CN111854663A - 一种压电螺纹驱动式一维定位平台 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种压电螺纹驱动式一维定位平台，属于精密驱动与定位技术领域。包括定位工作台、升降机构、驱动机构和基座；驱动机构为由定子和转子组成的压电螺纹驱动器；定子由四个结构相同的压电换能器和法兰螺母组成，转子为螺杆；四个压电换能器位于基座内，且分别通过柔性铰链连接着螺母座的外圆周；法兰螺母固定在螺母座轴向一端，法兰螺母与螺杆配合连接；螺杆的上端与定位工作台的底面接触；当采用两组频率相同、幅值相同、且相位差为π/2的正弦交流电压，作为两组形成正交排列的四个压电换能器的驱动信号时，驱动螺杆获得转动速度，产生顺时针或逆时针方向的旋转运动，并转换成轴向的直线运动，从而推动定位工作台产生向上或向下的升降运动。
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，它是一种压电螺纹驱动式一维定位平台。
背景技术
传统三坐标测量机的定位平台大多利用电磁电机做为驱动部件，常使用的是直流伺服电机。直流伺服电机具有良好的伺服特性和较宽的调速范围，但是结构比较复杂，设备成本较高，且在工作过程中较易收到磁场干扰。与传统电磁电机相比，压电电机具有结构简单、响应快、无电磁干扰、断电自锁等特点，在精密定位系统中得到了广泛应用，在其中应用最为广泛的为尺蠖型压电电机。尺蠖型压电电机主要由预紧机构、切向压电制动器、纵向压电制动器、滑块组成。以该类型压电电机为驱动源的精密定位系统能达到较高的定位精度，且结构相较于电磁定位平台而言并不复杂，成本也相对较低，且比如结构简单、无电磁干扰等，因此能很好地弥补传统电磁定位系统的不足，也有利于满足未来机电系统微型化、集成化的要求。
但是尺蠖型压电电机一般工作在准静态下，机电转换效率较低，且驱动复杂。而且尺蠖压电定位系统的定位行程短仅为毫米级别、定位速度小在10mm/s之内，驱动力较小，整体限制较多，降低了压电电机在定位系统中的应用场景。
随着定位系统的不断发展，其所需的性能指标越来越多样化，对于光学定位平台，稳定性好，定位精度高是它的基本要求，对于较大的定位行程和较快的定位速度要求不高；而在一些高精度机械加工系统中，常常要求马达能够在低转速下提供高输出力，同时满足定位精度的要求，并且能够提供大定位行程。随着压电马达技术的不断发展，压电马达在定位平台上的应用潜力被不断挖掘。因此如何突破压电马达的应用局限，以扩展其在定位系统中的应用范围，以满足多样化的定位需求，成为近些年来人们研究的热点。
发明内容
为了实现更大的轴向输出力、更快的定位速度以及更大的定位行程，并满足较高的定位精度，以拓展压电马达在定位系统中的应用范围，本发明提供一种压电螺纹驱动式一维定位平台。
一种压电螺纹驱动式一维定位平台包括定位工作台1、升降机构、驱动机构和基座6；所述定位工作台1为四边形；所述升降机构包括四根升降轴3，四根升降轴3均布在基座6的周边上，每根升降轴上设有滑块2；所述定位工作台1的四个角分别固定连接着对应的滑块2，定位工作台1位于基座6的上方；所述驱动机构位于基座6内。
所述驱动机构为压电螺纹驱动器7，所述压电螺纹驱动器7由定子和转子组成；所述定子由四个结构相同的压电换能器、螺母座75和法兰螺母76组成，所述四个压电换能器为第一压电换能器71、第二压电换能器72、第三压电换能器73和第四压电换能器74,两个一组形成正交排列；所述转子为螺杆77；两组形成正交排列的四个压电换能器的一侧外部分别通过柔性铰链751连接着螺母座75的外圆周，四个压电换能器的另一侧分别固定连接着基座6内壁；螺母座75的轴向一端固定设有法兰螺母76，法兰螺母76配合连接在螺杆77上；螺杆77的上端与定位工作台1的底面接触；
当采用两组频率相同、幅值相同、且相位差为π/2的正弦交流电压，作为两组形成正交排列的四个压电换能器的驱动信号时，驱动螺杆77获得转动速度，产生顺时针或逆时针方向的旋转运动，并转换成轴向的直线运动，从而推动定位工作台1产生向上或向下的升降运动。
进一步限定的技术方案如下：
所述压电换能器包括位移放大件712和压电叠堆711，所述位移放大件712为菱形框架状构件，其中一条对角线为长对角线，另一条对角线为短对角线，所述压电叠堆711固定设于位移放大件712内的长对角线上；与短对角线两端对应的位移放大件712外侧分别设有凸台；所述压电换能器通过一侧的凸台和柔性铰链的连接位于螺母座75的外周，压电换能器通过另一侧的凸台固定连接着基座6内壁。
所述螺母座75为圆环状，螺母座75的外圆周上均布设有的四个柔性铰链751均为直角型柔性铰链；所述法兰螺母76固定设有螺母座75的轴向上端面。
所述螺杆77的外螺纹和法兰螺母76的内螺纹均为梯形螺纹，牙型角为20°，导程为2mm。
所述螺杆77的上端和定位工作台1的底面均设有橡胶材料，且在接触部位之间设有润滑油，以减轻螺杆77旋转驱动过程中的摩擦损耗。
所述压电叠堆711由若干片的压电陶瓷薄片粘接而成，且表面绝缘处理。
所述基座6的材料为45号钢，所述螺杆77的材料为合金钢，所述法兰螺母76的材料的黄铜，所述位移放大件712的材料和螺母座75的材料均为锰钢，所述定位工作台1的材料为聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）。
本发明的有益技术效果体现在以下方面：
1.与仅能工作在准静态模式下的基于尺蠖型压电马达的一维定位平台相比，本发明一维定位平台中的压电螺纹驱动器能够工作在谐振状态下，驱动器工作在谐振状态时有利于提高定位平台的定位速度以及负载性能，同时还有较大的定位行程，作为这个实施例，定位速度为10.5mm/s，输出力为17.2N，定位行程可达到100mm，这几项性能参数都远好于如今常用的尺蠖型压电马达一维定位平台，除此之外，压电叠堆工作在谐振状态下还能提高系统机电转换的效率。本发明在保持传统压电定位平台结构简单，抗电磁干扰，响应快的基础上，解决了其驱动复杂，驱动力小，定位行程短的问题。同时本发明兼具两种驱动模式：准静态和谐振状态，解决了传统大行程精密定位平台需要两套驱动系统而造成的结构复杂，体积大，成本高的问题。
2.该压电螺纹驱动式一维定位平台采用四个压电换能器、八个压电叠堆进行驱动，压电螺纹驱动器工作在谐振状态时可以实现较大的轴向输出力，同时定位行程仅与直线光轴的长度有关，因此该定位平台可以实现大输出力、大行程的一维快速定位，能够拓展压电定位平台的使用场景，适合使用在对输出力或者定位行程有较大需求的定位系统中，除此之外，本发明中一维定位平台所使用的压电螺纹驱动器的定子设计成中心对称结构，装配简单，保证了输出性能的同时相较于尺蠖型压电马达简化了整体驱动过程，有利于后续驱动器部分的微型化、集成化设计。
3.本发明中所应用的压电螺纹驱动器除了能够工作在谐振状态下以外，还能工作在准静态下，驱动器工作在准静态时有利于提高一维定位平台的定位精度，定位精度可达到微米级，能够实现毫米级定位行程内的精准定位，本发明中压电螺纹驱动器能够在两种工作模式下切换，拓宽了该定位平台的应用场景。
4.当电机空载，处于230V、365Hz的交流驱动电压下，电机螺杆的移动速度可达到10.53mm/s.当电机负载17.19 N，处于230V、365HZ的交流驱动电压下，可保持2.87 mm/s的稳定上升速度，在相同载荷下下降速度仍然可以达到4.82 mm/s。平台的定位精度测试表明该定位平台的位移分辨力约为20.7μm。
通过工作机理分析：该定位平台的电机利用四个压电换能器驱动螺母产生椭圆运动，使得螺母的螺纹在螺杆上产生摩擦，通过摩擦力驱动螺杆，进而推动螺杆旋转推出。换能器有堆叠和放大位移机构组成，本发明所使用的堆叠由多块压电陶瓷片组成，在同等电压下提供单块数十倍的位移输出，本发明所使用的放大位移机构能将堆叠产生的位移进一步放大。压电换能器与螺母通过直角型柔性铰链相连，在产生形变传递运动时能在小范围内实现弹性回复，具有运动平稳、无需润滑等优点。螺杆的外螺纹与法兰螺母的内螺纹可以组成螺纹传动部分，能够将法兰螺母在定子平面上的椭圆振动转换成螺杆的直线运动，将马达的输出力进行放大，实现较大轴线输出力的同时又能提高运动的平稳性。
附图说明
图1为一种压电螺纹驱动式一维定位平台的整体结构示意图。
图2为压电螺纹驱动器的结构示意图。
图3为压电换能器的结构示意图。
图4为螺母座的结构示意图。
图5为压电螺纹驱动器中螺纹驱动部分原理图。
图6为转子螺杆与定位工作平台传动示意图。
图7为压电螺纹驱动器中四个压电换能器的驱动信号图。
图8为压电螺纹驱动器在x轴正方向振动最大时的运动示意图。
图9为压电螺纹驱动器在y轴正方向振动最大时的运动示意图。
图10为压电螺纹驱动器在x轴负方向振动最大时的运动示意图。
图11为压电螺纹驱动器在y轴负方向振动最大时的运动示意图。
上图中序号：定位工作台1、滑块2、升降轴3、固定支撑座4、矩形底座5、基座6、压电螺纹驱动器7、第一压电换能器71、第二压电换能器72、第三压电换能器73、第四压电换能器74、压电叠堆711、菱形位移放大件712、凸台713、螺母座75、柔性铰链751、法兰螺母76、转子螺杆77。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种压电螺纹驱动式一维定位平台包括定位工作台1、升降机构、驱动机构和基座6。定位工作台1为四边形。升降机构包括四根升降轴3，四根升降轴3分别通过矩形底座5和固定支撑座4均布在基座6的周边上，每根升降轴3上固定安装有滑块2，滑块2为直线轴承式箱式滑块。定位工作台1的四个角分别固定连接着对应的滑块2，定位工作台1水平位于基座6的上方；驱动机构位于基座6内。
参见图2，驱动机构为压电螺纹驱动器7，压电螺纹驱动器7由定子和转子组成；定子由四个结构相同的压电换能器、螺母座75和法兰螺母76组成，四个压电换能器分别为第一压电换能器71、第二压电换能器72、第三压电换能器73和第四压电换能器74,两个一组形成正交排列，为完全的中心对称结构。参见图3，压电换能器包括位移放大件712和压电叠堆711。位移放大件712为菱形框架状构件，其中一条对角线为长对角线，另一条对角线为短对角线。压电叠堆711由26片尺寸为10mm×10mm×0.7mm的压电陶瓷薄片粘接而成，且表面表面绝缘处理，压电叠堆711固定安装在位移放大件712内的长对角线上。菱形框架状的位移放大机构712在压电换能器中有两个作用，第一可以将压电叠堆711大输出力、低输出位移的特性进行转化，实现大位移输出，第二在压电叠堆711装配时可以给予其合适的预紧力，防止压电叠堆711在工作过程中发生断裂现象。与短对角线两端对应的位移放大件712外侧分别设有凸台713，两组形成正交排列的四个压电换能器通过一侧外部的凸台713和柔性铰链的连接位于螺母座75的外周，四个压电换能器通过另一侧外部的凸台713固定连接着基座6内壁。参见图4，螺母座75为圆环状，螺母座75的外圆周上均布设有的四个悬臂结构的柔性铰链751，柔性铰链751均为直角型柔性铰链。柔性铰链751的中部较为薄弱，在力矩的作用下可以产生较明显的弹性角变形，它与一般铰链的区别主要体现在没有机械结构上的空隙，并且具有弹性恢复力，因此消除了运动中的摩擦和回退空程，具有运动平稳、无需润滑、无摩擦、高精度等优点，因此利用四个柔性铰链751是传递位移放大件712输出位移最适宜的方法。法兰螺母76固定设有螺母座75的轴向上端面。转子为螺杆77，螺杆77的外螺纹和法兰螺母76的内螺纹均为梯形螺纹，牙型角为20°，导程为2mm。螺母座75的轴向一端固定连接着法兰螺母76，法兰螺母76配合连接在螺杆77上。参见图6，螺杆77的上端与定位工作台1的底面接触，螺杆77的上端和定位工作台1的底面均设有橡胶材料，且在接触部位之间设有润滑油，以减轻螺杆77旋转驱动过程中的摩擦损耗。
本发明的工作模式详细说明如下：
各种行波压电电机中，基本原理就是利用弯曲行波产生椭圆振动，本发明中的压电螺纹驱动器7就是利用如图3所示的两对相对的压电换能器（x、y方向的两对压电换能器71、73和72、74），激发出频率、幅值相同且在时空相位上都相差π/2的两列驻波，再将两列驻波叠加形成弯曲行波。
本发明中的压电螺纹驱动器7为完全的中心对称结构，因此不需要经过特殊的设计便可以达到很好的阻抗匹配，且四个压电换能器的谐振频率几乎相同，因此可以较为容易地实现驱动的简化，第一压电换能器71、第三压电换能器73在x方向产生驻波振动，同理，第二压电换能器72、第四压电换能器74在y方向产生驻波振动，两组换能器在位置上采用正交排列，因此满足空间相位条件，以压电螺纹驱动器7工作在谐振状态下为例，当采用两组频率相同，幅值相同且相位差为π/2的正弦交流电压作为两组压电换能器的驱动信号时，法兰螺母76内螺纹面上的任意一点P产生XY平面上的椭圆振动，如图5所示，在一定的预压力（比如螺杆77自身重力）的作用下，螺杆77的外螺纹与法兰螺母76内螺纹接触，当法兰螺母76运动到椭圆轨迹的边界点时，内外螺纹面紧密接触，二者之间的摩擦力成为推动螺杆77旋转的驱动力，使得螺杆77获得一个转动速度Vt，考虑到摩擦力传动带来的磨损，该速度小于椭圆运动在该点处x方向的切向速度。螺杆77获得转动速度后产生顺时针或逆时针方向的旋转运动，并转换成z轴方向上的直线运动，从而推动定位工作台1产生向上或向下的运动。
下面具体说明一下压电螺纹驱动器7的定子在一个整周期内的振动过程，图7为压电螺纹驱动器7的定子运动过程中施加在四个压电换能器上的一个周期内的驱动信号，当相对电压的值为最大时，表明此时对应的压电换能器达到伸展最大的状态，反之为收缩最大的状态，图9-11说明了本发明中压电螺纹驱动器7的定子在一个周期内的振动过程，当施加在四个压电换能器71-74的驱动信号为一个周期内初始时刻的信号时，即t=nT，此时第一压电换能器71达到最大伸展状态，同时第三压电换能器73为最大收缩状态，此时压电螺纹驱动器7定子的振动状态如图9所示，定子中的法兰螺母76在x轴正方向上有最大的振动位移；经过四分之一周期后，第二压电换能器72上的驱动信号相对电压达到最大，同时第四压电换能器74上的驱动信号相对电压为最小，此时第二压电换能器72达到最大伸展状态，第四压电换能器74达到最大收缩状态，此时压电螺纹驱动器7的定子振动状态如图10所示，定子中的法兰螺母76在y轴正向达到最大的振动位移；经过半个周期时，即t=nT+1/2T，此时第三压电换能器73的驱动电压达到最大，而第一压电换能器71的驱动电压为最小，此时压电螺纹驱动器7的定子振动状态如图11所示，定子中的法兰螺母76在x轴负方向达到最大的振动位移；同理，经过四分之三个周期时，压电螺纹驱动器7定子中的法兰螺母76在y轴负方向达到最大的振动位移。在驱动信号的整个作用周期内，压电螺纹驱动器7中的法兰螺母76按照图9-11的顺序完成逆时针旋转，以这四个特殊时刻为例，在图9-11中法兰螺母76上的黑点标记处及其旁边的小部分区域会和螺杆77紧密接触，通过摩擦力将椭圆运动在该点处的切向速度传递给螺杆77，从而使螺杆77转动，实现z轴方向上的直线运动。
通过改变压电螺纹驱动器7中第一压电换能器71、第三压电换能器73和第二压电换能器72、第四压电换能器74的相位差，可以改变弯曲行波的振动方向，即能够使压电螺纹驱动器7中的法兰螺母76按照顺时针的方向旋转，驱动转子螺杆77产生相反方向的旋转运动，进而使得定位工作台1产生反方向的直线运动。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种压电螺纹驱动式一维定位平台，包括定位工作台（1）、升降机构、驱动机构和基座（6）；所述定位工作台（1）为四边形；所述升降机构包括四根升降轴（3），四根升降轴（3）均布在基座（6）的周边上，每根升降轴上设有滑块（2）；所述定位工作台（1）的四个角分别固定连接着对应的滑块（2），定位工作台（1）位于基座（6）的上方；所述驱动机构位于基座（6）内，其特征在于：
所述驱动机构为压电螺纹驱动器（7），所述压电螺纹驱动器（7）由定子和转子组成；所述定子由四个结构相同的压电换能器、螺母座（75）和法兰螺母（76）组成，所述四个压电换能器为第一压电换能器（71）、第二压电换能器（72）、第三压电换能器（73）和第四压电换能器（74）,两个一组形成正交排列；所述转子为螺杆（77）；两组形成正交排列的四个压电换能器的一侧外部分别通过柔性铰链（751）连接着螺母座（75）的外圆周，四个压电换能器的另一侧分别固定连接着基座（6）内壁；螺母座（75）的轴向一端固定设有法兰螺母（76），法兰螺母（76）配合连接在螺杆（77）上；螺杆（77）的上端与定位工作台（1）的底面接触；
当采用两组频率相同、幅值相同、且相位差为π/2的正弦交流电压，作为两组形成正交排列的四个压电换能器的驱动信号时，驱动螺杆（77）获得转动速度，产生顺时针或逆时针方向的旋转运动，并转换成轴向的直线运动，从而推动定位工作台（1）产生向上或向下的升降运动。
2.根据权利要求1所述的一种压电螺纹驱动式一维定位平台，其特征在于：所述压电换能器包括位移放大件（712）和压电叠堆（711），所述位移放大件（712）为菱形框架状构件，其中一条对角线为长对角线，另一条对角线为短对角线，所述压电叠堆（711）固定设于位移放大件（712）内的长对角线上；与短对角线两端对应的位移放大件（712）外侧分别设有凸台；所述压电换能器通过一侧的凸台和柔性铰链的连接位于螺母座（75）的外周，压电换能器通过另一侧的凸台固定连接着基座（6）内壁。
3.根据权利要求1或2所述的一种压电螺纹驱动式一维定位平台，其特征在于：所述螺母座（75）为圆环状，螺母座（75）的外圆周上均布设有的四个柔性铰链（751）均为直角型柔性铰链；所述法兰螺母（76）固定设有螺母座（75）的轴向上端面。
4.根据权利要求1所述的一种压电螺纹驱动式一维定位平台，其特征在于：所述螺杆（77）的外螺纹和法兰螺母（76）的内螺纹均为梯形螺纹，牙型角为20°，导程为2mm。
5.根据权利要求1所述的一种压电螺纹驱动式一维定位平台，其特征在于：所述螺杆（77）的上端和定位工作台（1）的底面均设有橡胶材料，且在接触部位之间设有润滑油，以减轻螺杆（77）旋转驱动过程中的摩擦损耗。
6.根据权利要求1所述的一种压电螺纹驱动式一维定位平台，其特征在于：所述压电叠堆（711）由若干片的压电陶瓷薄片粘接而成，且表面绝缘处理。
7.根据权利要求1所述的一种压电螺纹驱动式一维定位平台，其特征在于：所述基座（6）的材料为45号钢，所述螺杆（77）的材料为合金钢，所述法兰螺母（76）的材料的黄铜，所述位移放大件（712）的材料和螺母座（75）的材料均为锰钢，所述定位工作台（1）的材料为聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）。
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