CN111711381A - 一种实现双向驱动的粘滑式压电驱动器及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种实现双向驱动的粘滑式压电驱动器及控制方法，所述驱动器由基座、柔顺驱动机构、滑块、两块堆叠式压电陶瓷等组成。锯齿波电压信号经过功率放大器放大后施加在压电陶瓷上，通过调节电压信号的幅值和频率能够实现驱动滑块在正负两个方向上以目标速度运动至特定位置。本发明的双向粘滑式压电驱动器采用柔顺驱动机构，使得结构简单，能够实现精密快速运动，采用的特殊结构可以大大增加负载能力和驱动速度。
Description
技术领域
本发明涉及精密驱动技术领域，特别是涉及一种能够实现双向运动的粘滑式压电驱动器。
背景技术
精密定位系统是对目标物体在多个空间自由度上进行平移、旋转等精密调整的完整系统，广泛应用于航空航天、精密操作系统、生物技术、智能机器人、光学系统、超精度仪器等领域。精密定位系统的核心就是利用精密驱动器驱动目标对象实现预期的高精度运动，其精度达到微/纳级别(通常为几纳米到几百纳米之间)。目前，很多精密驱动系统依旧采用手动或电动驱动方式，但随着这些领域的飞速发展，对于驱动器的高分辨率、高精确度、大行程、高速响应、大驱动力等方面也提出了更高的功能性需求。
现有的精密驱动器中一般分为以下几种：静电式驱动器、电磁式驱动器、形状记忆合金驱动器、磁致伸缩驱动器、电致伸缩驱动器、光致伸缩驱动器、压电驱动器等。其中压电驱动器利用压电材料的逆压电效应，在施加电压时进行伸缩，产生力和位移带动滑块或转子进行直线运动或旋转运动。由于压电材料具有体积小、输出力大、高频响、高分辨率、高功率重量比等优点，是亚微米级和纳米级精密驱动的理想材料。压电驱动器又可以分为：直接驱动型、超声型、惯性粘滑型、尺蠖型等。
粘滑式压电驱动器相较其他种类的压电驱动器而言有以下优势：其一，采用压电陶瓷进行驱动，具有输出力大、高频响、高分辨率、能耗低等优点；其二，粘滑式的驱动方式使得结构简单灵活，因而控制方便；其三，周期循环步进，使得行程不受限制；其四，使用柔顺驱动机构作为驱动体，具有无摩擦、无间隙、运动精度高、传动效率高等优点。粘滑式驱动的原理是利用锯齿形电压信号激励压电元件产生不对称的振动实现被驱动物体产生微小位移，经过高频的信号施加来累积位移，达到精密定位的目的。
目前的粘滑式压电驱动器大都只能实现单方向的运动，并且存在负载能力差、驱动速度低等问题。针对这些问题，有必要提出一种支持双向运动且兼顾大负载能力和大驱动速度的粘滑式压电驱动器。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种能够实现双向运动并且能够放大驱动力和提高驱动速度的粘滑式压电驱动器。
针对上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种实现双向驱动的粘滑式压电驱动器，其特征在于，所述驱动器包括导轨和滑块组成的导轨滑块模组、柔顺驱动机构、正向驱动压电陶瓷、负向驱动压电陶瓷、XY微调平台、底座、调节螺钉。
其中，正向驱动压电陶瓷和负向压电驱动陶瓷由调节螺钉固定在柔顺驱动机构上，通过旋动调节螺钉能够将正向驱动压电陶瓷和负向驱动压电陶瓷固定在柔顺驱动机构的压电陶瓷固定槽中，还能够调节驱动压电陶瓷与柔顺驱动机构之间的预紧力；通过调节XY微动平台来调整柔顺驱动机构与滑块之间的接触条件。
在上述的双向粘滑式压电驱动器，导轨滑块模组包括：导轨、能够在导轨上滑动的滑块、和设置导轨上的滚柱及滚柱保持架。
在上述的双向粘滑式压电驱动器，柔顺驱动机构包括基座、固定孔组、伪刚体杆、直梁型柔性铰链和正圆形柔性铰链，其中，直梁型柔性铰链包括直梁型柔性铰链一、直梁型柔性铰链二；正圆形柔性铰链包括正圆形柔性铰链一、正圆形柔性铰链二、正圆形柔性铰链三；直梁型柔性铰链一、直梁型柔性铰链二和正圆形柔性铰链三为柔性平移铰链，即在柔顺驱动机构变形的过程中会发生平移；正圆形柔性铰链一、正圆形柔性铰链二、圆形柔性铰链三为柔性弯曲铰链，即在柔顺驱动机构变形的过程中会发生弯曲。正圆形柔性铰链三既为柔性平移铰链，又为柔性弯曲铰链。
在上述的双向粘滑式压电驱动器，柔顺驱动机构上的固定孔组位于柔顺驱动机构基座上；直梁型柔性铰链一、直梁型柔性铰链二和正圆形柔性铰链一为伪刚体杆和柔顺驱动机构基座的连接结构；正圆形柔性铰链一和正圆形柔性铰链二为伪刚体杆之间的连接结构。
在上述的双向粘滑式压电驱动器，柔顺驱动机构是对称的一体化结构，且柔顺驱动机构中部留有压电陶瓷安装槽用于压电陶瓷的对正和安装。
在上述的双向粘滑式压电驱动器，在调节螺钉和压电陶瓷之间垫有垫片以保护压电陶瓷不受到损伤。
在上述的双向粘滑式压电驱动器，两块压电陶瓷分别驱动滑块正向和负向运动。其中，正向驱动压电陶瓷通以满足设定条件的锯齿波电压信号时滑块发生正向位移；负向驱动压电陶瓷通以满足设定条件的锯齿波信号时滑块发生负向位移。
在上述的双向粘滑式压电驱动器，所述底座应固定于隔振台上，其上有多组固定孔组，XY微动平台和导轨经固定孔固定于基座上，柔顺驱动机构经固定孔固定于XY微动平台上。
一种双向粘滑式压电驱动器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、根据驱动方向需求选择负向驱动压电陶瓷或正向驱动压电陶瓷；
步骤2、向选择的驱动压电陶瓷通以锯齿波信号，通以信号的时间长短由需要驱动的位移来控制；
步骤3、驱动到指定位置后压电陶瓷需持续通电以使滑块保持固定，以便于后续操作。
本发明所带来的效果如下：对称的柔顺驱动机构能够实现驱动器的双向驱动，拓宽了使用场景；较大的dx/dy比，增加了驱动器的驱动效率以及驱动力；驱动足在垂直于导轨方向上的寄生位移，使得“粘”的过程更“粘，“滑”的过程更“滑”，有效地提升了驱动器的负载能力。
附图说明
图1为本发明中压电驱动器的整体结构示意图。
图2为本发明中柔顺驱动机构结构示意图。
图3为本发明中柔顺驱动机构的伪刚体模型。
图4为本发明中导轨滑块模组结构示意图。
图5为本发明中基座结构示意图。
图6为本发明中压电驱动器的驱动原理示意图(初始阶段、stick阶段以及slip阶段)。
具体实施方式
以下将结合附图和实施例对本发明的具体实施方式进行详细描述。附图和实施例仅用于实例性描述，不应该理解为对本专利的限制。图中，其中：1、导轨；2、滑块；3、柔顺驱动机构；4、负向驱动压电陶瓷；5、正向驱动压电陶瓷；6、基座上的固定孔组；7、XY微动平台；8、底座；9、调节螺钉；10、垫片；11、XY微动平台上的固定孔组；12、基座上的固定孔组；13、驱动足；14、伪刚体杆；15、柔顺驱动机构基座；16、柔顺驱动机构上的固定孔组；17a、直梁型柔性铰链一；17b直梁型柔性铰链二；18a、正圆形柔性铰链一；18b、正圆形柔性铰链二；18c、正圆形柔性铰链三；19、压电陶瓷安装槽；20、滚柱及其保持架；21、基座上的固定孔组。
首先，介绍下本发明的结构。
如图1所示，本发明中的压电驱动器包括以下几个主要部件：由导轨1和滑块2组成的导轨滑块模组、柔顺驱动机构3、正向驱动压电陶瓷4、负向驱动压电陶瓷5、XY微调平台7、底座8、调节螺钉9、垫片10。
通过旋动调节螺钉9可以将压电陶瓷4和5固定在柔顺驱动机构3的压电陶瓷固定槽19中，还可以调节压电陶瓷4和5与柔顺驱动机构3之间的预紧力。
其中，柔顺驱动机构3采用的是左右对称的一体化结构，结构简单，并且保证了驱动器双向驱动的一致性。
所述双向驱动的一致性为两侧压电陶瓷在相同信号的驱动下，所产生的运动在单步位移以及速度上具有一致性。
其中，螺钉9与压电陶瓷4和5之间由垫片隔开，可以防止调节螺钉损坏压电陶瓷。
其中，调节压电陶瓷4和5与柔顺驱动机构3之间的预紧力可以提高压电陶瓷的工作频率。
在图1中，设定向右为正方向，正向驱动压电陶瓷5和负向驱动压电陶瓷4分别驱动滑块2在柔顺驱动机构3的带动下沿正向和负向运动。
其中，柔顺驱动机构3和滑块2之间有两个接触点，称为驱动足13，如图2所示。
其中，滑块2与导轨1之间通过滚柱及其保持架20连接，且两者可相对滑动，之间的摩擦力可忽略不计。
如图3所示，对柔顺驱动机构3使用伪刚体模型方法，可以简化为由伪刚体杆和运动副组成，可作为刚体对象进行研究。
其中，如图2所示，柔顺驱动机构3采用了两种类型的柔性铰链，分别是直梁型柔性铰链17和正圆形柔性铰链18。
在图3中，正圆形柔性铰链18(a)所在点A和驱动足13所在点B的连线与水平方向的夹角α为略小于90度，在伪刚体模型中，当压电陶瓷通以线性增加的电压时，压电陶瓷也近似得产生线性伸长，使得柔顺驱动机构产生变形，如图3右侧图形所示，由初始位置到变形位置。
其中，驱动足13所在点B的运动可看为绕正圆形柔性铰链18(a)所在点A的旋转运动，其变形位置相对初始位置存在一个位移d，分解到水平方向和竖直方向上得到驱动位移dx和压紧位移dy，由于压电陶瓷的变形相较与结构尺寸为一个微小位移，又柔性弯曲铰链A和驱动足B的连线与水平方向的夹角α为略小于90度，由几何关系dx/dy等于角度的正切值tanα，为一个很大的值，较大的dx/dy这一特点大大增加了压电驱动器的驱动效率以及驱动力。
其中，较大的dx/dy比使得驱动足的运动大部分用于驱动滑块运动，因此可以获得较高的驱动效率及驱动力。
压电驱动器在工作时通以锯齿波，它存在缓慢上升阶段快速下降阶段，如图6所示。相应地，压电陶瓷存在缓慢伸长和快速收缩阶段。
在正向压电陶瓷的缓慢伸长阶段，驱动足在驱动方向上有一个正向的驱动位移dx，此外在垂直于导轨的方向有一个正向的压紧位移dy，这使得滑块2与驱动足13之间的正压力增大，进而最大静摩擦力也增大，这就保证了在缓慢伸长阶段滑块2和柔顺驱动机构3之间是“粘”在一起运动的，滑块会有一个大小为dx的正向位移；
在正向压电陶瓷的快速收缩阶段，驱动足在驱动方向上有一个负向的驱动位移dx，但是此时也存在一个负向的压紧位移dy，这就使得滑块2与驱动足之间有一个“松”的阶段，正压力减小，最大静摩擦力也减小，滑块会随着驱动足负向的驱动位移而有一个负向位移，但两者之间是存在相对滑动的，而且这个收缩阶段是快速进行的，滑块的负向位移必定是小于dx。
由此，滑块经过缓慢伸长阶段和快速收缩阶段会有一个正向的净位移，当这种信号以周期高频施加在压电陶瓷上时，便可驱动滑块正向运动。
相反地，对负向压电陶瓷施以相同的信号，可以驱动滑块进行负向运动。
其中，可分辨的最小净位移可以称为压电驱动器的分辨率。
上述方案中，无论是正向驱动还是负向驱动，都是以粘滑式驱动机理进行驱动，并且在“粘”的过程中驱动足将滑块夹紧，在“滑”的过程中驱动足将滑块松开，有效地提升了压电驱动器的负载能力。
实施例1
底座8通过其上的固定孔组6由螺钉固定在隔振台上，隔振台应当能降低或补偿来自环境中的各种扰动因素。
通过基座上的固定孔组12和21分别由螺钉将XY微动平台7和导轨1固定在基座上。
正向压电陶瓷5和负向压电陶瓷4分别由调节螺钉9固定在柔顺驱动机构3的压电陶瓷安装槽19处，压电陶瓷4和5分别与伪刚体杆14接触，对称安装，压电陶瓷4和5与调节螺钉之间由垫片隔开。压电陶瓷安装时注意要对正。
旋动调节螺钉9至压电陶瓷4和5与柔顺驱动机构3之间达到合适的预紧力。此外，两个压电陶瓷与柔顺驱动机构之间的预紧力应尽量相等，以保证双向驱动的一致性。
安装好压电陶瓷的柔顺驱动机构经由其基座15上的固定孔组16和XY微动平台7上的固定孔组11以螺纹连接固定。
通过调动XY微动平台7的旋钮可以调接柔顺驱动机构3和滑块2之间的预紧力大小和接触条件。合适的预紧力大小和接触条件是压电驱动器正常工作的必要条件。
实施例2
按照实施例1中的实施方式将驱动器安装、调节好。
向滑块需要驱动方向所对应的压电陶瓷通以具有缓慢上升阶段和快速下降阶段的锯齿波，另一块压电陶瓷不输入信号。
其中，驱动方向包括正向驱动方向和负向驱动方向。
在驱动信号缓慢上升的阶段，压电陶瓷缓慢伸长，带动柔顺驱动机构3变形，使得驱动足13具有在驱动方向上的位移dx和垂直于导轨方向上的压紧位移dy，这个正向的压紧位移使得驱动足13与滑块2之间的正压力加大，最大静摩擦力加大，保证两者之间“粘”着在一起，驱动足13与滑块2一起沿驱动方向有dx的位移，此过程为“粘”。
在驱动信号快速下降的阶段，压电陶瓷快速收缩，柔顺驱动机构迅速回到未变形状态，驱动足具有在驱动方向上的负向位移dx和垂直于导轨方向上的负向压紧位移dy，这个负向的压紧位移使的驱动足13与滑块2之间的正压力迅速降低，两者之间存在一个相对滑动，因此滑块的回退位移必定是小于dx的，此过程为“滑”。
利用两个阶段的差异性，滑块会获得一个净位移。
当这种不对称的锯齿波信号连续地输入到驱动方向所对应的压电陶瓷时，滑块会沿着驱动方向做不停的运动，以此达到大的行程。其驱动原理如图6所示意。
实施例3
按照实施例1中的实施方式将驱动器安装、调节好。
驱动信号时间的确定：选择正向为压电驱动器的驱动方向，向正向驱动压电陶瓷5通以锯齿波信号，锯齿波信号的占空比为90％，信号时间为1min。1min之后正向驱动压电陶瓷5继续保持通电状态，以稳定滑块。测量滑块在1min内的位移，可以计算得到滑块在改锯齿波信号下的速度。
在驱动之前需要明确驱动位移，再根据上一步计算得出的速度再结合需要驱动的位移可以计算出需要通以信号的时间。向选定的压电陶瓷通以相应时间长短的信号，在信号完毕后需要将压电陶瓷继续保持通电状态，以稳定滑块，以便进行进一步的操作。
需要注意的是，以上实施例是为了清楚描述本发明的实施方式，并不能作为本发明的限制条件，在不背离本发明的精神或基本特征的情况下所作的修改、等同替换、重新组合等操作，都在本发明权利的保护范围之内，本发明的保护范围由所附权利要求而非上述说明限定。
Claims (10)
1.一种实现双向驱动的粘滑式压电驱动器，其特征在于，所述驱动器包括导轨(1)和滑块(2)组成的导轨滑块模组、柔顺驱动机构(3)、正向驱动压电陶瓷(4)、负向驱动压电陶瓷(5)、XY微调平台(7)、底座(8)、调节螺钉(9)；
其中，正向驱动压电陶瓷(4)和负向压电驱动陶瓷(5)由调节螺钉(9)固定在柔顺驱动机构上，通过旋动调节螺钉(9)能够将正向驱动压电陶瓷(4)和负向驱动压电陶瓷(5)固定在柔顺驱动机构(3)的压电陶瓷固定槽(19)中，还能够调节驱动压电陶瓷与柔顺驱动机构(3)之间的预紧力；通过调节XY微动平台(7)来调整柔顺驱动机构与滑块之间的接触条件。
2.根据权利要求1所述的一种实现双向驱动的粘滑式压电驱动器，其特征在于，导轨滑块模组包括：导轨(1)、能够在导轨(1)上滑动的滑块(2)、和设置导轨(1)上的滚柱及滚柱保持架(20)。
3.根据权利要求1所述的一种实现双向驱动的粘滑式压电驱动器，其特征在于，柔顺驱动机构包括基座(15)、固定孔组(16)、伪刚体杆(14)、直梁型柔性铰链(17)和正圆形柔性铰链(18)，其中，直梁型柔性铰链(17)包括直梁型柔性铰链一(17a)、直梁型柔性铰链二(17b)；正圆形柔性铰链(18)包括正圆形柔性铰链一(18a)、正圆形柔性铰链二(18b)、正圆形柔性铰链三(18c)；直梁型柔性铰链一(17a)、直梁型柔性铰链二(17b)和正圆形柔性铰链三(18c)为柔性平移铰链，即在柔顺驱动机构(3)变形的过程中会发生平移；正圆形柔性铰链一(18a)、正圆形柔性铰链二(18b)、圆形柔性铰链三(18c)为柔性弯曲铰链，即在柔顺驱动机构(3)变形的过程中会发生弯曲；正圆形柔性铰链三(18c)既为柔性平移铰链，又为柔性弯曲铰链。
4.根据权利要求3所述的一种实现双向驱动的粘滑式压电驱动器，，其特征在于，柔顺驱动机构上的固定孔组(16)位于柔顺驱动机构基座(15)上；直梁型柔性铰链一(17a)、直梁型柔性铰链二(17b)和正圆形柔性铰链一(18a)为伪刚体杆(14)和柔顺驱动机构基座(15)的连接结构；正圆形柔性铰链一(18a)和正圆形柔性铰链二(18b)为伪刚体杆(14)之间的连接结构。
5.根据权利要求1所述的一种实现双向驱动的粘滑式压电驱动器，其特征在于，柔顺驱动机构(3)是对称的一体化结构，且柔顺驱动机构中部留有压电陶瓷安装槽(22)用于压电陶瓷的对正和安装；在调节螺钉(9)和压电陶瓷之间垫有垫片以保护压电陶瓷不受到损伤。
6.根据权利要求1所述的一种实现双向驱动的粘滑式压电驱动器，其特征在于，两块压电陶瓷分别驱动滑块正向和负向运动；其中，正向驱动压电陶瓷通以满足设定条件的锯齿波电压信号时滑块发生正向位移；负向驱动压电陶瓷通以满足设定条件的锯齿波信号时滑块发生负向位移。
7.根据权利要求1所述的双向粘滑式压电驱动器，其特征在于，所述底座(8)应固定于隔振台上，其上有多组固定孔组，XY微动平台(7)和导轨(1)经固定孔固定于基座上，柔顺驱动机构(3)经固定孔固定于XY微动平台(7)上。
8.一种双向粘滑式压电驱动器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、根据驱动方向需求选择负向驱动压电陶瓷(4)或正向驱动压电陶瓷(5)；
步骤2、向选择的驱动压电陶瓷通以锯齿波信号，通以信号的时间长短由需要驱动的位移来控制；
步骤3、驱动到指定位置后压电陶瓷需持续通电以使滑块(2)保持固定，以便于后续操作。
9.根据权利要求8中所述的满足一定条件的锯齿波电压信号为具有一段缓慢上升与一段迅速下降的锯齿波电压信号。
10.根据权利要求9所述的双向粘滑式压电驱动器，其特征在于，当某一块压电陶瓷通以电压信号时，另一块压电陶瓷应处于不工作状态，即不输入电压信号。
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2020
- 2020-06-16 CN CN202010547153.3A patent/CN111711381B/zh active Active
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