（6-3-3）与矩形凹槽（1-6）滑动接触；通过安装螺孔Ⅱ（6-3-1）固定定子组件（4）；所述定子组件（4）包括双陶瓷折梁柔性铰链（4-1）、压电陶瓷Ⅰ（4-2）、压电陶瓷Ⅱ（4-3）、垫片Ⅱ（4-4）、预紧螺钉（4-5）和垫片Ⅰ（4-6）；所述压电陶瓷Ⅰ（4-2）、垫片Ⅰ（4-6）、压电陶瓷Ⅱ（4-3）和垫片Ⅱ（4-4）放置在双陶瓷折梁柔性铰链（4-1）内部，通过预紧螺钉（4-5）进行预紧；所述双陶瓷折梁柔性铰链（4-1）包括驱动足（4-1-1）、端部横梁（4-1-2）、刚性折梁Ⅰ（4-1-3）、直圆型铰链Ⅰ（4-1-4）、直圆型铰链Ⅱ（4-1-5）、定子组件安装孔（4-1-6）、刚性直梁（4-1-7）、直圆型铰链Ⅲ（4-1-8）、刚性折梁Ⅱ（4-1-9）、直圆型铰链Ⅳ（4-1-10）、直圆型铰链Ⅴ（4-1-11）和预紧螺孔（4-1-12）；所述直圆型铰链Ⅰ（4-1-4）设置在刚性折梁Ⅰ（4-1-3）拐点处，所述直圆型铰链Ⅱ（4-1-5）设置在刚性折梁Ⅰ（4-1-3）一端，直圆型铰链Ⅰ（4-1-4）和直圆型铰链Ⅱ（4-1-5）通过刚性折梁Ⅰ（4-1-3）刚性连接；所述直圆型铰链Ⅲ（4-1-8）设置在刚性折梁Ⅱ（4-1-9）拐点处，所述圆型铰链Ⅳ（4-1-10）设置在刚性折梁Ⅱ（4-1-9）一端，直圆型铰链Ⅰ（4-1-4）和直圆型铰链Ⅱ（4-1-5）通过刚性折梁Ⅰ（4-1-3）刚性连接；所述直圆型铰链Ⅴ（4-1-11）设置在刚性直梁（4-1-7）一端；所述驱动足（4-1-1）与动导轨（2-4）线接触；所述预紧螺孔（4-1-12）和预紧螺钉（4-5）螺纹连接，以固定压电陶瓷Ⅰ（4-2）和压电陶瓷Ⅱ（4-3）；安装螺钉Ⅱ（5）穿过定子组件安装孔（4-1-6）与安装螺孔Ⅱ（6-3-1）螺纹连接以固定定子组件（4）。
2.据权利要求1所述的一种精密加载式压电直线电机，其特征在于：所述挡板（7）包括沉头孔Ⅱ（7-1）和通孔（7-2）；所述通孔（7-2）与螺纹副（9）的螺母基体（9-1）胶粘连接，固定螺钉Ⅰ（8）通过沉头孔Ⅱ（7-1）与固定螺孔Ⅰ（1-5）螺纹连接。
3.据权利要求1所述的一种精密加载式压电直线电机，其特征在于：所述螺纹副（9）包括螺母基体（9-1）、螺杆（9-2）和解耦球头（9-3），所述螺母基体（9-1）和螺杆（9-2）螺纹连接，螺母基体（9-1）胶粘于挡板（7）中心位置；所述解耦球头（9-3）与导向块（6-3）点接触，通过解耦球头（9-3）将螺杆（9-2）的螺旋运动转换为直线进给运动。
4.据权利要求1所述的一种精密加载式压电直线电机，其特征在于：端部横梁（4-1-2）和刚性折梁Ⅰ（4-1-3）所夹角度为θ，θ的取值范围为90°~150°；双陶瓷折梁柔性铰链（4-1）的刚性折梁Ⅰ（4-1-3）、刚性直梁（4-1-7）和刚性折梁Ⅱ（4-1-9）的宽度均为K，K的取值范围为2.5~3mm；所述直圆型铰链Ⅰ（4-1-4）、直圆型铰链Ⅱ（4-1-5）、直圆型铰链Ⅲ（4-1-8）、直圆型铰链Ⅳ（4-1-10）和直圆型铰链Ⅴ（4-1-11）的半径均为R，R的取值范围为0.5~1mm；双陶瓷折梁柔性铰链（4-1）采用铝合金7075材料。
5.一种精密加载式压电直线电机的激励方法，该激励方法是基于权利要求1所述的精密加载式压电直线电机实现；所述激励方法中采用的复合激励电信号实现，复合激励电信号包括摩擦调控波和驱动波，通过将摩擦调控波复合叠加于驱动波的快速通电阶段，激发定子组件（4）在快速变形阶段处于微副高频共振状态，基于超声减摩效应降低快速变形阶段定子组件（4）与导轨组件（2）间的摩擦阻力；所述驱动波为锯齿波，所述摩擦调控波为正弦波，其中锯齿波的周期为T1，激励电压幅值为V1，对称性为S，正弦波周期为T2，激励电压幅值为V2，锯齿波与正弦波的周期比为T1/T2=100~20000，激励电压幅值比为V1/V2=2~6。
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