CN112787544B - 交错四足驱动压电步进直线电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及交错四足驱动压电步进直线电机，所述第一作动杆与第二作动杆相对于动子呈对称分布，第一作动杆的一端通过左侧水平柔性铰链与左侧上部基座相连，第二作动杆的一端通过右侧水平柔性铰链与右侧上部基座相连，第一作动杆的另一端与第一组箝位机构相配合的相接，第二作动杆的另一端与第二组箝位结构相配合的相接。本发明提出交错四足驱动压电步进直线电机，叠层压电陶瓷的伸缩作用通过摆杆以及位移转换机构传递到动子，输出位移的方向与叠层压电陶瓷伸缩的方向平行；当给叠层压电陶瓷输入压电控制信号后，能够实现差动动作，从而实现大行程、大推力与高精度兼顾。

Description

交错四足驱动压电步进直线电机

技术领域

本发明涉及压电精密致动技术领域，特别涉及一种交错四足驱动压电步进直线电机。

背景技术

压电电机是一类通过压电材料的逆压电效应将交变电信号转变为电机驱动足的振动，再通过摩擦力将微幅振动转化为电机动子或转子运动的能量转换装置。根据压电电机定子的振动状态分为共振(超声电机)和非共振两类，非共振压电电机根据作动方式有惯性式、尺蠖式以及差动式等。其中惯性式压电电机在负载改变时，性能参数发生变化，适用于负载不变或变化较小的场合；尺蠖压电电机，通过多相驱动足交替箝位实现长距离的步进运动，具有位置分辨率高，运行稳定的特点。然而，现有尺蠖式压电电机受装配精度以及驱动足磨损的影响，难以长时间实现长距离的稳定动作。

专利(ZL201110058690.2)通过在主箝位足上通过弹性连接的方式辅助箝位足实现大行程稳定运行；专利(ZL201210268176.6)和专利(ZL201110131025.1)通过两个驱动足空间并列布置，从而以交替驱动的方式实现大行程稳定运行；这三种方案都是通过空间上近距离布置驱动足，从而实现差动，降低了对装配精度的要求。另外，这三个方案在箝位时产生箝位足摩擦力所需的法向接触力是由预压机构提供，而不是通过叠层压电作动器的变形产生，因此，这三个方案可以避免因磨损引起的性能下降，实现长寿命的稳定运行。专利(ZL201710120152.9)通过四个驱动足依次作动和同时作动两种状态的切换实现了大行程稳定运行；这个方案主要问题在于四个驱动足依次作动时产生较多的无用功，导致效率较低。另外，上述几种方案需要三相以上驱动电信号。

上述交替驱动方案中，驱动足的运动方式为平动和转动的复合运动。这种运动形式难以保证驱动过程中始终保持面接触，往往只能通过点接触或者线接触的方式，导致摩擦副在整个行程中随表面加工精度影响较大，容易产生推力的波动。

发明内容

为了克服背景技术中的问题，本发明提出交错四足驱动压电步进直线电机，采用两组摆杆机构的结构设计，两组摆杆在动子下侧，两组摆杆支撑着动子，叠层压电陶瓷的伸缩作用通过摆杆以及位移转换机构传递到动子，输出位移的方向与叠层压电陶瓷伸缩的方向平行；当给叠层压电陶瓷输入压电控制信号后，能够实现差动动作，从而实现大行程、大推力与高精度兼顾。

为了实现上述目的，本发明是按照以下方式实现的：

交错四足驱动压电步进直线电机，包括第一作动杆、第二作动杆、作动杆、柔性铰链、基座、第一组箝位机构、第二组箝位机构、联动环。

所述第一作动杆与第二作动杆相对于动子呈对称分布，第一作动杆的一端通过左侧水平柔性铰链与左侧上部基座相连，第二作动杆的一端通过右侧水平柔性铰链与右侧上部基座相连，第一作动杆的另一端与第一组箝位机构相配合的相接，第二作动杆的另一端与第二组箝位结构相配合的相接；

所述第一组箝位机构与第二组箝位机构各由作动杆、竖直柔性铰链、联动杆和竖直箝位足组成，两个箝位机构中的作动杆相间平行布置在导向座上，作动杆一端与竖直柔性铰链一端相连，另一端与竖直箝位足相连，两个箝位机构的作动杆下端安装竖直柔性铰链，并通过螺钉与导向座相固定，两个箝位机构的作动杆上端安装竖直箝位足，间隔的竖直箝位足通过不同的联动杆拼装连接；

所述作动杆由叠层压电陶瓷和外框组成，所述外框为杆状结构，其中间设有一窄缝，叠层压电陶瓷在其轴向方向以过盈配合的方式嵌入外框的窄缝内。

进一步的技术方案是，第三作动杆、联动杆I、第五作动杆组成第一组箝位机构，第四作动杆、联动杆II、第六作动杆组成第二组箝位机构，从左向右分别为第三作动杆、第四作动杆、第五作动杆、第六作动杆，其中联动杆I的两端分别与第三作动杆相接的竖直箝位足Ⅰ和第五作动杆相接的竖直箝位足Ⅲ通过螺钉固定联接，联动杆II的两端分别与第四作动杆相接的竖直箝位足Ⅱ和第六作动杆相接的竖直箝位足Ⅳ通过螺钉固定联接，联动杆I和联动杆II在空间上沿作动杆轴向错位布置。

进一步的技术方案是，导向座左右两侧通过滚动体与基座相连接，下侧通过压缩弹簧与底部基座连接。

进一步的技术方案是，动子为一直线滑块，动子一侧与经压缩弹簧压紧的箝位足相接，另一侧经导向滚动体与顶部基座相连。

交错四足驱动压电步进直线电机运动的使用方法(向左)，包括如下步骤：

步骤1.给第四作动杆与第六作动杆外加正电压，叠层压电陶瓷伸长使第四作动杆与第六作动杆伸长，伸长后电压保持不变，使第三作动杆和第五作动杆与动子脱开，动子在整个阶段均保持静止不动。

步骤2.使第四作动杆与第六作动杆保持步骤2电压不变，给第一作动杆外加正电压，叠层压电陶瓷伸长使第一作动杆伸长，伸长后电压保持不变，使三作动杆和第五作动杆向右位移一定距离，动子依旧保持静止不动。

步骤3.给第二作动杆外加正电压，叠层压电陶瓷伸长，使第四作动杆和第六作动杆向左位移一定距离，由于第四作动杆和第六作动杆和定子接触，带动动子向左前进一个位移△X1。

步骤4.给第三作动杆和第五作动杆，外加正电压，叠层压电陶瓷伸长，使之与动子接触，电压保持不变，动子不产生位移。

步骤5.给第四作动杆和第六作动杆断电，叠层压电陶瓷收缩，使第四作动杆和第六作动杆和动子脱离，动子在这个过程中依旧保持静止。

步骤6.给第二作动杆断电，叠层压电陶瓷收缩，第四作动杆与第六作动杆回到初始状态，整个动子依旧静止不动。

步骤7.给第一作动杆断电，叠层压电陶瓷收缩，带动第三作动杆和第五作动杆向左位移一定距离，从而带动动子继续向左位移一定距离△X2。

步骤8.给第三作动杆和第五作动杆断电，叠层压电陶瓷收缩，第三作动杆和第五作动杆回到初始状态，整个动子保持静止不动。

或交错四足驱动压电步进直线电机运动的使用方法(向右)，包括如下步骤：

步骤1.给第三作动杆与第五作动杆外加正电压，叠层压电陶瓷伸长使第三作动杆与第五作动杆伸长，伸长后电压保持不变，使第四作动杆和第六作动杆与动子脱开，动子在整个阶段均保持静止不动。

步骤2.使第三作动杆与第五作动杆保持步骤2电压不变，给第二作动杆外加正电压，叠层压电陶瓷伸长使第二作动杆伸长，伸长后电压保持不变，使第四作动杆和第六作动杆向左位移一定距离，动子依旧保持静止不动。

步骤3.给第一作动杆外加正电压，叠层压电陶瓷伸长，使第三作动杆和第五作动杆向右位移一定距离，由于第三作动杆和第五作动杆和动子接触，带动动子向右前进一个位移△X1。

步骤4.给第四作动杆和第六作动杆，外加正电压，叠层压电陶瓷伸长，使之与动子接触，电压保持不变，动子不产生位移。

步骤5.给第三作动杆和第五作动杆断电，叠层压电陶瓷收缩，使第三作动杆和第五作动杆和动子脱离，动子在这个过程中依旧保持静止。

步骤6.给第一作动杆断电，叠层压电陶瓷收缩，第三作动杆与第五作动杆回到初始状态，整个动子依旧静止不动。

步骤7.给第二作动杆断电，叠层压电陶瓷收缩，带动第四作动杆和第六作动杆向右位移一定距离，从而带动动子继续向右位移一定距离△X2。

步骤8.给第四作动杆和第六作动杆断电，叠层压电陶瓷收缩，第四作动杆和第六作动杆回到初始状态，整个动子保持静止不动。

本发明的有益效果：

本发明的交错四足驱动压电步进直线电机，采用两组箝位足平动推动动子的结构设计，每次作动时同时有两个箝位足可以增加接触区域，提高接触力的稳定性；另外在联动杆的作用下，带动动子的一对箝位足始终做平动运动，能够保持接触力恒定。

附图说明

图1为本发明的交错四足驱动压电步进直线电机结构示意图；

图2(a)-图2(h)为本发明电机运动的结构简图。

图中，1-第一作动杆、2-导向座、3-第三作动杆、4-竖直柔性铰链、5-第四作动杆、6-第五作动杆、7-第六作动杆、8-中部基座、9-第二作动杆、10-水平箝位足、11-动子、12-竖直箝位足、13-联动杆Ⅱ、14-联动杆Ⅰ、15-水平柔性铰链、16-上部基座、17-压缩弹簧；

401-竖直柔性铰链Ⅰ、402-竖直柔性铰链Ⅱ、403-竖直柔性铰链Ⅲ、404-竖直柔性铰链Ⅳ；

801-左侧中部基座、802-右侧中部基座、803-底部基座、804-顶部基座；

100-左侧水平箝位足、101-右侧水平箝位足；

121-竖直箝位足Ⅰ、122-竖直箝位足Ⅱ、123-竖直箝位足Ⅲ、124-竖直箝位足Ⅳ；

151-左侧水平柔性铰链、152-右侧水平柔性铰链；

161-左侧上部基座、162-右侧上部基座。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚、明白，下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的说明，以方便技术人员理解。

如图1所示，本发明的交错四足驱动压电步进直线电机，具体结构包括第一作动杆1、导向座2、第三作动杆3、竖直柔性铰链4、第四作动杆5、第五作动杆6、第六作动杆7、中部基座8、第二作动杆9、水平箝位足10、动子11、竖直箝位足12、联动杆II13、联动杆I14、水平柔性铰链15、上部基座16、压缩弹簧17。

竖直柔性铰链4包括竖直柔性铰链Ⅰ401、竖直柔性铰链Ⅱ402、竖直柔性铰链Ⅲ403、竖直柔性铰链Ⅳ404。

中部基座8包括左侧中部基座801、右侧中部基座802。

水平箝位足10包括左侧水平箝位足100和右侧水平箝位足101。

竖直箝位足12包括竖直箝位足Ⅰ121、竖直箝位足Ⅱ122、竖直箝位足Ⅲ123、竖直箝位足Ⅳ124。

水平柔性铰链15包括左侧水平柔性铰链151和右侧水平柔性铰链152。

上部基座16包括左侧上部基座161和右侧上部基座162。

其中，第三作动杆3、联动杆I14、第五作动杆6组成第一组箝位机构，第四作动杆5、联动杆II13、第六作动杆7组成第二组箝位机构。

所述第一作动杆1与第二作动杆9位于动子左右两侧，第一作动杆1的一端通过左侧水平柔性铰链151与左侧上部基座161相连，第二作动杆9的一端通过另一右侧水平柔性铰链152与右侧的上部基座162相连，第一作动杆1的另一端与第一组箝位机构相配合的相接，第二作动杆9的另一端与第二组箝位结构相配合的相接。

所述第一组箝位机构与第二组箝位机构各由两个作动杆、竖直柔性铰链4、联动杆和两个竖直箝位足12组成，两个箝位机构中的作动杆相间平行布置在导向座2上，两组箝位机构的作动杆一端与竖直柔性铰链4一端相连，另一端与竖直箝位足12相连，竖直柔性铰链4通过螺钉与导向座1相固定，两个箝位机构的作动杆上端安装竖直箝位足12，竖直箝位足12通过联动杆拼装连接。

所述作动杆由叠层压电陶瓷和外框组成，所述外框为杆状结构，其中间设有一窄缝，叠层压电陶瓷在其轴向方向以过盈配合的方式嵌入外框的窄缝内。

所述两组箝位机构的作动杆交错分布，从左向右分别为第三作动杆3、第四作动杆5、第五作动杆6、第六作动杆7，其中联动杆I14的两端分别与第三作动杆3相接的竖直箝位足Ⅰ和第五作动杆6相接的竖直箝位足Ⅲ123通过螺钉固定联接，联动杆II13的两端分别与第四作动杆5相接的竖直箝位足Ⅱ122和第六作动杆6相接的竖直箝位足Ⅳ124通过螺钉固定联接，联动杆I14和联动杆II13沿作动杆轴向错位布置，以保证两个联动杆相连的两组箝位足在工作状态下可以不受限制进行相对运动。

所述导向座2左右两侧通过滚动体与基座相连接，导向座2的左侧通过滚动体与左侧中部基座801相接，导向座2的右侧通过滚动体与右侧中部基座802相接，下侧通过压缩弹簧17与底部基座803连接，处于压缩状态的压缩弹簧17将四个箝位足压紧在动子11下表面上；

所述动子11为一直线滑块，动子11一侧与经压缩弹簧17压紧的箝位足相接，另一侧经导向滚动体与顶部基座804相连。

此外，所述作动杆的主体结构是叠层压电陶瓷外加金属弹性套组成的叠层压电陶瓷封装机构。叠层压电陶瓷虽然可以承受较大压力，但是对拉力的耐受性很差，而由弹性金属套组成的叠层压电陶瓷封装机构则成为叠层压电陶瓷的一个预压机构，即当外加电信号使叠层压电陶瓷伸长时，该弹性金属套会被拉长，弹性金属套内将储存有弹性势能；当外加电信号使叠层压电陶瓷收缩时，金属套也同时收缩，分担了叠层压电陶瓷所受的沿轴向的摩擦力或拉力，可以延长叠层压电陶瓷使用寿命。

本发明的交错四足驱动压电步进直线电机利用的是压电陶瓷的逆压电性，即给第一作动杆1与第一组箝位机构或者第二作动杆9和第二组箝位机构一个电压信号使作动杆的叠层压电陶瓷伸长或收缩，以控制第一组箝位机构和第二组箝位机构的摆动。两组箝位机构的箝位足12下端的柔性铰链限制了箝位足12只能沿作动杆伸缩方向进行摆动，而箝位足12上端与动子11直接接触，将箝位机构的竖直柔性铰链4的弯曲运动通过摩擦运动转化为动子11的前进运动。其中，单个叠层压电陶瓷的推力较小，在具体实施中常将叠层压电陶瓷在机械上并联，在电路上进行串联，以达到提高推力的效果；同时单个叠层压电陶瓷的位移只有几十微米，也可将其在机械结构上串联，以达到提高单步行程的效果。

进一步详细说明，通过给两个作动杆施加电信号来实现步进控制，为使电机正常工作需满足下列要求：

第一作动杆1和第二作动杆9均处于原始状态，即两组箝位机构均完全竖直。两组箝位机构通过预紧力直接与动子11接触，此时机构处于静止状态，通过不同的时间给不同的作动杆施加电压，达到动子11产生运动。

如图2(a)所示，给第三作动杆3与第五作动杆6外加正电压，叠层压电陶瓷伸长使第三作动杆3与第五作动杆6伸长，伸长后电压保持不变，在导向座2的作用下，压缩弹簧17被压缩，使第四作动杆5和第六作动杆7与动子11脱开，动子11在整个阶段均保持静止不动。

如图2(b)所示，使第三作动杆3与第五作动杆6保持图2(a)电压不变，给第二作动杆9外加正电压，叠层压电陶瓷伸长使第二作动杆9伸长，伸长后电压保持不变，使第四作动杆5和第六作动杆7在竖直柔性铰链Ⅱ402和竖直柔性铰链Ⅳ404的作用下产生弯曲，竖直箝位足Ⅱ122和竖直箝位足Ⅳ124依旧保持平动向左位移一定距离，动子11依旧保持静止不动。

如图2(c)所示，给第一作动杆1外加正电压，叠层压电陶瓷伸长，使第三作动杆3和第五作动杆6在竖直柔性铰链Ⅰ401和竖直柔性铰链Ⅲ403的作用下产生弯曲，竖直箝位足Ⅰ122和竖直箝位足Ⅲ123依旧保持平动向右位移一定距离，由于第三作动杆3和第五作动杆6和动子11始终保持接触，在摩擦力的作用下带动动子11向右前进一个位移△X1。

如图2(d)所示，给第四作动杆5和第六作动杆7外加正电压，叠层压电陶瓷伸长，使竖直箝位足Ⅱ122和竖直箝位足Ⅳ124与动子11接触，电压保持不变，动子11不产生位移。

如图2(e)所示，给第三作动杆3和第五作动杆6断电，叠层压电陶瓷收缩，使第三作动杆3和第五作动杆6和动子11脱离，动子11在这个过程中依旧保持静止。

如图2(f)所示，给第一作动杆1断电，叠层压电陶瓷收缩，第三作动杆3与第五作动杆6回到初始状态，整个动子11依旧静止不动。

如图2(g)所示，给第二作动杆9断电，叠层压电陶瓷收缩，带动第四作动杆5和第六作动杆7在竖直柔性铰链Ⅱ402和竖直柔性铰链Ⅳ404的作用下产生弯曲，竖直箝位足Ⅱ122和竖直箝位足Ⅳ124依旧保持平动向右位移一定距离，在摩擦力的作用下从而带动动子12继续向右位移一定距离△X2。

如图2(h)所示，给第四作动杆5和第六作动杆7断电，叠层压电陶瓷收缩，第四作动杆7和第六作动杆7回到初始状态，在压缩弹簧17的作用下，整个系统回到初始位置，第三作动杆3、第四作动杆5、第五作动杆6、第六作动杆7上面的竖直箝位足Ⅰ121、竖直箝位足Ⅱ122、竖直箝位足Ⅲ123、竖直箝位足Ⅳ124回到初始位置与动子11保持接触，整个动子11保持静止不动。

此时，对两个作动杆再次依次施加相同的电信号即可完成下一个循环，如此以来电机可以实现步进直线运动。若对电机第一作动杆1和第一组箝位机构与第二作动杆9和第二组箝位机构施加信号交换，则可实现电机的反向步进。

最后说明的是，以上所述为本发明的优选实施方式，尽管通过上述优选实施例，已经对本发明进行了详细的说明，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种改变，而不偏离本发明的权利要求书所要求的的范围。

Claims (3)

1.交错四足驱动压电步进直线电机，其特征在于，包括第一作动杆、第一组箝位机构、第二组箝位机构、柔性铰链、导向座、基座、第二作动杆、联动杆；

所述第一作动杆与第二作动杆相对于动子呈对称分布，第一作动杆的一端通过左侧水平柔性铰链与左侧上部基座相连，第二作动杆的一端通过右侧水平柔性铰链与右侧上部基座相连，第一作动杆的另一端与第一组箝位机构相配合的相接，第二作动杆的另一端与第二组箝位结构相配合的相接；

所述第一组箝位机构与第二组箝位机构各由作动杆、竖直柔性铰链、联动杆和竖直箝位足组成，两个箝位机构中的作动杆相间平行布置在导向座上，作动杆一端与竖直柔性铰链一端相连，另一端与竖直箝位足相连，两个箝位机构的作动杆下端安装竖直柔性铰链，并通过螺钉与导向座相固定，两个箝位机构的作动杆上端安装竖直箝位足，间隔的竖直箝位足通过不同的联动杆拼接连接；

所述作动杆由叠层压电陶瓷和外框组成，所述外框为杆状结构，其中间设有一窄缝，叠层压电陶瓷在其轴向方向以过盈配合的方式嵌入外框的窄缝内；

从左向右分别为第三作动杆、第四作动杆、第五作动杆、第六作动杆，其中联动杆I的两端分别与第三作动杆和第五作动杆相接的两个箝位足通过螺钉固定联接，联动杆II的两端分别与第四作动杆和第六作动杆相接的两个箝位足通过螺钉固定联接，联动杆I和联动杆II在空间上沿作动杆轴向错位布置；

导向座左右两侧通过滚动体与中部基座相连接，下侧通过压缩弹簧与底部基座连接；

动子为一直线滑块，动子一侧与经压缩弹簧压紧的竖直箝位足相接，另一侧经导向滚动体与顶部基座相连。

2.根据权利要求1所述的交错四足驱动压电步进直线电机的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1.检测第一作动杆与第二作动杆是否均保持原长，动子保持静止不动；

步骤2.给第四作动杆与第六作动杆外加正电压，叠层压电陶瓷伸长使第四作动杆与第六作动杆伸长，伸长后电压保持不变，使第三作动杆和第五作动杆与动子脱开，动子在整个阶段均保持静止不动；

步骤3.使第四作动杆与第六作动杆保持步骤2电压不变，给第一作动杆外加正电压，叠层压电陶瓷伸长使第一作动杆伸长，伸长后电压保持不变，使第三作动杆和第五作动杆向右位移一定距离，动子依旧保持静止不动；

步骤4.给第二作动杆外加正电压，叠层压电陶瓷伸长，使第四作动杆和第六作动杆向左位移一定距离，由于第四作动杆和第六作动杆和定子接触，带动动子向左前进一个位移△X1；

步骤5.给第三作动杆和第五作动杆，外加正电压，叠层压电陶瓷伸长，使之与动子接触，电压保持不变，动子不产生位移；

步骤6.给第四作动杆和第六作动杆断电，叠层压电陶瓷收缩，使第四作动杆和第六作动杆和动子脱离，动子在这个过程中依旧保持静止；

步骤7.给第二作动杆断电，叠层压电陶瓷收缩，第四作动杆与第六作动杆回到初始状态，整个动子依旧静止不动；

步骤8.给第一作动杆断电，叠层压电陶瓷收缩，带动第三作动杆和第五作动杆向左位移一定距离，从而带动动子继续向左位移一定距离△X2；

步骤9.给第三作动杆和第五作动杆断电，叠层压电陶瓷收缩，第三作动杆和第五作动杆回到初始状态，整个动子保持静止不动。

3.根据权利要求2所述的交错四足驱动压电步进直线电机的使用方法，其特征在于，步骤2中对电机第四作动杆和第六作动杆与第三作动杆和第五作动杆施加信号交换，实现电机的反向步进。

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