CN111130380B - 一种夹心式轨道用作动器及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种夹心式轨道用作动器及其工作方法，作动器包含第一至第四矩形梁、第一至第二连接螺栓、第一至第二调节螺柱、第一至第二弹簧、第一至第二螺帽、第一至第二压电元件组和4x+4个驱动足，第一至第二压电元件组均包含m个面内弯振压电元件单元和2n个面外弯振压电元件单元。第一连接螺栓、第一矩形梁、第一压电元件组、第二矩形梁形成上梁，第二连接螺栓、第三矩形梁、第二压电元件组、第四矩形梁形成下梁；4x+4个驱动足设置在上梁下侧面、下梁上侧面，用于抵住轨道上下表面、在驱动时使得作动器沿轨道运动。本发明体积较小、维修方便、小型化，利用压电驱动控制简便、定位精度高的特点，提高系统的可控性。

Description

一种夹心式轨道用作动器及其工作方法

技术领域

本发明涉及压电驱动技术和运载作动器技术领域，尤其涉及一种夹心式轨道用作动器及其工作方法。

背景技术

随着自动化技术的发展，自动化生产流水线等自动化运输设备已越来越多，目前常见的是步进式运载轨道装置，具有可靠性高，起停和反转响应速度快的特点，但是结构比较大，定位精度还不够，随着自动化运载装置在各行各业的应用，对轨道作动器的小型化提出了要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种夹心式轨道用作动器及其工作方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种夹心式轨道用作动器，包含第一至第四矩形梁、第一至第二连接螺栓、第一至第二调节螺柱、第一至第二弹簧、第一至第二螺帽、第一至第二压电元件组、以及4x+4个驱动足，x为自然数；

所述第一至第四矩形梁均为长方体，均包含第一至第四侧面以及第一至第二端面，第一至第四侧面依次相连，第一侧面平行于第三侧面，第二侧面平行于第四侧面；

所述第一矩形梁和第四矩形梁在靠近其第一端面处设有贯穿其第一侧面、第二侧面且平行于其第二端面的调节通孔，第一矩形梁和第四矩形梁在其第二端面的中心设有平行于其第一侧面的螺纹孔；所述第二矩形梁和第三矩形梁沿其轴线设有沉头通孔；

所述第一至第二压电元件组均包含m个面内弯振压电元件单元和2n个面外弯振压电元件单元， n个面外弯振压电元件单元、m个面内弯振压电元件单元、n个面外弯振压电元件单元依次层叠，m、n均为大于等于1的整数；所述面内弯振压电元件单元和面外弯振压电元件单元均包含两片沿厚度方向极化、中心设有通孔的二分区矩形压电元件，压电元件两个分区的极化方向相反，且两片压电元件的极化方向相反；

所述第一连接螺栓依次穿过第二矩形梁的沉头通孔、第一压电元件组后和第一矩形梁的螺纹孔螺纹相连，将第一压电元件组固定在第一矩形梁、第二矩形梁之间，第一矩形梁和第二矩形梁的第一至第四侧面对应平齐；所述第二连接螺栓依次第三矩形梁的沉头通孔、第二压电元件组后和第四矩形梁的螺纹孔螺纹相连，将第二压电元件组固定在第三矩形梁、第四矩形梁之间，第三矩形梁和第四矩形梁的第一至第四侧面对应平齐；所述第一连接螺栓、第一矩形梁、第一压电元件组、第二矩形梁形成上梁，所述第二连接螺栓、第三矩形梁、第二压电元件组、第四矩形梁形成下梁；

所述第一弹簧、第二弹簧分别套在所述第一调节螺柱、第二调节螺柱上；所述第一调节螺柱一端和所述第三矩形梁的第一侧面垂直固连、另一端穿过所述第一矩形梁的调节通孔后和所述第一螺帽螺纹相连；所述第二调节螺柱一端和所述第二矩形梁的第三侧面垂直固连、另一端穿过所述第四矩形梁的调节通孔后和所述第二螺帽螺纹相连；

所述第一、第二压电元件组中，面内弯振压电元件单元中压电元件的二分区方向平行于第一矩形梁的第一侧面，面外弯振压电元件单元中压电元件的二分区方向平行于第一矩形梁的第二侧面；

第一、第二压电元件组中，相同位置的面内弯振压电元件单元的极化方向相反，相同位置的面外压电元件单元的极化方向相同；

所述4x+4个驱动足用于抵住轨道上下表面、在驱动时使得作动器沿轨道运动；4x+4个驱动足在第一矩形梁的第三侧面、第二矩形梁的第三侧面、第三矩形梁的第一侧面、第四矩形梁的第一侧面上分别分配x+1个驱动足，上梁上的驱动足关于经过上梁中点且垂直于上梁的直线对称，上梁和下梁上的驱动足关于上梁、下梁之间的中线对称；所述第一矩形梁第三侧面上的x+1个驱动足均设置在工作时上梁振动的正弦波的波峰或波谷处。

本发明还公开了一种该夹心式轨道用作动器的工作方法，包含以下步骤：

步骤1），对第一、第二压电元件组中的2n个面外弯振压电元件组施加第一简谐电压信号，激励出上梁和下梁的反对称面外2x+1阶弯振模态，x为大于等于0的整数；

步骤2），对第一、第二压电元件组中的m个面内弯振压电元件组施加第二简谐电压信号，激励出上梁和下梁的对称面内2x+1阶弯振模态；

步骤3），调整第一、第二简谐电压信号使其在时间上具有π/2的相位差，在上梁和下梁上同时激发两相正交的振动模态，在这两种模态振动耦合的作用下4x+4个驱动足做椭圆运动，且上梁、下梁的驱动足的椭圆运动轨迹相反，从而在摩擦的作用下驱动作动器沿一个方向移动；

步骤4），如果需要作动器反向移动，调整第一间谐电压信号、第二间谐电压信号的相位差为-π/2即可。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明利用压电激励与摩擦驱动原理实现运载作动器的驱动。利用压电驱动结构简单、紧凑、传动链短的特点，简化整个系统的结构，减少体积和重量，提高可靠性；利用压电驱动控制简便、定位精度高的特点，提高系统的可控性。

附图说明

图1是夹心式轨道用作动器和轨道配合的结构示意图；

图2是夹心式轨道用作动器的结构示意图；

图3是第一矩形梁的结构示意图；

图4是第一矩形梁的剖视图；

图5是第二矩形梁的结构示意图；

图6是第二矩形梁的剖视图

图7是第一压电元件组的结构示意图；

图8是第一、第二压电元件组的极化方向的对比示意图；

图9是轨道的结构示意图；

图10是上梁、下梁对称面外弯振模态的对比示意图；

图11是上梁、下梁对称面内弯振模态的对比示意图；

图12是上梁、下梁上驱动足的椭圆运动轨迹对比图。

图中，1-夹心式轨道用作动器，2-轨道，3-第一矩形梁，4-第二矩形梁，5-第一压电元件组，6-第二压电元件组，7-第二调节螺柱，8-第一弹簧，9-第一螺帽，10-驱动足，11-第一矩形梁上的螺纹孔，12-第一矩形梁上的调节通孔，13-第二矩形梁上的沉头通孔，14-第二矩形梁上用于固定第二连接螺栓的固定螺纹孔，15-面内弯振压电元件单元，16-面外弯振压电元件单元。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

如图1所示，本发明公开了一种夹心式轨道用作动器，包含第一至第四矩形梁、第一至第二连接螺栓、第一至第二调节螺柱、第一至第二弹簧、第一至第二螺帽、第一至第二压电元件组、以及4x+4个驱动足，x为自然数。

所述第一至第四矩形梁均为长方体，均包含第一至第四侧面以及第一至第二端面，第一至第四侧面依次相连，第一侧面平行于第三侧面，第二侧面平行于第四侧面。

如图3、图4所示，所述第一矩形梁和第四矩形梁在靠近其第一端面处设有贯穿其第一侧面、第二侧面且平行于其第二端面的调节通孔，第一矩形梁和第四矩形梁在其第二端面的中心设有平行于其第一侧面的螺纹孔；所述第二矩形梁和第三矩形梁沿其轴线设有沉头通孔，图5、图6分别是第二矩形梁的结构示意图、剖视图，图中可以看到，其沉头一端还设有用于固定第二调节螺柱的螺纹孔，当然，这里第二调节螺柱也可以通过其他例如焊接的方式和第二矩形梁固连。

如图7所示，所述第一至第二压电元件组均包含m个面内弯振压电元件单元和2n个面外弯振压电元件单元， n个面外弯振压电元件单元、m个面内弯振压电元件单元、n个面外弯振压电元件单元依次层叠，m、n均为大于等于2的整数；所述面内弯振压电元件单元和面外弯振压电元件单元均包含两片沿厚度方向极化、中心设有通孔的二分区矩形压电元件，压电元件两个分区的极化方向相反，且两片压电元件的极化方向相反。

所述第一连接螺栓依次穿过第二矩形梁的沉头通孔、第一压电元件组后和第一矩形梁的螺纹孔螺纹相连，将第一压电元件组固定在第一矩形梁、第二矩形梁之间，第一矩形梁和第二矩形梁的第一至第四侧面对应平齐；所述第二连接螺栓依次第三矩形梁的沉头通孔、第二压电元件组后和第四矩形梁的螺纹孔螺纹相连，将第二压电元件组固定在第三矩形梁、第四矩形梁之间，第三矩形梁和第四矩形梁的第一至第四侧面对应平齐；所述第一连接螺栓、第一矩形梁、第一压电元件组、第二矩形梁形成上梁，所述第二连接螺栓、第三矩形梁、第二压电元件组、第四矩形梁形成下梁；

所述第一弹簧、第二弹簧分别套在所述第一调节螺柱、第二调节螺柱上；所述第一调节螺柱一端和所述第三矩形梁的第一侧面垂直固连、另一端穿过所述第一矩形梁的调节通孔后和所述第一螺帽螺纹相连；所述第二调节螺柱一端和所述第二矩形梁的第三侧面垂直固连、另一端穿过所述第四矩形梁的调节通孔后和所述第二螺帽螺纹相连。

如图8所示，所述第一、第二压电元件组中，面内弯振压电元件单元中压电元件的二分区方向平行于第一矩形梁的第一侧面，面外弯振压电元件单元中压电元件的二分区方向平行于第一矩形梁的第二侧面；

第一、第二压电元件组中，相同位置的面内弯振压电元件单元的极化方向相反，相同位置的面外压电元件单元的极化方向相同。

所述4x+4个驱动足用于抵住轨道上下表面、在驱动时使得作动器沿轨道运动；4x+4个驱动足在第一矩形梁的第三侧面、第二矩形梁的第三侧面、第三矩形梁的第一侧面、第四矩形梁的第一侧面上分别分配x+1个驱动足，上梁上的驱动足关于经过上梁中点且垂直于上梁的直线对称，上梁和下梁上的驱动足关于上梁、下梁之间的中线对称；所述第一矩形梁第三侧面上的x+1个驱动足均设置在工作时上梁振动的正弦波的波峰或波谷处。

轨道的上下表面可以是光滑的，也可以如图9所示，设有和上梁的4x+4个驱动足、下梁的4x+4个驱动足一一对应匹配的凹槽。

本发明还公开了一种该夹心式轨道用作动器的工作方法，包含以下步骤：

步骤1），对第一、第二压电元件组中的2n个面外弯振压电元件组施加第一简谐电压信号，激励出上梁和下梁的反对称面外2x+1阶弯振模态，如图10所示，x为大于等于0的整数；

步骤2），对第一、第二压电元件组中的m个面内弯振压电元件组施加第二简谐电压信号，激励出上梁和下梁的对称面内2x+1阶弯振模态，如图11所示；

步骤3），调整第一、第二简谐电压信号使其在时间上具有π/2的相位差，在上梁和下梁上同时激发两相正交的振动模态，在这两种模态振动耦合的作用下4x+4个驱动足做椭圆运动，且上梁、下梁的驱动足的椭圆运动轨迹相反，如图12所示，从而在摩擦的作用下驱动作动器沿一个方向移动；

步骤4），如果需要作动器反向移动，调整第一间谐电压信号、第二间谐电压信号的相位差为-π/2即可。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种夹心式轨道用作动器的工作方法，夹心式轨道用作动器包含第一至第四矩形梁、第一至第二连接螺栓、第一至第二调节螺柱、第一至第二弹簧、第一至第二螺帽、第一至第二压电元件组、以及4x+4个驱动足，x为自然数；

所述第一至第四矩形梁均为长方体，均包含第一至第四侧面以及第一至第二端面，第一至第四侧面依次相连，第一侧面平行于第三侧面，第二侧面平行于第四侧面；

所述第一矩形梁和第四矩形梁在靠近其第一端面处设有贯穿其第一侧面、第二侧面且平行于其第二端面的调节通孔，第一矩形梁和第四矩形梁在其第二端面的中心设有平行于其第一侧面的螺纹孔；所述第二矩形梁和第三矩形梁沿其轴线设有沉头通孔；

所述第一至第二压电元件组均包含m个面内弯振压电元件单元和2n个面外弯振压电元件单元， n个面外弯振压电元件单元、m个面内弯振压电元件单元、n个面外弯振压电元件单元依次层叠，m、n均为大于等于1的整数；所述面内弯振压电元件单元和面外弯振压电元件单元均包含两片沿厚度方向极化、中心设有通孔的二分区矩形压电元件，压电元件两个分区的极化方向相反，且两片压电元件的极化方向相反；

所述第一连接螺栓依次穿过第二矩形梁的沉头通孔、第一压电元件组后和第一矩形梁的螺纹孔螺纹相连，将第一压电元件组固定在第一矩形梁、第二矩形梁之间，第一矩形梁和第二矩形梁的第一至第四侧面对应平齐；所述第二连接螺栓依次第三矩形梁的沉头通孔、第二压电元件组后和第四矩形梁的螺纹孔螺纹相连，将第二压电元件组固定在第三矩形梁、第四矩形梁之间，第三矩形梁和第四矩形梁的第一至第四侧面对应平齐；所述第一连接螺栓、第一矩形梁、第一压电元件组、第二矩形梁形成上梁，所述第二连接螺栓、第三矩形梁、第二压电元件组、第四矩形梁形成下梁；

所述第一弹簧、第二弹簧分别套在所述第一调节螺柱、第二调节螺柱上；所述第一调节螺柱一端和所述第三矩形梁的第一侧面垂直固连、另一端穿过所述第一矩形梁的调节通孔后和所述第一螺帽螺纹相连；所述第二调节螺柱一端和所述第二矩形梁的第三侧面垂直固连、另一端穿过所述第四矩形梁的调节通孔后和所述第二螺帽螺纹相连；

所述第一、第二压电元件组中，面内弯振压电元件单元中压电元件的二分区方向平行于第一矩形梁的第一侧面，面外弯振压电元件单元中压电元件的二分区方向平行于第一矩形梁的第二侧面；

第一、第二压电元件组中，相同位置的面内弯振压电元件单元的极化方向相反，相同位置的面外压电元件单元的极化方向相同；

所述4x+4个驱动足用于抵住轨道上下表面、在驱动时使得作动器沿轨道运动；4x+4个驱动足在第一矩形梁的第三侧面、第二矩形梁的第三侧面、第三矩形梁的第一侧面、第四矩形梁的第一侧面上分别分配x+1个驱动足，上梁上的驱动足关于经过上梁中点且垂直于上梁的直线对称，上梁和下梁上的驱动足关于上梁、下梁之间的中线对称；所述第一矩形梁第三侧面上的x+1个驱动足均设置在工作时上梁振动的正弦波的波峰或波谷处；

其特征在于，所述夹心式轨道用作动器的工作方法包含以下步骤：

步骤1），对第一、第二压电元件组中的2n个面外弯振压电元件组施加第一简谐电压信号，激励出上梁和下梁的反对称面外2x+1阶弯振模态，x为大于等于0的整数；

步骤2），对第一、第二压电元件组中的m个面内弯振压电元件组施加第二简谐电压信号，激励出上梁和下梁的对称面内2x+1阶弯振模态；

步骤3），调整第一、第二简谐电压信号使其在时间上具有π/2的相位差，在上梁和下梁上同时激发两相正交的振动模态，在这两种模态振动耦合的作用下4x+4个驱动足做椭圆运动，且上梁、下梁的驱动足的椭圆运动轨迹相反，从而在摩擦的作用下驱动作动器沿一个方向移动；

步骤4），如果需要作动器反向移动，调整第一间谐电压信号、第二间谐电压信号的相位差为-π/2即可。