CN110798094B - 一种基于寄生惯性原理的压电直线精密驱动装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于寄生惯性原理的压电直线精密驱动装置，包括压电叠堆、非对称薄壁式柔性铰链机构、动子、预紧螺钉、预紧楔块和底座。压电叠堆在电压信号驱动下可伸长和恢复，非对称薄壁式柔性铰链机构可实现寄生惯性运动；预紧螺钉调节非对称薄壁式柔性铰链机构与动子间的初始预紧力；底座支撑其他零件。本发明压电叠堆主输出方向与动子运动方向垂直设计，使压电叠堆主输出方向的刚度得到充分利用；非对称薄壁式柔性铰链机构结构简单，能承受较大负载，提高了驱动装置的输出负载，通过它的寄生惯性运动可实现直线运动驱动。该装置可应用于精密超精密机械加工、微机电系统、微操作机器人、大规模集成电路制造、生物技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及精密超精密加工、微纳操作机器人、微机电系统程领域，特别涉及一种基于寄生惯性原理的压电直线精密驱动装置。
背景技术
具有微/纳米级定位精度的精密驱动技术是超精密加工与测量、光学工程、现代医疗、航空航天科技等高尖端科学技术领域中的关键技术。为实现微/纳米级的输出精度，现代精密驱动技术的应用对驱动装置的精度提出了更高要求。传统的驱动装置输出精度低，整体尺寸大，无法满足现代先进科技技术中精密系统对微/纳米级高精度和驱动装置尺寸微小的要求。压电陶瓷驱动器具有体积尺寸小、位移分辨率高、输出负载大、能量转换率高等优点，能实现微/纳米级的输出精度，已经越来越多地被应用到微定位和精密超精密加工中。现有的压电惯性驱动装置通常将压电元件和动子质量块平行放置于其运动方向，预紧力垂直于压电元件的主输出方向，整体装置的输出负载主要依赖于预紧力产生的摩擦力。然而压电元件如压电叠堆，通常采用d33的工作模式，其在垂直于主输出方向的截面上刚度较小，产生的预紧力较小，导致整体装置的输出负载大大降低，压电元件在主输出方向的较大刚度没有得到充分的利用。因此，有必要设计一种充分利用压电叠堆主输出方向的刚度，进一步提高压电驱动装置输出负载的压电直线精密驱动装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于寄生惯性原理的压电直线精密驱动装置，解决了现有技术存在的上述问题。本发明具有结构简单紧凑，输出精度高，输出刚度和输出负载大，输出频率高的特点，同时能实现直线运动输出功能。
本发明通过将压电叠堆的主输出方向与动子运动方向垂直设计，采用刚度输出特性好的非对称薄壁式柔性铰链机构，通过非对称薄壁式柔性铰链机构的寄生惯性运动，最终实现动子的直线运动。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种基于寄生惯性原理的压电直线精密驱动装置，主要包括动子(1)、压电叠堆(2)、预紧楔块(3)、预紧螺钉(4)、非对称薄壁式柔性铰链机构(5)和底座(6)，所述精密驱动装置通过寄生惯性原理实现压电直线精密驱动。动子(1)采用带有滑块的高精度直线导轨，导轨通过螺钉固定在底座(6)上；非对称薄壁式柔性铰链机构(5)通过螺钉安装在底座(6)上；压电叠堆(2)安装于非对称薄壁式柔性铰链机构(5)内，其主输出方向与动子(1)运动方向垂直布置；预紧楔块(3)布置在压电叠堆(2)和非对称薄壁式柔性铰链机构(5)之间，可通过预紧楔块(3)进行预紧；预紧螺钉(4)紧固在底座(6)上，与非对称薄壁式铰链下端接触，非对称薄壁式柔性铰链机构(5)上端弧形结构与动子(1)接触；底座(6)起支撑和安装固定其他零件作用，动子(1)和非对称薄壁式柔性铰链机构(5)通过螺钉安装在底座(6)上。
所述的压电叠堆(2)的主输出方向与动子(1)运动方向垂直布置，将压电叠堆(2)主输出方向的较大刚度充分利用；所述的非对称薄壁式柔性铰链机构(5)刚度输出性能好，非对称薄壁式柔性铰链机构上端可承受较大的预紧力，运动稳定高效，压电叠堆(2)得电通过非对称薄壁式柔性铰链机构(5)传递动子(1)直线运动的驱动力和非对称薄壁式柔性铰链机构(5)和动子(1)之间的预紧力，从而大大提高压电驱动装置的输出负载，实现沿某一方向的直线步进式运动。
所述的非对称薄壁式柔性铰链机构(5)与动子(1)之间的初始预紧力通过预紧螺钉(4)调节；
所述的压电叠堆(2)，采用形体可控面型的压电陶瓷叠堆PZT，寄生惯性运动是通过对压电叠堆(2)的电压控制来实现。
所述的非对称薄壁式柔性铰链机构(5)上端与动子(1)接触部分为弧形结构。
本发明的主要优势在于：利用寄生惯性运动原理，将压电叠堆的主输出方向与动子运动方向垂直布置，利用非对称薄壁式柔性铰链机构的寄生惯性运动传递载荷，大大提高了驱动装置的输出负载，同时实现动子的直线运动。具有驱动可靠性高、平稳性好、工作效率高等优势。可应用于精密超精密加工、微操作机器人、微机电系统、大规模集成电路制造、生物技术等重要科学工程领域，大大提升微机电系统的微动精度，同时改善传统驱动器的结构复杂偏大以及性能不可靠等劣势。本发明结构简单、布置紧凑、运动稳定，具有效率高、投资少、效益高等优势，应用前景较为广阔。
附图说明
此处附图说明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是本发明的等轴测视示意图；
图2是本发明的主视示意图；
图3是本发明的左视示意图；
图4是本发明的非对称薄壁式柔性铰链机构示意图。
图中：
1.动子； 2.压电叠堆； 3.预紧楔块；
4.预紧螺钉； 5.非对称薄壁式柔性铰链机构； 6.底座。
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，一种基于寄生惯性原理的压电直线精密驱动装置，主要包括动子(1)、压电叠堆(2)、预紧楔块(3)、预紧螺钉(4)、非对称薄壁式柔性铰链机构(5)和底座(6)。动子(1)采用带有滑块的高精度直线导轨，导轨通过螺钉固定在底座(6)上；非对称薄壁式柔性铰链机构(5)通过螺钉安装在底座(6)上；压电叠堆(2)安装于非对称薄壁式柔性铰链机构(5)内，其主输出方向与动子(1)运动方向垂直布置；预紧楔块(3)布置在压电叠堆(2)和非对称薄壁式柔性铰链机构(5)之间，可通过预紧楔块(3)进行预紧；预紧螺钉(4)紧固在底座(6)上，与非对称薄壁式铰链下端接触，通过预紧螺钉(4)可调节非对称薄壁式柔性铰链机构(5)与动子(1)之间的初始预紧力；非对称薄壁式柔性铰链机构(5)上端弧形结构与动子(1)接触；底座(6)起支撑和安装固定其他零件作用，动子(1)和非对称薄壁式柔性铰链机构(5)通过螺钉安装在底座(6)上。
所述的压电叠堆(2)的主输出方向与动子(1)运动方向垂直布置，压电叠堆(2)主输出方向的较大刚度得到充分利用；所述的非对称薄壁式柔性铰链机构(5)刚度输出性能好，非对称薄壁式柔性铰链机构上端可承受较大的预紧力，运动稳定高效，压电叠堆(2)得电通过非对称薄壁式柔性铰链机构(5)提供动子(1)做直线运动的驱动力和非对称薄壁式柔性铰链机构(5)和动子(1)之间的预紧力，从而大大提高压电驱动装置的输出负载，实现直线运动。
所述的压电直线精密驱动装置基于寄生惯性原理进行动子(1)的精密直线驱动。
所述的压电叠堆(2)，采用形体可控面型的压电陶瓷叠堆PZT，寄生惯性运动是通过对压电叠堆(2)的电压控制来实现。
参见图1至图4所示，本发明的具体工作过程如下：
动子步进式直线运动的实现，初始状态：调节预紧螺钉(4)来调节非对称薄壁式柔性铰链机构(5)与动子(1)间的接触距离，即寄生运动过程中的初始预紧力。采用锯齿波或三角波形式的压电信号控制压电叠堆(2)。压电叠堆(2)不带电，系统处于自由状态；当压电叠堆(2)通电后，通过逆压电效应伸长，推动非对称薄壁式柔性铰链机构(5)变形，非对称薄壁式柔性铰链机构(5)压紧动子(1)，非对称薄壁式柔性铰链机构(5)在与动子(1)间静摩擦力的作用下，带动动子(1)移动；当压电叠堆(2)失电迅速回退至初始位置时，非对称薄壁式柔性铰链机构(5)也回复初始状态，动子(1)在惯性力的作用下仍然保持在移动后的位置，从而完成了该驱动装置的一个运动周期。重复上述步骤，该驱动装置可实现步进式直线运动，获得较大的输出位移。
本发明涉及的一种基于寄生惯性原理的压电直线精密驱动装置，由于采用了压电叠堆作为驱动源及非对称薄壁式柔性铰链机构作为动力传递元件，具有发热小、驱动平稳、可靠、高效的特点，并能实现步进式直线精密运动的功能。
Claims (4)
1.一种基于寄生惯性原理的压电直线精密驱动装置，包括动子(1)、压电叠堆(2)、预紧楔块(3)、预紧螺钉(4)、非对称薄壁式柔性铰链机构(5)和底座(6)，其特征在于：所述精密驱动装置利用寄生惯性原理实现微纳米级直线精密驱动；动子(1)采用带有滑块的高精度直线导轨，导轨通过螺钉固定在底座(6)上，用以实现高精度的直线运动；非对称薄壁式柔性铰链机构(5)通过螺钉安装在底座(6)上；压电叠堆(2)安装于非对称薄壁式柔性铰链机构(5)内，可通过预紧楔块(3)进行预紧；预紧螺钉(4)可调节非对称薄壁式柔性铰链机构(5)与动子(1)之间的初始预紧力；所述精密驱动装置通过控制压电叠堆(2)驱动非对称薄壁式柔性铰链机构(5)实现寄生惯性运动，进而驱动动子(1)实现步进式直线精密运动；所述非对称薄壁式柔性铰链机构(5)可采用弹簧钢、高强度铝合金等材料制造，通过八个薄壁式柔性铰链连接，组成非对称形式的平行四边形结构。
2.根据权利要求1所述的基于寄生惯性原理的压电直线精密驱动装置，其特征在于压电叠堆(2)的主输出方向与动子(1)运动方向垂直布置，且非对称薄壁式柔性铰链机构(5)的固定端方向与压电叠堆(2)的主输出方向一致。
3.根据权利要求1所述的基于寄生惯性原理的压电直线精密驱动装置，其特征在于利用非对称薄壁式柔性铰链机构(5)的寄生惯性驱动原理，压电叠堆(2)得电推动非对称薄壁式柔性铰链机构(5)产生两个方向的复合力，一个方向的力作为驱动力推动动子(1)做直线运动；另一个方向的力向上顶紧动子(1)施加预紧力。
4.根据权利要求1所述的基于寄生惯性原理的压电直线精密驱动装置，其特征在于采用锯齿波或三角波形式的压电信号控制压电叠堆(2)，使压电叠堆(2)缓慢伸长，推动非对称薄壁式柔性铰链机构作复合运动，从而实现动子(1)直线移动；压电叠堆(2)在压电信号控制下迅速回退时，动子(1)在惯性作用下保持不动。
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