CN112713801A - 一种高精度直线驱动式压电作动器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高精度的直线驱动式压电作动器。该作动器由一个弹性基体和八片压电陶瓷片组成，压电陶瓷片分布在弹性基体的上下两侧，各为四片压电陶瓷片，压电陶瓷片通过环氧树脂胶粘贴在弹性基体上。底板上面设置有直线滑轨，滑块在滑轨的上方，与滑轨相互配合，压电作动器在滑块的上方，通过预压力施加装置与直线滑块相连接，并通过调整螺栓的位置为压电作动器提供不同的预压力。此装置通过作动器的高频振动来为动子滑块提供动力，具有较大的力的输出，并且具有高精度的定位功能。

Description

一种高精度直线驱动式压电作动器
技术领域
本发明涉及压电驱动技术领域，特别是涉及到一种高精度直线驱动式压电作动器。
背景技术
目前常用的直线运动平台均为电磁电机驱动的运动平台，其具有运动速度较快的优点，但是力的输出较小，并且定位精度相对较低，在需要较大力的输出时，电磁电机需要更大体积的大功率电机来进行；在对定位精度要求较高的情况下，电磁电机在很大程度上无法满足其要求。压电作动器具有控制精度高，响应速度快，较大的力的输出，以及质量轻等特性，取代电磁电机作为直线运动平台的驱动器，能够进一步提运动平台的工作特性。
发明内容
为了解决上述存在问题，本发明提供一种高精度直线驱动式压电作动器，可以实现直线运动平台的高精度和大推力。具有质量轻、体积小、响应快等优点。该装置取代了大功率电磁电机驱动装置，降低了功耗，并且利用压电驱动，工作频率处于超声频率段，具有无噪音的优势，依靠摩擦驱动，具有断电自锁的功能。
本发明提供一种高精度的直线驱动式压电作动器，包括底板、定子固定架、动子滑块、压电作动器以及预压力施加装置，所述底板上设置有直线滑轨且直线滑轨与动子滑块相互配合，所述底板上设置有直线滑轨且直线滑轨与动子滑块相互配合，所述定子固定架与底板相连接，所述定子固定架为Z字型且分为左右两个对称设置，所述定子固定架下端固定在底板上，所述定子固定架上端螺纹孔安装预压力施加装置，所述预压力施加装置中的横梁为T字型横梁，所述T字型横梁两端通过螺栓与定子固定架相连接，所述T字型横梁底部与压电作动器的矩形金属基体相连接，所述螺栓上套有弹簧，所述弹簧底部连接T字型横梁，所述弹簧顶部连接螺栓头，所述压电作动器由一个矩形金属基体和上下各四片压电陶瓷片组成，八片压电陶瓷片分别分布在矩形金属基体的上下四个边角处，左上方的两片压电陶瓷片和右下方的两片压电陶瓷片极化方向相同，其余四片压电陶瓷片的极化方向与这四片压电陶瓷片相反，当给压电陶瓷片施加空间相位差为90度的激励电压时，会同时激发出压电作动器体内的面内纵向振动模态和面外反对称模态，两项共振模态相互叠加使驱动足处产生椭圆轨迹的振动，所述矩形金属基体上中间部位有一个圆孔，所述矩形金属基体中间部位的两侧有两个对称的半圆，且以中间部位为对称轴，两边的中间部位分别开有四个槽，所述矩形金属基体的四个边角处底部分布有四个驱动足，所述动子滑块上表面与压电作动器通过四个驱动足相接触，压电作动器通过与动子滑块的接触摩擦把产生的输出力进行传递和输出。
作为本发明进一步改进，所述定子固定架下端为两个螺纹孔通过固定件固定在底板上，这样设计方便固定。
作为本发明进一步改进，所述T字型横梁为金属体，T字型横梁为金属体可以作为地线。
作为本发明进一步改进，驱动足的数量及设置的位置通过计算振动模态得到，对应的波峰位置即为设置驱动足最优数量及位置。
作为本发明进一步改进，矩形金属基体上的开槽位置和开孔位置通过计算振动模态获得。
作为本发明进一步改进，所述矩形金属基体采用磷青铜材料，此为压电作动器常用材料，用磷青铜材质，振幅大，震动稳定，输出性能更好。
本发明提供一种高精度直线驱动式压电作动器，具体设计如下：
（1）作动器使用面内振动模态和面外振动模态相互叠加的原理，完成电能到机械能的转换，机电能量转换效率更高，系统响应快，传动精度高，不受到周围磁场环境的干扰；
（2）本发明采用四足驱动的方式，动子滑块可获得较大的传输力；
（3）作动器的矩形金属基体上，采用去除部分材料，使作动器获得更大的振幅，从而可以产生更大的输出力。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中柔性约束保持架的结构示意图；
图3为本发明工作原理图；
图示说明：
1、底板；2、动子滑块；3、定子固定架；4、压电作动器；5、预压力施加装置；6、直线滑轨。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
本发明提供一种高精度直线驱动式压电作动器，可以实现直线运动平台的高精度和大推力。具有质量轻、体积小、响应快等优点。该装置取代了大功率电磁电机驱动装置，降低了功耗，并且利用压电驱动，工作频率处于超声频率段，具有无噪音的优势，依靠摩擦驱动，具有断电自锁的功能。
如图1所示，本发明提供高精度的直线驱动式压电作动器，包括底板、固定架、动子滑块、作动器以及预压力施加装置，下面分别介绍。
所述底板上设置有直线滑轨，具有较小的摩擦系数，并直线滑轨与动子滑块相互配合，便于动作滑块在直线滑轨上做直线运动，固定架与底板相连接。
所述动子滑块上表面与压电作动器通过四个驱动足相接触，压电作动器通过动子滑块把产生的输出力进行传递和输出。
所述预压力施加装置分为两个Z字型固定架和一个T字型柔性约束架，两个Z字型固定架一端分别固定在底座上，另一端通过螺钉与T字型柔性约束架相连接。T字型柔性约束架两端位于Z字型固定架的上方，螺钉上套有弹簧，自上而下分别连接T字形柔性约束架和Z字型固定架，T字型柔性约束架为压电作动器提供柔性预压力，可以通过调节螺栓来调整预压力的大小。
所述T字型横梁为金属体，T字型横梁为金属体可以作为地线
所述矩形金属基体采用磷青铜材料，此为压电作动器常用材料，用磷青铜材质，振幅大，震动稳定，输出性能更好
所述压电作动器如图2所示由一块矩形金属基体和八片矩形压电陶瓷片组成。八片压电陶瓷片分别分布在矩形金属基体的上下四个边角处，左上方的两片压电陶瓷片和右下方的两片压电陶瓷片极化方向相同，其余四片压电陶瓷片的极化方向与这四片压电陶瓷片相反，当给压电陶瓷片施加空间相位差为90度的激励电压时，压电作动器会产生激发出体内的面内纵向振动模态和面外反对称模态，两项共振模态相互叠加使驱动足处产生椭圆轨迹的微幅振动，压电作动器通过预压力与动子滑块产生接触摩擦，进而将微幅振动传递给动子滑块。矩形金属基体上开有U型槽和圆弧槽，其目的是为了增大两相共振模态的振幅，减小两相共振模态的频率差，使两相共振模态尽可能的同时被激发出来。
本申请工作原理图如图3所示：
当t在（a）时刻，压电作动器的面外弯曲振动位移和纵向伸长振动速度均达到最大值。从（a）到（b）的过程中，右侧的驱动足由弯曲振动最低位置逐渐变化到了平衡位置，左侧的驱动足向左移动了一步，左侧驱动足由最高位置逐渐达到平衡位置，此阶段左侧驱动足与滑轨脱离。当从（b）到（c）过程中，面内纵向振动的最大位移逐渐变化为面外弯曲振动的最大位移，在此过程中，右侧驱动足由平衡位置逐渐变化到波谷位置，此阶段右侧驱动足与转子脱离。左侧驱动足逐渐由平衡位置逐渐达到最低点位置，此阶段右侧驱动足向左移动了一步。当压电作动器从（c）运动到（d）的过程中，左侧驱动足由最低点位置逐渐到平衡位置，右侧驱动足与滑轨为脱离的状态，此阶段中右侧驱动足向右移动了一步。在（d）阶段压电作动器的面外弯曲振动位移和纵向伸长振动速度均达到最大值。从（d）到（a）的过程中，左侧驱动足逐渐由平衡位置逐渐移动到了波谷位置，左驱动足向左移动了一步，与此同时右侧驱动足逐渐从平衡位置变化到了波峰位置，此过程中，左侧驱动足与滑轨脱离。在（b）～（d）阶段中，压电作动器两个驱动足均交替完成了一次椭圆运动。给压电作动器施加一定的预压力，驱动足通过预压力的作用与直线滑轨接触，在驱动足椭圆运动的作用下通过摩擦力推动直线滑轨运动。若调整两路激励信号相位差为-90°时，直线滑轨可实现反向运动。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (6)

1.一种高精度的直线驱动式压电作动器，包括底板（1）、定子固定架（3）、动子滑块（2）、压电作动器（4）以及预压力施加装置（5），其特征在于：所述底板（1）上设置有直线滑轨（6）且直线滑轨（6）与动子滑块相互配合，所述底板（1）上设置有直线滑轨（6）且直线滑轨（6）与动子滑块（2）相互配合，所述定子固定架（3）与底板（1）相连接，所述定子固定架（3）为Z字型且分为左右两个对称设置，所述定子固定架（3）下端固定在底板（1）上，所述定子固定架（3）上端螺纹孔安装预压力施加装置（5），所述预压力施加装置（5）中的横梁为T字型横梁，所述T字型横梁两端通过螺栓与定子固定架（3）相连接，所述T字型横梁底部与压电作动器（4）的矩形金属基体（4-1）相连接，所述螺栓上套有弹簧，所述弹簧底部连接T字型横梁，所述弹簧顶部连接螺栓头，所述压电作动器（4）由一个矩形金属基体（4-1）和上下各四片压电陶瓷片（4-2）组成，八片压电陶瓷片（4-2）分别分布在矩形金属基体（4-1）的上下四个边角处，左上方的两片压电陶瓷片（4-2）和右下方的两片压电陶瓷片（4-2）极化方向相同，其余四片压电陶瓷片（4-2）的极化方向与这四片压电陶瓷片（4-2）相反，当给压电陶瓷片施加空间相位差为90度的激励电压时，压电作动器会产生激发出体内的面内纵向振动模态和面外反对称模态，两项共振模态相互叠加使驱动足处产生椭圆轨迹的振动，所述矩形金属基体（4-1）上中间部位有一个圆孔，所述矩形金属基体（4-1）中间部位的两侧有两个对称的半圆，且以中间部位为对称轴，两边的中间部位分别开了四个槽，所述矩形金属基体（4-1）的四个边角处底部分布有四个驱动足（4-3），所述动子滑块（2）上表面与压电作动器（4）通过四个驱动足（4-3）相接触，压电作动器（4）通过动子滑块（2）把产生的输出力进行传递和输出。
2.根据权利要求1所述的一种高精度直线驱动式压电作动器，其特征在于：所述定子固定架（3）下端为两个螺纹孔通过固定件固定在底板（1）上。
3.根据权利要求1所述的一种高精度直线驱动式压电作动器，其特征在于：所述T字型横梁为金属体。
4.根据权利要求1所述的一种高精度直线驱动式压电作动器，其特征在于：驱动足（4-3）的数量及设置的位置通过计算获得，对应的波峰位置即为设置驱动足最优数量及位置。
5.根据权利要求1所述的一种高精度直线驱动式压电作动器，其特征在于：矩形金属基体（4-1）上的开槽位置和开孔位置通过计算振动模态获得。
6.根据权利要求1所述的一种高精度直线驱动式压电作动器，其特征在于：所述矩形金属基体（4-1）采用磷青铜材料。
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