CN109217721A - 一种双旋转永磁箝位直线步进式压电驱动器及该驱动器的驱动方法 - Google Patents
一种双旋转永磁箝位直线步进式压电驱动器及该驱动器的驱动方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种双旋转永磁箝位直线步进式压电驱动器及该驱动器的驱动方法，属于精密仪器设备技术领域。压电叠堆两端分别与滑动导磁块、固定导磁块用螺钉连接，压电叠堆与滑动导磁块、固定导磁块组成驱动部分，运动钢条放置在驱动部分上，固定导磁块与工作表面板固定连接，工作表面板与支撑板之间固定连接，支撑板与底板上表面固定连接，磁铁与磁铁固定盘固定连接，磁铁固定盘固定在直流电机的两端输出轴上，并且磁铁的位置相对直流电机中心轴对称，直流电机与支架固定连接，支架与底板固定连接。优点是：从改进产生箝位摩擦力方式的角度，解决了现有精密驱动装置摩擦磨损严重和精度难以提升的问题，提高了压电步进式驱动器输出稳定性。
Description
技术领域
本发明属于精密仪器设备技术领域，尤其涉及一种直线步进式压电驱动器。
背景技术
为满足航空航天/生物医学/微机电系统/精密制造等领域的精密定位要求，基于电磁/静电/热变形/磁致伸缩/形状记忆合金/电致变形/压电等原理的精密驱动器(或称电机/马达/致动器/促动器等)的研究已成为国内外热点。每类驱动器都有自身优势和适用领域，压电驱动器具有分辨率高、定位精确、结构简单、控制方便、无电磁干扰等特点，故应用范围更广，已被用于生物细胞操作、微机电系统、微纳米压痕、航空摄像等系统中，展示了较好的应用效果和光明的前景。
近年来，随着压电材料性能的日益提高，新原理、新功能的压电驱动器不断涌现，各国学者高度重视具有微纳米精度的压电驱动技术研究。根据驱动机理的不同，压电驱动器一般可分为：超声波驱动器、直动驱动器、步进驱动器和惯性驱动器等；从广义上讲，压电泵、压电液压马达和压电超声电机也属于压电驱动器。步进式的工作原理是根据自然界某些爬行类动物行走的方法而提出的，称为步进式驱动机构，种运动方式又称为蠕动式。在时序控制电压信号的作用下，驱动装置可实现定向运动。
现有的步进式压电直线驱动器大多采用压电陶瓷材料的驱动力，通过箝位机构产生箝位的摩擦力实现箝位过程，无论如何，是利用箝位面与接触面之间接触产生的静摩擦力提供箝位力，箝位力的大小和箝位力的稳定性直接影响驱动器的承载能力、运动分辨率和运动稳定性。由于驱动器箝位面与接触面之间的接触属于小间隙接触只有几微米，使得驱动器的性能容易受到外界因素如时效、温度、磨损、加工装配误差等因素的影响。鉴于该箝位原理的局限性，该种驱动器本身不可能有较大的输出力，并且由于磨损的存在，行一段时间之后，于间隙变大普遍出现输出负载下降，线度不稳定的现象，最终影响步进式压电直线驱动器的使用寿命。
通过检索相关文献，总结出目前步进式压电直线驱动器亟待解决的一些问题：
1、电控部分结构复杂；
2、机械部分结构复杂、操作困难；
3、难于兼顾大行程和高精度；
4、摩擦磨损严重。
发明内容
本发明是为了解决现有的驱动器电控和机械结构部分复杂、分辨率低且寿命短的问题，提供一种双旋转永磁箝位直线步进式压电驱动器及该驱动器的驱动方法。
一种双旋转永磁箝位直线步进式压电驱动器，特征在于，它包括：底座、直流电机支架A、直流电机支架B、双出头直流电机、旋转磁铁固定盘A、旋转磁铁固定盘B、磁铁A、磁铁B、支撑板A、支撑板B、工作表面板、压电叠堆、滑动导磁块、固定导磁块、预紧螺钉、运动钢条；
运动部分为运动钢条，放置在滑动导磁块和固定导磁块上；
驱动部分由工作表面板、压电叠堆、滑动导磁块、固定导磁块、预紧螺钉组成，固定导磁块底部设计有螺纹孔，通过螺钉固定在工作表面板上，压电叠堆的两端分别是滑动导磁块和固定导磁块，分别通过预紧螺钉固定；
分时箝位磁场部分由双出头直流电机、旋转磁铁固定盘A、旋转磁铁固定盘B、磁铁A、磁铁B组成，磁铁A固定连接在旋转磁铁固定盘A上形成磁盘A，磁铁B固定连接在旋转磁铁固定盘B上形成磁盘B，磁盘A与磁盘B分别安装在双出头直流电机的两端；
基座部分由底座、支撑板A、支撑板B、直流电机支架A、直流电机支架B组成，均用螺钉连接；
运动部分直接放置在滑动导磁块和固定导磁块上，驱动部分通过螺钉固定在基座部分上，分时箝位磁场部分固定安装在直流电机支架A与直流电机支架B上。
上述压电叠堆的两侧分别设置滑动导磁块与固定导磁块，且两端的滑动导磁块与固定导磁块与分时箝位磁场部分中的磁铁A与磁铁B存在相同的中心线。
上述分时箝位磁场部分，磁铁位置关于双出轴直流电机轴心线对称分布，直流电机旋转，分时箝位磁场产生箝位磁力，进而实现分时箝位摩擦力。
上述运动钢条上存在凹槽，滑动导磁块与固定导磁块顶部存在凸缘，两者配合实现对运动钢条的限位。
上述一种双旋转永磁箝位直线步进式压电驱动器的驱动方法，方法为：
当分时箝位磁场中的磁盘B中的磁铁B旋转至固定导磁块下方时，不对压电叠堆进行通电，当磁盘A中的磁铁A旋转至滑动导磁块下方时对压电叠堆持续通电，此时压电叠堆会跟左侧滑动导磁块同时伸长，由于磁力作用，将带动上端运动钢条向左侧滑动一步；
随着分时箝位磁场部分中直流电机输出轴的转动，磁盘A中的磁铁A渐渐远离滑动导磁块，磁盘B中的磁铁B渐渐靠近固定导磁块，当磁铁B运动到固定导磁块正下方时，停止对压电叠堆通电，此时压电叠堆会收缩，但由于固定导磁块受到磁力的影响，将运动钢条吸住，运动钢条不发生运动，按照上述过程形成一个运动周期，完成压电直线驱动器的一次运动。
本发明所述的一种双旋转永磁箝位直线步进式压电驱动器，用匀速旋转永磁铁的方式实现稳定箝位的磁场，磁场通过导磁块将传递至运动钢条，产生箝位的摩擦力，以将永磁体产生的磁力实现分时箝位，通过机械结构的优化，简化了电控系统；使用永磁体进行箝位，将压电叠堆由逆压电效应产生的绝大部分作用力转化为驱动器的有效驱动力，有较大的承载能力；产生箝位磁场的磁铁固定盘与工作表面板之间没有直接接触，避免了箝位机构因接触产生的摩擦磨损，同时避免了造成箝位作用力的下降甚至驱动器失效的情况，使用寿命长；换能效率高，分辨率高，行程大，可被广泛应用于各类精密超精密加工与运动、材料试件纳米力学性能检测、微机电系统、机器人等高尖端的科学技术领域。
本发明所述的一种双旋转永磁箝位直线步进式压电驱动器的驱动方法，步骤简单，方式新颖，适用于超精密加工机床、精密超精密微细加工与测量技术、材料试件纳米力学性能检测、微机电系统、精密光学、半导体制造、现代医学与生物遗传工程、航空航天、机器人、军事技术等高尖端的科学技术领域。
附图说明
图1为一种双旋转永磁箝位直线步进式压电驱动器的立体结构示意图；
图2为一种双旋转永磁箝位直线步进式压电驱动器中旋转磁铁固定盘主视图；
图3为一种双旋转永磁箝位直线步进式压电驱动器中运动钢条三视图；
图4为一种双旋转永磁箝位直线步进式压电驱动器中使用的压电叠堆主视图；
图5为一种双旋转永磁箝位直线步进式压电驱动器的简化结构示意图；
图6为采用具体实施方式二所述的一种双旋转永磁箝位直线步进式压电驱动器的驱动方法时，动器的运动过程应激励信号示意图；
图7为采用具体实施方式二所述的一种双旋转永磁箝位直线步进式压电驱动器的驱动方法时，动器的运动过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
具体实施方式一：参照图1至图4具体说明本实施方式，实施方式所述的一种双旋转永磁箝位直线步进式压电驱动器，它包括：底座1、直流电机支架A9、直流电机支架B11、双出头直流电机10、旋转磁铁固定盘A3、旋转磁铁固定盘B16、磁铁A4、磁铁B17、支撑板A2、支撑板B15、工作表面板14、压电叠堆8、滑动导磁块6、固定导磁块12、预紧螺钉5、预紧螺钉13、运动钢条7；
运动部分为运动钢条7，放置在滑动导磁块6和固定导磁块12上；
驱动部分由工作表面板14、压电叠堆8、滑动导磁块6、固定导磁块12、预紧螺钉5、预紧螺钉13组成，固定导磁块12底部设计有螺纹孔，通过螺钉固定在工作表面板14上，压电叠堆8的两端分别是滑动导磁块6和固定导磁块12，分别通过预紧螺钉5、预紧螺钉13固定；
分时箝位磁场部分由双出头直流电机10、旋转磁铁固定盘A3、旋转磁铁固定盘B16、磁铁A4、磁铁B17组成，磁铁A4固定连接在旋转磁铁固定盘A3上形成磁盘A，磁铁B17固定连接在旋转磁铁固定盘B16上形成磁盘B，磁盘A与磁盘B分别安装在双出头直流电机的两端；
基座部分由底座1、支撑板A2、支撑板B15、直流电机支架A9、直流电机支架B11组成，均用螺钉连接；
运动部分直接放置在滑动导磁块6和固定导磁块12上，驱动部分通过螺钉固定在基座部分上，分时箝位磁场部分固定安装在直流电机支架A9与直流电机支架B11上。
本实施方式中压电叠堆8的两侧分别设置滑动导磁块6与固定导磁块12，且两端的滑动导磁块6与固定导磁块12与分时箝位磁场部分中的磁铁A4与磁铁B17存在相同的中心线。
本实施方式中，分时箝位磁场部分，磁铁位置关于双出轴直流电机10轴心线对称分布，直流电机10旋转，分时箝位磁场产生箝位磁力，进而实现分时箝位摩擦力。
本实施方式中，运动钢条7上存在凹槽，滑动导磁块6与固定导磁块12顶部存在凸缘，两者配合实现对运动钢条7的限位。
具体实施方式二：参照图5、图6、图7具体说明本实施方式，具体实施方式所述的一种双旋转永磁箝位直线步进式压电驱动器的驱动方法，该方法为：
当分时箝位磁场中的磁盘B中的磁铁B17旋转至固定导磁块12下方时如图7(1)所示，此时不对压电叠堆8进行通电，压电叠堆8激励信号为图6中a-b段，当磁盘A中的磁铁A4旋转至滑动导磁块6下方时，对压电叠堆8持续通电如图6中c-d段，此时压电叠堆8会跟左侧滑动导磁块6同时伸长，由于磁力作用，将带动上端运动钢条7向左侧滑动一步如图7(2)所示；
随着分时箝位磁场部分中直流电机10输出轴的转动，磁盘A中的磁铁A4渐渐远离滑动导磁块，磁盘B中的磁铁B17渐渐靠近固定导磁块12，当磁铁B17运动到固定导磁块12正下方时，停止对压电叠堆8通电如图6中e-f段，此时压电叠堆8会收缩，但由于固定导磁块6受到磁力的影响，将运动钢条7吸住，运动钢条7不发生运动如图7(3)所示，按照上述过程形成一个运动周期，完成压电直线驱动器的一次运动。
当该驱动器运动完成需要恢复原位时，需手动将运动钢条7推至原位。
Claims (5)
1.一种双旋转永磁箝位直线步进式压电驱动器，特征在于，它包括：底座(1)、直流电机支架A(9)、直流电机支架B(11)、双出头直流电机(10)、旋转磁铁固定盘A(3)、旋转磁铁固定盘B(16)、磁铁A(4)、磁铁B(17)、支撑板A(2)、支撑板B(15)、工作表面板(14)、压电叠堆(8)、滑动导磁块(6)、固定导磁块(12)、预紧螺钉(5)、预紧螺钉(13)、运动钢条(7)；
运动部分为运动钢条(7)，放置在滑动导磁块(6)和固定导磁块(12)上；
驱动部分由工作表面板(14)、压电叠堆(8)、滑动导磁块(6)、固定导磁块(12)、预紧螺钉(5)、预紧螺钉(13)组成，固定导磁块(12)底部设计有螺纹孔，通过螺钉固定在工作表面板(14)上，压电叠堆(8)的两端分别是滑动导磁块(6)和固定导磁块(12)，分别通过预紧螺钉(5)、预紧螺钉(13)固定；
分时箝位磁场部分由双出头直流电机(10)、旋转磁铁固定盘A(3)、旋转磁铁固定盘B(16)、磁铁A(4)、磁铁B(17)组成，磁铁A(4)固定连接在旋转磁铁固定盘A(3)上形成磁盘A，磁铁B(17)固定连接在旋转磁铁固定盘B(16)上形成磁盘B，磁盘A与磁盘B分别安装在双出头直流电机的两端；
基座部分由底座(1)、支撑板A(2)、支撑板B(15)、直流电机支架A(9)、直流电机支架B(11)组成，均用螺钉连接；
运动部分直接放置在滑动导磁块(6)和固定导磁块(12)上，驱动部分通过螺钉固定在基座部分上，分时箝位磁场部分固定安装在直流电机支架A(9)与直流电机支架B(11)上。
2.根据权利要求1所述的一种双旋转永磁箝位直线步进式压电驱动器，特征在于，压电叠堆(8)的两侧分别设置滑动导磁块(6)与固定导磁块(12)，且两端的滑动导磁块(6)与固定导磁块(12)与分时箝位磁场部分中的磁铁A(4)与磁铁B(17)存在相同的中心线。
3.根据权利要求1所述的一种双旋转永磁箝位直线步进式压电驱动器，特征在于，分时箝位磁场部分，磁铁位置关于双出轴直流电机(10)轴心线对称分布，直流电机旋转，分时箝位磁场产生箝位磁力，进而实现分时箝位摩擦力。
4.根据权利要求1所述的一种双旋转永磁箝位直线步进式压电驱动器，特征在于，运动钢条(7)上存在凹槽，滑动导磁块(6)与固定导磁块(12)顶部存在凸缘，两者配合实现对运动钢条的限位。
5.权利要求1所述的一种双旋转永磁箝位直线步进式压电驱动器的驱动方法，特征在于，该方法为：当分时箝位磁场中的磁盘B中的磁铁B(17)旋转至固定导磁块(12)下方时，不对压电叠堆(8)进行通电，当磁盘A中的磁铁A(4)旋转至滑动导磁块(6)下方时对压电叠堆持续通电，此时压电叠堆会跟左侧滑动导磁块同时伸长，由于磁力作用，将带动上端运动钢条向左侧滑动一步；
随着分时箝位磁场部分中直流电机输出轴的转动，磁盘A中的磁铁A(4)渐渐远离滑动导磁块(6)，磁盘B中的磁铁B(17)渐渐靠近固定导磁块(12)，当磁铁B运动到固定导磁块(12)正下方时，停止对压电叠堆(8)通电，此时压电叠堆会收缩，但由于固定导磁块受到磁力的影响，将运动钢条(7)吸住，运动钢条不发生运动，按照上述过程形成一个运动周期，完成压电直线驱动器的一次运动。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20190115 |