CN112713799B - 一种基于柔性铰链导向的大行程无回退纳米压电电机 - Google Patents

一种基于柔性铰链导向的大行程无回退纳米压电电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于柔性铰链导向的大行程无回退纳米压电电机，主要包括底座、第一滑台、第一压电驱动单元、第二压电驱动单元和第二滑台；第一滑台和第二滑台均安装在底座上且相互不接触；第一滑台的滑行方向与第二滑台垂直；第一压电驱动单元与第二压电驱动单元均安装在第一滑台上，采用纵向层叠方式安装；第一压电驱动单元与第二压电驱动单元内均设有柔顺机构。本发明的第一个运动模组在运动输出的后半部分开始减小垂直方向的压电陶瓷驱动电压，同时另外一个模组在垂直方向的压电陶瓷的驱动电压开始增加，以此实现两个模组之间的切换，并且两个模组水平方向的压电陶瓷保持同一速率增加驱动电压，以保证切换之后实现同一速度。

Description

一种基于柔性铰链导向的大行程无回退纳米压电电机
技术领域
本发明涉及压电电机技术领域，尤其涉及一种基于柔性铰链导向的大行 程无回退纳米压电电机。
背景技术
随着科学技术朝着小型化、高集成度的方向快速发展，微纳尺度的精密 操作成为研究的热点。其中，压电驱动纳米定位技术因其在高分辨率、高响 应速度、大驱动力等方面的优越性能而备受关注。由压电陶瓷致动器和无间 隙、无摩擦、无累积误差、零间隙的柔顺机构组成的的柔性压电驱动纳米定 位平台，可以实现多自由度的精密运动，已被引入超精密加工领域作为快速 工具伺服、原子力显微镜和先进半导体封装等领域。然而，压电陶瓷致动器 行程短，一般小于1mm，这已成为柔性压电驱动纳米定位平台的瓶颈，阻碍 了其进一步应用；现有的压电纳米电机很难输出高度线性和连续的精确位移。 因此，现有技术需要进一步改进和完善。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于柔性铰链导向的 大行程无回退纳米压电电机。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种基于柔性铰链导向的大行程无回退纳米压电电机，主要包括底座、 第一滑台、第一压电驱动单元、第二压电驱动单元、以及第二滑台。所述底 座水平固定设置。所述第一滑台和第二滑台均安装在底座上，且第一滑台与 第二滑台不接触。所述第一滑台的滑行方向与第二滑台的滑行方向垂直。所 述第一压电驱动单元与第二压电驱动单元均安装在第一滑台上，且第一压电 驱动单元与第二压电驱动单元纵向层叠方式安装。所述第一压电驱动单元与 第二压电驱动单元内均设有柔顺机构。
具体的，所述第一压电单元与第二压电单元采用相同结构，主要包括第 一驱动器、第二驱动器、第一固定座、第二固定座、以及柔顺机构。所述第 一固定座安装在第一滑台的一侧，第二固定座安装在第二滑台的另一侧。所 述柔顺机构设置在第一固定座与第二固定座之间，并分别与第一固定座与第 二固定座柔顺连接。所述第一驱动器的一端安装在第一固定座内，另一端与 柔顺机构固定并可驱动柔顺机构左右移动。所述第二驱动器安装在柔性机构 内，可驱动柔顺机构前后移动实现与第二滑台的接触与释放。
进一步的，所述柔顺机构主要包括第一弹性块、第二弹性块、移动座、 以及驱动块。所述移动座的左右两端通过第一弹性块分别与第一固定座和第 二固定座连接，且移动座的一端与第一驱动器连接，实现移动座的左右移动 受第一驱动器控制，前后移动受第一弹性块限制。所述驱动块设置在移动座 内，位于靠近第二固定座的一侧。所述第二驱动器的一端安装在移动座内， 另一端与驱动块固定并可驱动驱动块前后移动。所述驱动块的两侧通过第二 弹性块与移动座连接，实现驱动块的前后移动受第二驱动器控制，左右移动受第二弹性块限制。
作为本发明的优选方案，所述第一弹性块与第二弹性块的厚度小，长度 和宽度大。所述第一弹性块与第二弹性块均竖直设置，均垂直于移动座的侧 面。由于弹性块的厚度比其宽度和长度相差甚远，所以在其厚度方向具有弹 性和恢复力，其宽度和长度方向的弹性可忽略不计，因此其宽度和长度方向 可视作硬连接。
进一步的，所述柔性机构还包括第一凸起。所述第一凸起设置在驱动块 上，位于驱动块靠近第二滑台的侧面上。
作为本发明的优选方案，所述第二滑台上设有柔性接触部，主要包括固 定块和接触板。所述固定块安装在第二滑台的一侧。所述接触板设置在第二 滑台的一侧，位于第一滑台与第二滑台之间。所述接触板与固定块之间的连 接处采用弹性连接，实现接触板在驱动力作用下绕连接处摆动。
具体的，所述第一滑台主要包括第一滑轨、第一滑块、调节座、调节杆、 挡块、锁紧旋钮、以及锁紧板。所述第一滑轨固定安装在底座上，与第二滑 轨垂直。所述第一滑块设置在第一滑轨上。所述调节座固定设置在第一滑轨 的一侧。所述调节杆安装在调节座上，与调节座螺纹连接。所述调节杆穿过 调节座后与挡块抵接。所述挡块固定安装在第一滑块上。所述锁紧板安装在 第一滑轨的另一侧，其上设有腰型孔。所述锁紧旋钮通过螺纹旋入第一滑块 内，将第一滑块与锁紧板固定，实现第一滑块在第一滑轨上位置的锁定。
本发明的工作过程和原理是：本发明所提供的压电电机要实现线性的位 移曲线，即一直保持一定速度运动，需要两个模块平滑切换。具体方式在于： 第一个运动模组在运动输出的后半部分开始减小垂直方向的压电陶瓷驱动电 压，同时另外一个模组在垂直方向的压电陶瓷的驱动电压开始增加，以此实 现两个模组之间的切换，并且两个模组水平方向的压电陶瓷保持同一速率增 加驱动电压，以保证切换之后实现同一速度。本发明还具有结构简单、操作 方便、容易实施的优点。
与现有技术相比，本发明还具有以下优点：
本发明所提供的基于柔性铰链导向的大行程无回退纳米压电电机可以同 时实现了纳米级的精度和厘米级的行程。其利用压电陶瓷致动器驱动柔性机 构产生往复运动，实现第一滑台通过机械传动产生位移。在高频重复运动下， 每一个小位移的累加可以实现长行程精密运动。值得一提的是，压电电机的 驱动机构在将压电陶瓷致动器产生的微位移转化为连续运动中起着重要的作 用。
附图说明
图1是本发明所提供的基于柔性铰链导向的大行程无回退纳米压电电机 的结构示意图。
图2是本发明所提供的基于柔性铰链导向的大行程无回退纳米压电电机 的立体图。
图3是本发明所提供的基于柔性铰链导向的大行程无回退纳米压电电机 的右视图。
图4是本发明所提供的基于柔性铰链导向的大行程无回退纳米压电电机 的左视图。
图5是本发明所提供的基于柔性铰链导向的大行程无回退纳米压电电机 的俯视图。
图6是本发明所提供的基于柔性铰链导向的大行程无回退纳米压电电机 的渲染图。
图7是现有压电电机的驱动原理图。
图8是本发明所提供的基于柔性铰链导向的大行程无回退纳米压电电机 的控制波形示意图。
上述附图中的标号说明：
1-底座，2-第二滑台，3-第一驱动器，4-第二驱动器，5-第一固定座， 6-第二固定座，7-第一弹性块，8-第二弹性块，9-移动座，10-驱动块，11- 第一凸起，12-固定块，13-接触板，14-第一滑轨，15-第一滑块，16-调节座， 17-调节杆，18-挡块，19-锁紧旋钮，20-锁紧板。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并 举实施例对本发明作进一步说明。
术语解释：
回退：常见压电电机的拨动处在运动的回程接触到导轨并与导轨有摩擦 力作用，就会使导轨产生回退的现象。
柔顺机构：利用弹性材料可变形的特性，将铰链部分可被设计得较细， 从而可使机构在力(压电陶瓷驱动器提供)作用下，较柔性部分发生变形， 较刚性部分发生位移，以达到设计者目的的机构。
实施例1：
如图1至图8所示，本实施例公开了一种基于柔性铰链导向的大行程无 回退纳米压电电机，主要包括底座1、第一滑台、第一压电驱动单元、第二 压电驱动单元、以及第二滑台2。所述底座1水平固定设置。所述第一滑台 和第二滑台2均安装在底座1上，且第一滑台与第二滑台2不接触。所述第 一滑台的滑行方向与第二滑台2的滑行方向垂直。所述第一压电驱动单元与 第二压电驱动单元均安装在第一滑台上，且第一压电驱动单元与第二压电驱 动单元纵向层叠方式安装。所述第一压电驱动单元与第二压电驱动单元内均 设有柔顺机构。
具体的，所述第一压电单元与第二压电单元采用相同结构，主要包括第 一驱动器3、第二驱动器4、第一固定座5、第二固定座6、以及柔顺机构。 所述第一固定座5安装在第一滑台的一侧，第二固定座6安装在第二滑台2 的另一侧。所述柔顺机构设置在第一固定座5与第二固定座6之间，并分别 与第一固定座5与第二固定座6柔顺连接。所述第一驱动器3的一端安装在 第一固定座5内，另一端与柔顺机构固定并可驱动柔顺机构左右移动。所述 第二驱动器4安装在柔性机构内，可驱动柔顺机构前后移动实现与第二滑台 2的接触与释放。
进一步的，所述柔顺机构主要包括第一弹性块7、第二弹性块8、移动座 9、以及驱动块10。所述移动座9的左右两端通过第一弹性块7分别与第一 固定座5和第二固定座6连接，且移动座9的一端与第一驱动器3连接，实 现移动座9的左右移动受第一驱动器3控制，前后移动受第一弹性块7限制。 所述驱动块10设置在移动座9内，位于靠近第二固定座6的一侧。所述第二 驱动器4的一端安装在移动座9内，另一端与驱动块10固定并可驱动驱动块10前后移动。所述驱动块10的两侧通过第二弹性块8与移动座9连接，实 现驱动块10的前后移动受第二驱动器4控制，左右移动受第二弹性块8限制。
作为本发明的优选方案，所述第一弹性块7与第二弹性块8的厚度小， 长度和宽度大。所述第一弹性块7与第二弹性块8均竖直设置，均垂直于移 动座9的侧面。由于弹性块的厚度比其宽度和长度相差甚远，所以在其厚度 方向具有弹性和恢复力，其宽度和长度方向的弹性可忽略不计，因此其宽度 和长度方向可视作硬连接。
进一步的，所述柔性机构还包括第一凸起11。所述第一凸起11设置在 驱动块10上，位于驱动块10靠近第二滑台2的侧面上。
作为本发明的优选方案，所述第二滑台2上设有柔性接触部，主要包括 固定块12和接触板13。所述固定块12安装在第二滑台2的一侧。所述接触 板13设置在第二滑台2的一侧，位于第一滑台与第二滑台2之间。所述接触 板13与固定块12之间的连接处采用弹性连接，实现接触板13在驱动力作用 下绕连接处摆动。
具体的，所述第一滑台主要包括第一滑轨14、第一滑块15、调节座16、 调节杆17、挡块18、锁紧旋钮19、以及锁紧板20。所述第一滑轨14固定安 装在底座1上，与第二滑轨垂直。所述第一滑块15设置在第一滑轨14上。 所述调节座16固定设置在第一滑轨14的一侧。所述调节杆17安装在调节座 16上，与调节座16螺纹连接。所述调节杆17穿过调节座16后与挡块18抵 接。所述挡块18固定安装在第一滑块15上。所述锁紧板20安装在第一滑轨 14的另一侧，其上设有腰型孔。所述锁紧旋钮19通过螺纹旋入第一滑块15 内，将第一滑块15与锁紧板20固定，实现第一滑块15在第一滑轨14上位 置的锁定。
本发明的工作过程和原理是：本发明所提供的压电电机要实现线性的位 移曲线，即一直保持一定速度运动，需要两个模块平滑切换。具体方式在于： 第一个运动模组在运动输出的后半部分开始减小垂直方向的压电陶瓷驱动电 压，同时另外一个模组在垂直方向的压电陶瓷的驱动电压开始增加，以此实 现两个模组之间的切换，并且两个模组水平方向的压电陶瓷保持同一速率增 加驱动电压，以保证切换之后实现同一速度。本发明还具有结构简单、操作 方便、容易实施的优点。
实施例2：
本实施例公开了一种线性压电电机，如图6所示，由底座、手动精密滑 动台、两个基于柔顺机构的压电电机单元和带有柔顺机构的十字滚子滑块组 成。滑动台用于调整驱动单元与滑块之间的接触状态和预紧力。由于所设计 的电机带有两个压电陶瓷作动器的柔性机构，每个驱动单元的末端执行器都 能实现xy轴的解耦运动，从而保证了高线性度的运动输出。具体来说，由于 水平和垂直方向的柔度差异较大，驱动机构采用梁式柔性铰链，x、y两个方 向的柔性机构以交叉垂直的方式放置，以保证xy轴的运动互不干扰。另外， 压电电机的运动平台固定在滑块上，通过设计的柔性件和圆形柔性铰链实现 运动传递，本申请通过两个电机单元的协调运动避免回退现象。
工作原理解释：
压电纳米电机线性平滑运动产生的工作原理如图7所示。在运行过程中， 压电陶瓷致动器驱动单元交替工作，产生连续的位移，具体说明如下：
第0步：工作前，两个末端执行器在一定的预紧力作用下与移动平台接 触，使压电纳米电机在断电状态下实现自锁[如图7(a)]。
第1步：第一驱动单元(U1)工作。首先，垂直压电陶瓷致动器(p1)伸长以 压缩柔性接触部分并保持住，这导致第二驱动单元(U2)分离接触部分[参见图 7(b)]。然后，水平压电陶瓷致动器(p2)推动末端执行器，从而使移动平台通 过摩擦传递获得位移d1[如图7(c)]。
第2步：p2工作后，p1后退，U2(p3)的垂直压电陶瓷致动器拉长，其中为 U1和U2的交替时间[如图7(d)]。与U1相同，U2(p4)的水平压电陶瓷致动器拉 长，推动末端执行器移动平台，同时，p2缩回[如图7(e)]。然后，p3和p4分 别后退。
使驱动的导轨的位移-时间关系具有高度线性的控制波形设计：
基于所设计的压电纳米电机，本专利提出了一种运动控制策略。 每个压电陶瓷驱动器的基本控制信号(波形)如图7(h)所示。此外， 基本波形已通过有限元仿真验证，生成的位移随时间变化曲线如图 8(a)所示。从中可以看出，运动是一个阶梯式的，存在一个零速度区。 这种现象归因于U1和U2之间的交替操作模式，其中x方向的压电陶 瓷致动器不工作，导致存在没有任何位移输出的传动区域[如图8(b) 的上半部分]。此外，由于交变工作而产生的不必要的运动偏差也不 能及时被抑制。总之，这种模式可以产生无回退运动，但很难获得线 性运动和稳定速度，这导致电机跟踪误差较大。因此，转移区域被修 改为转移点[参见下半部分图8(b)]。具体地说，U1与驱动表面接触并 由U2接管的瞬间称为传输点。在改进的传递模式下，所产生的位移具 有高度可控性[图8(c)]，在匀速和运动步进(s-sc)下。相应地，在图 8(d)中设计了控制波形，其中可以利用包括tpy、tpx、tdy和tdxc的时间 参数来控制运动速度和传输频率。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述 实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、 修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护 范围之内。

Claims (7)

1.一种基于柔性铰链导向的大行程无回退纳米压电电机，其特征在于，包括底座、第一滑台、第一压电驱动单元、第二压电驱动单元、以及第二滑台；所述底座水平固定设置；所述第一滑台和第二滑台均安装在底座上，且第一滑台与第二滑台不接触；所述第一滑台的滑行方向与第二滑台的滑行方向垂直；所述第一压电驱动单元与第二压电驱动单元均安装在第一滑台上，且第一压电驱动单元与第二压电驱动单元纵向层叠方式安装；所述第一压电驱动单元与第二压电驱动单元内均设有柔顺机构。
2.根据权利要求1所述的基于柔性铰链导向的大行程无回退纳米压电电机，其特征在于，所述第一压电驱动单元与第二压电驱动单元采用相同结构，包括第一驱动器、第二驱动器、第一固定座、第二固定座、以及柔顺机构；所述第一固定座安装在第一滑台的一侧，第二固定座安装在第二滑台的另一侧；所述柔顺机构设置在第一固定座与第二固定座之间，并分别与第一固定座与第二固定座柔顺连接；所述第一驱动器的一端安装在第一固定座内，另一端与柔顺机构固定并可驱动柔顺机构左右移动；所述第二驱动器安装在柔性机构内，可驱动柔顺机构前后移动实现与第二滑台的接触与释放。
3.根据权利要求2所述的基于柔性铰链导向的大行程无回退纳米压电电机，其特征在于，所述柔顺机构包括第一弹性块、第二弹性块、移动座、以及驱动块；所述移动座的左右两端通过第一弹性块分别与第一固定座和第二固定座连接，且移动座的一端与第一驱动器连接，实现移动座的左右移动受第一驱动器控制，前后移动受第一弹性块限制；所述驱动块设置在移动座内，位于靠近第二固定座的一侧；所述第二驱动器的一端安装在移动座内，另一端与驱动块固定并可驱动驱动块前后移动；所述驱动块的两侧通过第二弹性块与移动座连接，实现驱动块的前后移动受第二驱动器控制，左右移动受第二弹性块限制。
4.根据权利要求3所述的基于柔性铰链导向的大行程无回退纳米压电电机，其特征在于，所述第一弹性块与第二弹性块的厚度小，长度和宽度大；所述第一弹性块与第二弹性块均竖直设置，均垂直于移动座的侧面。
5.根据权利要求4所述的基于柔性铰链导向的大行程无回退纳米压电电机，其特征在于，所述柔性机构还包括第一凸起；所述第一凸起设置在驱动块上，位于驱动块靠近第二滑台的侧面上。
6.根据权利要求1所述的基于柔性铰链导向的大行程无回退纳米压电电机，其特征在于，所述第二滑台上设有柔性接触部，包括固定块和接触板；所述固定块安装在第二滑台的一侧；所述接触板设置在第二滑台的一侧，位于第一滑台与第二滑台之间；所述接触板与固定块之间的连接处采用弹性连接，实现接触板在驱动力作用下绕连接处摆动。
7.根据权利要求1所述的基于柔性铰链导向的大行程无回退纳米压电电机，其特征在于，所述第一滑台包括第一滑轨、第一滑块、调节座、调节杆、挡块、锁紧旋钮、以及锁紧板；所述第一滑轨固定安装在底座上，与第二滑轨垂直；所述第一滑块设置在第一滑轨上；所述调节座固定设置在第一滑轨的一侧；所述调节杆安装在调节座上，与调节座螺纹连接；所述调节杆穿过调节座后与挡块抵接；所述挡块固定安装在第一滑块上；所述锁紧板安装在第一滑轨的另一侧，其上设有腰型孔；所述锁紧旋钮通过螺纹旋入第一滑块内，将第一滑块与锁紧板固定，实现第一滑块在第一滑轨上位置的锁定。
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