CN110460264B - 基于四足耦合运动方式提升性能的压电驱动器与控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于四足耦合运动方式提升性能的压电驱动器与控制方法，属于精密机械领域。包括底座、柔性机构、压电元件、预紧垫块、转子。柔性机构通过其旋转对称分布的驱动足，配合压电元件产生微米级运动驱动转子旋转；压电元件基于逆压电效应将电能转化为动能，驱动柔性机构动作；预紧垫块用于配合预紧螺钉调整驱动足与转子间的摩擦力；转子作为驱动装置的输出终端。具有转角分辨率高、运动平稳、响应迅速、转速快等优点，且具有无电磁干扰、结构紧凑、轻巧的特点，加工简单，装配简便，成本低，功耗低，噪音小。适用范围广，在精密仪器、精密光学、航空航天和显微操作等领域具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及精密机械领域，特别涉及一种基于四足耦合运动方式提升性能的压电驱动器与控制方法。可用于显微操作，医学工程、精密仪器等领域。
背景技术
压电驱动技术是一种基于压电材料的逆压电效应的精密驱动技术，在理论上具备无限的位移分辨率，实际中受限于电源分辨率及闭环控制中的传感器分辨率。由于逆压电效应产生的位移输出极小，约等于压电材料自身长度的千分之一，所以人们提出了一些步进式运动方法来放大压电驱动装置的行程。目前，主要存在三种针对压电驱动装置的步进式运动方法，包括尺蠖运动方法、粘滑运动方法以及共振运动方法。其中以粘滑运动方法最为简单方便，尺蠖式运动方法控制较为复杂，共振运动方法则对结构尺寸有严格要求。
然而，基于粘滑运动方法的压电驱动装置对加工、装配精度比较敏感，加工、装配精度过低会造成运动状态的不稳定。所以，在压电驱动装置性能和加工、装配的成本之间存在矛盾。因此，提出一种具有优秀运动性能且对加工装配精度要求低的压电驱动装置具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于四足耦合运动方式提升性能的压电驱动器与控制方法，解决了现有技术存在的上述问题。本发明利用呈旋转对称分布的四个驱动足驱动转子以实现自定心功能，保证工作工程中驱动足和转子稳定接触，从而减少对加工、装配精度要求。并且通过连接环结构同时驱动四个驱动足实现四足耦合运动，保证了一致的运动状态并减少了所需压电叠堆数量，节约了成本。本发明提出的基于四足耦合运动方式提升性能的压电驱动器具有体积小、成本低、结构精巧、易于加工、运转稳定、控制简单、定位精度高、旋转速度快等优点。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
基于四足耦合运动方式提升性能的压电驱动器，通过四个呈旋转对称分布的驱动足实现对转子的自定心功能，通过连接环连接四个驱动足实现一致动作并减少所需压电元件的数量；包括底座1、柔性机构2、压电元件3、预紧垫块4、转子5，所述柔性机构2安装在底座1上，柔性机构2包括四个旋转对称分布的驱动足和连接四个驱动足的连接环结构，另外带有四个安装槽分别用于安装压电元件3和预紧垫块4，在安装槽底部设有螺纹孔配合螺钉实现对压电元件3的预紧和驱动足与转子5之间的接触状态调整，工作过程中连接环受压电元件3驱动产生微米级位移并带动四个驱动足同时动作以驱动转子5旋转。
所述的压电元件3安装于柔性机构2的安装槽中，并通过预紧实现与柔性机构2的紧密接触，工作过程中受特殊波形的电信号激励以产生周期的慢速伸长、快速伸缩运动，并驱动连接环产生相应的周期运动。
所述的预紧垫块4安装于柔性机构2的安装槽中，用于将预紧力传递至柔性机构2的连接环，连接环在预紧力的作用下带动四个驱动足产生微小形变，四个驱动足绕各自的直圆型柔性铰链旋转，在此过程中会朝转子5靠近并压迫转子5，从而调节驱动足和转子5的接触状态。
所述的转子5安装于柔性机构2中并位于四个驱动足中心，当压电元件3在慢速伸长过程中，转子5受到柔性机构2驱动足驱动而产生慢速正向转动，当压电元件3在快速收缩过程中，柔性机构2及其驱动足由于自身弹性势能也产生快速回退运动，而转子5由于惯性仅稍微反向旋转甚至静止或继续正向旋转，从而产生一个正向旋转与反向旋转的角度差，通过周期运动将累积正向旋转角度以产生宏观连续旋转运动。
本发明的另一目的在于提供一种基于四足耦合运动方式提升性能的压电驱动器的控制方法，包括以下步骤：
步骤（1）、利用装配于柔性机构2的螺纹孔内的螺钉对压电元件3进行预紧，范围为60N至80N，另外配合预紧垫块4调节柔性机构2的驱动足和转子5间的预紧力，范围为1至3N；
步骤（2）、对压电元件3施加具有周期性缓慢上升阶段和快速下降阶段的电信号，比如锯齿波电压信号，产生转矩以推动柔性机构2的连接环和驱动足运动从而驱动转子5；
步骤（3）、通过调节电压信号的幅值和频率来调节转子5的旋转速度。
本发明的有益效果在于：能够产生稳定、快速、角度分辨率高的连续旋转运动，无传统电机带来的磁场干扰。结构紧凑，加工简单，装配简便，成本低，功耗低，噪音小。适用范围广，在精密驱动、精密仪器、显微操作等领域具有应用价值，实用性强。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的总体结构示意图；
图2为本发明的柔性机构的结构示意图；
图3为本发明的转子结构示意图；
图4为本发明的运动原理图。
图中：1、底座；2、柔性机构；3、压电元件；4、预紧垫块；5、转子。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1至图4所示，本发明的基于四足耦合运动方式提升性能的压电驱动器与控制方法，包括底座、柔性机构、压电元件、预紧垫块、转子。柔性机构通过其旋转对称分布的驱动足，配合压电元件产生微米级运动驱动转子旋转；压电元件基于逆压电效应将电能转化为动能，驱动柔性机构运动；预紧垫块用于配合预紧螺钉调整驱动足与转子间的摩擦力至合适大小；转子作为驱动装置的输出终端。本发明具有转角分辨率高、运动平稳、响应迅速和速度快等优点，且具有无电磁干扰、结构紧凑、轻巧的特点，无传统电机带来的磁场干扰。加工简单，装配简便，成本低，功耗低，噪音小。适用范围广，在精密仪器、精密光学、航空航天和显微操作等领域具有良好的应用前景。
参见图1至图4所示，本发明的基于四足耦合运动方式提升性能的压电驱动器，包括底座1、柔性机构2、压电元件3、预紧垫块4、转子5。
所述柔性机构2安装在底座1上，结构上主要包括四个旋转对称分布的驱动足和连接四个驱动足的连接环，另外带有四个安装槽分别用于安装压电元件3和预紧垫块4，在安装槽底部还附有螺纹孔用来配合螺钉实现对压电元件3的预紧和驱动足与转子5之间的接触状态调整，工作过程中连接环受压电元件3驱动产生微米级位移并带动四个驱动足同时动作以驱动转子5旋转。
所述压电元件3安装于柔性机构2的安装槽中，并通过预紧实现与柔性机构2的紧密接触，工作过程中受特殊波形的电信号激励以产生周期的慢速伸长、快速伸缩运动，并驱动连接环产生相应的周期运动。
所述预紧垫块4安装于柔性机构2的安装槽中，用于将预紧力传递至柔性机构2的连接环，连接环在预紧力的作用下带动四个驱动足产生微小形变，四个驱动足绕各自的直圆型柔性铰链旋转，在此过程中会朝转子5靠近并压迫转子5，从而调节驱动足和转子5的接触状态。
所述转子5安装于柔性机构2中并位于四个驱动足中心，当压电元件3慢速伸长时，柔性机构2的连接环在压电元件3的推动下转动，同时柔性机构2的驱动足在连接环的带动下运动并驱动转子5慢速正向转动一个角度α 1；当压电元件3快速收缩时，柔性机构2的连接环和驱动足由于自身弹性势能也产生快速回退运动，而转子5由于惯性仅稍微反向旋转一个角度α 2甚至静止或继续正向旋转，从而产生一个正向旋转与反向旋转的角度差，即净转角α = α 1 -α 2，通过周期运动将累积正向旋转角度以产生宏观连续旋转运动。
参见图1至图4所示，本发明的基于四足耦合运动方式提升性能的压电驱动器的控制方法，通过对压电元件3施加具有缓慢上升阶段和快速下降阶段特征的周期性激励电信号实现转子5的旋转运动，具体包括以下步骤：
步骤（1）、利用装配于柔性机构2的螺纹孔内的螺钉对压电元件3进行预紧，范围为60N至80N，另外配合预紧垫块4调节柔性机构2的驱动足和转子5间的预紧力，范围为1至3N；
步骤（2）、对压电元件3施加具有周期性缓慢上升阶段和快速下降阶段的电信号，比如锯齿波电压信号，产生转矩以推动柔性机构2的连接环和驱动足运动从而驱动转子5；
步骤（3）、可通过调节电压信号的幅值和频率来调节转子5的旋转速度。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于四足耦合运动方式提升性能的压电驱动器，其特征在于：通过四个呈旋转对称分布的驱动足实现对转子的自定心功能，通过连接环连接四个驱动足实现一致动作并减少所需压电元件的数量；包括底座（1）、柔性机构（2）、压电元件（3）、预紧垫块（4）、转子（5），所述柔性机构（2）安装在底座（1）上，柔性机构（2）包括四个旋转对称分布的驱动足和连接四个驱动足的连接环，另外带有四个安装槽分别用于安装压电元件（3）和预紧垫块（4），在安装槽底部设有螺纹孔配合螺钉实现对压电元件（3）的预紧和驱动足与转子（5）之间的接触状态调整，工作过程中连接环受压电元件（3）驱动产生微米级位移并带动四个驱动足同时动作以驱动转子（5）旋转；
所述的预紧垫块（4）安装于柔性机构（2）的安装槽中，将预紧力传递至柔性机构（2）的连接环，连接环在预紧力的作用下带动四个驱动足产生微小形变，四个驱动足绕各自的直圆型柔性铰链旋转，在此过程中会朝转子（5）靠近并压迫转子（5），从而调节驱动足和转子（5）的接触状态；
所述的转子（5）安装于柔性机构（2）中并位于四个驱动足中心，当压电元件（3）在慢速伸长过程中，转子（5）受到柔性机构（2）驱动足驱动而产生慢速正向转动，当压电元件（3）在快速收缩过程中，柔性机构（2）及其驱动足由于自身弹性势能也产生快速回退运动，而转子（5）由于惯性仅稍微反向旋转甚至静止或继续正向旋转，从而产生一个正向旋转与反向旋转的角度差，通过周期运动将累积正向旋转角度以产生宏观连续旋转运动。
2.根据权利要求1所述的基于四足耦合运动方式提升性能的压电驱动器，其特征在于：所述的压电元件（3）安装于柔性机构（2）的安装槽中，并通过预紧实现与柔性机构（2）的紧密接触，工作过程中受电信号激励以产生周期的慢速伸长、快速伸缩运动，并驱动连接环产生周期运动。
3.一种根据权利要求1或2所述的基于四足耦合运动方式提升性能的压电驱动器的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤（1）、利用装配于柔性机构（2）的螺纹孔内的螺钉对压电元件3进行预紧，范围为60N至80N，另外配合预紧垫块（4）调节柔性机构（2）的驱动足和转子（5）间的预紧力，范围为1至3N；
步骤（2）、对压电元件（3）施加具有周期性缓慢上升阶段和快速下降阶段的电信号，产生转矩以推动柔性机构（2）的连接环和驱动足运动从而驱动转子（5）；
步骤（3）、通过调节电压信号的幅值和频率来调节转子（5）的旋转速度。
4.根据权利要求3所述的基于四足耦合运动方式提升性能的压电驱动器的控制方法，其特征在于：步骤（2）所述的具有周期性缓慢上升阶段和快速下降阶段的电信号为锯齿波电压信号。
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