CN109586612B - 一种具有仿生麦芒摩擦表面的交替步进压电粘滑驱动器 - Google Patents

一种具有仿生麦芒摩擦表面的交替步进压电粘滑驱动器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有仿生麦芒摩擦表面的交替步进压电粘滑驱动器，该驱动器由定子、环形转子、预紧力加载机构、固定基座四部分组成。其中定子包括“工”字前梁、“工”字连接梁、“工”字后梁、直圆柔性铰链、压电叠堆、复位弹簧和驱动足。所述驱动足中设置有平行导向机构，保证预紧前后，驱动足与环形转子之间均为面接触；环形转子与驱动足接触表面仿生“麦芒”结构实现可调控的各向异性摩擦，使摩擦具有方向依赖性，即环形转子逆时针运动时产生的摩擦力小于顺时针运动时产生的摩擦力；控制压电叠堆的伸长与缩短，使驱动足交替沿环形转子逆时针方向形变推动环形转子逆时针转动，从而达到交替步进的运动效果。本发明具有装置简单紧凑等特点。

Description

一种具有仿生麦芒摩擦表面的交替步进压电粘滑驱动器
技术领域
本发明涉及一种具有仿生“麦芒”摩擦表面的交替步进压电粘滑驱动器，属于压电精密驱动领域。
背景技术
近些年来，微纳米技术得到了快速发展，在超精密加工、机器人、光学工程、计算机、航空航天科技、精密测量、现代医疗等技术领域对精密驱动技术的需求日益增长，而微纳米级精密驱动技术则是其关键技术。传统的驱动装置，例如伺服电机、气压传动、液压传动等大尺寸的驱动装置，虽然能够完成较大载荷的输出，但是其输出精度比较低，已不能满足现代科技对细微尺寸及精度的要求。在此背景下人们研发了许多新型驱动器，例如记忆合金电机、电致伸缩电机和压电效应电机等，其中以压电材料为驱动原件的驱动器因为其结构简单，容差性强等优点成为近年来精密驱动装置的一个重要研究方向。
压电粘滑驱动主要是将锯齿激励电信号施加于压电元件，激发定子产生快慢交替的运动变形，控制定子与动子在“粘”和“滑”两种运动状态之间的相互转换，利用摩擦力驱动动子实现机械运动输出。当前的压电粘滑驱动器工作过程可以分为缓慢变形与快速回复阶段，在这两个过程中定子和动子间的摩擦力起到不同作用，缓慢变形阶段表现为摩擦驱动力，快速回复阶段表现为摩擦阻力，由于摩擦阻力对运动的影响，使得工作效率降低。
发明内容
为了达到交替步进的运动效果，同时提高驱动器的输出效率，本发明公开了一种具有仿生“麦芒”摩擦表面的交替步进压电粘滑驱动器。
本发明所采用的技术方案是：
一种具有仿生“麦芒”摩擦表面的交替步进压电粘滑驱动器，该压电粘滑驱动器由定子(1)、环形转子(2)、预紧力加载机构(3)和固定基座(4)四部分组成；其中定子(1)和预紧力加载机构(3)通过螺钉固定在固定基座(4)上；环形转子(2)与驱动足弹性接触。所述定子(1)包括第一驱动足(1-1)、第二驱动足(1-2)、“工”字前梁(1-3)、“工”字连接梁(1-4)、倒C形复位弹簧(1-5)、“工”字后梁(1-6)、安装孔(1-7)、C形复位弹簧(1-8)、压电叠堆(1-9)和直圆柔性铰链(1-10)；定子(1)刚性部分呈“工”字型；“工”字前梁(1-3)和“工”字连接梁(1-4)之间设置有直圆柔性铰链(1-10)，有利于“工”字前梁(1-3)转动；“工”字前梁(1-3)右端与“工”字后梁(1-6)右端通过C形复位弹簧(1-8)连接；“工”字前梁(1-3)左端与“工”字后梁(1-6)左端通过倒C形复位弹簧(1-5)连接；“工”字后梁(1-6)两端设置有两个安装孔(1-7)，用于将定子(1)固定在固定基座(4)上；压电叠堆(1-9)设置在倒C形复位弹簧(1-5)与“工”字连接梁(1-4)中间；第一驱动足(1-1)设置在“工”字前梁(1-3)的右端；第二驱动足(1-2)设置在“工”字前梁(1-3)的左端；第一、第二驱动足(1-1、1-2)与环形转子(2)之间采用仿生“麦芒”摩擦表面，即摩擦角α＞β，从而使得摩擦具有方向依赖性，当环形转子(2)逆时针转动时产生的摩擦力小于顺时针转动时产生的摩擦力；给压电叠堆(1-9)施加三角波，当压电叠堆(1-9)伸长时，“工”字前梁(1-3)向右倾斜，第一驱动足(1-1)沿环形转子(2)逆时针方向形变推动环形转子(2)逆时针旋转；当压电叠堆(1-9)回缩时，“工”字前梁(1-3)在C形、倒C形复位弹簧(1-5、1-8)的作用下恢复水平,第二驱动足(1-2)沿环形转子(2)逆时针方向形变推动环形转子(2)逆时针旋转，从而使环形转子(2)达到了交替步进的效果。
所述的一种具有仿生“麦芒”摩擦表面的交替步进压电粘滑驱动器，其特征在于所述第一驱动足(1-1)与环形转子(2)水平轴成一定角度φ1，φ1处于45°～90°的范围内；第二驱动足(1-2)与环形转子水平轴成一定角度φ2，φ2处于0°～45°的范围内；第一、第二驱动足(1-1、1-2)中设置有平行导向机构(1-1-1、1-2-1)，保证了弹簧柱塞螺钉预紧前后，驱动足与环形转子(2)之间均为面接触。
所述的一种具有仿生“麦芒”摩擦表面的交替步进压电粘滑驱动器，其特征在于环形转子(2)与驱动足接触表面(2-1、1-1-2、1-2-2)采用仿生“麦芒”结构实现可调控的各向异性摩擦，从而使摩擦具有方向依赖性，即摩擦角α＞β(如图3所示)，当环形转子(2)逆时针转动时产生的摩擦力小于顺时针转动时产生的摩擦力。
所述的一种具有仿生“麦芒”摩擦表面的交替步进压电粘滑驱动器，其特征在于：在工作前通过弹簧柱塞螺钉对定子(1)进行适当预紧，使得第一、第二驱动足(1-1、1-2)均与环形转子(2)保持弹性接触；给压电叠堆(1-9)施加三角波，控制压电叠堆(1-9)的伸长与缩短；当压电叠堆(1-9)伸长时，“工”字前梁(1-3)向右倾斜，第一驱动足(1-1)沿环形转子(2)逆时针方向形变推动环形转子(4)逆时针旋转，同时第二驱动足(1-2)沿环形转子(2)顺时针方向运动；当压电叠堆(1-9)回缩时，“工”字前梁(1-3)在C形、倒C形复位弹簧(1-5、1-8)的作用下恢复水平，第二驱动足(1-2)沿环形转子(2)逆时针方向形变推动环形转子(2)逆时针旋转，同时第一驱动足(1-1)沿环形转子(2)顺时针方向运动。
本发明的有益效果是：结构简单、紧凑，控制便捷，控制压电叠堆的伸长与缩短，使驱动足交替沿环形转子逆时针方向形变推动环形转子逆时针方向运动，从而达到交替步进的效果，提高了驱动器的输出效率。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明，附图中：
图1是本发明提出的具有仿生“麦芒”摩擦表面的压电粘滑驱动器结构示意图；
图2是本发明提出的具有仿生“麦芒”摩擦表面的压电粘滑驱动器的定子结构示意图；
图3是本发明提出的仿生“麦芒”摩擦表面示意图；
图4是本发明定子结构中驱动足预紧前后示意图；
图5是本发明提出的具有仿生“麦芒”摩擦表面的压电粘滑驱动器局部俯视图结构示意图；
图6是本发明提出的具有仿生“麦芒”摩擦表面的压电粘滑驱动器的工作原理图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明实施方法：
如图1、2所示，该压电粘滑驱动器由定子(1)、环形转子(2)、预紧力加载机构(3)和固定基座(4)四部分组成；其中定子(1)和预紧力加载机构(3)通过螺钉固定在固定基座(4)上；环形转子(2)与驱动足弹性接触。所述定子(1)包括第一驱动足(1-1)、第二驱动足(1-2)、“工”字前梁(1-3)、“工”字连接梁(1-4)、倒C形复位弹簧(1-5)、“工”字后梁(1-6)、安装孔(1-7)、C形复位弹簧(1-8)、压电叠堆(1-9)和直圆柔性铰链(1-10)；定子(1)刚性部分呈“工”字型；“工”字前梁(1-3)和“工”字连接梁(1-4)之间设置有直圆柔性铰链(1-10)，有利于“工”字前梁(1-3)转动；“工”字前梁(1-3)右端与“工”字后梁(1-6)右端通过C形复位弹簧(1-8)连接；“工”字前梁(1-3)左端与“工”字后梁(1-6)左端通过倒C形复位弹簧(1-5)连接；“工”字后梁(1-6)两端设置有两个安装孔(1-7)，用于将定子(1)固定在预紧力加载机构(3)上；压电叠堆(1-9)设置在倒C形复位弹簧(1-5)与“工”字连接梁(1-4)中间；第一驱动足(1-1)设置在“工”字前梁(1-3)的右端，并与水平轴呈45°～90°；第二驱动足(1-2)设置在“工”字前梁(1-3)的左端，并与水平轴呈0°～45°；第一、第二驱动足(1-1、1-2)与环形转子(2)之间采用仿生“麦芒”摩擦表面，即摩擦角α＞β(如图3所示)，从而使得摩擦具有方向依赖性，当环形转子(2)逆时针转动时产生的摩擦力小于顺时针转动时产生的摩擦力。
本实施方法提供的一种具有仿生“麦芒”摩擦表面的交替步进压电粘滑驱动器工作前先对驱动足进行适当预紧，使得第一、第二驱动足(1-1、1-2)均与环形转子(2)保持弹性接触；给压电叠堆(1-9)施加三角波，控制压电叠堆(1-9)的伸长与缩短。图5是本发明提出的具有仿生“麦芒”摩擦表面的压电粘滑驱动器的工作原理图，驱动方式是按以下步骤进行的：
步骤a：从t0至t1时刻，压电叠堆(1-9)伸长，“工”字前梁(1-3)向右倾斜，第一驱动足(1-1)沿环形转子(2)逆时针方向形变推动环形转子(2)逆时针旋转一个微小角度θ，同时第二驱动足(1-2)沿环形转子(2)顺时针方向运动；
步骤b：从t1至t2时刻，压电叠堆(1-9)回缩，“工”字前梁(1-3)在C形、倒C形复位弹簧(1-5、1-8)的作用下恢复水平，第二驱动足(1-2)沿环形转子(2)逆时针方向形变推动环形转子(2)逆时针旋转一个微小角度γ，同时第一驱动足(1-1)沿环形转子(2)顺时针方向运动。
综上所述，本发明提供了一种具有仿生“麦芒”摩擦表面的交替步进压电粘滑驱动器，采用纳米制造技术使摩擦具有方向依赖性，当环形转子逆时针转动时产生的摩擦力小于顺时针转动时产生的摩擦力，提高了输出性能的稳定性；通过压电叠堆的伸长与回缩使驱动足交替沿环形转子逆时针方向形变推动环形转子逆时针方向转动，从而达到交替步进的效果。本发明具有结构简单、紧凑，控制便捷等优点，在精密医疗器械，光学精密仪器和半导体加工等微纳米精密驱动与定位领域中具有很好的应用前景。

Claims (3)

1.一种具有仿生麦芒摩擦表面的交替步进压电粘滑驱动器，其特征在于：该压电粘滑驱动器由定子（1）、环形转子（2）、预紧力加载机构（3）和固定基座（4）四部分组成；其中定子（1）和预紧力加载机构（3）通过螺钉固定在固定基座（4）上；环形转子（2）与驱动足弹性接触；所述定子（1）包括第一驱动足（1-1）、第二驱动足（1-2）、 “工”字前梁（1-3）、“工”字连接梁（1-4）、倒C形复位弹簧（1-5）、“工”字后梁（1-6）、安装孔（1-7）、C形复位弹簧（1-8）、压电叠堆（1-9）和直圆柔性铰链（1-10）；定子（1）刚性部分呈“工”字型；“工”字前梁（1-3）和“工”字连接梁（1-4）之间设置有直圆柔性铰链（1-10），有利于“工”字前梁（1-3）转动；“工”字前梁（1-3）右端与“工”字后梁（1-6）右端通过C形复位弹簧（1-8）连接；“工”字前梁（1-3）左端与“工”字后梁（1-6）左端通过倒C形复位弹簧（1-5）连接； “工”字后梁（1-6）两端设置有两个安装孔（1-7），用于将定子（1）固定在预紧力加载机构（3）上；压电叠堆（1-9）设置在倒C形复位弹簧（1-5）与“工”字连接梁（1-4）中间；第一驱动足（1-1）设置在“工”字前梁（1-3）的右端；第二驱动足（1-2）设置在“工”字前梁（1-3）的左端；第一、第二驱动足(1-1、1-2)与环形转子（2）之间采用仿生“麦芒”摩擦表面，摩擦角α＞β，使得摩擦具有方向依赖性，当环形转子（2）逆时针转动时产生的摩擦力小于顺时针转动时产生的摩擦力；给压电叠堆（1-9）施加三角波，当压电叠堆（1-9）伸长时，“工”字前梁（1-3）向右倾斜，第一驱动足（1-1）沿环形转子（2）逆时针方向形变推动环形转子（2）逆时针旋转；当压电叠堆（1-9）回缩时，“工”字前梁（1-3）在C形、倒C形复位弹簧（1-5、1-8）的作用下恢复水平,第二驱动足（1-2）沿环形转子（2）逆时针方向形变推动环形转子（2）逆时针旋转；所述第一驱动足（1-1）与环形转子（2）水平轴成一定角度φ 1，φ 1处于45°~90°的范围内；第二驱动足（1-2）与环形转子水平轴成一定角度φ 2，φ 2处于 0°~45°的范围内；第一、第二驱动足（1-1、1-2）中设置有平行导向机构（1-1-1、1-2-1），保证弹簧柱塞螺钉对定子（1）预紧前后，驱动足与环形转子（2）之间均为面接触。
2.根据权利要求1所述的一种具有仿生麦芒摩擦表面的交替步进压电粘滑驱动器，其特征在于所述环形转子（2）与驱动足接触表面（2-1、1-1-2、1-2-2）采用仿生“麦芒”结构实现可调控的各向异性摩擦，从而使摩擦具有方向依赖性，摩擦角α＞β，当环形转子（2）逆时针转动时产生的摩擦力小于顺时针转动时产生的摩擦力。
3.根据权利要求1所述的一种具有仿生麦芒摩擦表面的交替步进压电粘滑驱动器，其特征在于：在工作前通过弹簧柱塞螺钉对定子（1）进行预紧，使得第一、第二驱动足（1-1、1-2）均与环形转子（2）保持弹性接触；给压电叠堆（1-9）施加三角波，控制压电叠堆（1-9）的伸长与缩短；当压电叠堆（1-9）伸长时，“工”字前梁（1-3）向右倾斜，第一驱动足（1-1）沿环形转子（2）逆时针方向形变推动环形转子（2）逆时针旋转，同时第二驱动足（1-2）沿环形转子（2）顺时针方向运动；当压电叠堆（1-9）回缩时，“工”字前梁（1-3）在C形、倒C形复位弹簧（1-5、1-8）的作用下恢复水平，第二驱动足（1-2）沿环形转子（2）逆时针方向形变推动环形转子（2）逆时针旋转，同时第一驱动足（1-1）沿环形转子（2）顺时针方向运动。
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