CN112821800A - 基于超声振动减摩现象箝位式压电步进电机及电激励方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于超声振动减摩现象箝位式压电步进电机及电激励方法，包括第一换能器、第二换能器、第一导轨夹具、第二导轨夹具、第一换能器夹具、第二换能器夹具、直线运动动子、叠层压电陶瓷、连接杆和基座；第一换能器由第一换能器夹具固定在基座上，第二换能器由第二换能器夹具固定并且第二换能器夹具与基座之间滑动连接；第一导轨夹具及第二导轨夹具与第一换能器及第二换能器固定连接；所述叠层压电陶瓷的一端与基座连接，所述叠层压电陶瓷的另一端通过所述连接杆与第二换能器夹具连接。应用本技术方案可实现在保持实现纳米级分辨率的同时还可以进行双向无限行程的运动。

Description

基于超声振动减摩现象箝位式压电步进电机及电激励方法

技术领域

本发明涉及压电电机领域，具体是指一种基于超声振动减摩现象箝位式压电步进电机及电激励方法。

背景技术

压电电机具有分辨率高、断电自锁、输出力大和速度相应快等特点，其中箝位式压电电机是一种模仿生物尺蠖运动原理而设计出的压电电机类型，它与其它的步进式压电电机相比，箝位式压电电机具有承载能力大、定位精度高的特性。通过对叠成压电陶瓷单步位移量的不断累积，箝位式压电电机在理论上是可以实现在保持实现纳米级分辨率的同时还可以进行双向无限行程的运动，这可以满足大部分领域中对大行程、高精度、大推力等性能上的要求。

但是现有的箝位式压电电机为了满足不同的工程环境设计出了一系列复杂的结构，如：多足箝位式压电电机(CN102136811B)，这增加了压电电机的装配难度与加工成本。并且大部分的箝位式压电电机受限于“钳位—驱动—钳位”这一驱动原理。箝位式压电电机在工作一段时间后会受到一定程度的磨损，这一磨损会导致箝位式压电电机无法有效的完成“钳位”这一动作，使箝位式压电电机的性能下降，更严重的情况下将会导致电机的无法正常工作。

上世纪90年代研制的一种环形三叠片超声振子箝位压电直线微动马达(周铁英,董蜀湘,刘小萍,李龙土,张孝文.超声振子箝位压电直线微动马达研究[J].声学学报,1993(01):29-33.)，其三叠片超声振子与导轨的固定方式为通过预紧螺杆来调整预紧环的松紧程度使其“包”在导轨上。这种固定方式对导轨的加工精度要求很高，如果导轨的加工精度过低，则可能会使该微动马达在运行过程中卡住。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于超声振动减摩现象箝位式压电步进电机及电激励方法，实现在保持实现纳米级分辨率的同时还可以进行双向无限行程的运动。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于超声振动减摩现象箝位式压电步进电机，包括第一换能器、第二换能器、第一导轨夹具、第二导轨夹具、第一换能器夹具、第二换能器夹具、直线运动动子、叠层压电陶瓷、连接杆和基座；第一换能器由第一换能器夹具固定在基座上，第二换能器由第二换能器夹具固定并且第二换能器夹具与基座之间滑动连接；第一导轨夹具及第二导轨夹具与第一换能器及第二换能器固定连接；所述叠层压电陶瓷的一端与基座连接，所述叠层压电陶瓷的另一端通过所述连接杆与第二换能器夹具连接。

在一较佳的实施例中：所述第一导轨夹具及第二导轨夹具分别具有第一夹持腔及第二夹持腔，所述直线运动动子的两端分别插入所述第一夹持腔及第二夹持腔弹性夹持，并在所述第一夹持腔及第二夹持腔内做直线运动。

在一较佳的实施例中：所述第一换能器夹具及第二换能器夹具分别具有第三夹持腔及第四夹持腔，所述第三夹持腔及第四夹持腔分别用于夹持所述第一换能器及第二换能器的振动节面。

在一较佳的实施例中：所述第一导轨夹具远离所述直线运动动子的一端通过螺柱与所述第一换能器固定连接；所述第二导轨夹具远离所述直线运动动子的一端通过螺柱与所述第二换能器固定连接。

在一较佳的实施例中：第二换能器夹具的底部设置有滑轮，所述滑轮抵接所述基座。

一种基于超声振动减摩现象箝位式压电步进电机的电激励方法，采用了上述的基于超声振动减摩现象箝位式压电步进电机，包括以下步骤：

对第一换能器施加超声频交变电压，由于超声振动减摩现象，第一导轨夹具与直线运动动子之间的摩擦力比第二导轨夹具与直线运动动子之间的摩擦力小，这时对叠层压电陶瓷通电，使叠层压电陶瓷伸长，推动第二换能器，第二导轨夹具带动直线运动动子向左运动，当叠层压电陶瓷伸长到了左极限位置时，停止对第一换能器施加的超声频交变电压，同时对第二换能器施加超声频交变电压，此时由于超声振动减摩现象使得第二导轨夹具与直线运动动子之间的摩擦力比第一导轨夹具与直线运动动子之间的摩擦力小，此时去掉叠层压电陶瓷的电压，叠层压电陶瓷收缩，带动第二换能器与第二导轨夹具回到原始位置，此时直线运动动子不动；如此重复下去，直线运动动子一直向左移动。

在一较佳的实施例中：包括以下步骤：

对第二换能器施加超声频交变电压，由于超声振动减摩现象，第二导轨夹具与直线运动动子之间的摩擦力比第一导轨夹具与直线运动动子之间的摩擦力小，这时对叠层压电陶瓷通电，使叠层压电陶瓷伸长，推动第二换能器，当叠层压电陶瓷伸长到了左极限位置时，停止对第二换能器施加的超声频交变电压，同时对第一换能器施加超声频交变电压，此时由于超声振动减摩现象使得第一导轨夹具与直线运动动子之间的摩擦力比第一导轨夹具与直线运动动子之间的摩擦力小，这时去掉叠层压电陶瓷的电压，叠层压电陶瓷收缩，带动第二换能器与第二导轨夹具，第二导轨夹具带动直线运动动子向右移动；如此重复下去，直线运动动子一直向右移动。

相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：

(1)本发明不再受限于“钳位—驱动—钳位”这一驱动原理，利用了超声振动减摩这一现象，将“钳位—驱动—钳位”这一驱动原理改变为“减摩—驱动—减摩”。利用两导轨夹具各自与直线运动动子之间的摩擦力差来驱使直线运动动子移动。

(2)本发明的导轨夹具与直线运动动子为点接触，能确保电机在运行过程中不会因直线运动动子的加工精度不高而卡住。

(3)本发明避免了现有的箝位式压电电机在使用一段时间后因受到磨损导致电机无法有效完成“钳位”这一动作，导致电机性能下降这一情况。

(4)本发明的结构简单，减小了电机的加工难度同时提高了电机的装配效率，易于实现批量化的生产。

(5)本发明压电电机的导轨夹具始终与直线运动动子接触，这使得电机具有断电自锁的能力；而这会加剧导轨夹具和直线运动动子的磨损，因此本发明在导轨夹具和直线运动动子接触部位采用高硬度高耐磨性的陶瓷材料，这将大大提高了电机的使用寿命。

附图说明

图1为本发明优选实施例中基于超声振动减摩现象的箝位式压电电机结构原理图；

图2为本发明优选实施例中电机驱动所用的电源信号时序图，并对电机在运行过程中不同的状态标定了时刻；

图3为本发明优选实施例中电机直线导轨左移动作图和所对应时序图的时刻；

图4为本发明优选实施例中电机直线导轨右移动作图和所对应时序图的时刻。

具体实施方式

下文结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

一种基于超声振动减摩现象箝位式压电步进电机，参考图1至4，包括第一换能器2、第二换能器9、第一导轨夹具3、第二导轨夹具8、第一换能器夹具1、第二换能器夹具10、直线运动动子4、叠层压电陶瓷7、连接杆6和基座5；第一换能器2由第一换能器夹具1固定在基座5上，第二换能器9由第二换能器夹具10固定并且第二换能器夹具10与基座5之间滑动连接；第一导轨夹具3及第二导轨夹具8与第一换能器2及第二换能器9固定连接；所述叠层压电陶瓷7的一端与基座5连接，所述叠层压电陶瓷7的另一端通过所述连接杆6与第二换能器夹具10连接。所述第一导轨夹具3及第二导轨夹具8分别具有第一夹持腔及第二夹持腔，所述直线运动动子4的两端分别插入所述第一夹持腔及第二夹持腔弹性夹持，并在所述第一夹持腔及第二夹持腔内做直线运动。所述第一换能器夹具1及第二换能器夹具10分别具有第三夹持腔及第四夹持腔，所述第三夹持腔及第四夹持腔分别用于夹持所述第一换能器2及第二换能器9的振动节面。

在本实施例中，所述第一导轨夹具3远离所述直线运动动子4的一端通过螺柱与所述第一换能器2固定连接；所述第二导轨夹具8远离所述直线运动动子4的一端通过螺柱与所述第二换能器9固定连接。

具体来说，第二换能器夹具10的底部设置有滑轮，所述滑轮抵接所述基座5。

一种基于超声振动减摩现象箝位式压电步进电机的电激励方法，采用了上述的基于超声振动减摩现象箝位式压电步进电机，包括以下步骤：

直线运动动子4左移：对第一换能器2施加超声频交变电压，由于超声振动减摩现象，第一导轨夹具3与直线运动动子4之间的摩擦力比第二导轨夹具8与直线运动动子4之间的摩擦力小，这时对叠层压电陶瓷7通电，使叠层压电陶瓷7伸长，推动第二换能器9，第二导轨夹具8带动直线运动动子4向左运动，当叠层压电陶瓷7伸长到了左极限位置时，停止对第一换能器2施加的超声频交变电压，同时对第二换能器9施加超声频交变电压，此时由于超声振动减摩现象使得第二导轨夹具8与直线运动动子4之间的摩擦力比第一导轨夹具3与直线运动动子4之间的摩擦力小，此时去掉叠层压电陶瓷7的电压，叠层压电陶瓷7收缩，带动第二换能器9与第二导轨夹具8回到原始位置，此时直线运动动子4不动；如此重复下去，直线运动动子4一直向左移动。

直线运动动子4右移：对第二换能器9施加超声频交变电压，由于超声振动减摩现象，第二导轨夹具8与直线运动动子4之间的摩擦力比第一导轨夹具3与直线运动动子4之间的摩擦力小，这时对叠层压电陶瓷7通电，使叠层压电陶瓷7伸长，推动第二换能器9，当叠层压电陶瓷7伸长到了左极限位置时，停止对第二换能器9施加的超声频交变电压，同时对第一换能器2施加超声频交变电压，此时由于超声振动减摩现象使得第一导轨夹具3与直线运动动子4之间的摩擦力比第一导轨夹具3与直线运动动子4之间的摩擦力小，这时去掉叠层压电陶瓷7的电压，叠层压电陶瓷7收缩，带动第二换能器9与第二导轨夹具8，第二导轨夹具8带动直线运动动子4向右移动；如此重复下去，直线运动动子4一直向右移动。

定子是由第一换能器2、第二换能器9、第一换能器夹具3、第二换能器夹具10、第一导轨夹具3、第二导轨夹具8与基座5组成，第一换能器2利用第一换能器夹具1与基座5固定，第二换能器9用第二换能器夹具10固定，且第二换能器夹具10与基座5间为滑动连接，使其可在水平面上进行直线运动。利用超声振动减摩现象与叠层压电陶瓷7的伸缩来对直线运动动子4进行推或拉的动作，即可实现直线运动动子4的直线运动。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (7)

1.一种基于超声振动减摩现象箝位式压电步进电机，其特征在于包括第一换能器、第二换能器、第一导轨夹具、第二导轨夹具、第一换能器夹具、第二换能器夹具、直线运动动子、叠层压电陶瓷、连接杆和基座；第一换能器由第一换能器夹具固定在基座上，第二换能器由第二换能器夹具固定并且第二换能器夹具与基座之间滑动连接；第一导轨夹具及第二导轨夹具与第一换能器及第二换能器固定连接；所述叠层压电陶瓷的一端与基座连接，所述叠层压电陶瓷的另一端通过所述连接杆与第二换能器夹具连接。

2.根据权利要求1所述的基于超声振动减摩现象箝位式压电步进电机，其特征在于：所述第一导轨夹具及第二导轨夹具分别具有第一夹持腔及第二夹持腔，所述直线运动动子的两端分别插入所述第一夹持腔及第二夹持腔弹性夹持，并在所述第一夹持腔及第二夹持腔内做直线运动。

3.根据权利要求2所述的基于超声振动减摩现象箝位式压电步进电机，其特征在于：所述第一换能器夹具及第二换能器夹具分别具有第三夹持腔及第四夹持腔，所述第三夹持腔及第四夹持腔分别用于夹持所述第一换能器及第二换能器的振动节面。

4.根据权利要求3所述的基于超声振动减摩现象箝位式压电步进电机，其特征在于：所述第一导轨夹具远离所述直线运动动子的一端通过螺柱与所述第一换能器固定连接；所述第二导轨夹具远离所述直线运动动子的一端通过螺柱与所述第二换能器固定连接。

5.根据权利要求4所述的基于超声振动减摩现象箝位式压电步进电机，其特征在于：第二换能器夹具的底部设置有滑轮，所述滑轮抵接所述基座。

6.一种基于超声振动减摩现象箝位式压电步进电机的电激励方法，其特征在于采用了上述的基于超声振动减摩现象箝位式压电步进电机，包括以下步骤：

对第一换能器施加超声频交变电压，由于超声振动减摩现象，第一导轨夹具与直线运动动子之间的摩擦力比第二导轨夹具与直线运动动子之间的摩擦力小，这时对叠层压电陶瓷通电，使叠层压电陶瓷伸长，推动第二换能器，第二导轨夹具带动直线运动动子向左运动，当叠层压电陶瓷伸长到了左极限位置时，停止对第一换能器施加的超声频交变电压，同时对第二换能器施加超声频交变电压，此时由于超声振动减摩现象使得第二导轨夹具与直线运动动子之间的摩擦力比第一导轨夹具与直线运动动子之间的摩擦力小，此时去掉叠层压电陶瓷的电压，叠层压电陶瓷收缩，带动第二换能器与第二导轨夹具回到原始位置，此时直线运动动子不动；如此重复下去，直线运动动子一直向左移动。

7.根据权利要求6所述的基于超声振动减摩现象箝位式压电步进电机的电激励方法，其特征在于包括以下步骤：

对第二换能器施加超声频交变电压，由于超声振动减摩现象，第二导轨夹具与直线运动动子之间的摩擦力比第一导轨夹具与直线运动动子之间的摩擦力小，这时对叠层压电陶瓷通电，使叠层压电陶瓷伸长，推动第二换能器，当叠层压电陶瓷伸长到了左极限位置时，停止对第二换能器施加的超声频交变电压，同时对第一换能器施加超声频交变电压，此时由于超声振动减摩现象使得第一导轨夹具与直线运动动子之间的摩擦力比第一导轨夹具与直线运动动子之间的摩擦力小，这时去掉叠层压电陶瓷的电压，叠层压电陶瓷收缩，带动第二换能器与第二导轨夹具，第二导轨夹具带动直线运动动子向右移动；如此重复下去，直线运动动子一直向右移动。

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