CN111030504B - 一种双端固定安装的压电陶瓷复合驱动执行器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双端固定安装的压电陶瓷复合驱动执行器，涉及压电材料及其应用领域，包括压电复合振动单元、安装端接触头、弹簧、驱动头和金属安装底座；所述压电复合振动单元包括2个横向对称安装的复合变形叠层压电陶瓷元件，所述复合变形叠层压电陶瓷元件包括切变变形段和纵向变形段，所述复合变形叠层压电陶瓷元件的端部安装有所述接触头；所述驱动头安装在所述金属安装底座的上方；所述弹簧的一端安装在弹簧基座上，另一端安装在所述金属安装底座上；所述压电陶瓷复合驱动执行器采用双端刚性夹持的方式固定。本发明采用双端刚性夹持的方式，解决了常规压电振动执行器夹持难的问题，在工作时能保证定位的精度，提供较大的驱动力和驱动刚度。
Description
技术领域
本发明属于压电材料及其应用领域，涉及压电执行器、电机的定位问题，尤其是涉及一种双端固定安装的压电陶瓷复合驱动执行器。
背景技术
压电执行器/电机是指一类压电器件，其利用压电材料的逆压电效应，也就是在压电元件上施加特定的激励信号，使得压电元件产生变形，可输出规定的位移或动作规律，此类压电元件被称为压电执行器，也被称为压电致动器、压电作动器、压电驱动器等，若此类压电元件的规律振动(如椭圆振动)用于连续输出，则此类元件可构成压电电机，或称为压电马达。
已出现一些钳位式压电电机，其一般采用三个压电单元复合工作，仿生尺蠖步进行走的模式，两端的压电单元负责夹紧或松开驱动杆，中间的压电单元负责伸长或缩短形成步进。现有的一些商品压电执行器，如Nanomotion Ltd.的直线电机，采用纵振模态和弯振模态的复合共振模态作为工作模态，采用柔性夹持方式。柔性夹持方式刚性不足，在快速定位时使用困难，定位精度也会受柔性部件影响，安装结构复杂，成本高，另一个严重问题是夹持本身会严重影响振动体的振动效率。
一些商品压电执行器/电机只能采用柔性夹持方式，严重影响振动体的振动效率，不适用于对刚度有要求的地方。仿生尺蠖步进行走适合沿着导杆的直线驱动，存在驱动结构复杂、驱动效率低、安装困难等问题，适用性不强。
为此，需要提出易于夹持的新型压电元件，用于能提供较大刚度，较大驱动力的超精密定位能力。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提出一种新的压电执行器、压电电机构造和驱动方法，既能用作执行器，配合控制算法进行高精度的定位，也可用作压电电机，用于长行程连续驱动，具有断电自锁等功能，提高系统本身效率。
为实现上述目的，本发明提供了一种双端固定安装的压电陶瓷复合驱动执行器，其特征在于，包括压电复合振动单元、安装端接触头、弹簧、驱动头和金属安装底座；
所述压电复合振动单元包括2个横向对称安装的复合变形叠层压电陶瓷元件，所述复合变形叠层压电陶瓷元件安装在所述金属安装底座上；
所述复合变形叠层压电陶瓷元件包括切变变形段和纵向变形段，所述复合变形叠层压电陶瓷元件的端部安装有所述接触头；
所述驱动头安装在所述金属安装底座的上方；
所述弹簧的一端安装在弹簧基座上，另一端安装在所述金属安装底座上；
所述压电陶瓷复合驱动执行器采用双端刚性夹持的方式固定。
进一步地，所述压电陶瓷复合驱动执行器带有循环水冷散热装置。
进一步地，所述循环水冷散热装置包括，入水口、挖有L型通水孔的金属块、通水软管和出水口。
进一步地，所述压电复合振动单元包括2个横向对称安装的所述复合变形叠层压电陶瓷元件和一个纵向安装的所述复合变形叠层压电陶瓷元件，所述驱动头安装在纵向安装的所述复合变形叠层压电陶瓷元件的上端。
进一步地，纵向安装的所述复合变形叠层压电陶瓷元件的下部可以安装有弹性支撑元件。
进一步地，所述压电陶瓷复合驱动执行器采用两两对称布置安装、同步驱动时，用以消除由驱动引起的径向振动。
进一步地，所述压电陶瓷复合驱动执行器当采用仿生双足驱动方式时，两个所述压电陶瓷复合驱动执行器并排安装，驱动相位差为180度。
进一步地，安装定位时，先查表确定与所需位移相对应的驱动电压的大小，然后将电压偏置到规定电压，最后再调整到该电压。
本发明的有益效果是，与现有技术相比，本发明至少具有如下有益技术效果：
1、本发明采用双端刚性夹持的方式，解决了常规压电振动执行器夹持难的问题；
2、本发明在工作时能保证定位的精度，能提供较大的驱动力和驱动刚度；
3、本发明结构简单，安装方便，低压驱动、成本低，利于推广应用。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。提供这些说明的目的仅在于帮助解释本发明，不应当用来限制本发明的权利要求的范围。
附图说明
图1为横向切向复合变形执行器结构示意图；
图2为横向切向复合变形执行器安装与工作原理示意图；
图3为纵向横向复合变形压电陶瓷执行器；
图4为纵向横向复合变形压电陶瓷执行器的变形和接触头运动轨迹图；
图5为电压位移滞回曲线；
图6为对称布置的同步驱动方式；
图7为仿生双足驱动的并列布置方式；
图8为横向切向复合变形执行器极化和激励方式；
图9为纵向横向复合变形压电陶瓷执行器极化和激励方式；
图10为高频工作状态下带有循环水冷散热装置的压电陶瓷执行器的安装方式。
其中，11-左侧安装端接触头，12-左侧压电执行器的切向变形段，13-左侧压电执行器的纵向变形段，14-驱动头，15-金属安装底座，16-右侧压电执行器的纵向变形段，17-右侧压电执行器的切向变形段，18-右侧安装端接触头，21-左侧安装基座，22-驱动头上的驱动点，23-驱动点的椭圆运动轨迹，24-右侧安装基座，25-弹簧，26-弹簧安装基座，31-横向叠层压电陶瓷接触头，32-横向叠层压电陶瓷，33-纵向叠层压电陶瓷，34-纵向叠层压电陶瓷接触头，35-中间金属体，36-对称安装的横向叠层压电陶瓷，37-对称安装的横向叠层压电陶瓷接触头，41-横向叠层压电陶瓷固定端限位，42-纵向叠层压电陶瓷接触头的某一位置，43-纵向叠层压电陶瓷接触头椭圆运动轨迹，44-纵向叠层压电陶瓷原始位置(无激励电压)，45-另一侧横向叠层压电陶瓷固定端限位，46-弹性支撑元件，47-纵向叠层压电陶瓷固定端限位，51-在某一高电压V1作用下，当电压减小时位移曲线，52-在某一稍低电压V2作用下，当电压减小时位移曲线，53-在某一高电压-V1作用下，当电压增大时的位移曲线，54-在某一稍低电压-V2作用下，当电压增大时的位移曲线，61-压电陶瓷复合变形执行器，62-安装限位端，63-被驱动的旋转部件，64-安装限位端，65-对称安装的压电陶瓷复合变形执行器，71-驱动头，72-压电陶瓷复合变形执行器，73-另一个压电陶瓷复合变形执行器，74-驱动头，75-驱动盘，76-转轴，77-驱动头，78-对称安装的另一个压电陶瓷复合变形执行器，79-对称安装的压电陶瓷复合变形执行器，710-驱动头，81-横向切向复合变形执行器横向变形段极化和激励电极，82-横向切向复合变形执行器切向变形段激励电极，83-横向切向复合变形执行器切向变形段另一个激励电极，84-横向切向复合变形执行器横向变形段另一个极化和激励电极，85-横向切向复合变形执行器切向变形段极化电极，86-横向切向复合变形执行器切向变形段另一个极化电极，91-横向叠层压电陶瓷的一组电极，92-横向叠层压电陶瓷的另一组电极，93-纵向叠层压电陶瓷的一组电极，94-纵向叠层压电陶瓷的另一组电极，95-对称安装的横向叠层压电陶瓷的一组电极，96-对称安装的横向叠层压电陶瓷的另一组电极，97-金属块上的入水孔，98-挖有L型通水孔的金属块，99-安装压电陶瓷和连接块内部的通水软管，100-挖有L型通水孔的另一个金属块，101-另一端金属块上的出水孔。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例进一步详细描述本发明。应理解，实施方式只是为了举例说明本发明，而非以任何形式限制发明的范围。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
本发明的压电电机/执行器一步的步长为几个微米，因而在定位精度要求小于微米级时，需要研究压电电机/执行器输出电压与位移之间的关系，起主要作用的是两个纵振执行器。
在使用本发明的压电电机/执行器进行定位时，压电叠堆材料(纵振执行器)本身的迟滞特性会影响系统的精度及稳定性，可采用改进的Prandtl-Ishlinskii迟滞非线性模型的逆模型作为前馈控制器对其迟滞非线性进行补偿，也可采用Bouc-Wen模型及其改进模型等对压电执行器的迟滞特性进行建模，并利用遗传-粒子群(GA-PSO)等智能算法对迟滞模型进行参数辨识，再利用前馈迟滞逆补偿控制实现压电陶瓷驱动器的线性化控制。通常补偿后能将定位精度从1u左右提升到0.1u左右，精度提升接近一个数量级。若利用传感器形成位移测量控制回路，则定位精度将进一步提升。
一个简单的开环位置控制方法是，定位时，先将电压调整到某个规定最高电压，然后沿着这个电压所在的迟滞曲线减少电压往回走，达到定位点的位置，并保持这个电压，进行精确定位。
实施例一
如图1所示，双端固定安装的压电陶瓷复合驱动执行器/电机包含左、右两个复合变形叠层压电陶瓷元件。左侧压电陶瓷元件安装在金属安装底座(15)上，另一端安装有接触头(11)，同样，右侧压电陶瓷元件也安装在金属安装底座(15)上，另一端安装有接触头(18)，驱动头(14)安装在基座(15)上方，构成一个复合振动体。
左侧压电陶瓷元件包含有两个变形段(12)和(13)，变形段(12)为切变变形段，变形段(13)为纵向变形段。同样对称的右侧压电陶瓷元件也包含有两个变形段(12)和(13)，变形段(12)为切变变形段，变形段(13)为纵向变形段。
图2描述了图1所示的双端固定安装的横向切向复合变形压电陶瓷执行器的安装方式，该执行器左右两端的接触头(11)和(18)嵌入左右两侧的安装基座(21)和(24)中，安装基座(21)和(24)提供支撑和预紧。弹簧(25)安装在弹簧安装基座(26)和金属安装底座(15)之间，用于抵消接触驱动头(14)驱动时的反作用力。左侧压电陶瓷切变变形段(12)和右侧压电陶瓷切变变形段(17)在激励电场的作用下同步产生切变变形，引起执行器产生上拱和下陷的变形，从而使得驱动头(14)与被驱动物体接触和脱离。左侧压电陶瓷横向变形段(13)和右侧压电陶瓷横向变形段(16)在相位相反的激励电场的作用下产生相反的伸缩变形，从而使得执行器的驱动头(14)左右移位，但是执行器的横向总长不变，从而保持预压力恒定。当纵向变形段(13)和(16)上施加的激励信号与切向变形段(12)、(17)上施加的激励信号之间的相位差接近90度时，驱动头上某一驱动点(如点22)，产生的运动轨迹为一个椭圆。驱动头(14)通过摩擦驱动与其相接触的运动部件产生连续的运动。该横向切向复合变形压电陶瓷执行器可用作执行器，也可以通过连续的变形形成驱动器(电机)。
压电陶瓷元件的驱动电压与执行器上压电陶瓷元件产生的位移不是线性对应关系，位移的变化要滞后于电压的变化，另外，起始电压不同，电压位移对应的滞回曲线也不同。
作为执行器使用时，需要对滞回现象进行补偿。
图6为对称布置的同步驱动方式，可以消除驱动时带来的振动。图7为双足驱动方式，压电陶瓷执行器(72)、(73)为一对，驱动信号相差180度，如人双足一样往复驱动。另一侧也可布置另一对压电陶瓷执行器(78)、(79)，同步运转，抵消驱动时带来的振动。
图8给出了横向切向复合变形执行器极化和激励方式，极化时，在切向变形段(12)的电极(85)上施加正电压，电极(86)上施加负电压，激励时在切向变形段电极(83)上施加余弦激励信号，电极(82)接地；极化时，在横向变形段(13)的电极(84)上施加正电荷，电极(81)上施加负电荷，激励时在电极(84)上施加正弦激励信号，电极(81)接地；横向变形段(13)的对应段(16)需要获得与(13)端相反的变形效果，因而要么(16)段的极化方向与(13)段相反，激励方式相同，要么极化方向相同，施加的电场方向相反，也就是(16)段电极正弦激励端与接地端互换。
图10为高频工作状态下带有循环水冷散热装置的压电陶瓷执行器的安装方式，该装置可以在高频工作发热严重时有效对电机进行散热。循环水从注水孔(97)中注入挖有L型通水孔的金属块(98)，流经L型软管后进入安装在压电陶瓷和连接块内部的通水软管(99)，再通过右端金属块(100)的L型管道和出水孔(101)流出，通过循环水冷装置对高频发热的电机进行散热。
实施例二
图3描述了双端固定安装的纵向横向复合变形压电陶瓷执行器构成方式。如图3所示，3个横向叠层压电陶瓷元件(32)、(33)和(36)安装在中间金属体(35)上，左端压电陶瓷元件(32)的左端安装有接触头(31)，右端压电陶瓷元件(36)的右端安装有接触头(37)，驱动头(34)安装在纵向压电陶瓷(33)的上端。
图4描述了双端固定安装的纵向横向复合变形压电陶瓷执行器的安装和变形情况。如图4所示，执行器左端的接触头(31)和右端的接触头(37)分别嵌入固定基座(41)和(45)中，弹性支撑元件(46)嵌在固定基座和金属安装底座之间，以平衡驱动头(34)工作时的压力。
在左右压电陶瓷元件(32)和(36)上施加相反的激励信号，形成驱动头(34)的横向位移，但横向长度保持基本不变，保持了横向的预压力不变。同时，压电陶瓷元件(33)在激励信号的作用下带动驱动头(34)伸长或缩短。当在横向压电陶瓷元件上施加正弦激励信号，纵向压电陶瓷原件上施加余弦激励信号时，驱动头上所有点，如点(42)的运动轨迹是椭圆(43)。驱动头通过摩擦驱动被接触物体运动。该横向纵向复合变形压电陶瓷执行器可用作执行器，也可以通过连续的变形形成驱动器(电机)。
图9给出了横向复合变形压电陶瓷执行器极化和激励方式，需要得到在激励时左右两侧压电陶瓷元件一端伸长，另一端缩短的效果。一种极化和激励方案是：极化时使得左右对称安装的横向变形压电陶瓷元件极化方向相反，然后采用相同的方式激励，从而得到左右两侧压电陶瓷元件一端伸长，另一端缩短的效果，一个具体但不唯一的方法为，极化时电极(91)、(95)接负电压，电极(92)、(96)接正电压，激励时，电极(91)、(96)接地，电极(92)、(95)接正弦激励信号。另一种极化和激励方案是：极化时使得左右对称安装的横向变形压电陶瓷元件极化方向相同，激励时使得两边电场方向相反，从而得到左右两侧压电陶瓷元件一端伸长，另一端缩短的效果。
极化时，纵向压电陶瓷元件的电极(93)和(94)分别接正电压和负电压，激励时，一个电极(93)接余弦激励信号，另一个电极(94)接地，从而在驱动头(34)上得到椭圆振动轨迹。
图6为对称布置的同步驱动方式，可以消除驱动时带来的振动。
图7为双足驱动方式。如图7所示，压电陶瓷执行器(72)、(73)为一对，驱动信号相差180度，如人双足一样往复驱动。另一侧也可布置另一对压电陶瓷执行器(78)、(79)，同步运转，抵消驱动时带来的振动。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (4)
1.一种双端固定安装的压电陶瓷复合驱动执行器，其特征在于，包括压电复合振动单元、安装端接触头、弹簧、弹簧基座、驱动头和金属安装底座；
所述压电复合振动单元包括2个横向对称安装的复合变形叠层压电陶瓷元件，每一个所述复合变形叠层压电陶瓷元件的一端部分别安装在所述金属安装底座左右两侧上；
每一个所述复合变形叠层压电陶瓷元件各自包括依次连接的切变变形段和横向变形段，每一个所述复合变形叠层压电陶瓷元件的另一端部各自安装有所述安装端接触头；
所述驱动头安装在所述金属安装底座的上端；
所述弹簧基座位于所述金属安装底座的下方，所述弹簧的一端安装在所述弹簧基座上，另一端安装在所述金属安装底座上；
所述压电陶瓷复合驱动执行器采用双端刚性夹持的方式固定；
安装在所述金属安装底座左右两侧的所述复合变形叠层压电陶瓷元件的2个所述切变变形段在激励电场的作用下同步产生切变变形，引起所述压电陶瓷复合驱动执行器产生上拱或下陷的变形，从而使得所述驱动头与被驱动物体接触或脱离；
安装在所述金属安装底座左右两侧的所述复合变形叠层压电陶瓷元件的2个所述横向变形段在相位相反的激励电场的作用下产生相反的伸缩变形，从而使得所述驱动头左右移位，但是所述压电陶瓷复合驱动执行器的横向总长不变，从而保持预压力恒定；
当2个所述横向变形段上施加的激励信号与2个所述切变变形段上施加的激励信号之间的相位差接近90度时，所述驱动头上某一驱动点产生的运动轨迹为一个椭圆；
所述压电陶瓷复合驱动执行器带有循环水冷散热装置，所述循环水冷散热装置包括入水口、挖有L型通水孔的金属块、通水软管和出水口。
2.如权利要求1所述的双端固定安装的压电陶瓷复合驱动执行器，其特征在于，所述压电陶瓷复合驱动执行器采用两两对称布置安装、同步驱动时，用以消除由驱动引起的径向振动。
3.如权利要求1所述的双端固定安装的压电陶瓷复合驱动执行器，其特征在于，所述压电陶瓷复合驱动执行器当采用仿生双足驱动方式时，两个所述压电陶瓷复合驱动执行器并排安装，驱动相位差为180度。
4.如权利要求1-3任一所述的双端固定安装的压电陶瓷复合驱动执行器，其特征在于，安装定位时，先查表确定与所需位移相对应的驱动电压的大小，然后将电压偏置到规定电压，最后再调整到该电压。
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