CN111726032B - 一种液漂浮式侧压单向微动力压电惯性驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种液漂浮式侧压单向微动力压电惯性驱动器，属于精密运动驱动原件技术领域。它解决了现有的压电驱动器搭载外部负载后导致输出性能改变甚至不能移动的问题。本压电惯性驱动器包括驱动器本体，压板以及压电片设置在支架块的上方，本惯性驱动器还包括箱体、侧被压块、侧顶压块、压力施加部件，箱体内装有液体，支架块的底部固定连接有浮体，浮体的密度小于液体的密度，浮体漂浮在液体上，侧被压块和压力施加部件相对于箱体固定设置。与现有技术相比，本发明能在不进行任何调试的前提下，实现搭载不同质量负载后输出相同步距。

Description

一种液漂浮式侧压单向微动力压电惯性驱动器

技术领域

本发明属于精密运动驱动原件技术领域，涉及一种液漂浮式侧压单向微动力压电惯性驱动器。

背景技术

压电惯性驱动器是利用压电元件产生的惯性冲击力来实现驱动控制或运动的动力输出装置。它的主要目的是将电能转化为动能，通电后压电片产生振动效果，而又由于压电元件具有机构刚度大、位移分辨率高、频率响应快、无电磁干扰以及结构紧凑等特点，因此压电惯性驱动器广泛应用于一些高精密工程及仪器中。

压电惯性驱动器是利用压电片产生的惯性冲击力和与支撑面之间的摩擦力相互配合才能实现定向运动。在非对称波形电信号下激励作用下，压电片会产生正反两个方向大小不同的惯性冲击力。压片产生正向惯性冲击力为为F(正)，压电片产生反向惯性冲击力为为F(反)。压电惯性驱动器与支撑面之间的摩擦力F(摩)。压电片产生的惯性冲击力和与支撑面之间的摩擦力配合会出现以下3中情况(假设F(正)>F(反))：

1、驱动器正向移动(无回退)

当F(正)>F(摩)>F(反)时，驱动器正向移动步距S1，反向移动步距(回退移动步距)S2＝0，驱动器的输出步距S＝S1；因此驱动器连续的向正方向输出位移。

2、驱动器正向移动(有回退)

当F(正)>F(反)>F(摩)时，驱动器正向移动步距S1，反向移动步距(回退移动步距)S2<≠0，驱动器的输出步距S＝S1-S2(S1>S2)；因此驱动器移动过程是能正向移动，但有回退，移动过程是振荡运动而导致输出性能较差。

3、驱动器不能移动

当F(摩)>F(正)>F(反)时，驱动器正向移动步距S1＝0，反向移动步距(回退移动步距)S2＝0，驱动器不能移动。

因此压电惯性直线驱动器与支持面之间的摩擦力F(摩)是决定驱动器输出性能的一个重要因素。根据摩擦力公式F(摩)＝μN，可以通过改变摩擦系数μ或者改变与接触面之间的正压力N。

在做实验的过程中，往往通过改变驱动器质量来改变与接触面之间的正压力N，但发现如果驱动器质量多10克或者少10克都对摩擦力的影响很大。因此目前多数压电惯性直线驱动器调节摩擦力都是通过改变摩擦系数μ的方法。

如申请人曾经在2013年提出了专利号为CN201320378720.2的一种具有犁沟作用的非对称夹持压电惯性驱动器，就是通过在驱动器与支持面之间设计了楔形摩擦足，实现驱动器正向摩擦力系数和反向摩擦系数不一样，实现驱动器正向移动的F(正摩)不等于反向移动的F(反摩)。在该前提下，假设：F(正)>F(反)，通过设计楔形摩擦足的方向使得F(正摩)<F(反摩)。通过改变驱动器质量，就能实现F(正)>F(反)>F(反摩)>F(正摩)或者F(反摩)>F(正)>F(反)>F(正摩),比较容易实现压电惯性直线驱动器定向移动(无回退)。

但是，当压电惯性直线驱动器作为驱动平台搭载了应用部件(如显微镜、手术刀等高精密物体)后，由于应用部件存在质量，会改变压电惯性直线驱动器(搭载了应用部件后)总质量变大，使得其与支持面之间的正压力N变大，导致压电惯性直线驱动器(搭载了应用部件后)与支持面之间的F(摩)变大，且搭载不同质量的外部部件后F(摩)不同。F(摩)变大会直接影响压电惯性直线驱动器的步距，甚至当负载质量足够大的时候，会产生F(摩)＞F(正)＞F(反)的情况，这时压电惯性直线驱动器无法移动。通过改变摩擦系数μ的方法来调节与支持面之间摩擦力，很难确定搭载了负载后使用什么摩擦系数；如果通过改变驱动器质量的方法改变与接触面之间的正压力，也很难实现能去除驱动器的质量刚好等于负载的质量。

因此，当压电惯性直线驱动器作为驱动平台进行推广应用时，存在外部负载导致压电惯性直线驱动器输出性能改变甚至不能移动的问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有的压电驱动器搭载外部负载后导致输出性能改变甚至不能移动的问题，而提出的一种液漂浮式侧压单向微动力压电惯性驱动器。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：

一种液漂浮式侧压单向微动力压电惯性驱动器，包括驱动器本体，驱动器本体包括支架块、固定设置在支架块上的压板、边沿夹固在压板上的压电片，压电片上电性连接有非对称波形电信号，其特征在于：压板以及压电片设置在支架块的上方，本惯性驱动器还包括箱体、侧被压块、侧顶压块、压力施加部件，箱体内装有液体，支架块的底部固定连接有浮体，浮体的密度小于液体的密度，浮体漂浮在液体上，侧被压块和压力施加部件相对于箱体固定设置，支架块处于侧顶压块和侧被压块之间，支架块的两侧面均为平面，侧被压块朝向支架块的侧面为平面，侧顶压块朝向支架块的侧面为平面，支架块的两侧平面分别与侧顶压块及侧被压块的平面贴合，支架块与侧被压块以及支架块与顶被压块的贴合面始终具有固定数值的同一摩擦系数，侧顶压块与压力施加部件连接并在压力施加部件作用下向支架块施加侧向压力。

在上述的一种液漂浮式侧压单向微动力压电惯性驱动器中，所述的侧被压块上与支架块的接触平面上设有压力传感器。

在上述的一种液漂浮式侧压单向微动力压电惯性驱动器中，所述的液体为水，浮体为泡沫块。

与现有技术相比，本发明通过压力施加部件来调整侧被压块上与支架块的接触平面间的F(压)，最终调整驱动器本体的步距；另外，通过液体提供的浮力来保证驱动器本体始终处于漂浮状态，在不需要进行任何调试的前提下，驱动器本体就能实现搭载不同重量负载后输出相同步距。

附图说明

图1是本液漂浮式侧压单向微动力压电惯性驱动器的结构原理示意图；

图中，1、驱动器本体；2、支架块；3、压板；4、压电片；5、箱体；6、侧被压块；7、侧顶压块；8、压力施加部件；9、浮体；10、压力传感器。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

如图1所示，本液漂浮式侧压单向微动力压电惯性驱动器，包括驱动器本体1，驱动器本体1包括支架块2、固定设置在支架块2上的压板3、边沿夹固在压板3上的压电片4，压电片4上电性连接有非对称波形电信号。

运作过程中，通过非对称波形电信号下激励压电片4，使压电片4产生正反两个方向大小不同的惯性冲击力。

压板3以及压电片4设置在支架块2的上方，本惯性驱动器还包括箱体5、侧被压块6、侧顶压块7、压力施加部件8，箱体5内装有液体，支架块2的底部固定连接有浮体9，浮体9的密度小于液体的密度，浮体9漂浮在液体上，侧被压块6和压力施加部件8相对于箱体5固定设置，支架块2处于侧顶压块7和侧被压块6之间，支架块2的两侧面均为平面，侧被压块6朝向支架块2的侧面为平面，侧顶压块7朝向支架块2的侧面为平面，支架块2的两侧平面分别与侧顶压块7及侧被压块6的平面贴合，支架块2与侧被压块6的以及支架块2与顶被压块贴合面始终具有固定数值的同一摩擦系数，侧顶压块7与压力施加部件8连接并在压力施加部件8作用下向支架块2施加侧向压力。

为了直观地观测出压力施加部件8对支架块2施加压力的大小，本设计还在侧被压块6上与支架块2的接触平面上设置了压力传感器10。

在简单的实验过程中，为了简化数据，申请人采用的液体为水，而浮体9为泡沫块，但是在真正运用过程中，液体与浮体9的物质选择要经过严谨地多方面实验，不过不管如何选择，采用液体与浮体9的形式都会极大地节省成本。

平时，浮体9漂浮在液体上，在没有外力的情况下静止不动(因为侧被压块6与支架块2的接触面具有静摩擦力，所以驱动器本体1只会静止不动，而不会产生理想状态下无外力的匀速运动状态)，当驱动器本体1负载一定重量范围内的应用部件后，只要保证浮体9只是下移一定高度而不会被完全浸没，不会沉入到液体中里，那么驱动器本体1平衡后在竖直方向上的合力就会为0，也就不再需要考虑驱动器本体1竖直方向上受力的影响因素。

基于以上结构原理，压力施加部件8通过侧顶压块7施加给支架块2的侧压力，会以完全一致的数值传递给侧被压块6，而又因为支架块2与侧被压块6的贴合面始终具有固定数值的同一摩擦系数，在该前提下，假设：

支架块2与侧被压块6、侧顶压块7的贴合面的摩擦系数分别为μ(1)和μ(2)，通过压力施加部件8施加给侧被压块6的压力为F(压)，压电片4振子产生正向惯性冲击力为F(正)，压电片4振子产生反向惯性冲击力为F(反)，且F(正)＞F(反)，μ(1)+μ(2)＝μ，支架体与侧被压块6之间的摩擦力F(摩)＝μ·F(压)。

通过压力施加部件8调整F(压)的数值，使F(正)＞F(摩)＞F(反)，可以保证驱动器本体2进行定向运动。

并且，当F(压)的数值精确以后，通过数学的的微积分计算是能够准确的得到驱动器本体2在该有限时间内步进的距离。

以上调试过程中通过压力传感器11能够直观的看到F(压)的数值，这样调试员在调试的过程中更为方便，并且将这个读数导入到外接的计算器中，并对该计算器进行公式输入，可以精准地获得该情况下驱动器的单次步进距离。

本发明能够解决压电惯性驱动器作为驱动平台进行推广应用时，存在外部负载导致压电惯性直线驱动器输出性能改变甚至不能移动的问题，展开来说，重点在于：

①在驱动器本体1的重量因素不会造成影响的前提下，可以通过压力施加部件8来调整F(压)，将驱动器本体1与接触面之间的F(摩)控制在F(正)和F(反)之间，保证驱动器本体1进行定向运行。

②在侧被压块6上与支架块2的接触平面上设置了压力传感器10后，通过压力传感器10表达出的数值可以直观地看出F(压)的实际大小，这样调试员在对压力施加部件8调试的过程中更为方便，并且将这个读数导入到外接的计算器中，并在该计算器进行公式计算，可以获得该情况下驱动器本体1的步距。

③当驱动器搭载不同重量的负载时，驱动器本体1(带负载)总质量会产生变化，但因为驱动器本体1(带负载)的重力被液体给予的浮力所克服形成平衡状态，重力因素就不会影响驱动器本体1的步进速率，所以在更换不同重量的应用部件时，不需要进行任何调试，驱动器本体1就能实现搭载不同重量负载后输出相同步距。

其中，③所述的创新点在一些特定的应用过程中具有明显的优势，例如：

原来在驱动器本体1上装配着重量为200g的手术刀A，之后卸载了手术刀A并重新装备上了重量为300g的手术刀B，它们两者的重量都是之前所提到的重量范围内，那么不需要进行调试(这里的调试指的是通过压力施加部件9改变F(摩)的数值)，手术刀A和手术刀B的输出步距就是完全一致的，可以节省调试过程中所消耗的时间，特别是对于手术这种争分夺秒的过程，进步意义显著。

总之，采用液体和浮体相互漂浮的原理，排除驱动器本体1的重力影响因素，调试过程简洁，而且液体和浮体9的成本低廉，且应用过程中不需要提供额外的能量，节能环保。

特别值得注意的是，以上论述分析过程中应该是处于理想状态下，但是实际应用过程中难免难以真正实现所谓的理想状态，但是也要尽量克服外界因素带来的干扰。

应该理解，在本发明的权利要求书、说明书中，所有“包括……”均应理解为开放式的含义，也就是其含义等同于“至少含有……”，而不应理解为封闭式的含义，即其含义不应该理解为“仅包含……”。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (3)

1.一种液漂浮式侧压单向微动力压电惯性驱动器，包括驱动器本体(1)，驱动器本体(1)包括支架块(2)、固定设置在支架块(2)上的压板(3)、边沿夹固在压板(3)上的压电片(4)，压电片(4)上电性连接有非对称波形电信号，通过非对称波形电信号下激励压电片(4)，使压电片(4)产生正反两个方向大小不同的惯性冲击力，其特征在于：压板(3)以及压电片(4)设置在支架块(2)的上方，本惯性驱动器还包括箱体(5)、侧被压块(6)、侧顶压块(7)、压力施加部件(8)，箱体(5)内装有液体，支架块(2)的底部固定连接有浮体(9)，浮体(9)的密度小于液体的密度，浮体(9)漂浮在液体上，侧被压块(6)和压力施加部件(8)相对于箱体(5)固定设置，支架块(2)处于侧顶压块(7)和侧被压块(6)之间，支架块(2)的两侧面均为平面，侧被压块(6)朝向支架块(2)的侧面为平面，侧顶压块(7)朝向支架块(2)的侧面为平面，支架块(2)的两侧平面分别与侧顶压块(7)及侧被压块(6)的平面贴合，支架块(2)与侧被压块(6)以及支架块(2)与顶被压块的贴合面始终具有固定数值的同一摩擦系数，侧顶压块(7)与压力施加部件(8)连接并在压力施加部件(8)作用下向支架块(2)施加侧向压力。

2.根据权利要求1所述的一种液漂浮式侧压单向微动力压电惯性驱动器，其特征在于：所述的侧被压块(6)上与支架块(2)的接触平面上设有压力传感器(10)。

3.根据权利要求1或2所述的一种液漂浮式侧压单向微动力压电惯性驱动器，其特征在于：所述的液体为水，浮体(9)为泡沫块。

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