CN111049422B - 一种钳位控制的惯性冲击马达 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种钳位控制的惯性冲击马达，属于精密驱动与定位技术领域。包括底座、一对钳位导轨、直线滑轨、配重机构、质量机构、驱动机构和钳位机构；一对钳位导轨平行设于底座上；直线滑轨设于一对钳位导轨之间的底座上；配重机构的配重块和质量机构的质量块分别通过滑块滑动设于直线滑轨上；驱动机构包括空心的菱形驱动件、驱动压电堆，钳位机构包括空心的菱形钳位件、钳位压电堆；驱动机构利用驱动压电堆的逆压电效应来控制一对驱动足的伸长与收缩，钳位机构利用钳位压电堆的逆压电效应来控制一对钳位足的伸长与收缩；通过驱动机构和钳位机构的协同工作以实现本压电马达的双向直线运动。本发明的钳位机构理论上不产生滑动摩擦力，能量损耗小。
Description
技术领域
本发明属于精密驱动与定位技术领域，具体地说，它涉及一种直线压电马达。
背景技术
压电马达利用压电材料的逆压电效应将电能转化为机械能。由于其尺寸小、力矩大、精度高、低速性能好、无电磁干扰等优点在航空、导弹、机器人及精密仪器等领域有着广阔的应用前景。惯性冲击马达是一种由电信号驱动的压电运动机构，具有包括行程大、结构简单、分辨率高、可被微型化、可实现精密定位等突出优点。
惯性冲击马达是一种利用压电元件突然变形产生的驱动力来克服摩擦力，从而实现负载位移的运动机构。传统的冲击马达采用压电片作为驱动件，但在准静态下，冲击马达的速度不高，输出力或力矩较低，且负载能力弱，例如：韩国国立中北大学的Lim等研制的直径为2mm的冲击马达的最大速度为6mm/s，最大负载能力为0.02N。例如：合肥工业大学的Qiaosheng Pan等人研制的冲击马达只能实现单向移动。
发明内容
为了进一步提高输出力、运动速度，并实现大行程、摩擦损耗低、双向往复直线移动，本发明提供一种钳位控制的惯性冲击马达。
本发明选择压电堆来代替压电片作为驱动元件，使其能够产生较大的输出力，且压电堆具备很强的抗压能力，选用三角位移放大机构作为驱动机构实现大行程。通过钳位机构和钳位导轨的夹紧与放松来控制机构整体的运动，运动时钳位足与钳位导轨完全脱离，极大的降低了运动过程的滑动摩擦力的影响。
一种钳位控制的惯性冲击马达包括平板状的底座8、一对钳位导轨6、直线滑轨7、配重机构2、质量机构4、驱动机构3和钳位机构5；
所述一对钳位导轨6平行设于底座8上，一对钳位导轨6相对应的内侧面上分别设有钳位导轨槽61；
所述直线滑轨7设于一对钳位导轨6之间的底座8上；
所述配重机构2包括配重块21，质量机构4包括质量块41，且配重块21和质量块41分别通过滑块滑动设于直线滑轨7上；
所述驱动机构3包括空心的菱形驱动件、驱动压电堆32，所述驱动压电堆32设于空心的菱形驱动件内的一条对角线上，菱形驱动件外两侧分别设有驱动足，一对驱动足在菱形驱动件的另一条对角线上，且分别固定连接着配重块21和质量块41；
所述钳位机构5包括空心的菱形钳位件、钳位压电堆52；所述钳位压电堆52设于菱形钳位件内的一条对角线上；与钳位压电堆52对应的菱形钳位件外部设有连接足51，连接足51固定连接着质量块41；菱形钳位件外部两侧分别设有钳位足54，一对钳位足54位于菱形钳位件的另一条对角线上，一对钳位足54分别位于一对钳位导轨6的钳位导轨槽61内；
一对钳位导轨6的两端分别设有预紧机构1；
驱动机构3利用驱动压电堆32的逆压电效应来控制一对驱动足的伸长与收缩，钳位机构5利用钳位压电堆52的逆压电效应来控制一对钳位足54的伸长与收缩；通过驱动机构3和钳位机构5的协同工作以实现本压电马达的双向直线运动。
进一步限定的技术方案如下：
所述驱动机构3的菱形结构件的两侧驱动足分别为左驱动足34和右驱动足31，所述左驱动足34固定连接着配重块21，所述右驱动足31固定连接着质量块41。
所述驱动压电堆32的两端分别通过氧化铝垫片33设于空心的菱形驱动件内。
所述钳位足54为板条状，钳位足54同一侧两端的分别设有凸块，一对钳位足54的凸块分别配合位于对应的钳位导轨6上的导轨槽61内。
所述钳位压电堆52的两端分别通过氧化铝垫片设于空心的菱形钳位件内。
所述配重块21固定设于配重滑块22上，配重滑块22底部设有内凹槽，配重滑块22通过内凹槽和直线滑轨7滑动配合。
所述质量块41固定设于质量滑块42上，质量滑块42的底部设有内凹槽，质量滑块42通过内凹槽和直线滑轨槽71间隙配合。
所述一对钳位导轨6的两端分别通过支撑座9固定设于底座8上，与支撑座9对应的一对钳位导轨6的两端分别设有预紧机构1。
所述预紧机构1包括双头螺柱13、一对预紧弹簧11、一对预紧夹片14，一对预紧弹簧11分别套设在双头螺柱13的两端，与支撑座9对应的一对钳位导轨6的外部分别固定设有预紧夹片14，所述双头螺柱13的两端分别穿过支撑座9、钳位导轨6和预紧夹片14外伸，双头螺柱13的两外伸端上分别配合设有螺母12。
所述驱动机构3和钳位机构5所需的电压特征频率均为1391HZ；所述驱动压电堆32和钳位压电堆52的终端电压为100V。
本发明的有益技术效果体现在以下方面：
1.本发明结构简单，装配方便。选用叠层压电材料作为驱动元件，压电材料为压电陶瓷PZT-4，工作频率为1391HZ，输出刚度可达90N/mm，输出力可达到153N。
2.本发明驱动行程大、速度高。驱动机构整体设计成菱形，是利用了三角形位移放大机构原理使得驱动压电堆32仅发生较小的位移便能在两侧的驱动足上上产生较大位移，根据“钳位-步进-复位-钳位”的运行机理，同时由于驱动机构中设计的位移放大结构，直线速度可达到40mm/s，驱动行程可达到240mm，且仅受到导轨长度的限制。
3.本发明设计的钳位机构在控制实现马达的直线运动时，钳位机构与钳位导轨完全脱离，理论上不产生滑动摩擦力，能量损耗小。
4.本发明采用谐波电压驱动可以使马达处于谐振的工作状态，与准静态工作的压电马达相比驱动性能更好，可以通过改变对驱动机构与钳位机构的输入电压信号的相位差为π就可以方便的实现马达的双向直线运动，控制简单。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为图1的除去底座的俯视图；
图3为底座、一对钳位导轨和直线滑轨装配示意图；
图4为配重块和质量块分别装配在直线滑轨上的示意图；
图5为驱动机构结构示意图；
图6为钳位机构结构示意图；
图7为预紧机构结构示意图；
图8为本发明直线运动各工况结构状态图；
图9为本发明直线运动对驱动机构和钳位机构施加的电压信号图。
图1-图7中序号：预紧机构1、预紧弹簧11、螺母12、双头螺柱13、预紧夹片14、配重机构2、配重块21、配重滑块22、驱动机构3、右驱动足31、氧化铝垫片33、驱动压电堆32、左驱动足34、直槽口35、质量机构4、质量块41、质量滑块42、钳位机构5、连接足51、钳位压电堆52、氧化铝垫片53、钳位足54、钳位导轨6、钳位导轨槽61、直线滑轨7、直线滑轨槽71、底座8、直线滑轨定位槽81、支撑座定位槽82、支撑座9。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。
参见图1，一种具有钳位控制的惯性冲击马达包括平板状的底座8、一对钳位导轨6、直线滑轨7、配重机构2、质量机构4、驱动机构3和钳位机构5。
参见图3，一对钳位导轨6的两端分别通过支撑座9固定设于底座8上，且一对钳位导轨6平行，与支撑座9对应的一对钳位导轨6的两端分别安装有预紧机构1。一对钳位导轨6相对应的内侧面上分别开设有钳位导轨槽61。
参见图7，预紧机构1包括双头螺柱13、一对预紧弹簧11、一对预紧夹片14，一对预紧弹簧11分别套装在双头螺柱13的两端，与支撑座9对应的一对钳位导轨6的外部分别固定安装有预紧夹片14，双头螺柱13的两端分别穿过支撑座9、钳位导轨6和预紧夹片14外伸，双头螺柱13的两外伸端上分别配合安装有螺母12。
参见图3，直线滑轨7安装于一对钳位导轨6之间的底座8上。
参见图4，配重机构2包括配重块21，配重块21固定安装于配重滑块22上，配重滑块22底部设有内凹槽，配重滑块22通过内凹槽和直线滑轨7滑动配合。质量机构4包括质量块41，质量块41固定设于质量滑块42上，质量滑块42的底部设有内凹槽，质量滑块42通过内凹槽和直线滑轨槽71滑动配合。
参见图5，驱动机构3包括空心的菱形驱动件、驱动压电堆32，驱动压电堆32的两端分别通过氧化铝垫片33安装在空心的菱形驱动件内的一条对角线上；菱形驱动件外部两侧分别设有驱动足，一对驱动足在菱形驱动件的另一条对角线上，一对驱动足为左驱动足34和右驱动足31，左驱动足34固定连接着配重块21，右驱动足31固定连接着质量块41。
参见图6，钳位机构5包括空心的菱形钳位件、钳位压电堆52。钳位压电堆52的两端分别通过氧化铝垫片安装于空心的菱形钳位件内，且位于菱形钳位件的一条对角线上。与钳位压电堆52对应的菱形钳位件外部安装有连接足51，连接足51固定连接着质量块41。菱形钳位件外部两侧分别设有钳位足54，一对钳位足54位于菱形钳位件的另一条对角线上。钳位足54为板条状，钳位足54同一侧的两端分别设有凸块，一对钳位足54的凸块分别配合位于对应的钳位导轨6上的导轨槽61内。
本发明的工作原理具体说明如下：
参见图8，一种钳位控制的惯性冲击马达的一个完整运动周期包含四个状态，分别为初始状态、步进状态、复位状态、停止状态。参见图9，一个完整的运动周期为T。同时向驱动机构3的驱动压电堆32和钳位机构5的钳位压电堆52输入图9中的正弦波电信号x，二者的电压特征频率均为1391HZ，终端电压均为100V，设定通入正电信号时驱动机构3和钳位机构5的压电叠堆同时收缩，通入负电信号时驱动机构3和钳位机构5的压电叠堆同时伸长。t0时刻，压电马达处于初始状态，如图8中的（a）所示，驱动机构3的驱动压电堆32和钳位机构5的钳位压电堆52均处于未通电的初始状态，此时钳位机构5的钳位足54通过预紧机构1的作用与钳位导轨6处于钳紧状态；之后压电马达进入如图8中的（b）所示的步进状态，对驱动机构3的驱动压电堆32输入图9中的t0到t1阶段的正弦波信号x使得驱动机构3的驱动压电堆32收缩，驱动足向左右两侧伸长，由于t0到t1阶段钳位机构5的钳位压电堆52通电收缩使得钳位足54向外伸长与钳位导轨槽61紧压，右驱动足31的推力无法克服钳位足54与钳位导轨槽61间的静摩擦力，从而只有左驱动足34推动配重机构左移；t1时刻后压电马达进入如图8中的（c）所示的复位状态，在驱动机构3的驱动压电堆32和钳位机构5的钳位压电堆52处输入图9中的t1到t2阶段所示的正弦波电信号x，使得驱动压电堆32和钳位压电堆52伸长，从而左驱动足34拉动配重机构2向右收缩，而由于钳位压电堆52的伸长使得钳位足54向内收缩，使得钳位足54与钳位导轨槽61完全分离，右驱动足31的拉力拉动质量机构4和钳位机构5左移，驱动机构3基本保持在步进状态位置，在这一过程中，运动机构整体相较于初始状态为向左运动；在t2时刻压电马达处于如图8中的（d）所示的停止状态，驱动机构3的驱动压电堆32和钳位机构5的钳位压电堆52均恢复至原长，运动机构完成整体向左运动一段距离∆X，至此完成了一个工作循环周期T，实现了配重机构2、质量机构4、驱动机构3、钳位机构5整体向左的∆X增量的位移，不断重复上述周期T的步骤最终实现马达的整体向左直线运动。同理，仅改变对驱动机构3输入与钳位机构5相位差为π的正弦电压信号，马达实现向右运动。
以上内容并非对本发明的结构、形状作任何形式上的限制。凡是根据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (5)
1.一种钳位控制的惯性冲击马达，其特征在于：包括平板状的底座（8）、一对钳位导轨（6）、直线滑轨（7）、配重机构（2）、质量机构（4）、驱动机构（3）和钳位机构（5）；
所述一对钳位导轨（6）平行设于底座（8）上，一对钳位导轨（6）相对应的内侧面上分别设有钳位导轨槽（61）；
所述直线滑轨（7）设于一对钳位导轨（6）之间的底座（8）上；
所述配重机构（2）包括配重块（21），质量机构（4）包括质量块（41），且配重块（21）和质量块（41）分别通过滑块滑动设于直线滑轨（7）上；
所述配重块（21）固定设于配重滑块（22）上，配重滑块（22）底部设有内凹槽，配重滑块（22）通过内凹槽和直线滑轨（7）滑动配合；
所述质量块（41）固定设于质量滑块（42）上，质量滑块（42）的底部设有内凹槽，质量滑块（42）通过内凹槽和直线滑轨槽（71）间隙配合；
所述驱动机构（3）包括空心的菱形驱动件、驱动压电堆（32），所述驱动压电堆（32）设于空心的菱形驱动件内的一条对角线上，菱形驱动件外两侧分别设有驱动足，一对驱动足在菱形驱动件的另一条对角线上，且分别固定连接着配重块（21）和质量块（41）；
所述驱动机构（3）的菱形结构件的两侧驱动足分别为左驱动足（34）和右驱动足（31），所述左驱动足（34）固定连接着配重块（21），所述右驱动足（31）固定连接着质量块（41）；
所述钳位机构（5）包括空心的菱形钳位件、钳位压电堆（52）；所述钳位压电堆（52）设于菱形钳位件内的一条对角线上；与钳位压电堆（52）对应的菱形钳位件外部设有连接足（51），连接足（51）固定连接着质量块（41）；菱形钳位件外部两侧分别设有钳位足（54），一对钳位足（54）位于菱形钳位件的另一条对角线上，一对钳位足（54）分别位于一对钳位导轨（6）的钳位导轨槽（61）内；
所述钳位足（54）为板条状，钳位足（54）同一侧两端的分别设有凸块，一对钳位足（54）的凸块分别配合位于对应的钳位导轨（6）上的导轨槽（61）内；
一对钳位导轨（6）的两端分别设有预紧机构（1）；
所述预紧机构（1）包括双头螺柱（13）、一对预紧弹簧（11）、一对预紧夹片（14），一对预紧弹簧（11）分别套设在双头螺柱（13）的两端，与支撑座（9）对应的一对钳位导轨（6）的外部分别固定设有预紧夹片（14），所述双头螺柱（13）的两端分别穿过支撑座（9）、钳位导轨（6）和预紧夹片（14）外伸，双头螺柱（13）的两外伸端上分别配合设有螺母（12）；
驱动机构（3）利用驱动压电堆（32）的逆压电效应来控制一对驱动足的伸长与收缩，钳位机构（5）利用钳位压电堆（52）的逆压电效应来控制一对钳位足（54）的伸长与收缩；通过驱动机构（3）和钳位机构（5）的协同工作以实现本压电马达的双向直线运动。
2.根据权利要求1所述的一种钳位控制的惯性冲击马达，其特征在于：所述驱动压电堆（32）的两端分别通过氧化铝垫片（33）设于空心的菱形驱动件内。
3.根据权利要求1所述的一种钳位控制的惯性冲击马达，其特征在于：所述钳位压电堆（52）的两端分别通过氧化铝垫片设于空心的菱形钳位件内。
4.根据权利要求1所述的一种钳位控制的惯性冲击马达，其特征在于：所述一对钳位导轨（6）的两端分别通过支撑座（9）固定设于底座（8）上，与支撑座（9）对应的一对钳位导轨（6）的两端分别设有预紧机构（1）。
5.根据权利要求1所述的一种钳位控制的惯性冲击马达，其特征在于：所述驱动机构（3）和钳位机构（5）所需的电压特征频率均为1391HZ；所述驱动压电堆（32）和钳位压电堆（52）的终端电压为100V。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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