CN111969889B - 一种基于悬臂梁结构的惯性冲击直线压电马达 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于悬臂梁结构的惯性冲击直线压电马达，属于精密驱动与定位技术领域。包括基座、立杆、压电叠堆、导杆和移动滑块；基座的水平块外端下部通过柔性铰链连接着立杆的下端，立杆的上部固定连接着导杆的一端，导杆的另一端呈悬臂状，移动滑块滑动配合设于导杆上；压电叠堆平行位于基座水平块的上方，且固定连接在立杆的中部和基座的竖直块之间；工作时，压电叠堆未通电处于初始长度；压电叠堆通电在正向锯齿波频率电压的作用下，带动立杆的上部摆动，驱动移动滑块发生沿导杆的静摩擦移动；当压电叠堆恢复至初始长度时，移动滑块完成一个步距ΔH的移动，此时完成一个正向周期运动；在反向锯齿波频率电压的作用下，移动滑块实现反向移动。
Description
技术领域
本发明属于精密驱动与定位技术领域，具体涉及一种惯性冲击直线压电马达。
背景技术
压电马达是一种利用逆压电效应进行机电能量转换的一种驱动机构，因其的优越特点，广泛应用于生物医疗器械、精密定位系统、电子扫描技术等领域。压电马达结构样式很多，主要可分为惯性冲击马达、超声马达和尺蠖马达等。
惯性冲击压电马达，利用惯性冲击来实现微位移，也被称作“粘滑驱动器”。中国科技大学Qiaosheng Pan等人研制的惯性冲击马达，马达设计成类H型结构，仿造人在攀岩时的手脚动作完成整体的单向运动，但结构复杂，零件多达21个，多采用螺栓紧固配合不易装配，且只能实现单向运动，其位移分辨率为17.8μm，位移分辨率不高。
发明内容
针对天文观测时光纤扫描定位的结构简单、容易装配、位移分辨率高、运行速度均匀平稳，负载能力适合，步距精确的需求，设计了一种基于悬臂梁结构的惯性冲击直线压电马达。
一种基于悬臂梁结构的惯性冲击直线压电马达包括基座1、立杆2、压电叠堆3、导杆4和移动滑块5；
所述基座1为角钢形的块状，基座1的水平块外端下部通过柔性铰链连接着立杆2的下端，立杆2呈直立状，立杆2的上部固定连接着导杆4的一端，导杆4的另一端呈悬臂状，所述移动滑块5滑动配合设于导杆4上；
所述压电叠堆3平行位于基座1水平块的上方，压电叠堆3的一端固定连接着立杆2的中部，压电叠堆3的另一端固定连接着基座1的竖直块；
工作时，压电叠堆3未通电处于初始长度；压电叠堆3通电，在正向锯齿波频率电压的作用下，压电叠堆3通过压电片的逆压电效应的伸缩效果带动立杆2的上部摆动，驱动移动滑块5发生沿导杆4的静摩擦移动；当压电叠堆3恢复至初始长度时，移动滑块5完成一个步距ΔH的移动，此时完成一个正向周期运动；在反向锯齿波频率电压的作用下，移动滑块5实现反向移动。
进一步限定的技术方案如下：
所述立杆2为横截呈椭圆形的圆柱杆；立杆2的下部设有柔性铰链，所述柔性铰链由横截为圆弧形的外凹槽21和内凹槽22构成，外凹槽21和内凹槽22为半径相同的圆弧槽，二者之间的间距小于圆弧槽的弦长；所述内凹槽22位于与基座1的水平块对应的立杆2上，所述外凹槽21位于与内凹槽22相反的立杆2上。
所述立杆2的长度为12.3mm，截面的椭圆形的短轴长为0.2mm，长轴长为1.513mm，焦点距离为3mm；所述柔性铰链的圆弧槽的半径为0.25mm，圆弧槽的弦长为0.5mm；外凹槽21和内凹槽22之间的间距为0.2mm。
所述移动滑块5包括上滑块54、下滑块55、弹簧52和预紧螺栓53；所述上滑块54和下滑块55上下对应配合，上滑块54的对合面中部设有与导杆4配合的限位凹槽；对应配合的上滑块54和下滑块55一侧之间由定位销连接，对应配合的上滑块54和下滑块55另一侧之间由预紧螺栓53固定连接；所述弹簧52套设在上滑块54外部的预紧螺栓53上。
所述导杆4的横截面为半圆形；所述上滑块54和下滑快55均为矩形块，上滑块54上的限位凹槽为半圆柱槽，导杆4与半圆柱槽配合，确保移动滑块5在导杆4上不发生翻转。
所述压电叠堆3由压电陶瓷片堆叠制成，压电陶瓷片尺寸为10×10×0.7mm，压电叠堆3两端通过环氧树脂胶粘接于基座1与立杆2之间，作为激励元件。
本发明的有益技术效果体现在以下方面：
1.本发明采用一种基于悬臂梁结构的惯性冲击直线马达，利用移动滑块和导轨间的静摩擦力与立杆摆动时移动滑块的惯性力来实现移动滑块的双向运动，极大的提高了马达的位移分辨率；本发明惯性冲击直线压电马达的运行速度均匀平稳，结构设计能使行程充分发挥，负载能力适合。在预紧力为0.2 N，驱动信号为锯齿波偏置一半，当电压是60 Vp-p（600 Hz）时，马达无负载速度为1.83 mm/s，当电压是15 Vp-p时，马达的位移分辨率为0.8μm；当预紧力为0.4 N、驱动信号为60 Vp-p（600 Hz）时，马达最大负载为0.18 N；行程45mm。
2.本发明结构简单，装配方便。发明整体仅包含9个零件，选用叠层压电材料作为驱动元件，压电材料为压电陶瓷PZT-4。
3.本发明的移动滑块通过预紧螺栓施加一个与导杆之间的预紧力，在立杆向左摆动时由于预紧力的作用，滑块与导杆间不产生相对运动，而当立杆快速向右摆动时，由于移动滑块的向左的惯性力大于预紧力，从而使滑块与导轨间产生了向左的相对运动，产生一个稳定的步距，重复上述过程，最终产生一个步距平稳的向左运动，将锯齿波驱动电压反向，可实现反向运动。所以本发明步距平稳精确，且可实现双向运动。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为移动滑块结构示意图。
图3为本发明工作过程动作图。
图4为本发明工作过程位移图。
图1-图2中序号：基座1、立杆2、外凹槽21、内凹槽22、压电叠堆3、导杆4、移动滑块5、预紧螺母51、弹簧52、预紧螺栓53、上滑块54、下滑块55。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。
参见图1，一种基于悬臂梁结构的惯性冲击直线压电马达包括基座1、立杆2、压电叠堆3、导轨4与移动滑块5。
由图1可见，基座1为角钢形的块状，基座1的水平块外端下部固定连接着立杆2的下端。
立杆2为横截呈椭圆形的圆柱杆；立杆2下部的近下端处设有柔性铰链，柔性铰链由横截为圆弧形的外凹槽21和内凹槽22构成，外凹槽21和内凹槽22为半径相同的圆弧槽，外凹槽21和内凹槽22之间的间距小于圆弧槽的弦长为0.2mm；圆弧槽的半径为0.25mm，圆弧槽的弦长为0.5mm；内凹槽22位于与基座1的水平块对应的立杆2上，外凹槽21位于与内凹槽相反的立杆2上。立杆2的长度为12.3mm，截面的椭圆形的短轴长度为0.2mm，长轴长度为1.513mm，焦点距离为3mm。
立杆2的上部固定连接着导杆4的一端，导杆4的另一端呈悬臂状，导杆4的横截面为半圆形；移动滑块5滑动配合安装于导杆4上。
参见图2，移动滑块5包括上滑块54、下滑块55、弹簧52和预紧螺栓53。上滑块54和下滑快55均为矩形块，上滑块54和下滑块55上下对应配合连接，上滑块54的对合面中部设有与导杆4配合的限位凹槽；限位凹槽为半圆柱槽，导杆4与半圆柱槽配合，确保移动滑块5在导杆4上不发生翻转。对应配合的上滑块54和下滑块55一侧之间由定位销连接，对应配合的上滑块54和下滑块55另一侧之间由预紧螺栓53固定连接；弹簧52套装在上滑块54外部的预紧螺栓53上。
压电叠堆3平行位于基座1水平块的上方，压电叠堆3的一端固定连接着立杆2的中部，压电叠堆3的另一端固定连接着基座1的竖直块。
本发明的工作原理详细说明如下：
参见图3a，初始阶段,压电叠堆3未通电并处于初始长度。压电叠堆3通电工作时，本发明惯性冲击直线压电马达一个工作周期主要由两个阶段组成：移动滑块5随导轨4摆动阶段为第一阶段（见图3b）和移动滑块5与光轴导轨4产生相对位移阶段为第二阶段（见图3c）。最终阶段，压电叠堆恢复至初始长度，移动滑块整体向左移动一个步距ΔH，至此完成一个周期运动，见图3d。
参见图4，第一阶段：压电叠堆3的驱动信号为锯齿波信号，当驱动电压缓慢上升时，压电叠堆3缓慢伸长，立杆2向左摆动，从而带动导轨4向左摆动。在此过程中，由于移动滑块5与导轨4之间的静摩擦力作用，移动滑块5相对于导轨4静止。但由于导轨4向左摆动，实际上移动滑块5在空间上向左位移一段距离。
第二阶段：当驱动电压陡然下降，压电叠堆3迅速收缩，立杆2从左向右快速摆动带动导轨4向右快速摆动。在这个过程中，由于惯性作用，惯性力大于摩擦力，移动滑块5与导轨4产生相对滑动，移动滑块5只向右后退非常微小的距离。经过第一阶段和第二阶段，移动滑块5产生一个向左的微小步距ΔH。
连续重复上述两个阶段，惯性冲击直线压电马达实现向左的连续运动。同理，在反向锯齿波信号的电压驱动下，实现反向运动。
以上内容并非对本发明的结构、形状作任何形式上的限制。凡是根据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (3)
1.一种基于悬臂梁结构的惯性冲击直线压电马达，其特征在于：包括基座（1）、立杆（2）、压电叠堆（3）、导杆（4）和移动滑块（5）；
所述基座（1）为角钢形的块状，基座（1）的水平块外端下部通过柔性铰链连接着立杆（2）的下端，立杆（2）呈直立状，立杆（2）的上部固定连接着导杆（4）的一端，导杆（4）的另一端呈悬臂状，所述移动滑块（5）滑动配合设于导杆（4）上；
所述压电叠堆（3）平行位于基座（1）水平块的上方，压电叠堆（3）的一端固定连接着立杆（2）的中部，压电叠堆（3）的另一端固定连接着基座（1）的竖直块；
所述立杆（2）为横截呈椭圆形的圆柱杆；立杆（2）的下部设有柔性铰链，所述柔性铰链由横截为圆弧形的外凹槽（21）和内凹槽（22）构成，外凹槽（21）和内凹槽（22）为半径相同的圆弧槽，二者之间的间距小于圆弧槽的弦长；所述内凹槽（22）位于与基座（1）的水平块对应的立杆（2）上，所述外凹槽（21）位于与内凹槽相反的立杆（2）上；
所述移动滑块（5）包括上滑块（54）、下滑块（55）、弹簧（52）和预紧螺栓（53）；所述上滑块（54）和下滑块（55）上下对应配合，上滑块（54）的对合面中部设有与导杆（4）配合的限位凹槽；对应配合的上滑块（54）和下滑块（55）一侧之间由定位销连接，对应配合的上滑块（54）和下滑块（55）另一侧之间由预紧螺栓（53）固定连接；所述弹簧（52）套设在上滑块（54）外部的预紧螺栓（53）上；
所述导杆（4）的横截面为半圆形；所述上滑块（54）和下滑块（55）均为矩形块，上滑块（54）上的限位凹槽为半圆柱槽，导杆（4）与半圆柱槽配合，确保移动滑块（5）在导杆（4）上不发生翻转；
工作时，压电叠堆（3）未通电处于初始长度；压电叠堆（3）通电，在正向锯齿波频率电压的作用下，压电叠堆（3）通过压电片的逆压电效应的伸缩效果带动立杆（2）的上部摆动，驱动移动滑块（5）发生沿导杆（4）的静摩擦移动；当压电叠堆（3）恢复至初始长度时，移动滑块（5）完成一个步距ΔH的移动，此时完成一个正向周期运动；在反向锯齿波频率电压的作用下，移动滑块（5）实现反向移动。
2.根据权利要求1所述一种基于悬臂梁结构的惯性冲击直线压电马达，其特征在于：所述立杆（2）的长度为12.3mm，截面的椭圆形的短轴长为0.2mm，长轴长为1.513mm，焦点距离为3mm；所述柔性铰链的圆弧槽的半径为0.25mm，圆弧槽的弦长为0.5mm；外凹槽（21）和内凹槽（22）之间的间距为0.2mm。
3.根据权利要求1所述一种基于悬臂梁结构的惯性冲击直线压电马达，其特征在于：所述压电叠堆（3）由压电陶瓷片堆叠制成，压电陶瓷片尺寸为10×10×0.7mm，压电叠堆（3）两端通过环氧树脂胶粘接于基座（1）与立杆（2）之间，作为激励元件。
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