CN108322088B - 一种采用工字形结构的压电粘滑马达及其驱动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用工字形结构的压电粘滑马达及其驱动方法，解决了当前压电粘滑位移平台结构复杂，导轨受力不稳定且预紧力调节不方便等技术问题。本发明包括基座、导轨、驱动定子、导轨安装螺栓、加载机构、螺纹副、驱动定子安装螺栓和加载机构安装螺栓。所述驱动定子利用叠堆型压电陶瓷缓慢伸长带动柔性铰链的变形，基于粘滑原理通过向压电叠堆通入锯齿波实现导轨的往复运动给。本发明具有结构简单、稳定性高和行程大等特点，在光学精密仪器、半导体加工等微纳驱动与定位领域具有很好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种采用工字形结构的压电粘滑马达及其驱动方法，属于微纳驱动和定位领域。
背景技术
近年来，随着科学技术突飞猛进的发展，微纳米科学技术方面的研究也取得了迅猛的发展，众多技术领域都需要亚微米、纳米级的微驱动技术。压电陶瓷是一种广泛应用于精密微驱动领域的功能材料，具有体积小、频响高、发热少、输出力大、无噪声等优点，精密驱动与定位技术中广泛采用基于压电陶瓷驱动源作为高精度驱动装置中的驱动核心。
惯性压电驱动马达因其在分辨率、工作频率、运动速度、频率响应、制造成本、受压电元件滞环蠕变影响程度等方面具有独特的优势，已经发展成为压电精密驱动的一个重要部分，随着压电驱动马达的产品化，传统的惯性压电驱动马达由于行程短、输出推力小、稳定性差、预紧力无法调节等致命缺陷的限制，显然无法满足对驱动马达有较高性能要求的微纳米操作技术需求。
因此，设计一种性能优越，且能实现预紧力加载的惯性压电驱动马达是十分必要的。
发明内容
为解决已有惯性压电驱动马达存在的行程短、输出推力小、稳定性差、预紧力无法调节等技术问题，本发明公开了一种采用工字形结构的压电粘滑马达及其驱动方法。
本发明所采用的技术方案是：
所述的一种采用工字形结构的压电粘滑马达由基座、双列交叉滚柱导轨、驱动定子、导轨安装螺栓、加载机构、螺纹副、驱动定子安装螺栓和加载机构安装螺栓组成；所述双列交叉滚柱导轨通过导轨安装螺栓安装在基座上，加载机构通过加载机构安装螺栓安装在基座上，驱动定子通过驱动定子安装螺栓安装在加载机构上，所述螺纹副胶粘安装在螺纹副安装孔上。
所述基座采用“凹”字型结构，基座采用不锈钢材料，所述基座包括导轨安装平面、导轨安装孔、基座安装孔、加载机构安装螺纹孔、凸台、螺纹副安装孔和加载机构安装面；所述导轨安装平面和导轨安装孔通过导轨安装螺栓对导轨进行固定，所述基座安装孔用于与外部装置进行连接，所述加载机构安装螺纹孔和加载机构安装面通过加载机构安装螺栓对驱动定子进行固定，所述凸台与加载机构安装面刚性连接，所述加载机构安装螺纹孔距离凸台的距离为l，其特征在于l的取值范围为0.5～3 mm，所述螺纹副安装孔通过胶粘连接安装螺纹副。
所述双列交叉滚柱导轨包括固定导轨、导轨连接孔、双列交叉滚柱导轨保持架、导轨限位螺栓和活动导轨；所述固定导轨通过导轨安装螺栓和导轨连接孔进行固定，固定导轨和活动导轨中间设置有双列交叉滚柱导轨保持架，所述活动导轨端面涂有陶瓷类或玻璃纤维类摩擦材料，所述导轨限位螺栓安装在固定导轨和活动导轨的两端。
所述驱动定子包括工字形柔性铰链机构、调整垫片、叠堆型压电陶瓷和基米螺钉；所述叠堆型压电陶瓷通过调整垫片和基米螺栓固定在柔性铰链机构内；所述驱动定子的工字形柔性铰链机构采用5052铝合金、6061铝合金、7075铝合金、Ti-35钛合金或Ti-13钛合金材料，所述调整垫片采用钨钢片材料；所述工字形柔性铰链机构包括驱动足、横梁Ⅰ、支撑梁、驱动定子安装孔、基米螺钉安装孔、支撑面、直圆型铰链和横梁Ⅱ；所述叠堆型压电陶瓷与横梁Ⅰ、横梁Ⅱ和支撑面进行接触，所述驱动足与活动导轨之间采用线接触方式，所述驱动定子安装孔通过加载机构安装螺栓与驱动定子安装螺纹孔进行配合，所述基米螺钉安装孔采用螺纹配合安装基米螺钉；所述驱动足的半径为R1厚度为D，其特征在于半径R1和厚度D的比值为K1= R1/D，其中K1值的取值范围为0.15～0.5，所述直圆型铰链的半径为R2支撑梁的宽度为L，其特征在于半径R2和宽度L的比值为K2= R2/L,其中K2的取值应小于0.48。
所述加载机构可采用5052铝合金、6061铝合金、7075铝合金、Ti-35钛合金或Ti-13钛合金材料，包括加载机构安装孔、驱动定子安装螺纹孔、位移块和直角铰链；所述加载机构安装孔通过加载机构安装螺栓固定在加载机构安装螺纹孔上。
所述螺纹副为精密螺纹副，所述螺纹副包括螺母基体、锁紧螺母和螺栓；螺母基体胶粘固定在螺纹副安装孔上，为整体提供支撑，所述锁紧螺母放置于螺栓末端。
本发明的有益效果是：本发明利用直角铰链只在一个方向变形的特点，设计了加载机构，并通过定子安装在加载机构上，实现定子与导轨间预紧力的调节，与传统压电位移平台相比，本结构可方便调节预紧力，且结构简单，容易实现，适应平台在不同情况下的使用。本发明定子采用具有摩擦力调控功能的定子结构，采用锯齿波驱动，显著提高了平台的机械输出特性。
附图说明
图1所示为本发明提出的一种采用工字形结构的压电粘滑马达及其驱动方法的结构示意图；
图2所示为本发明提出的一种采用工字形结构的压电粘滑马达及其驱动方法的基座结构示意图；
图3所示为本发明提出的一种采用工字形结构的压电粘滑马达及其驱动方法的导轨的结构示意图；
图4所示为本发明提出的一种采用工字形结构的压电粘滑马达及其驱动方法的驱动定子结构示意图；
图5所示为本发明提出的一种采用工字形结构的压电粘滑马达及其驱动方法的工字形柔性铰链机构结构示意图；
图6所示为本发明提出的一种采用工字形结构的压电粘滑马达及其驱动方法的加载机构结构示意图；
图7所示为本发明提出的一种采用工字形结构的压电粘滑马达及其驱动方法的螺纹副结构示意图；
图8所示为本发明提出的一种铰连接双杆加载的大行程大推力惯性压电驱动马达的耦合激励信号波形示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1~图7说明本实施方式。本实施方式提供了一种采用工字形结构的压电粘滑马达及其驱动方法的具体实施方案。所述一种采用工字形结构的压电粘滑马达及其驱动方法由基座1、双列交叉滚柱导轨2、驱动定子3、导轨安装螺栓4、加载机构5、螺纹副6、驱动定子安装螺栓7和加载机构安装螺栓8组成；所述双列交叉滚柱导轨2通过导轨安装螺栓4安装在基座1上，加载机构5通过加载机构安装螺栓8安装在基座1上，驱动定子3通过驱动定子安装螺栓7安装在加载机构5上，所述螺纹副6胶粘安装在螺纹副安装孔1-6上。
所述基座1采用“凹”字型结构，基座1采用不锈钢材料，所述基座1包括导轨安装平面1-1、导轨安装孔1-2、基座安装孔1-3、加载机构安装螺纹孔1-4、凸台1-5、螺纹副安装孔1-6和加载机构安装面1-7；所述导轨安装平面1-1和导轨安装孔1-2通过导轨安装螺栓4对导轨2进行固定，所述基座安装孔1-3用于与外部装置进行连接，所述加载机构安装螺纹孔1-4和加载机构安装面1-7通过加载机构安装螺栓8对驱动定子3进行固定，所述凸台1-5与加载机构安装面1-7刚性连接，为螺纹副安装孔1-6提供有利位置，凸台1-6的厚度为d，其特征在于d的取值范围为10～13 mm，所述加载机构安装螺纹孔1-4距离凸台1-5的距离为l，其特征在于l的取值范围为0.5～3 mm，所述螺纹副安装孔1-6通过胶粘连接安装螺纹副6。
所述双列交叉滚柱导轨2包括固定导轨2-1、导轨连接孔2-2、双列交叉滚柱导轨保持架2-3、导轨限位螺栓2-4和活动导轨2-5；所述固定导轨2-1通过导轨安装螺栓4和导轨连接孔2-2进行固定，固定导轨2-1和活动导轨2-5中间设置有双列交叉滚柱导轨保持架2-3，所述活动导轨2-5端面涂有陶瓷类或玻璃纤维类摩擦材料，所述导轨限位螺栓2-4安装在固定导轨2-1和活动导轨2-5的两端进行限位。
所述驱动定子3包括工字形柔性铰链机构3-1、调整垫片3-2、叠堆型压电陶瓷3-3和基米螺钉3-4；所述叠堆型压电陶瓷3-3通过调整垫片3-2和基米螺钉3-4固定在柔性铰链机构3-1内；所述驱动定子3的工字形柔性铰链机构3-1采用5052铝合金、6061铝合金、7075铝合金、Ti-35钛合金或Ti-13钛合金材料，所述调整垫片3-2采用钨钢材料；所述工字形柔性铰链机构3-1两侧分别设有横梁Ⅰ3-1-2和横梁Ⅱ3-1-8；所述工字形柔性铰链机构3-1上端设有驱动足3-1-1；所述工字形柔性铰链机构3-1中间设有支撑梁3-1-3；所述支撑梁3-1-3底部设有直圆型铰链3-1-7；所述工字形柔性铰链机构3-1下端设有驱动定子安装孔3-1-4、基米螺钉安装孔3-1-5、支撑面3-1-6；所述叠堆型压电陶瓷3-3与横梁Ⅰ3-1-2、横梁Ⅱ3-1-8和支撑面3-1-6进行接触，当左侧叠堆型压电陶瓷3-3伸长时带动横梁Ⅰ3-1-2变形，进而带动驱动足3-1-1向右侧移动，当右侧叠堆型压电陶瓷3-3伸长时带动横梁Ⅱ3-1-8变形，进而带动驱动足3-1-1向左侧移动，所述支撑梁3-1-3用于对驱动足3-1-1、横梁Ⅰ3-1-2和横梁Ⅱ3-1-8进行支撑，所述直圆型铰链3-1-7可以增大工字形柔性铰链机构3-1侧向变形，进而增大驱动足的水平方向移动。所述驱动足3-1-1与活动导轨2-5之间采用线接触方式，所述驱动定子安装孔3-1-4通过加载机构安装螺栓8与驱动定子安装螺纹孔5-2进行配合，所述基米螺钉安装孔3-1-5采用螺纹配合安装基米螺钉3-4。所述驱动足3-1-1的半径为R1，厚度为D，其特征在于半径R1和厚度D的比值为K1= R1/D，其中K1值的取值范围为0.15～0.5，所述直圆型铰链3-1-7的半径为R2，支撑梁的宽度为L，其特征在于半径R2和宽度L的比值为K2=R2/L,其中K2的取值应小于0.48，所述横梁Ⅰ3-1-2的长度为a，横梁Ⅱ3-1-8的长度为b，其特征在于长度a和长度b的值应相等，且取值范围为6.5～8。
所述加载机构5采用5052铝合金、6061铝合金、7075铝合金、Ti-35钛合金或Ti-13钛合金材料，包括加载机构安装孔5-1、驱动定子安装螺纹孔5-2、位移块5-3和直角铰链5-4；所述加载机构安装孔5-1通过加载机构安装螺栓8固定在加载机构安装螺纹孔1-4上，用于加载机构5整体固定，所述驱动定子安装螺纹孔5-2用于驱动定子3的固定，所述直角铰链5-4具有良好的弹性和刚度，当位移块5-3受力时直角铰链5-4会发生变形，由于直角铰链5-4只会在一个方向上发生变形，使位移块5-3带动驱动定子3在一个方向上进行稳定运动。
所述螺纹副6为精密螺纹副，所述螺纹副6包括螺母基体6-1、锁紧螺母6-2和螺栓6-3；螺母基体6-1胶粘固定在螺纹副安装孔1-6上，为整体提供支撑，所述锁紧螺母6-2放置于螺栓6-3末端，通过旋合锁紧螺母6-2可对螺栓6-3进行预紧，通过调节螺栓6-3可改变驱动定子2与活动导轨之间的预紧力，从而调节平台速度和负载能力。
具体实施方式二：结合图8说明本实施方式，本实施方式提供了一种采用工字形结构的压电粘滑马达及其驱动方法的具体实施方式，所述一种采用工字形结构的压电粘滑马达及其驱动方法如下所示。
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，激发工字形柔性铰链机构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工字形柔性铰链机构与活动导轨间的摩擦阻力；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：一种采用工字形结构的压电粘滑马达及其驱动方法内置的叠堆形压电陶瓷在锯齿波电信号激励下，带动工字形柔性铰链机构变形。当柔性铰链缓慢变形时，驱动足与活动导轨为静摩擦力，且不发生相对移动，因此工字形柔性铰链机构带动活动导轨移动一小段距离，当柔性铰链快速变形时，驱动足与活动导轨为动摩擦力，此时活动导轨由于惯性的作用继续保持原来的状态。通过改变螺纹副的螺栓旋合长度，可以改变加载机构的受力大小，进而改变位移块的位置，由于工字形柔性铰链机构安装在位移块上，因此可以调节驱动足与活动导轨之间的预紧力。柔性铰链的缓慢变形和快速变形后活动导轨向前移动一段距离，通过步数的累加可实现活动导轨的快速，大行程移动，并且改变锯齿波的对称性可改变承载滑块的运动方向，实现双向运动。
综合以上所述内容，本发明提供了一种采用工字形结构的压电粘滑马达及其驱动方法，利用直角铰链只在一个方向发生形变的特点，实现了对工字形柔性铰链机构和活动导轨之间的预紧，本发明的结构特点是通过直角铰链提出了一种预紧力可变的精密压电位移平台，有效解决了传统平台结构复杂，不稳定的问题，显著提升了压电位移平台的机械输出性能。直角铰链加载机构的工字形定子精密压电粘滑平台结构简单紧凑，易于调节，并且具有定位精度高，行程大，负载高和稳定性好的特点，非常适合微纳操作、半导体加工、精密光学仪器以及生物微操作等定位精度高，环境要求苛刻的领域中应用。
Claims (4)
1.一种采用工字形结构的压电粘滑马达，该压电粘滑马达由基座（1）、双列交叉滚柱导轨（2）、驱动定子（3）、导轨安装螺栓（4）、加载机构（5）、螺纹副（6）、驱动定子安装螺栓（7）和加载机构安装螺栓（8）组成；所述双列交叉滚柱导轨（2）通过导轨安装螺栓（4）安装在基座（1）上，加载机构（5）通过加载机构安装螺栓（8）安装在基座（1）上，驱动定子（3）通过驱动定子安装螺栓（7）安装在加载机构（5）上，所述螺纹副（6）胶粘安装在螺纹副安装孔（1-6）上；所述基座（1）采用“凹”字型结构，基座（1）采用不锈钢材料，所述基座（1）包括导轨安装平面（1-1）、导轨安装孔（1-2）、基座安装孔（1-3）、加载机构安装螺纹孔（1-4）、凸台（1-5）、螺纹副安装孔（1-6）和加载机构安装面（1-7）；所述导轨安装平面（1-1）和导轨安装孔（1-2）通过导轨安装螺栓（4）对双列交叉滚柱导轨（2）进行固定，所述基座安装孔（1-3）用于与外部装置进行连接，所述加载机构安装螺纹孔（1-4）和加载机构安装面（1-7）通过加载机构安装螺栓（8）对驱动定子（3）进行固定，所述凸台（1-5）与加载机构安装面（1-7）刚性连接，所述加载机构安装螺纹孔（1-4）距离凸台（1-5）的距离为l，其特征在于l的取值范围为0.5～3 mm，所述螺纹副安装孔（1-6）通过胶粘连接安装螺纹副（6）；所述双列交叉滚柱导轨（2）包括固定导轨（2-1）、导轨连接孔（2-2）、双列交叉滚柱导轨保持架（2-3）、导轨限位螺栓（2-4）和活动导轨（2-5）；所述固定导轨（2-1）通过导轨安装螺栓（4）和导轨连接孔（2-2）螺纹连接进行固定，固定导轨（2-1）和活动导轨（2-5）中间设置有双列交叉滚柱导轨保持架（2-3），所述活动导轨（2-5）端面涂有陶瓷类或玻璃纤维类摩擦材料，所述导轨限位螺栓（2-4）安装在固定导轨（2-1）和活动导轨（2-5）的两端；所述驱动定子（3）包括工字形柔性铰链机构（3-1）、调整垫片（3-2）、叠堆型压电陶瓷（3-3）和基米螺钉（3-4）；所述叠堆型压电陶瓷（3-3）通过调整垫片（3-2）和基米螺栓（3-4）固定在工字形柔性铰链机构（3-1）内；所述驱动定子（3）的工字形柔性铰链机构（3-1）采用5052铝合金、6061铝合金、7075铝合金、Ti-35钛合金或Ti-13钛合金材料，所述调整垫片（3-2）采用钨钢材料；所述工字形柔性铰链机构（3-1）两侧分别设有横梁Ⅰ（3-1-2）和横梁Ⅱ（3-1-8）；所述工字形柔性铰链机构（3-1）上端设有驱动足（3-1-1）；所述工字形柔性铰链机构（3-1）中间设有支撑梁（3-1-3）；所述支撑梁（3-1-3）底部设有直圆型铰链（3-1-7）；所述工字形柔性铰链机构（3-1）下端设有驱动定子安装孔（3-1-4）、基米螺钉安装孔（3-1-5）、支撑面（3-1-6）；叠堆型压电陶瓷（3-3）与横梁Ⅰ（3-1-2）、横梁Ⅱ（3-1-8）和支撑面（3-1-6）进行接触，所述驱动足（3-1-1）与活动导轨（2-5）之间采用线接触方式，所述驱动定子安装孔（3-1-4）通过加载机构安装螺栓（8）与驱动定子安装螺纹孔（5-2）进行配合，所述基米螺钉安装孔（3-1-5）采用螺纹配合安装基米螺钉（3-4）；所述驱动足（3-1-1）的半径为R1厚度为D，其特征在于半径R1和厚度D的比值为K1= R1/D，其中K1值的取值范围为0.15～0.5，所述直圆型铰链（3-1-7）的半径为R2支撑梁的宽度为L，其特征在于半径R2和宽度L的比值为K2= R2/L,其中K2的取值应小于0.48。
2.根据权利要求1所述的一种采用工字形结构的压电粘滑马达，其特征在于所述加载机构（5）采用5052铝合金、6061铝合金、7075铝合金、Ti-35钛合金或Ti-13钛合金材料，包括加载机构安装孔（5-1）、驱动定子安装螺纹孔（5-2）、位移块（5-3）和直角铰链（5-4）；所述加载机构安装孔（5-1）通过加载机构安装螺栓（8）将加载机构（5）固定在基座（1）上。
3.根据权利要求1所述的一种采用工字形结构的压电粘滑马达，其特征在于所述螺纹副（6）为精密螺纹副，所述螺纹副（6）包括螺母基体（6-1）、锁紧螺母（6-2）和螺栓（6-3）；螺母基体（6-1）胶粘固定在螺纹副安装孔（1-6）上，所述锁紧螺母（6-2）放置于螺栓（6-3）末端。
4.一种采用工字形结构的压电粘滑马达激励方法，该激励方法是基于权利要求1所述的一种采用工字形结构的压电粘滑马达；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，激发工字形柔性铰链机构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工字形柔性铰链机构与活动导轨间的摩擦阻力；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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