CN112838787A - 一种具有两级放大机构的粘滑式压电驱动器及其驱动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有两级放大机构的粘滑式压电驱动器及其驱动方法，属于精密机械领域。驱动器包括基座、滑块、两级放大机构、压电叠堆、楔形块和预紧机构。所述的两级放大机构由结构相似、方向相反的第一级柔性放大机构和第二级柔性放大机构串联而成。压电叠堆得电产生的变形经两级放大机构后实现两次位移放大，转化成了驱动足的正x向位移，通过摩擦力实现滑块的定向驱动。本发明的优点在于：通过新型两级放大机构能有效地提高粘滑式压电驱动器的输出效率，实现在低频条件下的高速驱动。本发明可以用于精密加工，光学仪器，生物工程和航空航天技术等领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有两级放大机构的粘滑式压电驱动器及其驱动方法，属于精密机械领域。本发明解决了低频条件下，粘滑式压电驱动器驱动速度相对较低的问题。可用于集成电路封装、光学聚焦、微/纳米机械测试和微纳操作等领域。
背景技术
压电驱动技术作为精密驱动技术之一，以其精度高、体积小、能耗低、能量密度大且不受电磁干扰等优点受到研究人员的关注，在集成电路封装、微纳操作、超精密加工和生物医学等高尖端领域中被广泛应用。
已有的研究中，研究人员提出了基于不同工作原理的压电驱动器，大体可分为四类：直动式压电驱动器，具有输出精度高、结构简单和响应迅速的优点。但其工作行程较小，无法满足大行程的工作场合；超声型压电驱动器理论上具有无限的工作行程，但定位精度较低，且较高的工作频率往往会造成严重的磨损，导致使用寿命缩短；尺蠖式压电驱动器结构复杂，控制困难，这同样限制了它的发展；粘滑式压电驱动器具有行程大、精度高、结构简单、易于控制的优点，但其驱动速度相对偏低。
对压电驱动器的工作状态进行有效优化，提升粘滑式的驱动速度最容易实现。常用的提速方式主要有：提高驱动频率和使用位移放大机构。但对于粘滑式压电驱动器而言，高频的工作环境同样会带来磨损严重和工作状态不稳定的问题，不仅缩短使用寿命，还很难达到理想的定位精度。而现有的位移放大机构放大比有限，特别是在承受负载后放大比往往会急剧下降，难以满足大步距的需求。因此本发明提出了一种能够显著提升步距的位移放大机构——两级放大机构，解决了粘滑式压电驱动器输出速度相对较低的问题。本发明通过两级放大机构实现了低频条件下的粘滑式压电驱动器的高速运动。
发明内容
为了解决现有粘滑式压电驱动器在低频条件下速度较低的问题，本发明提出了一种具有两级放大机构的粘滑式压电驱动器。
本发明为实现上述目的采用的技术方案如下：
一种具有两级放大机构的粘滑式压电驱动器，其特征在于：通过两级放大机构的应用，仅采用一个压电叠堆即可实现两次输出位移的放大；驱动器包括基座、滑块、两级放大机构、压电叠堆、楔形块和预紧机构；所述的两级放大机构由固定梁、第一级柔性放大机构、支撑梁、第二级柔性放大机构和驱动足五部分沿着正y向依次串联排布组成；所述的滑块安装于基座凸台一端，用于调节滑块和驱动足之间预紧力的预紧机构固定安装于基座另一端；所述的压电叠堆通过楔形块预紧嵌入到第一级柔性放大机构中并直接作用于支撑梁上；所述的压电叠堆在锯齿形电信号控制下，周期性地缓慢伸长和快速收缩，依据粘滑运动原理实现滑块沿正x向的直线运动。
所述的第一级柔性放大机构是由两个与正x向夹角呈钝角的叶式柔性铰链Ⅰ并联而成的平行四边形导向机构；压电叠堆得电伸长Δy1时，第一级柔性放大机构受拉伸作用而产生形变，基于寄生运动原理，支撑梁、第二级柔性放大机构和驱动足整体产生正y向位移Δy1，并附有正x向位移Δx1。
所述的第二级柔性放大机构是由两个与正x向夹角呈锐角的叶式柔性铰链Ⅱ并联而成的平行四边形导向机构；压电叠堆得电伸长Δy1时，第二级柔性放大机构受压缩作用而产生形变，驱动足同样会产生一个正x向位移Δx2。
本发明的另一目的在于提供一种具有两级放大机构的粘滑式压电驱动器的驱动方法，包括以下步骤：
①将压电叠堆及楔形块以紧配合的方式内嵌于第一级柔性放大机构中；将两级放大机构通过螺钉安装在预紧机构上，调节预紧机构旋钮，实现滑块和驱动足之间的弹性接触；
②给压电叠堆输入锯齿形的电信号，基于逆压电效应，压电叠堆得电缓慢伸长，在第一级柔性放大机构和第二级柔性放大机构的位移放大叠加作用下，转化为驱动足沿正x向的位移，进而通过摩擦力推动滑块沿正x向移动x1；随后，压电叠堆失电快速收缩，两级放大机构恢复初始状态，滑块沿负x向产生微小回退x2；重复上述两阶段即可实现稳定步进；
③调节压电叠堆输入电信号的电压幅值及驱动频率，可实现滑块运动状态的改变。
本发明的有益效果在于：一种具有两级放大机构的粘滑式压电驱动器能够有效地放大单步步距，实现低频条件下的高速驱动，显著提升了粘滑式压电驱动器的输出效率。同时保持了粘滑式压电驱动器结构简单，控制容易和分辨率高等优点。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明两级放大机构的俯视示意图。
图3是本发明两级放大原理示意图。
图4是本发明的工作过程示意图。
图5是发明在驱动电压U＝100V，锁紧力F＝2N下测得的实际输出速度v与驱动频率f之间关系的曲线。
图中：1、基座；2、滑块；3、两级放大机构；3.1、固定梁；3.2、第一级柔性放大机构；3.2.1、叶式柔性铰链Ⅰ；3.3、支撑梁；3.4、第二级柔性放大机构；3.4.1、叶式柔性铰链Ⅱ；3.5、驱动足；4、压电叠堆；5、楔形块；6、预紧机构。
具体实施方式
下面将结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1至图5所示，本发明提出的一种具有两级放大机构的粘滑式压电驱动器及其驱动方法，设计了一种新型位移放大机构，提高了粘滑式压电驱动器的单步步距，对于实现低频条件下的高速驱动具有重要意义。
所述的一种具有两级放大机构的粘滑式压电驱动器，其特征在于：驱动器包括基座(1)、滑块(2)、两级放大机构(3)、压电叠堆(4)、楔形块(5)和预紧机构(6)。该驱动器通过应用两级放大机构(3)，优化了粘滑式压电驱动器输出速度偏低的问题，同时保留了粘滑式压电驱动器易于控制、结构简单和分辨率高等优点，增强了其在精密加工、集成电路封装、微纳操作、空间技术等领域的应用。
参见图1、图2所示，本发明的一种具有两级放大机构的粘滑式压电驱动器包括基座(1)、滑块(2)、两级放大机构(3)、压电叠堆(4)、楔形块(5)和预紧机构(6)；所述的两级放大机构(3)由固定梁(3.1)、第一级柔性放大机构(3.2)、支撑梁(3.3)、第二级柔性放大机构(3.4)和驱动足(3.5)五部分沿着正y向依次串联排布组成；所述的滑块(2)安装于基座(1)凸台一端，用于调节滑块(2)和驱动足(3.5)之间预紧力的预紧机构(6)固定安装于基座(1)的另一端；所述的压电叠堆(4)通过楔形块(5)预紧嵌入到第一级柔性放大机构(3.2)中并直接作用于支撑梁(3.3)上；所述的压电叠堆(4)在锯齿形电信号控制下，周期性地缓慢伸长和快速收缩，依据粘滑运动原理实现滑块(2)沿正x向的直线运动。
所述的第一级柔性放大机构(3.2)是由两个与正x向夹角呈钝角的叶式柔性铰链Ⅰ(3.2.1)并联而成的平行四边形导向机构；压电叠堆(4)得电伸长Δy1时，第一级柔性放大机构(3.2)受拉伸作用而产生形变，基于寄生运动原理，支撑梁(3.3)、第二级柔性放大机构(3.4)和驱动足(3.5)整体产生正y向位移Δy1，并附有正x向位移Δx1。
所述的第二级柔性放大机构(3.4)是由两个与正x向夹角呈锐角的叶式柔性铰链Ⅱ(3.4.1)并联而成的平行四边形导向机构；压电叠堆(4)得电伸长Δy1时，第二级柔性放大机构(3.4)受压缩作用而产生形变，驱动足(5)同样会产生一个正x向位移Δx2。
参见图3所示，本发明两级放大原理的示意图，当第一级柔性放大机构(3.2)单独工作时，压电叠堆(4)得电伸长，直接作用于支撑梁(3.3)，第一级柔性放大机构(3.2)受到拉伸并发生变形，基于寄生运动原理，支撑梁(3.3)、第二级柔性放大机构(3.4)和驱动足(3.5)产生正y向位移Δy1并附有正x向位移Δx1；当第二级柔性放大机构(3.4)单独工作时，受到压电叠堆(4)的压缩并发生变形，同样会使驱动足(3.5)产生正x向的位移Δx2。由于第一级柔性放大机构(3.2)和第二级柔性放大机构(3.4)均能在伸长的压电叠堆(4)作用下，使驱动足(3.5)沿正x向移动。本发明将二者串联起来，将第一级柔性放大机构(3.2)的输出作为第二级柔性放大机构(3.4)的输入，使压电叠堆(4)的伸长量可以得到两次放大。该构型理论上能够有效地放大粘滑式压电驱动器的单步步距，对于低频条件下提升输出速度具有显著效果。
参见图3及图4所示，本发明的一种具有两级放大机构的粘滑式压电驱动器的工作过程，包括以下步骤：
①t0时刻，将压电叠堆(4)及楔形块(5)以紧配合的方式内嵌于第一级柔性放大机构(3.2)中；将两级放大机构(3)通过螺钉安装在预紧机构(6)上，调节预紧机构(6)旋钮，实现滑块(2)和驱动足(3.5)之间的弹性接触；
②对压电叠堆(4)输入锯齿形的电信号，在t0-t1阶段，压电叠堆(4)得电缓慢伸长，推动支撑梁(3.3)，使第一级柔性放大机构(3.2)受到拉伸，第二级柔性放大机构(3.4)受到压缩，直至t1时刻电压幅值不再增加，变形达到极限状态，压电叠堆(4)的伸长经两级放大机构(3)转化为驱动足(3.5)正x向的位移，滑块(2)在摩擦力的作用沿正x向移动x1；
③在t1-t2阶段，输入电压幅值迅速下降，压电叠堆(4)快速收缩，两级放大机构(3)恢复到初始状态，滑块(2)在滑动摩擦力的作用下沿负x向产生微小回退x2；
④重复上述步骤，滑块(2)即可实现大行程运动。调节压电叠堆(4)输入电信号的电压幅值及驱动频率，可实现滑块(2)运动状态的调节。
参见图5所示，为本发明的一种具有两级放大机构的粘滑式压电驱动器在驱动电压U＝100V,锁紧力F＝2N条件下测得的实际输出速度v与驱动频率f关系的曲线。可以看出，在700Hz之前实际输出速度v随着驱动频率f的增大体现出先增大后减小的趋势，最大速度发生在驱动频率f＝700Hz的条件下，最大速度可达20.051mm/s。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种具有两级放大机构的粘滑式压电驱动器，其特征在于：驱动器包括基座(1)、滑块(2)、两级放大机构(3)、压电叠堆(4)、楔形块(5)和预紧机构(6)；所述的两级放大机构(3)由固定梁(3.1)、第一级柔性放大机构(3.2)、支撑梁(3.3)、第二级柔性放大机构(3.4)和驱动足(3.5)五部分沿着正y向依次串联排布组成；所述的滑块(2)安装于基座(1)凸台一端，用于调节滑块(2)和驱动足(3.5)之间预紧力的预紧机构(6)固定安装于基座(1)的另一端；所述的压电叠堆(4)通过楔形块(5)预紧嵌入到第一级柔性放大机构(3.2)中并直接作用于支撑梁(3.3)上；所述的压电叠堆(4)在锯齿形电信号控制下，周期性地缓慢伸长和快速收缩，依据粘滑运动原理实现滑块(2)沿正x向的直线运动。
2.根据权利要求1所述的一种具有两级放大机构的粘滑式压电驱动器，其特征在于：所述的第一级柔性放大机构(3.2)是由两个与正x向夹角呈钝角的叶式柔性铰链Ⅰ(3.2.1)并联而成的平行四边形导向机构；压电叠堆(4)得电伸长Δy1时，第一级柔性放大机构(3.2)受拉伸作用而产生形变，基于寄生运动原理，支撑梁(3.3)、第二级柔性放大机构(3.4)和驱动足(3.5)整体产生正y向位移Δy1，并附有正x向位移Δx1。
3.根据权利要求1所述的一种具有两级放大机构的粘滑式压电驱动器，其特征在于：所述的第二级柔性放大机构(3.4)是由两个与正x向夹角呈锐角的叶式柔性铰链Ⅱ(3.4.1)并联而成的平行四边形导向机构；压电叠堆(4)得电伸长Δy1时，第二级柔性放大机构(3.4)受压缩作用而产生形变，驱动足(5)同样会产生一个正x向位移Δx2。
4.一种具有两级放大机构的粘滑式压电驱动器的驱动方法，其特征在于：包括以下步骤：
①将压电叠堆(4)及楔形块(5)以紧配合的方式内嵌于第一级柔性放大机构(3.2)中；将两级放大机构(3)通过螺钉安装在预紧机构(6)上，调节预紧机构(6)旋钮，实现滑块(2)和驱动足(3.5)之间的弹性接触；
②给压电叠堆(4)输入锯齿形的电信号，基于逆压电效应，压电叠堆(4)得电缓慢伸长，在第一级柔性放大机构(3.2)和第二级柔性放大机构(3.4)的位移放大叠加作用下，转化为驱动足(3.5)沿正x向的位移，进而通过摩擦力推动滑块(2)沿正x向移动x1；随后，压电叠堆(4)失电快速收缩，两级放大机构(3)恢复初始状态，滑块(2)沿负x向产生微小回退x2；重复上述两阶段即可实现稳定步进；
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Cited By (2)
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| CN113938052B (zh) * | 2021-09-29 | 2023-09-08 | 东北电力大学 | 一种基于两级杠杆放大机构的压电粘滑驱动器 |
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