CN111181436A - 二次激励摩擦压电旋转驱动器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及到一种二次激励摩擦压电旋转驱动器，其主体结构包括：致动器、底座、基板、圆环和中心附加质量块。致动器由两个垂直布置的压电叠堆组成。在圆环的中间安装中心附加质量块，两者通过四个均布的柔性铰链连接。压电叠堆A和压电叠堆B的驱动信号具有一定相位差，压电叠堆A和压电叠堆B交替伸缩变形，基板中心孔壁摩擦圆环，使圆环顺时针转动。圆环转动时，通过柔性铰链带动中心附加质量块进行运动。中心附加质量块由于惯性相对圆环运动滞后1/4周期，中心附加质量块运动时，造成圆环和中心附加质量块形成的整体质心偏移，从而通过柔性铰链带动圆环顺时针转动，可等效为二次激励。本发明相较于传统压电旋转驱动器，能够增加旋转动力。
Description
技术领域
本发明属于精密机械领域。
背景技术
近年来，随着微纳米技术的迅猛发展，在生物医学工程、精密机械、机器人、计算机、自动控制、精密测量、精密器件微制造、超精密加工等技术领域对微小型机械的驱动技术的需求日益增多。
传统精密驱动主要采用机械式，如精密丝杠副及滚动滑动导轨、精密螺旋楔块机构等，由于存在间隙、摩擦、爬行等问题，其精度很难满足要求。在这种条件下发展出许多新型的驱动方式，例如静电吸引式、电磁式、磁致伸缩式、形状记忆合金式以及压电式等。
压电驱动的工作原理主要是应用压电材料的逆压电效应，即压电体受电场作用时会产生形变，与其他方式相比具有机电转化系数高、无电磁干扰和响应速度快等优点。
另一方面惯性式压电驱动装置因其在工作行程、分辨率、工作频率、运动速度、频率响应、制造成本和受压电元件滞环蠕变影响程度等方面具有独特的优势，已经发展成为压电精密驱动的一个重要部分。现有的压电惯性驱动装置多采用非对称电信号作为激励信号，但这种驱动装置有信号不易于产生、机构不容易控制和有较大回退运动等缺点。
鉴于目前压电惯性驱动装置所存在的问题，本发明提出一种二次激励摩擦压电旋转驱动器，首先通过压电叠堆驱动基板与圆环之间产生摩擦，使圆环(3)顺时针转动，再利用中心附加质量块(6)的惯性和柔性铰链A(4)的弹性，实现对圆环的二次激励，为圆环(3)提供更多动力。本发明具有装置结构简单、易于实现、器件可靠性高、无电磁干扰、激励信号易于产生和控制和装置可控性好等优点。
发明内容
本发明所需要解决的技术问题是：
1)利用一定波形和相位差的电压，驱动压电叠堆(7)、压电叠堆(8)交替伸长，进而推动基板(2)完成具有特定规律的周期性运动。
2)利用基板(2)的中心孔壁摩擦圆环(3)，使圆环(3)顺时针转动；
3)中心附加质量块(6)由于惯性将做相对圆环(3)延后1/4周期时间的转动，将中心附加质量块(6)的运动作为对圆环(3)顺时针转动的二次激励。
4)让上述的二次激励与一次激励产生同为顺时针或同为逆时针的旋转效果，进而实现转速的提高。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
所述的压电叠堆A(7)、压电叠堆B(8)均一端与底板(1)固定，另一端作用于基板(2)，基板(2)与底板(1)通过柔性铰B(5)连接，圆环(3)置于基板(2)中心孔中间，圆环(3)与中心附加质量块(6)通过柔性铰链A(4)连接，底板(1)加工有螺纹孔，用于固定。中心附加质量块6采用铸铁材质，其余材料均采用有机玻璃。
所述的二次激励摩擦压电旋转驱动器工作时，对压电叠堆A(7)、压电叠堆B(8)通入一定波形、一定相位差的电信号，具体如图3所示，压电叠堆A(7)首先伸长变形，推动基板(2)向左运动，使得基板(2)中心孔壁左侧与圆环(3)外表面左侧相接触，之后压电叠堆B(8)在电信号激励下伸长变形，推动基板(2)向上运动，使得基板2内孔壁下侧与圆环(3)外表面下侧相接触，在此过程中基板(2)内孔壁与圆环(3)外表面之间的摩擦力使得圆环(3)将顺时针旋转一个小角度，之后在正弦电信号的激励下，基板(2)中心孔壁与圆环(3)外表面之间按逆时针方向连续接触，产生的摩擦力将使圆环(3)顺时针转动。
由于中心附加质量块(6)具有惯性，相对于圆环(3)滞后1/4周期，质量块的转动将作为二次激励再次作用于圆环(3)，利用两次激励极大地提高了装置的转速和稳定性。
附图说明
图1为二次激励摩擦压电旋转驱动器整体结构示意图；
图2为二次激励摩擦压电旋转驱动器圆环顺时针转动原理图；
图3为二次激励摩擦压电旋转驱动器电信号图像。
具体实施方式
本发明涉及一种二次激励摩擦压电旋转驱动器，是一种利用摩擦和惯性的旋转驱动装置。如图1所示，底板(1)与基板(2)通过柔性铰链B(5)相连接，两个压电叠堆A、B垂直布置在底板(1)的左侧和下侧，圆环(3)布置在基板(2)中心孔的中间位置，圆环(3)通过柔性铰链A(4)与中心附加质量块(6)相连接。
具体工作时，分别对压电叠堆A(7)和压电叠堆B(8)通入正弦信号，两个信号的相位差为π/2，其中A的信号领先B的信号，在电信号激励下压电叠堆A(7)伸长变形，基板(2)中心孔左侧与圆环(3)外表面左侧相接触，由于中心附加质量块(6)具有惯性，圆环(3)与中心附加质量块(6)之间的左侧柔性铰链被压缩，柔性铰链储存动能，中心附加质量块(6)相对圆环(3)向左运动，如图2b所示。
压电叠堆B(8)在电信号激励下伸长变形，推动基板(2)向上运动，基板(2)中心孔壁下侧与圆环(3)外表面下侧相接触，在基板(2)中心孔壁与圆环(3)外表面之间的摩擦力作用下，圆环顺时针转动一个小角度，此时中心附加质量块(6)的运动可以分解为两个部分，在上一阶段左侧柔性铰链存储的动能作用下，中心附加质量块(6)向右运动。由于中心附加质量块(6)具有惯性，有向下运动的趋势，增大了圆环(3)对基板(2)中心孔壁的压力，即增大了两者之间的摩擦力，在基板(2)中心孔壁和圆环(3)外表面之间的摩擦力对圆环(3)进行了第一次激励，圆环(3)顺时针转动。中心附加质量块(6)的运动对圆环(3)进行了第二次激励，增大了驱动力，提高了转速，如图2c所示。
压电叠堆A(7)缩短，基板(2)中心孔壁与右侧与圆环(3)外表面右侧接触，中心附加质量块(6)的运动分解为向上的运动和向右的运动。向上的运动作为第二次激励，向右的运动增大了圆环(3)外表面与基板(2)中心孔壁之间的摩擦力，圆环(3)顺时针转动，如图2d所示。
下一阶段，压电叠堆B(8)缩短，基板(2)中心孔壁上侧与圆环(3)外表面上侧相接触，中心附加质量块(6)的运动分解为向上和向左，具体过程不在赘述，如图2e所示。
至此完成一个运动周期，重复上述过程即可实现圆环(3)顺时针连续转动。二次激励摩擦压电旋转驱动器的主动(第一次)激励推动基板(2)做平面运动，基板(2)通过摩擦力带动圆环(3)旋转，圆环(3)通过柔性铰链带动中心附加质量块(6)做平面运动；被动(第二次)激励通过柔性铰链的弹性和中心附加质量块(6)的质量的共同作用，带动圆环(3)旋转。主动(第一次)激励和被动(第二次)激励都带动圆环顺时针旋转，主动(第一次)激励为被动(第二次)激励提供动力。
Claims (3)
1.一种二次激励摩擦压电旋转驱动器，其特征在于：其包括底座(1)、基板(2)、圆环(3)、柔性铰链A(4)、柔性铰链B(5)、中心附加质量块(6)、压电叠堆A(7)、压电叠堆B(8)；基板(2)与底板(1)之间通过柔性铰链B(5)连接；圆环(3)内部通过柔性铰链A(4)与中心附加质量块(6)相连；驱动过程分为两次激励：主动(第一次)激励和被动(第二次)激励，主动(第一次)激励为被动(第二次)激励提供动力，共同驱动圆环(3)顺时针旋转；主动(第一次)激励时，压电叠堆A(7)和压电叠堆B(8)的驱动信号有一定相位差，压电叠堆A(7)和压电叠堆B(8)交替伸缩变形，推动基板(2)做顺时针平面运动，基板(2)的中心孔壁摩擦圆环(3)，带动圆环(3)顺时针转动；被动(第二次)激励时，圆环(3)通过柔性铰链A(4)带动中心附加质量块运动，由于柔性铰链A(4)的时滞特性，中心附加质量块(6)相对于圆环(3)滞后1/4周期，圆环(3)和中心附加质量块(6)形成的整体的质心发生偏移，增大基板(2)和圆环(3)之间的正压力，使基板(2)和圆环(3)之间的摩擦力增大，驱动圆环(3)继续顺时针旋转；在压电叠堆A(7)、压电叠堆B(8)和中心附加质量块(6)共同作用下，圆环(3)顺时针旋转往复运动。
2.根据权利要求1所述的一种二次激励摩擦压电旋转驱动器，其特征在于：在主动(第一次)激励过程中，压电叠堆A和压电叠堆B交替伸缩，带动基板(2)做平面运动，基板(2)的中心孔壁摩擦圆环(3)，使圆环顺时针旋转；在被动(第二次)激励过程中，圆环(3)顺时针旋转，柔性铰链A(4)发生弹性形变，柔性铰链A(4)形变对圆环(3)产生压力，带动中心附加质量块(6)，由于柔性铰链的弹性和中心附加质量块(6)的惯性的共同作用，中心附加质量块(6)相对基板(2)滞后运动1/4周期，这会增大基板(2)与圆环(3)之间的正压力，使基板(2)和圆环(3)之间的摩擦力增大，驱动圆环(3)顺时针旋转；由于中心附加质量块(6)在运动过程中具有惯性，圆环(3)和中心附加质量块(6)发生相对运动，造成质心偏移，在柔性铰链的弹性和中心附加质量块(6)的质量的共同作用下，圆环(3)和中心附加质量块(6)之间产生扭矩，通过柔性铰链A(4)传递扭矩，带动圆环顺时针运动。
3.根据权利要求1所述的一种二次激励摩擦压电旋转驱动器，其特征在于：主动(第一次)激励推动基板(2)做平面运动，基板(2)通过摩擦力带动圆环(3)旋转，圆环(3)通过柔性铰链带动中心附加质量块(6)做平面运动；被动(第二次)激励通过柔性铰链的弹性和中心附加质量块(6)的质量的共同作用，带动圆环(3)旋转；主动(第一次)激励和被动(第二次)激励都带动圆环顺时针旋转，主动(第一次)激励为被动(第二次)激励提供动力。
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