CN110474563A - 一种双向互锁式压电粘滑驱动装置及其激励方法 - Google Patents
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Abstract
一种双向互锁式压电粘滑驱动装置及其激励方法,旨在解决已有压电粘滑驱动装置双向输出性能差等技术问题。本发明由滑动基座、滑动组件和驱动组件组成;所述驱动组件安装在滑动基座上,所述滑动组件安装在滑动基座上并与驱动组件接触。本发明采用并联双夹持铰链,利用菱形缩放特性,实现对压电粘滑驱动装置驱动过程的摩擦力的综合调控;同时,两个关于中心对称的菱形铰链形成并联互锁式铰链结构,在双激励电信号组激励下,降低了驱动组件驱动时对滑动组件运动的干涉影响,减少位移回退,进而提高双向驱动装置的机械输出性能。本发明具有输出推力大、精度高和双向干扰小等特点,可被广泛应用于微纳精密驱动与定位技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种双向互锁式压电粘滑驱动装置及其激励方法,属于微纳精密驱动与定位技术领域。
背景技术
压电驱动技术是一种利用压电材料的逆压电效应将电能转化为机械能的新型驱动技术,压电驱动装置正是采用上述原理进行驱动的,目前绝大多数的精密定位和微纳操作都是通过压电驱动装置实现。因压电驱动装置输出精度高、响应速度快、抗电磁干扰能力强等方面的显著优势,已经发展成为高精密定位以及材料微纳米力学性能测试的主流技术之一。
压电粘滑驱动装置因具有结构简单紧凑、定位精度高、行程大、无电磁干扰等优点被广泛应用。但是随着其应用领域的逐渐扩大,对压电粘滑驱动装置的双向输出需求逐渐增加,但是由于结构的限制,目前压电粘滑驱动装置很难实现双向运动,即使极少数的压电粘滑驱动装置可实现双向运动,但也存在结构尺寸较大、结构干涉造成正反向输出性能较差等缺点,进一步制约了压电粘滑驱动装置发展。
因此,设计一种精度高、双向干扰小的微纳米级压电粘滑驱动装置是十分有必要的。
发明内容
为解决已有压电粘滑驱动装置双向输出性能差等技术问题,本发明公开了一种双向互锁式压电粘滑驱动装置及其激励方法。
本发明所采用的技术方案:
为达到上述目的,本发明提供一种双向互锁式压电粘滑驱动装置,该双向互锁式压电粘滑驱动装置由滑动基座、滑动组件和驱动组件组成;其中,所述驱动组件安装在滑动基座上,所述滑动组件安装在滑动基座上并与驱动组件接触。
所述滑动基座包括基座内表面、驱动组件安装螺纹孔Ⅰ、燕尾滑动凸台Ⅰ、驱动组件安装螺纹孔Ⅱ和燕尾滑动凸台Ⅱ;其中,所述燕尾滑动凸台Ⅰ和燕尾滑动凸台Ⅱ与滑动组件连接;所述基座内表面上安装有驱动组件;所述驱动组件安装螺纹孔Ⅰ和驱动组件安装螺纹孔Ⅱ安装固定驱动组件。
所述滑动组件包括加载螺栓Ⅱ、加载螺栓Ⅰ、滑动板、加载块Ⅰ、限位组件Ⅰ、限位组件Ⅱ和加载块Ⅱ;所述加载螺栓Ⅱ和加载螺栓Ⅰ安装在滑动板上部并与加载螺栓Ⅱ和加载块Ⅰ接触;所述加载块Ⅰ与限位组件Ⅰ连接,所述限位组件Ⅱ与加载块Ⅱ连接,所述加载块Ⅰ和加载块Ⅱ安装在滑动板下部。
所述滑动板包括限位螺栓Ⅱ安装沉头孔、加载螺栓Ⅱ安装螺纹孔、限位螺栓Ⅰ安装沉头孔、加载螺栓Ⅰ安装螺纹孔、限位槽Ⅰ、弹簧槽Ⅰ、弹簧槽Ⅱ、限位槽Ⅱ、燕尾滑动槽Ⅰ、燕尾滑动槽Ⅱ、限位螺栓Ⅱ安装螺纹孔和限位螺栓Ⅰ安装螺纹孔;所述限位螺栓Ⅱ安装沉头孔内穿过限位组件Ⅱ的限位螺栓Ⅱ,所述限位螺栓Ⅰ安装沉头孔内穿过限位组件Ⅰ的限位螺栓Ⅰ;所述加载螺栓Ⅱ安装螺纹孔与加载螺栓Ⅱ螺纹连接,所述加载螺栓Ⅰ安装螺纹孔与加载螺栓Ⅰ螺纹连接;所述限位槽Ⅰ内安装有限位组件Ⅰ,所述限位槽Ⅱ内安装有限位组件Ⅱ;所述弹簧槽Ⅰ内放置有限位组件Ⅰ的弹簧Ⅰ,所述弹簧槽Ⅱ内放置有限位组件Ⅱ的弹簧Ⅱ;所述燕尾滑动槽Ⅰ与燕尾滑动凸台Ⅰ滑动连接,所述燕尾滑动槽Ⅱ与燕尾滑动凸台Ⅱ滑动连接;所述限位螺栓Ⅰ安装螺纹孔与限位组件Ⅰ的限位螺栓Ⅰ螺纹连接,所述限位螺栓Ⅱ安装螺纹孔与限位组件Ⅱ的限位螺栓Ⅱ螺纹连接。
所述加载块Ⅰ为对称结构,所述加载块Ⅰ包括夹持滑动面A1、夹持滑动面A2、限位块Ⅰ安装槽和限位块Ⅰ安装螺纹孔;所述夹持滑动面A1和夹持滑动面A2与驱动组件的并联双夹持铰链接触;两个限位块Ⅰ安装槽对称分布在加载块Ⅰ两端部,所述限位块Ⅰ安装槽内安装限位组件Ⅰ的限位块Ⅰ,两个限位块Ⅰ安装螺纹孔对称分布在加载块Ⅰ两端部,所述限位块Ⅰ安装螺纹孔与限位组件Ⅰ的限位块Ⅰ安装螺栓螺纹连接。所述限位组件Ⅰ包括限位螺栓Ⅰ、限位块Ⅰ安装螺栓、限位块Ⅰ和弹簧Ⅰ;其中,所述限位块Ⅰ设有限位通孔Ⅰ和限位块Ⅰ安装沉头孔;所述限位螺栓Ⅰ穿过限位螺栓Ⅰ安装沉头孔并与限位螺栓Ⅰ安装螺纹孔螺纹连接后,再穿过限位通孔Ⅰ;所述限位块Ⅰ安装螺栓穿过限位块Ⅰ安装沉头孔与限位块Ⅰ安装螺纹孔螺纹连接;所述限位块Ⅰ穿过限位槽Ⅰ安装在加载块Ⅰ上;所述弹簧Ⅰ穿过限位螺栓Ⅰ,并将其下端置于弹簧槽Ⅰ内。
所述限位组件Ⅱ包括限位螺栓Ⅱ、限位块Ⅱ安装螺栓、限位块Ⅱ和弹簧Ⅱ;其中,所述限位块Ⅱ设有限位通孔Ⅱ和限位块Ⅱ安装沉头孔;所述限位螺栓Ⅱ穿过限位螺栓Ⅱ安装沉头孔并与限位螺栓Ⅱ安装螺纹孔螺纹连接后,再穿过限位通孔Ⅱ;所述限位块Ⅱ安装螺栓穿过限位块Ⅱ安装沉头孔与限位块Ⅱ的限位块Ⅱ安装螺纹孔螺纹连接;所述限位块Ⅱ穿过限位槽Ⅱ安装在加载块Ⅱ上;所述弹簧Ⅱ穿过限位螺栓Ⅱ,并将其下端置于弹簧槽Ⅱ内。所述加载块Ⅱ为对称结构,所述加载块Ⅱ包括夹持滑动面B1、夹持滑动面B2、限位块Ⅱ安装槽和限位块Ⅱ安装螺纹孔;所述夹持滑动面B1和夹持滑动面B2与驱动组件的并联双夹持铰链接触;两个限位块Ⅱ安装槽对称分布在加载块Ⅰ两端部,所述限位块Ⅱ安装槽内安装限位组件Ⅱ的限位块Ⅱ,两个限位块Ⅱ安装螺纹孔对称分布在加载块Ⅱ两端部,所述限位块Ⅱ安装螺纹孔与限位组件Ⅱ的限位块Ⅱ安装螺栓螺纹连接。
所述驱动组件包括并联双夹持铰链、铰链固定螺栓Ⅰ、压电堆叠Ⅰ、垫片Ⅰ、基米螺钉Ⅰ、铰链固定螺栓Ⅱ、压电堆叠Ⅱ、垫片Ⅱ和基米螺钉Ⅱ;所述铰链固定螺栓Ⅰ与驱动组件安装螺纹孔Ⅰ螺纹连接,铰链固定螺栓Ⅱ与驱动组件安装螺纹孔Ⅱ螺纹连接,将并联双夹持铰链固定安装在滑动基座上;所述基米螺钉Ⅰ与垫片Ⅰ接触,将压电堆叠Ⅰ紧固在并联双夹持铰链内,所述基米螺钉Ⅱ与垫片Ⅱ接触,将压电堆叠Ⅱ紧固在并联双夹持铰链内。
所述并联双夹持铰链可采用5025铝合金、6061铝合金、7075铝合金、Ti-35A钛合金或Ti-13钛合金材料;所述并联双夹持铰链包括夹钳面B1、铰链固定螺栓Ⅰ安装沉头孔、铰链固定座Ⅰ3-1-3、连接梁Ⅰ、夹钳面A1、直圆型柔性铰链Ⅰ、端部横梁Ⅰ、基米螺钉Ⅰ安装螺纹孔、夹钳面A2、铰链固定螺栓Ⅱ安装沉头孔、铰链固定座Ⅱ、连接梁Ⅱ、夹钳面B2、直圆型柔性铰链Ⅱ、端部横梁Ⅱ、基米螺钉Ⅱ安装螺纹孔和柔性铰链连接梁;所述并联双夹持铰链为中心对称结构,由两个关于中心对称的铰链结构组成,其中,所述铰链固定座Ⅰ上设有铰链固定螺栓Ⅰ安装沉头孔,所述端部横梁Ⅰ侧面设有基米螺钉Ⅰ安装螺纹孔,所述连接梁Ⅰ两端设有直圆型柔性铰链Ⅰ,连接铰链固定座Ⅰ和端部横梁Ⅰ以形成一个菱形铰链结构;所述铰链固定座Ⅱ上设有铰链固定螺栓Ⅱ安装沉头孔,所述端部横梁Ⅱ侧面设有基米螺钉Ⅱ安装螺纹孔,所述连接梁Ⅱ两端设有直圆型柔性铰链Ⅱ,连接铰链固定座Ⅱ和端部横梁Ⅱ以形成一个菱形铰链结构,所述柔性铰链连接梁连接上述两个关于中心对称的铰链结构;所述夹钳面A1与夹持滑动面A1接触,所述夹钳面A2与夹持滑动面A2接触;所述夹钳面B1与夹持滑动面B1接触,所述夹钳面B2与夹持滑动面B2接触;所述铰链固定螺栓Ⅰ安装沉头孔内穿过铰链固定螺栓Ⅰ,使铰链固定螺栓Ⅰ与驱动组件安装螺纹孔Ⅰ螺纹连接,所述铰链固定螺栓Ⅱ安装沉头孔内穿过铰链固定螺栓Ⅱ,使铰链固定螺栓Ⅱ与驱动组件安装螺纹孔Ⅱ螺纹连接,所述铰链固定螺栓Ⅰ安装沉头孔和铰链固定螺栓Ⅱ安装沉头孔配合将并联双夹持铰链固定安装在滑动基座上;所述基米螺钉Ⅰ安装螺纹孔与基米螺钉Ⅰ螺纹连接,所述基米螺钉Ⅱ安装螺纹孔与基米螺钉Ⅱ螺纹连接。
另外,为了达到上述目的,本发明提供了一种双向互锁式压电粘滑驱动装置激励方法,该激励方法基于所述一种双向互锁式压电粘滑驱动装置实现;所述激励方法中采用双激励电信号组,激励电信号A为正锯齿波电信号,激励电信号B为负锯齿波电信号,当激励电信号A和激励电信号B分别通入压电堆叠Ⅰ和压电堆叠Ⅱ时:
t1~t2阶段:激励电信号A为缓慢上升阶段,使压电堆叠Ⅰ缓慢伸长;激励电信号B为缓慢下降阶段,使压电堆叠Ⅱ缓慢缩短,形成铰链互锁,增强压电粘滑驱动装置运动效果;
t2~t3阶段:激励电信号A为快速下降阶段,使压电堆叠Ⅰ快速缩短恢复变形;激励电信号B为快速上升阶段,使压电堆叠Ⅱ快速伸长恢复变形,形成铰链互锁,减少压电粘滑驱动装置位移回退;
重复上述激励过程,实现压电粘滑驱动装置连续步进运动;
同理,反向运动即将激励电信号A和激励电信号B分别通入压电堆叠Ⅱ和压电堆叠Ⅰ;
其中,激励电信号A周期为T1,激励电压幅值为V1,激励电信号B周期为T2,激励电压幅值为V2,激励电信号A与激励电信号B的周 期比为T1/T2=1,激励电压幅值比为V1/V2大于2。
本发明的有益效果:
本发明采用并联双夹持铰链,利用菱形缩放特性,使得并联双夹持铰链夹紧滑动组件,调整驱动组件与滑动组件间接触的正压力,增加了驱动组件与滑动组件间的摩擦驱动力,减少了驱动组件与滑动组件间的摩擦阻力,实现对压电粘滑驱动装置驱动过程的摩擦力的综合调控,提高驱动装置的驱动步效率;同时,由于并联双夹持铰链由两个关于中心对称的菱形铰链结构连接组成,其中一个铰链结构收缩时会带动另一个铰链结构扩张,形成并联互锁式铰链结构,降低了并联双夹持铰链单向驱动时对滑动组件运动的干涉影响,减少位移回退,并且在双激励电信号组激励下,可进一步提高双向驱动装置的机械输出性能。与当前已有技术相比,具有输出推力大、精度高和双向干扰小等特点,可被广泛应用于超精加工、精密光学等微纳精密驱动与定位技术领域。
附图说明
图1所示为本发明提出的一种双向互锁式压电粘滑驱动装置的结构示意图;
图2所示为本发明提出的一种双向互锁式压电粘滑驱动装置的滑动基座结构示意图;
图3所示为本发明提出的一种双向互锁式压电粘滑驱动装置的滑动组件结构示意图;
图4所示为本发明提出的一种双向互锁式压电粘滑驱动装置的滑动板结构示意图Ⅰ;
图5所示为本发明提出的一种双向互锁式压电粘滑驱动装置的滑动板结构示意图Ⅱ;
图6所示为本发明提出的一种双向互锁式压电粘滑驱动装置的加载块Ⅰ结构示意图;
图7所示为本发明提出的一种双向互锁式压电粘滑驱动装置的限位组件Ⅰ结构示意图;
图8所示为本发明提出的一种双向互锁式压电粘滑驱动装置的限位块Ⅰ结构示意图;
图9所示为本发明提出的一种双向互锁式压电粘滑驱动装置的限位组件Ⅱ结构示意图;
图10所示为本发明提出的一种双向互锁式压电粘滑驱动装置的限位块Ⅱ结构示意图;
图11所示为本发明提出的一种双向互锁式压电粘滑驱动装置的加载块Ⅱ结构示意图;
图12所示为本发明提出的一种双向互锁式压电粘滑驱动装置的驱动组件结构示意图Ⅰ;
图13所示为本发明提出的一种双向互锁式压电粘滑驱动装置的驱动组件结构示意图Ⅱ;
图14所示为本发明提出的一种双向互锁式压电粘滑驱动装置的并联双夹持铰链结构示意图Ⅰ;
图15所示为本发明提出的一种双向互锁式压电粘滑驱动装置的并联双夹持铰链结构示意图Ⅱ;
图16所示为本发明提出的一种双向互锁式压电粘滑驱动装置的并联双夹持铰链结构示意图Ⅲ;
图17所示为本发明提出的一种双向互锁式压电粘滑驱动装置的双激励电信号组波形示意图。
具体实施方式
具体实施方式一:结合图1~图16说明本实施方式,本实施方式提供了一种双向互锁式压电粘滑驱动装置的具体实施方式,所述一种双向互锁式压电粘滑驱动装置的具体实施方式表述如下:
所述一种双向互锁式压电粘滑驱动装置由滑动基座1、滑动组件2和驱动组件3组成;其中,所述驱动组件3安装在滑动基座1上,所述滑动组件2安装在滑动基座1上并与驱动组件3接触。
所述滑动基座1包括基座内表面1-1、驱动组件安装螺纹孔Ⅰ1-2、燕尾滑动凸台Ⅰ1-3、驱动组件安装螺纹孔Ⅱ1-4和燕尾滑动凸台Ⅱ1-5;其中,所述燕尾滑动凸台Ⅰ1-3和燕尾滑动凸台Ⅱ1-5与滑动组件2连接,用于滑动组件2的滑动与限位;所述基座内表面1-1上安装有驱动组件3;所述驱动组件安装螺纹孔Ⅰ1-2和驱动组件安装螺纹孔Ⅱ1-4安装固定驱动组件3。
所述滑动组件2包括加载螺栓Ⅱ2-1、加载螺栓Ⅰ2-2、滑动板2-3、加载块Ⅰ2-4、限位组件Ⅰ2-5、限位组件Ⅱ2-6和加载块Ⅱ2-7;所述加载螺栓Ⅱ2-1和加载螺栓Ⅰ2-2安装在滑动板2-3上部并与加载螺栓Ⅱ2-1和加载块Ⅰ2-4接触;所述加载块Ⅰ2-4与限位组件Ⅰ2-5连接,所述限位组件Ⅱ2-6与加载块Ⅱ2-7连接,所述加载块Ⅰ2-4和加载块Ⅱ2-7安装在滑动板2-3下部。
所述滑动板2-3包括限位螺栓Ⅱ安装沉头孔2-3-1、加载螺栓Ⅱ安装螺纹孔2-3-2、限位螺栓Ⅰ安装沉头孔2-3-3、加载螺栓Ⅰ安装螺纹孔2-3-4、限位槽Ⅰ2-3-5、弹簧槽Ⅰ2-3-6、弹簧槽Ⅱ2-3-7、限位槽Ⅱ2-3-8、燕尾滑动槽Ⅰ2-3-9、燕尾滑动槽Ⅱ2-3-10、限位螺栓Ⅱ安装螺纹孔2-3-11和限位螺栓Ⅰ安装螺纹孔2-3-12;所述限位螺栓Ⅱ安装沉头孔2-3-1内穿过限位组件Ⅱ2-6的限位螺栓Ⅱ2-6-1,所述限位螺栓Ⅰ安装沉头孔2-3-3内穿过限位组件Ⅰ2-5的限位螺栓Ⅰ2-5-1;所述加载螺栓Ⅱ安装螺纹孔2-3-2与加载螺栓Ⅱ2-1螺纹连接,所述加载螺栓Ⅰ安装螺纹孔2-3-4与加载螺栓Ⅰ2-2螺纹连接;所述限位槽Ⅰ2-3-5内安装有限位组件Ⅰ2-5,所述限位槽Ⅱ2-3-8内安装有限位组件Ⅱ2-6,分别用于限制加载块Ⅰ2-4和加载块Ⅱ2-7的竖直方向上的加载运动;所述弹簧槽Ⅰ2-3-6内放置有限位组件Ⅰ2-5的弹簧Ⅰ2-5-4,所述弹簧槽Ⅱ2-3-7内放置有限位组件Ⅱ2-6的弹簧Ⅱ2-6-4,分别用于弹簧Ⅰ2-5-4和弹簧Ⅱ2-6-4的限位与支撑;所述燕尾滑动槽Ⅰ2-3-9与燕尾滑动凸台Ⅰ1-3滑动连接,所述燕尾滑动槽Ⅱ2-3-10与燕尾滑动凸台Ⅱ1-5滑动连接,用于滑动组件2的滑动限位与支撑;所述限位螺栓Ⅰ安装螺纹孔2-3-12与限位组件Ⅰ2-5的限位螺栓Ⅰ2-5-1螺纹连接,所述限位螺栓Ⅱ安装螺纹孔2-3-11与限位组件Ⅱ2-6的限位螺栓Ⅱ2-6-1螺纹连接,分别用于限位螺栓Ⅰ2-5-1和限位螺栓Ⅱ2-6-1的安装固定。
所述加载块Ⅰ2-4为对称结构,所述加载块Ⅰ2-4包括夹持滑动面A12-4-1、夹持滑动面A22-4-2、限位块Ⅰ安装槽2-4-3和限位块Ⅰ安装螺纹孔2-4-4;所述夹持滑动面A12-4-1和夹持滑动面A22-4-2与驱动组件3的并联双夹持铰链3-1接触;两个限位块Ⅰ安装槽2-4-3对称分布在加载块Ⅰ2-4两端部,所述限位块Ⅰ安装槽2-4-3内安装限位组件Ⅰ2-5的限位块Ⅰ2-5-3,两个限位块Ⅰ安装螺纹孔2-4-4对称分布在加载块Ⅰ2-4两端部,所述限位块Ⅰ安装螺纹孔2-4-4与限位组件Ⅰ2-5的限位块Ⅰ安装螺栓2-5-2螺纹连接,用于固定安装限位组件Ⅰ2-5。
所述限位组件Ⅰ2-5包括限位螺栓Ⅰ2-5-1、限位块Ⅰ安装螺栓2-5-2、限位块Ⅰ2-5-3和弹簧Ⅰ2-5-4;其中,所述限位块Ⅰ2-5-3设有限位通孔Ⅰ2-5-3-1和限位块Ⅰ安装沉头孔2-5-3-2;所述限位螺栓Ⅰ2-5-1穿过限位螺栓Ⅰ安装沉头孔2-3-3并与限位螺栓Ⅰ安装螺纹孔2-3-12螺纹连接后,再穿过限位通孔Ⅰ2-5-3-1,用于限制限位块Ⅰ2-5-3在限位螺栓Ⅰ2-5-1的轴向上滑动;所述限位块Ⅰ安装螺栓2-5-2穿过限位块Ⅰ安装沉头孔2-5-3-2与限位块Ⅰ安装螺纹孔2-4-4螺纹连接,用于固定安装限位块Ⅰ2-5-3;所述限位块Ⅰ2-5-3穿过限位槽Ⅰ2-3-5安装在加载块Ⅰ2-4上;所述弹簧Ⅰ2-5-4穿过限位螺栓Ⅰ2-5-1,并将其下端置于弹簧槽Ⅰ2-3-6内,使限位块Ⅰ2-5-3在竖直方向获得向上的支撑力。
所述限位组件Ⅱ2-6包括限位螺栓Ⅱ2-6-1、限位块Ⅱ安装螺栓2-6-2、限位块Ⅱ2-6-3和弹簧Ⅱ2-6-4;其中,所述限位块Ⅱ2-6-3设有限位通孔Ⅱ2-6-3-1和限位块Ⅱ安装沉头孔2-6-3-2;所述限位螺栓Ⅱ2-6-1穿过限位螺栓Ⅱ安装沉头孔2-3-1并与限位螺栓Ⅱ安装螺纹孔2-3-11螺纹连接后,再穿过限位通孔Ⅱ2-6-3-1,用于限制限位块Ⅱ2-6-3在限位螺栓Ⅱ2-6-1的轴向上滑动;所述限位块Ⅱ安装螺栓2-6-2穿过限位块Ⅱ安装沉头孔2-6-3-2与限位块Ⅱ2-7的限位块Ⅱ安装螺纹孔2-7-4螺纹连接,用于固定安装限位块Ⅱ2-6-3;所述限位块Ⅱ2-6-3穿过限位槽Ⅱ2-3-8安装在加载块Ⅱ2-7上;所述弹簧Ⅱ2-6-4穿过限位螺栓Ⅱ2-6-1,并将其下端置于弹簧槽Ⅱ2-3-7内,使限位块Ⅱ2-6-3在竖直方向获得向上的支撑力。
所述加载块Ⅱ2-7为对称结构,所述加载块Ⅱ2-7包括夹持滑动面B12-7-1、夹持滑动面B22-7-2、限位块Ⅱ安装槽2-7-3和限位块Ⅱ安装螺纹孔2-7-4;所述夹持滑动面B12-7-1和夹持滑动面B22-7-2与驱动组件3的并联双夹持铰链3-1接触;两个限位块Ⅱ安装槽2-7-3对称分布在对加载块Ⅱ2-7两端部,所述限位块Ⅱ安装槽2-7-3内安装限位组件Ⅱ2-6的限位块Ⅱ2-6-3,两个限位块Ⅱ安装螺纹孔2-7-4对称分布在加载块Ⅰ2-4两端部,所述限位块Ⅱ安装螺纹孔2-7-4与限位组件Ⅱ2-6的限位块Ⅱ安装螺栓2-6-2螺纹连接,用于固定安装限位组件Ⅱ2-6。
所述驱动组件3包括并联双夹持铰链3-1、铰链固定螺栓Ⅰ3-2、压电堆叠Ⅰ3-3、垫片Ⅰ3-4、基米螺钉Ⅰ3-5、铰链固定螺栓Ⅱ3-6、压电堆叠Ⅱ3-7、垫片Ⅱ3-8和基米螺钉Ⅱ3-9;所述铰链固定螺栓Ⅰ3-2与驱动组件安装螺纹孔Ⅰ1-2螺纹连接,铰链固定螺栓Ⅱ3-6与驱动组件安装螺纹孔Ⅱ1-4螺纹连接,用于将并联双夹持铰链3-1固定安装在滑动基座1上;所述基米螺钉Ⅰ3-5与垫片Ⅰ3-4接触,将压电堆叠Ⅰ3-3紧固在并联双夹持铰链3-1内,所述基米螺钉Ⅱ3-9与垫片Ⅱ3-8接触,将压电堆叠Ⅱ3-7紧固在并联双夹持铰链3-1内。
所述并联双夹持铰链3-1可采用5025铝合金、6061铝合金、7075铝合金、Ti-35A钛合金或Ti-13钛合金材料;所述并联双夹持铰链3-1包括夹钳面B13-1-1、铰链固定螺栓Ⅰ安装沉头孔3-1-2、铰链固定座Ⅰ3-1-3、连接梁Ⅰ3-1-4、夹钳面A13-1-5、直圆型柔性铰链Ⅰ3-1-6、端部横梁Ⅰ3-1-7、基米螺钉Ⅰ安装螺纹孔3-1-8、夹钳面A23-1-9、铰链固定螺栓Ⅱ安装沉头孔3-1-10、铰链固定座Ⅱ3-1-11、连接梁Ⅱ3-1-12、夹钳面B23-1-13、直圆型柔性铰链Ⅱ3-1-14、端部横梁Ⅱ3-1-15、基米螺钉Ⅱ安装螺纹孔3-1-16和柔性铰链连接梁3-1-17;所述并联双夹持铰链3-1为中心对称结构,由两个关于中心对称的铰链结构组成,其中,所述铰链固定座Ⅰ3-1-3上设有铰链固定螺栓Ⅰ安装沉头孔3-1-2,所述端部横梁Ⅰ3-1-7侧面设有基米螺钉Ⅰ安装螺纹孔3-1-8,所述连接梁Ⅰ3-1-4两端设有直圆型柔性铰链Ⅰ3-1-6,用于连接铰链固定座Ⅰ3-1-3和端部横梁Ⅰ3-1-7以形成一个菱形铰链结构,其中,所述直圆型柔性铰链Ⅰ3-1-6的圆弧半径为a,a的取值范围为0.2mm~1mm,本具体实施方式中a=0.8mm;所述铰链固定座Ⅱ3-1-11上设有铰链固定螺栓Ⅱ安装沉头孔3-1-10,所述端部横梁Ⅱ3-1-15侧面设有基米螺钉Ⅱ安装螺纹孔3-1-16,所述连接梁Ⅱ3-1-12两端设有直圆型柔性铰链Ⅱ3-1-14,用于连接铰链固定座Ⅱ3-1-11和端部横梁Ⅱ3-1-15以形成一个菱形铰链结构,其中,所述直圆型柔性铰链Ⅱ3-1-14的圆弧半径为b,b=a;所述柔性铰链连接梁3-1-17用于连接上述两个关于中心对称的铰链结构;所述夹钳面A13-1-5与夹持滑动面A12-4-1接触,所述夹钳面A23-1-9与夹持滑动面A22-4-2接触,用于夹持加载块Ⅰ2-4进行运动;所述夹钳面B13-1-1与夹持滑动面B12-7-1接触,所述夹钳面B23-1-13与夹持滑动面B22-7-2接触,用于夹持加载块Ⅱ2-7进行运动;所述铰链固定螺栓Ⅰ安装沉头孔3-1-2内穿过铰链固定螺栓Ⅰ3-2,使铰链固定螺栓Ⅰ3-2与驱动组件安装螺纹孔Ⅰ1-2螺纹连接,所述铰链固定螺栓Ⅱ安装沉头孔3-1-10内穿过铰链固定螺栓Ⅱ3-6,使铰链固定螺栓Ⅱ3-6与驱动组件安装螺纹孔Ⅱ1-4螺纹连接,所述铰链固定螺栓Ⅰ安装沉头孔3-1-2和铰链固定螺栓Ⅱ安装沉头孔3-1-10配合用于将并联双夹持铰链3-1固定安装在滑动基座1上;所述基米螺钉Ⅰ安装螺纹孔3-1-8与基米螺钉Ⅰ3-5螺纹连接,所述基米螺钉Ⅱ安装螺纹孔3-1-16与基米螺钉Ⅱ3-9螺纹连接。
具体实施方式二:结合图17说明本实施方式,本实施方式提出了一种双向互锁式压电粘滑驱动装置激励方法的具体实施方式,所述一种双向互锁式压电粘滑驱动装置激励方法表述如下:
所述激励方法中采用双激励电信号组,激励电信号A为正锯齿波电信号,激励电信号B为负锯齿波电信号,当激励电信号A和激励电信号B分别通入压电堆叠Ⅰ3-3和压电堆叠Ⅱ3-7时:
t1~t2阶段:激励电信号A为缓慢上升阶段,使压电堆叠Ⅰ3-3缓慢伸长;激励电信号B为缓慢下降阶段,使压电堆叠Ⅱ3-7缓慢缩短,形成铰链互锁,增强压电粘滑驱动装置运动效果;
t2~t3阶段:激励电信号A为快速下降阶段,使压电堆叠Ⅰ3-3快速缩短恢复变形;激励电信号B为快速上升阶段,使压电堆叠Ⅱ3-7快速伸长恢复变形,形成铰链互锁,减少压电粘滑驱动装置位移回退;
重复上述激励过程,实现压电粘滑驱动装置连续步进运动。
同理,反向运动即将激励电信号A和激励电信号B分别通入压电堆叠Ⅱ3-7和压电堆叠Ⅰ3-3。
其中,激励电信号A周期为T1,激励电压幅值为V1,激励电信号B周期为T2,激励电压幅值为V2,激励电信号A与激励电信号B的周期比为T1/T2=1,激励电压幅值比为V1/V2大于2。
工作原理:
所述一种双向互锁式压电粘滑驱动装置采用并联双夹持铰链,其铰链结构利用菱形收缩变形特性,向压电堆叠Ⅰ通入激励电信号A使其轴向伸长,由于铰链固定座Ⅰ固定安装在滑动基座上,而端部横梁Ⅰ未固定,使端部横梁Ⅰ在平行于压电堆叠Ⅰ伸长的方向向外同步移动,夹钳面A1和夹钳面A2在垂直于压电堆叠Ⅰ伸长的方向向内移动,由于柔性铰链连接梁3-1-17的连接作用,会带动夹钳面B1和夹钳面B2在垂直于压电堆叠Ⅰ伸长的方向向外移动,则端部横梁Ⅱ在平行于压电堆叠Ⅰ伸长方向会向内移动,同时,向压电堆叠Ⅱ通入激励电信号B使其轴向收缩,为端部横梁Ⅱ在平行于压电堆叠Ⅱ收缩方向的向内移动提供空间,使夹钳面B1和夹钳面B2获得更大的移动量,使夹钳面A1和夹钳面A2夹紧加载块的同时夹钳面B1和夹钳面B2松开加载块Ⅱ,形成互锁式驱动,并利用惯性粘滑原理带动滑动组件正向运动。同理,向压电堆叠Ⅰ通入激励电信号B,同时向压电堆叠Ⅱ通入激励电信号A,使压电粘滑驱动装置反向运动。其中,在压电堆叠缓慢伸长阶段,并联双夹持铰链和滑动组件在静摩擦力作用下产生缓慢的“粘”运动,此时并联双夹持铰链和滑动组件一起向前运动一大步;在压电堆叠快速恢复变形阶段,并联双夹持铰链和滑动组件在动摩擦力作用下产生快速的“滑”运动,此时并联双夹持铰链恢复原始形态,而滑动组件仅向后回退一小步,重复上述步骤达到并联双夹持铰链驱动滑动组件连续步进运动的目的。
综合上述内容,本发明采用并联双夹持铰链,利用菱形缩放特性,使得并联双夹持铰链夹紧滑动组件,调整驱动组件与滑动组件间接触的正压力,增加了驱动组件与滑动组件间的摩擦驱动力,减少了驱动组件与滑动组件间的摩擦阻力,实现对压电粘滑驱动装置驱动过程的摩擦力的综合调控,提高驱动装置的驱动步效率;同时,由于并联双夹持铰链由两个关于中心对称的菱形铰链结构连接组成,其中一个铰链结构收缩时会带动另一个铰链结构扩张,形成并联互锁式铰链结构,降低了并联双夹持铰链单向驱动时对滑动组件运动的干涉影响,减少位移回退,并且在双激励电信号组激励下,可进一步提高双向驱动装置的机械输出性能。与当前已有技术相比,具有输出推力大、精度高和双向干扰小等特点,可被广泛应用于超精加工、精密光学等微纳精密驱动与定位技术领域。
Claims (9)
1.一种双向互锁式压电粘滑驱动装置,其特征在于,该双向互锁式压电粘滑驱动装置由滑动基座(1)、滑动组件(2)和驱动组件(3)组成;其中,所述驱动组件(3)安装在滑动基座(1)上,所述滑动组件(2)安装在滑动基座(1)上并与驱动组件(3)接触。
2.根据权利要求1所述一种双向互锁式压电粘滑驱动装置,其特征在于,所述滑动基座(1)包括基座内表面(1-1)、驱动组件安装螺纹孔Ⅰ(1-2)、燕尾滑动凸台Ⅰ(1-3)、驱动组件安装螺纹孔Ⅱ(1-4)和燕尾滑动凸台Ⅱ(1-5);其中,所述燕尾滑动凸台Ⅰ(1-3)和燕尾滑动凸台Ⅱ(1-5)与滑动组件(2)连接;所述基座内表面(1-1)上安装有驱动组件(3);所述驱动组件安装螺纹孔Ⅰ(1-2)和驱动组件安装螺纹孔Ⅱ(1-4)安装固定驱动组件(3)。
3.根据权利要求1所述一种双向互锁式压电粘滑驱动装置,其特征在于,所述滑动组件(2)包括加载螺栓Ⅱ(2-1)、加载螺栓Ⅰ(2-2)、滑动板(2-3)、加载块Ⅰ(2-4)、限位组件Ⅰ(2-5)、限位组件Ⅱ(2-6)和加载块Ⅱ(2-7);所述加载螺栓Ⅱ(2-1)和加载螺栓Ⅰ(2-2)安装在滑动板(2-3)上部并与加载螺栓Ⅱ(2-1)和加载块Ⅰ(2-4)接触;所述加载块Ⅰ(2-4)与限位组件Ⅰ(2-5)连接,所述限位组件Ⅱ(2-6)与加载块Ⅱ(2-7)连接,所述加载块Ⅰ(2-4)和加载块Ⅱ(2-7)安装在滑动板(2-3)下部。
4.根据权利要求3所述一种双向互锁式压电粘滑驱动装置,其特征在于,所述滑动板(2-3)包括限位螺栓Ⅱ安装沉头孔(2-3-1)、加载螺栓Ⅱ安装螺纹孔(2-3-2)、限位螺栓Ⅰ安装沉头孔(2-3-3)、加载螺栓Ⅰ安装螺纹孔(2-3-4)、限位槽Ⅰ(2-3-5)、弹簧槽Ⅰ(2-3-6)、弹簧槽Ⅱ(2-3-7)、限位槽Ⅱ(2-3-8)、燕尾滑动槽Ⅰ(2-3-9)、燕尾滑动槽Ⅱ(2-3-10)、限位螺栓Ⅱ安装螺纹孔(2-3-11)和限位螺栓Ⅰ安装螺纹孔(2-3-12);所述限位螺栓Ⅱ安装沉头孔(2-3-1)内穿过限位组件Ⅱ(2-6)的限位螺栓Ⅱ(2-6-1),所述限位螺栓Ⅰ安装沉头孔(2-3-3)内穿过限位组件Ⅰ(2-5)的限位螺栓Ⅰ(2-5-1);所述加载螺栓Ⅱ安装螺纹孔(2-3-2)与加载螺栓Ⅱ(2-1)螺纹连接,所述加载螺栓Ⅰ安装螺纹孔(2-3-4)与加载螺栓Ⅰ(2-2)螺纹连接;所述限位槽Ⅰ(2-3-5)内安装有限位组件Ⅰ(2-5),所述限位槽Ⅱ(2-3-8)内安装有限位组件Ⅱ(2-6);所述弹簧槽Ⅰ(2-3-6)内放置有限位组件Ⅰ(2-5)的弹簧Ⅰ(2-5-4),所述弹簧槽Ⅱ(2-3-7)内放置有限位组件Ⅱ(2-6)的弹簧Ⅱ(2-6-4);所述燕尾滑动槽Ⅰ(2-3-9)与燕尾滑动凸台Ⅰ(1-3)滑动连接,所述燕尾滑动槽Ⅱ(2-3-10)与燕尾滑动凸台Ⅱ(1-5)滑动连接;所述限位螺栓Ⅰ安装螺纹孔(2-3-12)与限位组件Ⅰ(2-5)的限位螺栓Ⅰ(2-5-1)螺纹连接,所述限位螺栓Ⅱ安装螺纹孔(2-3-11)与限位组件Ⅱ(2-6)的限位螺栓Ⅱ(2-6-1)螺纹连接。
5.根据权利要求3所述一种双向互锁式压电粘滑驱动装置,其特征在于,所述加载块Ⅰ(2-4)为对称结构,所述加载块Ⅰ(2-4)包括夹持滑动面A1(2-4-1)、夹持滑动面A2(2-4-2)、限位块Ⅰ安装槽(2-4-3)和限位块Ⅰ安装螺纹孔(2-4-4);所述夹持滑动面A1(2-4-1)和夹持滑动面A2(2-4-2)与驱动组件(3)的并联双夹持铰链(3-1)接触;两个限位块Ⅰ安装槽(2-4-3)对称分布在加载块Ⅰ(2-4)两端部,所述限位块Ⅰ安装槽(2-4-3)内安装限位组件Ⅰ(2-5)的限位块Ⅰ(2-5-3),两个限位块Ⅰ安装螺纹孔(2-4-4)对称分布在加载块Ⅰ(2-4)两端部,所述限位块Ⅰ安装螺纹孔(2-4-4)与限位组件Ⅰ(2-5)的限位块Ⅰ安装螺栓(2-5-2)螺纹连接;所述限位组件Ⅰ(2-5)包括限位螺栓Ⅰ(2-5-1)、限位块Ⅰ安装螺栓(2-5-2)、限位块Ⅰ(2-5-3)和弹簧Ⅰ(2-5-4);其中,所述限位块Ⅰ(2-5-3)设有限位通孔Ⅰ(2-5-3-1)和限位块Ⅰ安装沉头孔(2-5-3-2);所述限位螺栓Ⅰ(2-5-1)穿过限位螺栓Ⅰ安装沉头孔(2-3-3)并与限位螺栓Ⅰ安装螺纹孔(2-3-12)螺纹连接后,再穿过限位通孔Ⅰ(2-5-3-1);所述限位块Ⅰ安装螺栓(2-5-2)穿过限位块Ⅰ安装沉头孔(2-5-3-2)与限位块Ⅰ安装螺纹孔(2-4-4)螺纹连接;所述限位块Ⅰ(2-5-3)穿过限位槽Ⅰ(2-3-5)安装在加载块Ⅰ(2-4)上;所述弹簧Ⅰ(2-5-4)穿过限位螺栓Ⅰ(2-5-1),并将其下端置于弹簧槽Ⅰ(2-3-6)内。
6.根据权利要求3所述一种双向互锁式压电粘滑驱动装置,其特征在于,所述限位组件Ⅱ(2-6)包括限位螺栓Ⅱ(2-6-1)、限位块Ⅱ安装螺栓(2-6-2)、限位块Ⅱ(2-6-3)和弹簧Ⅱ(2-6-4);其中,所述限位块Ⅱ(2-6-3)设有限位通孔Ⅱ(2-6-3-1)和限位块Ⅱ安装沉头孔(2-6-3-2);所述限位螺栓Ⅱ(2-6-1)穿过限位螺栓Ⅱ安装沉头孔(2-3-1)并与限位螺栓Ⅱ安装螺纹孔(2-3-11)螺纹连接后,再穿过限位通孔Ⅱ(2-6-3-1);所述限位块Ⅱ安装螺栓(2-6-2)穿过限位块Ⅱ安装沉头孔(2-6-3-2)与限位块Ⅱ(2-7)的限位块Ⅱ安装螺纹孔(2-7-4)螺纹连接;所述限位块Ⅱ(2-6-3)穿过限位槽Ⅱ(2-3-8)安装在加载块Ⅱ(2-7)上;所述弹簧Ⅱ(2-6-4)穿过限位螺栓Ⅱ(2-6-1),并将其下端置于弹簧槽Ⅱ(2-3-7)内;所述加载块Ⅱ(2-7)为对称结构,所述加载块Ⅱ(2-7)包括夹持滑动面B1(2-7-1)、夹持滑动面B2(2-7-2)、限位块Ⅱ安装槽(2-7-3)和限位块Ⅱ安装螺纹孔(2-7-4);所述夹持滑动面B1(2-7-1)和夹持滑动面B2(2-7-2)与驱动组件(3)的并联双夹持铰链(3-1)接触;两个限位块Ⅱ安装槽(2-7-3)对称分布在加载块Ⅱ(2-7)两端部,所述限位块Ⅱ安装槽(2-7-3)内安装限位组件Ⅱ(2-6)的限位块Ⅱ(2-6-3),两个限位块Ⅱ安装螺纹孔(2-7-4)对称分布在加载块Ⅰ(2-4)两端部,所述限位块Ⅱ安装螺纹孔(2-7-4)与限位组件Ⅱ(2-6)的限位块Ⅱ安装螺栓(2-6-2)螺纹连接。
7.根据权利要求1所述一种双向互锁式压电粘滑驱动装置,其特征在于,所述驱动组件(3)包括并联双夹持铰链(3-1)、铰链固定螺栓Ⅰ(3-2)、压电堆叠Ⅰ(3-3)、垫片Ⅰ(3-4)、基米螺钉Ⅰ(3-5)、铰链固定螺栓Ⅱ(3-6)、压电堆叠Ⅱ(3-7)、垫片Ⅱ(3-8)和基米螺钉Ⅱ(3-9);所述铰链固定螺栓Ⅰ(3-2)与驱动组件安装螺纹孔Ⅰ(1-2)螺纹连接,铰链固定螺栓Ⅱ(3-6)与驱动组件安装螺纹孔Ⅱ(1-4)螺纹连接,将并联双夹持铰链(3-1)固定安装在滑动基座(1)上;所述基米螺钉Ⅰ(3-5)与垫片Ⅰ(3-4)接触,将压电堆叠Ⅰ(3-3)紧固在并联双夹持铰链(3-1)内,所述基米螺钉Ⅱ(3-9)与垫片Ⅱ(3-8)接触,将压电堆叠Ⅱ(3-7)紧固在并联双夹持铰链(3-1)内。
8.根据权利要求7所述一种双向互锁式压电粘滑驱动装置,其特征在于,所述并联双夹持铰链(3-1)可采用5025铝合金、6061铝合金、7075铝合金、Ti-35A钛合金或Ti-13钛合金材料;所述并联双夹持铰链(3-1)包括夹钳面B1(3-1-1)、铰链固定螺栓Ⅰ安装沉头孔(3-1-2)、铰链固定座Ⅰ(3-1-3)、连接梁Ⅰ(3-1-4)、夹钳面A1(3-1-5)、直圆型柔性铰链Ⅰ(3-1-6)、端部横梁Ⅰ(3-1-7)、基米螺钉Ⅰ安装螺纹孔(3-1-8)、夹钳面A2(3-1-9)、铰链固定螺栓Ⅱ安装沉头孔(3-1-10)、铰链固定座Ⅱ(3-1-11)、连接梁Ⅱ(3-1-12)、夹钳面B2(3-1-13)、直圆型柔性铰链Ⅱ(3-1-14)、端部横梁Ⅱ(3-1-15)、基米螺钉Ⅱ安装螺纹孔(3-1-16)和柔性铰链连接梁(3-1-17);所述并联双夹持铰链(3-1)为中心对称结构,由两个关于中心对称的铰链结构组成,其中,所述铰链固定座Ⅰ(3-1-3)上设有铰链固定螺栓Ⅰ安装沉头孔(3-1-2),所述端部横梁Ⅰ(3-1-7)侧面设有基米螺钉Ⅰ安装螺纹孔(3-1-8),所述连接梁Ⅰ(3-1-4)两端设有直圆型柔性铰链Ⅰ(3-1-6),连接铰链固定座Ⅰ(3-1-3)和端部横梁Ⅰ(3-1-7)以形成一个菱形铰链结构;所述铰链固定座Ⅱ(3-1-11)上设有铰链固定螺栓Ⅱ安装沉头孔(3-1-10),所述端部横梁Ⅱ(3-1-15)侧面设有基米螺钉Ⅱ安装螺纹孔(3-1-16),所述连接梁Ⅱ(3-1-12)两端设有直圆型柔性铰链Ⅱ(3-1-14),连接铰链固定座Ⅱ(3-1-11)和端部横梁Ⅱ(3-1-15)以形成一个菱形铰链结构,所述柔性铰链连接梁(3-1-17)连接上述两个关于中心对称的铰链结构;所述夹钳面A1(3-1-5)与夹持滑动面A1(2-4-1)接触,所述夹钳面A2(3-1-9)与夹持滑动面A2(2-4-2)接触;所述夹钳面B1(3-1-1)与夹持滑动面B1(2-7-1)接触,所述夹钳面B2(3-1-13)与夹持滑动面B2(2-7-2)接触;所述铰链固定螺栓Ⅰ安装沉头孔(3-1-2)内穿过铰链固定螺栓Ⅰ(3-2),使铰链固定螺栓Ⅰ(3-2)与驱动组件安装螺纹孔Ⅰ(1-2)螺纹连接,所述铰链固定螺栓Ⅱ安装沉头孔(3-1-10)内穿过铰链固定螺栓Ⅱ(3-6),使铰链固定螺栓Ⅱ(3-6)与驱动组件安装螺纹孔Ⅱ(1-4)螺纹连接,所述铰链固定螺栓Ⅰ安装沉头孔(3-1-2)和铰链固定螺栓Ⅱ安装沉头孔(3-1-10)配合将并联双夹持铰链(3-1)固定安装在滑动基座(1)上;所述基米螺钉Ⅰ安装螺纹孔(3-1-8)与基米螺钉Ⅰ(3-5)螺纹连接,所述基米螺钉Ⅱ安装螺纹孔(3-1-16)与基米螺钉Ⅱ(3-9)螺纹连接。
9.一种双向互锁式压电粘滑驱动装置激励方法,该激励方法基于权利要求1或7所述的一种双向互锁式压电粘滑驱动装置实现;所述激励方法的特征在于,所述激励方法中采用双激励电信号组,激励电信号A为正锯齿波电信号,激励电信号B为负锯齿波电信号,当激励电信号A和激励电信号B分别通入压电堆叠Ⅰ(3-3)和压电堆叠Ⅱ(3-7)时:
t1~t2阶段:激励电信号A为缓慢上升阶段,使压电堆叠Ⅰ(3-3)缓慢伸长;激励电信号B为缓慢下降阶段,使压电堆叠Ⅱ(3-7)缓慢缩短,形成铰链互锁,增强压电粘滑驱动装置运动效果;
t2~t3阶段:激励电信号A为快速下降阶段,使压电堆叠Ⅰ(3-3)快速缩短恢复变形;激励电信号B为快速上升阶段,使压电堆叠Ⅱ(3-7)快速伸长恢复变形,形成铰链互锁,减少压电粘滑驱动装置位移回退;
重复上述激励过程,实现压电粘滑驱动装置连续步进运动;
同理,反向运动即将激励电信号A和激励电信号B分别通入压电堆叠Ⅱ(3-7)和压电堆叠Ⅰ(3-3);
其中,激励电信号A周期为T1,激励电压幅值为V1,激励电信号B周期为T2,激励电压幅值为V2,激励电信号A与激励电信号B的周 期比为T1/T2=1,激励电压幅值比为V1/V2大于2。
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