CN110224632A - 摩擦力可控式直线压电执行器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了摩擦力可控式直线压电执行器及其控制方法。摩擦力可控式直线压电执行器包括旋转块、接触头、固定块、动子、叠层压电陶瓷、质量块和弹性元件；所述动子能沿第一方向移动；所述固定块固设在动子上，所述叠层压电陶瓷一端固设在固定块侧壁，另一端固接质量块，所述固定块、叠层压电陶瓷和质量块沿第一方向按序布置；所述旋转块第二端能绕第一端摆动，所述旋转块第二端固设有接触头，所述弹性元件连接旋转块使接触头压靠在动子上。

Description

摩擦力可控式直线压电执行器及其控制方法

技术领域

本发明涉及压电精密制动技术领域，尤其涉及一种摩擦力可控式直线压电执行器及其控制方法。

背景技术

压电陶瓷的逆压电效应可将电能转化为机械能，近年来制造工艺上的优化，使压电陶瓷能实现大规模的生产，叠层压电陶瓷被越来越多的应用在精密驱动上。利用叠层压电陶瓷的逆压电效应制成的压电直线电机有很多优点，如位移分辨力高、承载力大、输出刚度高、输出位移重复性好、控制简单易操作、能够克服电磁干扰、高温、低温等问题。

目前能实现大行程精密步进驱动的方式主要是尺蠖式精密驱动和惯性驱动两种方式。尺蠖式精密驱动能够提供较大的精度和推力,但是由于其结构复杂导致驱动频率较小,从而导致驱动速度小,而复杂的结构还导致控制难度加大,安装精度难以控制；另外,尺镬型精密驱动的配合磨损严重,最终导致接触不良,使得压电陶瓷的驱动产生误差，性能弱化。惯性摩擦压电驱动装置的结构较简单、控制较容易、驱动速度较大,但是由于摩擦惯性压电驱动装置缺少钳位机构而导致预紧力不足,推力小。如中国专利授权公告号为CN204361935U、专利名称为惯性式中型结构的直线压电电机，整个结构尽管相对简单，它并没有提供一个摩擦力可调的装置，仅通过压电陶瓷的逆压电效应来控制电机运行的速度与步距，因此存在有上述不足。

发明内容

本发明提供了摩擦力可控式直线压电执行器及其控制方法，其克服了背景技术中惯性式中型结构的直线压电电机所存在的不足。

本发明解决其技术问题的所采用的技术方案之一是：

摩擦力可控式直线压电执行器，包括旋转块、接触头、固定块、动子、叠层压电陶瓷、质量块和弹性元件；所述动子能沿第一方向移动；所述固定块固设在动子上，所述叠层压电陶瓷伸长方向沿第一方向设置，所述叠层压电陶瓷一端固设在固定块侧壁，另一端固接质量块，所述固定块、叠层压电陶瓷和质量块沿第一方向按序布置；所述旋转块第二端能绕第一端摆动，所述旋转块第二端固设有接触头，所述弹性元件连接旋转块使接触头压靠在动子上。

一实施例之中：所述质量块和动子间隔设置，且质量块悬空连接在叠层压电陶瓷。

一实施例之中：所述弹性元件包括能调节伸缩量的弹簧，所述弹簧的下端顶抵在旋转块顶面中部。

一实施例之中：所述第一方向为水平方向，所述固定块固设在动子顶面，所述接触头压靠在动子顶面。

一实施例之中：所述旋转块第二端的接触头压靠在动子顶面之左部，所述固定块固设在动子顶面中部之靠右的位置；所述固定块、叠层压电陶瓷和质量块沿左至右按序布置。

一实施例之中：所述质量块结构呈方块结构，叠层压电陶瓷截面为方形，且叠层压电陶瓷端面与质量块端面部分或全部重叠。

一实施例之中：所述接触头和动子之间产生的静摩擦力大于叠层压电陶瓷收缩时对动子的反向作用力。

本发明解决其技术问题的所采用的技术方案之二是：

上述的摩擦力可控式直线压电执行器的控制方法，包括：

初始位置时，动子处于静止状态；

前半周期，叠层压电陶瓷接收到上升沿的跳变信号后突然伸长，带动质量块往伸长方向运动，在跳变一瞬间，因动量守恒定律，使动子向质量块运动反方向运动；

后半周期，叠层压电陶瓷接收到连续信号，叠层压电陶瓷收缩回原来状态，因接触头与动子之间产生静摩擦力大于叠层压电陶瓷收缩时对动子的反向作用力，因此叠层压电陶瓷收缩时动子处于静止状态，从而实现一个周期的步进；

重复上述步骤，循环反复。

本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：

弹性元件顶抵旋转块，使旋转块的接触头压靠在动子，使动子和接触头之间能产生摩擦力，该摩擦力和受叠层压电陶瓷驱动的动子相配合，因此产生的推力大，具有断电自锁功能。

叠层压电陶瓷端面与质量块端面固接且部分或全部重叠，机械能通过叠层压电陶瓷端面传递至质量块端面，其传递效果更好。

弹簧的伸缩量可调，通过调节弹簧的伸缩量可控制电机的预紧力，在跳变电压一样的情况下，通过调节弹簧的伸缩量，能控制电机的步距，因此不仅能通过压电陶瓷的逆压电效应来控制电机运行的速度与步距，而且还能通过摩擦力控制电机运行的速度与步距。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1是具体实施方式摩擦力可控式直线压电执行器的结构原理图。

图2是具体实施方式摩擦力可控式直线压电执行器的叠层压电陶瓷的电压信号时序图。

标号说明：10-旋转块，20-接触头，30-固定块，40-动子，50-叠层压电陶瓷，60-质量块，70-弹簧。

具体实施方式

请查阅图1，摩擦力可控式直线压电执行器，包括旋转块10、接触头20、固定块30、动子40、叠层压电陶瓷50、质量块60和弹簧70，其中质量块60结构呈方块结构，叠层压电陶瓷50截面为方形。

所述动子40能水平移动，具体结构如：另设有两下滚轮和一上滚轮，所述动子40底面支撑连接在两下滚轮之上，所述上滚轮连接在动子40顶面，通过滚轮将动子40移动化为滚动。所述下滚轮、上滚轮如都转动设置在固定物上，所述固定物如为机架或壳体。

所述固定块30固设在动子40之上，具体结构如通过螺钉将固定块30固设在动子40顶面。

所述叠层压电陶瓷50一端面固接在固定块30侧壁，另一端面固接质量块60，所述固定块30、叠层压电陶瓷50和质量块60沿水平方向按序布置，所述叠层压电陶瓷伸长方向沿水平方向设置。具体结构中：所述叠层压电陶瓷50端面与质量块60端面部分或全部重叠且固接，所述固接如粘结或焊接等。最好，所述质量块60底面和动子40顶面上下间隔设置，使质量块60悬空连接在叠层压电陶瓷50。

所述旋转块10第二端能绕第一端摆动，所述第二端下固设有接触头20，所述接触头20触靠在动子40顶面。所述旋转块10连接弹性元件70以使旋转块10受到朝下的弹性力，使旋转块10受到朝下的扭矩，使接触头20压触在动子40顶面，其中接触头20和动子40之间产生的静摩擦力大于叠层压电陶瓷50收缩时对动子40的反向作用力。具体结构中：所述旋转块10第一端能转动连接在固定物上；所述弹性元件70下端顶抵连接在旋转块10顶面中部，所述弹性元件70上端顶抵在固定物；所述弹性元件70如为弹簧，所述弹簧伸缩量如可调，通过调节弹簧的伸缩量控制电机的预紧力，在跳变电压一样的情况下，能通过调节弹簧的伸缩量，控制电机的步距。

进一步的：所述旋转块10第二端的接触头20压靠在动子40顶面之左部，所述固定块30固设在动子40顶面中部之靠右的位置；所述固定块30、叠层压电陶瓷50和质量块60沿左至右按序布置。

请查阅图1和图2，该摩擦力可控式直线压电执行器的控制方法，包括：初始位置时，动子40处于静止状态，此时接触头20与动子40之间的摩擦力为零；前半周期(0-T/2)，当叠层压电陶瓷50接收到上升沿的突变信号(由0突变至电压V，并在前半周期保持在电压V)时，叠层压电陶瓷50因逆压电效应会突然伸长，会带动质量块60往伸长方向以一定速度运动，此时接触头20提供的摩擦力并不能使动子40处于静止状态，在跳变一瞬间，因动量守恒定律，使动子40会向质量块60运动的反方向运动一定距离；后半周期(T/2-T)，叠层压电陶瓷50收到连续信号使其收缩(在后半周期电压V逐变至0)，叠层压电陶瓷50带动质量块60往收缩方向移动，此时接触头20与动子40产生的静摩擦力使动子40处于静止状态直至叠层压电陶瓷50恢复到初始状态，由此完成一个周期的步进运动。在此驱动信号控制下，重复上述步骤，循环反复。

以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (8)

1.摩擦力可控式直线压电执行器，其特征在于：包括旋转块、接触头、固定块、动子、叠层压电陶瓷、质量块和弹性元件；所述动子能沿第一方向移动；所述固定块固设在动子上，所述叠层压电陶瓷一端固设在固定块侧壁，另一端固接质量块，所述叠层压电陶瓷伸长方向沿第一方向设置，所述固定块、叠层压电陶瓷和质量块沿第一方向按序布置；所述旋转块第二端能绕第一端摆动，所述旋转块第二端固设有接触头，所述弹性元件连接旋转块使接触头压靠在动子上。

2.根据权利要求1所述的摩擦力可控式直线压电执行器，其特征在于：所述质量块和动子间隔设置，且质量块悬空连接在叠层压电陶瓷。

3.根据权利要求1所述的摩擦力可控式直线压电执行器，其特征在于：所述弹性元件包括能调节伸缩量的弹簧，所述弹簧的下端顶抵在旋转块顶面中部。

4.根据权利要求1所述的摩擦力可控式直线压电执行器，其特征在于：所述第一方向为水平方向，所述固定块固设在动子顶面，所述接触头压靠在动子顶面。

5.根据权利要求4所述的摩擦力可控式直线压电执行器，其特征在于：所述旋转块第二端的接触头压靠在动子顶面之左部，所述固定块固设在动子顶面中部之靠右的位置；所述固定块、叠层压电陶瓷和质量块沿左至右按序布置。

6.根据权利要求1所述的摩擦力可控式直线压电执行器，其特征在于：所述质量块结构呈方块结构，叠层压电陶瓷截面为方形，且叠层压电陶瓷端面与质量块端面部分或全部重叠。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的摩擦力可控式直线压电执行器，其特征在于：所述接触头和动子之间产生的静摩擦力大于叠层压电陶瓷收缩时对动子的反向作用力。

8.根据权利要求7所述的摩擦力可控式直线压电执行器的控制方法，其特征在于：包括：

初始位置时，动子处于静止状态；

前半周期，叠层压电陶瓷接收到上升沿的跳变信号后突然伸长，带动质量块往伸长方向运动，在跳变一瞬间，因动量守恒定律，使动子向质量块运动反方向运动；

后半周期，叠层压电陶瓷接收到连续信号，叠层压电陶瓷收缩回原来状态，因接触头与动子之间产生静摩擦力大于叠层压电陶瓷收缩时对动子的反向作用力，因此叠层压电陶瓷收缩时动子处于静止状态，从而实现一个周期的步进；

重复上述步骤，循环反复。