CN109039150B - 一种基于表面微结构摩擦调控的粘滑惯性直线驱动器 - Google Patents
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Abstract
一种基于表面微结构摩擦调控的粘滑惯性直线驱动器，它涉及一种驱动器，以解决现有压电惯性驱动器输出位移和输出力比较小，驱动器的位移波动比较大的问题，它包括柔性铰链放大机构、压电叠堆执行器、导轨、底座、动子和支撑滚珠；柔性铰链放大机构固定在底座上，压电叠堆执行器安装在柔性铰链放大机构上，压电叠堆执行器通过旋拧在柔性铰链放大机构上的预紧连接件施加预紧力，所述导轨上加工有微结构，动子的表面上固接有与所述微结构接触的具有自润滑特性的摩擦材料层；微结构可使正向摩擦力大，反向摩擦力小，摩擦材料层配合微结构，降低了驱动器的位移反向回程位移，提高运行稳定性，增加了驱动器单向带负载能力。本发明用于精密驱动领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种驱动器，具体涉及一种基于表面微结构摩擦调控的粘滑惯性直线驱动器，属于压电驱动技术领域。
背景技术
压电粘滑(摩擦式)惯性驱动器是通过压电陶瓷的缓慢伸长-迅速缩短或双压电晶片的缓慢弯曲-迅速伸直驱动运动，具有噪声小、磨损轻微、能耗低、驱动简便、驱动行程大、控制系统简单等优势。因此，压电粘滑惯性驱动器在精密驱动领域有非常广阔的应用前景。
申请号为201220230938.9的一种非对称压电惯性驱动器，利用压电晶片长度不同，因此，产生双向不同的惯性冲击力，以提高行程，以实现旋转运动。
申请号为201810081813.6的双定子固定式压电惯性驱动器及其驱动方法，采用采用斜拉式运动转换梁结构，综合调控斜拉式定子组件与动子组件间的摩擦力，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。
综上，现有压电惯性驱动器结构复杂，输出速度和输出力比较小，驱动器的位移波动比较大，不能满足日新月异的精密驱动领域。
发明内容
本发明为解决现有压电惯性驱动器输出速度和输出力比较小，驱动器的位移波动比较大的问题，进而提供一种基于表面微结构摩擦调控的粘滑惯性直线驱动器。
本发明为解决上述问题采取的技术方案是：
一种基于表面微结构摩擦调控的粘滑惯性直线驱动器，它包括柔性铰链放大机构、压电叠堆执行器、导轨、底座、动子和支撑滚珠；
柔性铰链放大机构固定在底座上，压电叠堆执行器安装在柔性铰链放大机构上，压电叠堆执行器通过旋拧在柔性铰链放大机构上的预紧连接件施加预紧力，导轨的一端与柔性铰链放大机构连接，另一端支撑在布置于底座上的支撑滚珠上，所述导轨上加工有微结构，所述导轨上布置有动子，动子的表面上固接有与所述微结构接触的具有自润滑特性的摩擦材料层。
进一步地，所述微结构为单侧边缘为圆弧的微型齿。
进一步地，所述微结构为人字沟槽微织构。
进一步地，所述微结构为圆弧形沟槽微织构。
进一步地，柔性铰链放大机构为直圆柔性铰链三角放大机构。
本发明相比现有技术的有益效果是：
本发明采用表面微结构进行摩擦调控并采用柔性铰链三角放大机构放大压电叠堆的输出位移，在导轨上加工有调控摩擦的表面微结构，这些微结构能够单向增加摩擦，反向降低摩擦，不仅能增加驱动器的单向驱动力，还能降低驱动器的位移波动，使驱动器运行更加稳定，本发明整体方案能够提高驱动器的输出速度和输出力,输出速度大于1mm/s，输出力大于400g，减少回程位移40％，降低驱动器的位移波动，提高运行稳定性，具有结构简单，加工方便，可有效解决目前压电粘滑惯性驱动器输出力、输出速度较小，位移波动大的问题，具有重要实际应用价值。特别适用于单向带负载，反向空载的工况。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为动子的结构示意图；
图3为导轨上加工有单侧边缘为圆弧的微型齿的结构示意图；
图4为导轨上加工有人字沟槽微织构的示意图；
图5为导轨上加工有圆弧形沟槽微织构的示意图；
图6为图3的K处放大图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
参见图1-图5所示，本实施方式的一种基于表面微结构摩擦调控的粘滑惯性直线驱动器，它包括柔性铰链放大机构2、压电叠堆执行器3、导轨4、底座6、动子7和支撑滚珠8；
柔性铰链放大机构2固定在底座6上，压电叠堆执行器3安装在柔性铰链放大机构2上，压电叠堆执行器3通过旋拧在柔性铰链放大机构2上的预紧连接件1施加预紧力，导轨4的一端与柔性铰链放大机构2连接，另一端支撑在布置于底座6上的支撑滚珠8上，所述导轨4上加工有微结构4-1，所述导轨4上布置有动子7，动子7的表面上固接有与所述微结构接触的具有自润滑特性的摩擦材料层75。支撑滚珠8为密集分布的多个，保证导轨4水平。柔性铰链放大机构2通过螺钉5固定在底座6上。
本实施方式的导轨4的一端与柔性铰链放大机构2连接方式为粘接，如此设置，拆装方便，使用便捷。预紧连接件1采用预紧螺栓，预紧螺栓旋钮在柔性铰链放大机构2上对压电叠堆执行器3施加预压力。所述摩擦材料包括以质量百分比计的如下组分：
聚合物基体：45％-80％；
摩擦调节剂：10％-30％；
增强剂：1％-30％；
所述的聚合物基体为聚四氟乙烯、聚苯酯、聚酰亚胺和双马来酰胺中的一种或几种的组合；
所述的摩擦调节剂为铜粉、镍粉、氧化铜、二硫化钼、石墨、纳米金刚石粉和稀土粉中的一种或几种的组合；
所述增强剂为碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维的一种或几种的组合。
此种摩擦材料硬度在邵氏硬度65-80之间，弹性模量1.5GPa-4GPa，适合直线驱动器摩擦调控使用，增强剂可以起到增强聚合物复合材料的作用，有效提高材料的弹性模量和耐磨性；能够很好地提高驱动器的输出位移和输出力。微结构能很好地增加动子的单向摩擦力，降低反向摩擦力。通常，摩擦材料层的厚度为0.2mm-1.0mm。厚度过薄不利于单向摩擦力调控，位移波动较大；厚度过厚，不利于动子7的直线驱动和位移调控，不利于增加单向驱动力。
参见图3-图6所示，上述方案的一种改进，微结构4-1作成单侧边缘为圆弧的微型齿或人字沟槽微织构或圆弧形沟槽微织构，此三种结构均具有单向摩擦力大，反向摩擦力小的特点，通过动子7和微齿或微织构相互配合来调控摩擦，可以使正向摩擦力大，反向摩擦力小。如此工作时，降低了驱动器的位移反向回程位移，提高运行稳定性，并可增加驱动器单向带负载能力。上述三种微结构便于加工，包括但不限于上述三种微结构。
压电陶瓷具有分辨率高、出力大、响应迅速、驱动方式简单等特点，但是压电陶瓷的缺点是行程短，通常只能输出微米级的位移，不能覆盖较大的调节范围。为此，必须要使用位移放大机构。柔性铰链为一种新型的传动、支撑结构，具有常规运动副无可比拟的运动平稳，零迟滞，高精度，无装配误差等优点，采用直圆柔性铰链三角放大机构实现输出力和位移的放大和传递，配合微结构，能很好地实现摩擦调控，实现粘滑惯性直线驱动器的大输出力和大速度的输出。
参见图2所示，所述动子7包括上预紧螺栓71、端盖72、上压板74、下预紧螺栓76和下压板77，端盖72穿设在导轨4上并与导轨4之间有上下两个容纳腔，所述上压板74和下压板77分别放置在上容纳腔和下容纳腔内，所述上压板74和所述下压板77分别与导轨4接触的一面固接有具有自润滑特性的摩擦材料层，所述上压板74和所述下压板77分别通过旋钮在端盖72上的上预紧螺栓71和下预紧螺栓76压紧在导轨4上。上容纳腔和下容纳腔有利于容纳摩擦材料，也为摩擦材料提供更换空间。为了便于组装使用，端盖72设计成可拆装结构，端盖72包括结构相同的两个带有凹腔的上下端盖组成，上端盖和下端盖通过连接螺栓73连接在一起并穿设在导轨4上，所述上压板74和下压板77分别放置在对应的凹腔内。可拆卸设计的端盖72结构有利于方便拆装。摩擦材料层75粘接在上压板74和下压板77的表面上。
本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。
Claims (8)
1.一种基于表面微结构摩擦调控的粘滑惯性直线驱动器，其特征在于：它包括柔性铰链放大机构(2)、压电叠堆执行器(3)、导轨(4)、底座(6)、动子(7)和支撑滚珠(8)；
柔性铰链放大机构(2)固定在底座(6)上，压电叠堆执行器(3)安装在柔性铰链放大机构(2)上，压电叠堆执行器(3)通过旋拧在柔性铰链放大机构(2)上的预紧连接件(1)施加预紧力，导轨(4)的一端与柔性铰链放大机构(2)连接，另一端支撑在布置于底座(6)上的支撑滚珠(8)上，所述导轨(4)上加工有微结构(4-1)，所述导轨(4)上布置有动子(7)，动子(7)的表面上固接有与所述微结构接触的具有自润滑特性的摩擦材料层(75)；
所述动子(7)包括上预紧螺栓(71)、端盖(72)、上压板(74)、下预紧螺栓(76)和下压板(77)，端盖(72)穿设在导轨(4)上并与导轨(4)之间有上下两个容纳腔，所述上压板(74)和下压板(77)分别放置在上容纳腔和下容纳腔内，所述上压板(74)和所述下压板(77)分别与导轨(4)接触的一面固接有具有自润滑特性的摩擦材料层，所述上压板(74)和所述下压板(77)分别通过旋钮在端盖(72)上的上预紧螺栓(71)和下预紧螺栓(76)压紧在导轨(4)上。
2.根据权利要求1所述一种基于表面微结构摩擦调控的粘滑惯性直线驱动器，其特征在于：所述微结构(4-1)为单侧边缘为圆弧的微型齿。
3.根据权利要求1所述一种基于表面微结构摩擦调控的粘滑惯性直线驱动器，其特征在于：所述微结构(4-1)为人字沟槽微织构。
4.根据权利要求1所述一种基于表面微结构摩擦调控的粘滑惯性直线驱动器，其特征在于：所述微结构(4-1)为圆弧形沟槽微织构。
5.根据权利要求1、2、3或4所述一种基于表面微结构摩擦调控的粘滑惯性直线驱动器，其特征在于：所述柔性铰链放大机构(2)为直圆柔性铰链三角放大机构。
6.根据权利要求5所述一种基于表面微结构摩擦调控的粘滑惯性直线驱动器，其特征在于：所述端盖(72)包括结构相同的两个带有凹腔的上下端盖组成，上端盖和下端盖通过连接螺栓(73)连接在一起并穿设在导轨(4)上，所述上压板(74)和下压板(77)分别放置在对应的凹腔内。
7.根据权利要求1、2、3、4或6所述一种基于表面微结构摩擦调控的粘滑惯性直线驱动器，其特征在于：所述摩擦材料层(75)的厚度为0.2mm-1.0mm。
8.根据权利要求7所述一种基于表面微结构摩擦调控的粘滑惯性直线驱动器，其特征在于：所述摩擦材料包括以质量百分比计的如下组分：
聚合物基体：45％-80％；
摩擦调节剂：10％-30％；
增强剂：1％-30％；
所述的聚合物基体为聚四氟乙烯、聚苯酯、聚酰亚胺和双马来酰胺中的一种或几种的组合；
所述的摩擦调节剂为铜粉、镍粉、氧化铜、二硫化钼、石墨、纳米金刚石粉和稀土粉中的一种或几种的组合；
所述增强剂为碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维的一种或几种的组合。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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