CN112994515B - 一种宽速度范围两自由度大尺度压电平台及其激励方法 - Google Patents
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Abstract
一种宽速度范围两自由度大尺度压电平台及其激励方法，属于压电驱动技术领域。本发明解决了现有的大尺度压电运动平台工作频带窄、输出速度范围小及定子与动子之间存在摩擦磨损的问题。通过两自由度导向机构实现大尺度压电平台在两个直线自由度的运动导向，四足对称式弯曲复合型压电驱动器通过第一驱动器支撑架固装在两自由度导向机构上，四足对称式弯曲复合型压电驱动器包括连接块及相互垂直且两两对称固装在连接块四个侧面的第一至第四驱动足，每个驱动足均包括第一压电单元及第一变幅杆，第一惯性块对应固装在四个第一变幅杆的末端，每个驱动足均可实现沿各自切向方向的弯曲运动，所述输出平台固装在连接块及第一驱动器支撑架的顶端。
Description
技术领域
本发明涉及一种宽速度范围两自由度大尺度压电平台及其激励方法，属于压电驱动技术领域。
背景技术
大尺度压电运动平台利用压电驱动技术，基于摩擦耦合将电能转换为机械能，实现大尺度高精度运动输出，得益于其精度高、响应快、结构灵活等突出优势，在生物医疗，精密制造，航空航天以及机器人等领域得到了越来越多的研究和应用。
现有大尺度压电运动平台大部分采用多个压电驱动器串联的方式实现多自由度驱动，但是，利用多个压电驱动器串联的压电运动平台，运动惯量大，工作频带窄，不能获得宽速度范围输出；此外，基于定子和动子之间的摩擦耦合实现大尺度驱动效果，存在着摩擦磨损和精度下降的问题，影响其输出步距的稳定性和工作寿命，这些问题都大大的影响了现有大尺度压电运动平台的生产与应用。
发明内容
本发明是为了解决现有的大尺度压电运动平台工作频带窄、输出速度范围小及定子与动子之间存在摩擦磨损的问题，进而提供了一种宽速度范围两自由度大尺度压电平台及其激励方法。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种宽速度范围两自由度大尺度压电平台，它包括两自由度导向机构、第一驱动器支撑架、第一惯性块、输出平台及四足对称式弯曲复合型压电驱动器，通过两自由度导向机构实现大尺度压电平台在两个直线自由度的运动导向，所述四足对称式弯曲复合型压电驱动器通过所述第一驱动器支撑架固装在所述两自由度导向机构上，其中所述四足对称式弯曲复合型压电驱动器包括连接块及相互垂直且两两对称固装在连接块四个侧面的第一至第四驱动足，每个驱动足均包括同轴布置的第一压电单元及第一变幅杆，第一惯性块的数量为四个且对应固装在四个第一变幅杆的末端，每个驱动足均可实现沿各自切向方向的弯曲运动，所述输出平台固装在连接块及第一驱动器支撑架的顶端。
进一步地，所述第一变幅杆为截面渐变结构，其大直径端靠近第一压电单元设置，第一惯性块固装在第一变幅杆的小直径端。
进一步地，所述两自由度导向机构包括正交布置的第一导轨滑块机构和第二导轨滑块机构，其中第一导轨滑块机构中的导轨通过连接架固装在第二导轨滑块机构中的滑块上。
进一步地，第一惯性块的质量大于其对应连接的驱动足的质量。
一种宽速度范围两自由度大尺度压电平台的激励方法，激励四足对称式弯曲复合型压电驱动器工作在一阶弯曲谐振状态下实现高频快速运动，以及激励四足对称式弯曲复合型压电驱动器工作在非共振弯曲状态下实现低频慢速运动，进而激励宽速度范围两自由度大尺度压电平台实现X轴方向和Y轴方向两自由度大尺度运动输出，具体包括如下步骤：
实现沿Y轴负向运动输出的激励方法如下：
步骤一、向沿X轴的第一驱动足和第三驱动足施加幅值缓慢上升的激励电压信号，使第一驱动足和第三驱动足沿Y轴负方向弯曲，带动其对应连接的第一惯性块沿Y轴负方向运动，利用第一驱动足和第三驱动足产生的惯性冲击力驱动四足对称式弯曲复合型压电驱动器及输出平台沿Y轴正方向运动一段距离；
步骤二、向沿X轴的第一驱动足和第三驱动足施加幅值快速下降的激励电压信号，使第一驱动足和第三驱动足沿Y轴正方向快速弯曲，带动其对应连接的第一惯性块沿Y轴正方向快速运动，利用惯性冲击力驱动四足对称式弯曲复合型压电驱动器及输出平台沿Y轴负向运动一段距离，且沿Y轴负方向运动的距离大于沿Y轴正方向运动的距离；
步骤三、重复步骤一至步骤二，驱动输出平台沿Y轴“正向小步距-负向大步距”运动，最终实现沿Y轴负向的连续运动；
实现沿X轴负向运动输出的激励方法如下：
步骤一、向沿Y轴的第二驱动足和第四驱动足施加幅值缓慢上升的激励电压信号，使第二驱动足和第四驱动足沿X轴负方向弯曲，带动其对应连接的第一惯性块沿Y轴负方向运动，利用第一惯性块产生的惯性冲击力驱动四足对称式弯曲复合型压电驱动器及输出平台沿X轴正方向运动一段距离；
步骤二、向沿Y轴的第二驱动足和第四驱动足施加幅值快速下降的激励电压信号，使第二驱动足和第四驱动足沿X轴正方向快速弯曲，带动其对应连接的第一惯性块沿X轴正方向快速运动，利用惯性冲击力驱动四足对称式弯曲复合型压电驱动器及输出平台沿X轴负方向运动一段距离，且沿X轴负方向运动的距离大于沿X轴正方向运动的距离；
步骤三、重复步骤一至步骤二，驱动输出平台沿X轴“正向小步距-负向大步距”运动，最终实现沿X轴负向的连续运动；
通过改变激励信号的正负实现输出平台沿两自由度的反向运动。
进一步地，激励电压信号的波形为非对称波。
本发明与现有技术相比具有以下效果：
通过本申请实现了工作平台的两自由度大尺度运动输出，结构简单，利用惯性冲击原理，在低频率和高频共振情况下皆可有效工作，实现宽工作频带和大输出速度范围；
本申请利用惯性冲击致动原理，压电平台随两自由度导向机构运动，以自身为动子，摩擦磨损问题得到了缓解，与现有技术相比，有效改善了输出步距的稳定性，提高了工作寿命。极大的拓展了大尺度压电运动平台的应用范围，实用性更高。
附图说明
图1为本申请的立体结构示意图；
图2为四足对称式弯曲复合型压电驱动器的立体结构示意图；
图3为图2的简化示意图(四个驱动足简化为四条实线，四个惯性块简化为四个矩形块，即图中M1、M2、M3和M4)；
图4中的(a)为沿Y轴负向运动输出的激励方法中的步骤一的运动示意图，(b)为沿Y轴负向运动输出的激励方法中的步骤二的运动示意图；
图5中的(a)为沿Y轴负向运动输出的激励方法中的步骤一所采用的激励方案，(b)为沿Y轴负向运动输出的激励方法中的步骤二所采用的激励方案；
图6为基于双足对称式弯曲复合型压电驱动器的压电平台的立体结构示意图(采用直线导向机构时)；
图7为基于双足对称式弯曲复合型压电驱动器的压电平台的立体结构示意图(采用旋转导向机构时)。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1～5说明本实施方式，一种宽速度范围两自由度大尺度压电平台，它包括两自由度导向机构1、第一驱动器支撑架2、第一惯性块3、输出平台4及四足对称式弯曲复合型压电驱动器5，通过两自由度导向机构1实现大尺度压电平台在两个直线自由度的运动导向，所述四足对称式弯曲复合型压电驱动器5通过所述第一驱动器支撑架2固装在所述两自由度导向机构1上，其中所述四足对称式弯曲复合型压电驱动器5包括连接块5-1及相互垂直且两两对称固装在连接块5-1四个侧面的第一至第四驱动足，每个驱动足均包括同轴布置的第一压电单元5-21及第一变幅杆5-22，第一惯性块3的数量为四个且对应固装在四个第一变幅杆5-22的末端，每个驱动足均可实现沿各自切向方向的弯曲运动，所述输出平台4固装在连接块5-1及第一驱动器支撑架2的顶端。第一驱动器支撑架2用于安装四足对称式弯曲复合型压电驱动器5，用于在驱动足的节点位置处固定四足对称式弯曲复合型压电驱动器5。
四个驱动足并联组成四足对称式弯曲复合型压电驱动器5；通过施加正负电压激励信号实现正反向弯曲运动；单个驱动足结构可以为叠堆式结构，也可为贴片式结构，也可为压电管等可以实现弯曲运动输出的压电结构。
第一至第四驱动足分别为第一驱动足5-2、第二驱动足5-3、第三驱动足5-4及第四驱动足5-5。
设置第一惯性块3用于增大系统的惯性。通过设置输出平台4，用于实现两自由度大尺度运动输出。
通过激励四足对称式弯曲复合型压电驱动器5产生惯性冲击力，进而驱动与其固定连接的输出平台4实现两自由度宽速度范围运动输出。
通过本申请实现了工作平台的两自由度大尺度运动输出，结构简单，利用惯性冲击原理，在低频率和高频共振情况下皆可有效工作，实现宽工作频带和大输出速度范围；
本申请利用惯性冲击致动原理，压电平台随两自由度导向机构1运动，以自身为动子，摩擦磨损问题得到了缓解，与现有技术相比，有效改善了输出步距的稳定性，提高了工作寿命。极大的拓展了大尺度压电运动平台的应用范围，实用性更高。尤其在生物医疗，精密制造，航空航天以及机器人等领域有着广泛的应用前景。
所述第一变幅杆5-22为截面渐变结构，其大直径端靠近第一压电单元5-21设置，第一惯性块3固装在第一变幅杆5-22的小直径端。通过截面渐变结构的第一变幅杆5-22，将第一压电单元5-21机械振动的位移或速度放大，使得连接的第一惯性块3获得更大的惯性力，从而提高平台的输出速度。
所述两自由度导向机构1包括正交布置的第一导轨滑块机构1-1和第二导轨滑块机构1-2，其中第一导轨滑块机构1-1中的导轨通过连接架1-3固装在第二导轨滑块机构1-2中的滑块上。每个导轨滑块机构各负责一个直线自由度的运动导向。两个导轨滑块机构串联，实现两正交自由度的运动输出。负责单自由度导向的导轨滑块机构，其导轨滑块可以为一组，也可为多组并联。
第一惯性块3的质量大于其对应连接的驱动足的质量。如此设计，所述的第一惯性块3的质量远大于与其连接的驱动足的质量，以获得大的惯性冲击力。
一种宽速度范围两自由度大尺度压电平台的激励方法，激励四足对称式弯曲复合型压电驱动器5工作在一阶弯曲谐振状态下实现高频快速运动，以及激励四足对称式弯曲复合型压电驱动器5工作在非共振弯曲状态下实现低频慢速运动，进而激励宽速度范围两自由度大尺度压电平台实现X轴方向和Y轴方向两自由度大尺度运动输出，具体包括如下步骤：
实现沿Y轴负向运动输出的激励方法如下：
步骤一、向沿X轴的第一驱动足5-2和第三驱动足5-4施加幅值缓慢上升的激励电压信号，使第一驱动足5-2和第三驱动足5-4沿Y轴负方向弯曲，带动其对应连接的第一惯性块3沿Y轴负方向运动，利用第一驱动足5-2和第三驱动足5-4产生的惯性冲击力驱动四足对称式弯曲复合型压电驱动器5及输出平台4沿Y轴正方向运动一段距离；
步骤二、向沿X轴的第一驱动足5-2和第三驱动足5-4施加幅值快速下降的激励电压信号，使第一驱动足5-2和第三驱动足5-4沿Y轴正方向快速弯曲，带动其对应连接的第一惯性块3沿Y轴正方向快速运动，利用惯性冲击力驱动四足对称式弯曲复合型压电驱动器5及输出平台4沿Y轴负向运动一段距离，且沿Y轴负方向运动的距离大于沿Y轴正方向运动的距离；
步骤三、重复步骤一至步骤二，驱动输出平台4沿Y轴“正向小步距-负向大步距”运动，最终实现沿Y轴负向的连续运动；
实现沿X轴负向运动输出的激励方法如下：
步骤一、向沿Y轴的第二驱动足5-3和第四驱动足5-5施加幅值缓慢上升的激励电压信号，使第二驱动足5-3和第四驱动足5-5沿X轴负方向弯曲，带动其对应连接的第一惯性块3沿Y轴负方向运动，利用第一惯性块3产生的惯性冲击力驱动四足对称式弯曲复合型压电驱动器5及输出平台4沿X轴正方向运动一段距离；
步骤二、向沿Y轴的第二驱动足5-3和第四驱动足5-5施加幅值快速下降的激励电压信号，使第二驱动足5-3和第四驱动足5-5沿X轴正方向快速弯曲，带动其对应连接的第一惯性块3沿X轴正方向快速运动，利用惯性冲击力驱动四足对称式弯曲复合型压电驱动器5及输出平台4沿X轴负方向运动一段距离，且沿X轴负方向运动的距离大于沿X轴正方向运动的距离；
步骤三、重复步骤一至步骤二，驱动输出平台4沿X轴“正向小步距-负向大步距”运动，最终实现沿X轴负向的连续运动；
通过改变激励信号的正负实现输出平台4沿两自由度的反向运动。
所述的激励方法可以激励四足对称式弯曲复合型压电驱动器5在共振高频率下实现“快-慢”弯曲运动，同一轴线上的一对驱动足完成自由梁的一阶弯曲振动，一对第一惯性块3运动方向一致。
激励电压信号的波形为非对称波。如可以为非对称三角波或非对称正弦波等。
具体实施方式二：结合图6-7说明本实施方式，所述四足对称式弯曲复合型压电驱动器5也可以为双足对称式结构，基于双足对称式弯曲复合型压电驱动器的压电平台包括单自由度导向机构6、固装在单自由度导向机构6上的第二驱动器支撑架7、固装在第二驱动器支撑架7上的双足对称式弯曲复合型压电驱动器8，所述双足对称式弯曲复合型压电驱动器8包括第二压电单元及固装在第二压电单元两端的第二变幅杆，每个第二变幅杆末端均对应固装有第二惯性块9，双足对称式弯曲复合型压电驱动器8可实现沿自身切向方向的弯曲运动，输出平台4固装在第二驱动器支撑架7的顶端。
通过一组单自由度导向机构6进行导向，实现单自由度运动输出；
当单自由度导向机构6为直线导向机构时，一对第二变幅杆实现同向弯曲运动，驱动器实现直线运动输出，当其工作在一阶弯曲谐振状态下实现高频快速运动，基于惯性冲击力驱动自身实现大尺度高速直线运动输出；当其工作在非共振弯曲状态下实现低频慢速运动，基于惯性冲击力驱动自身实现大尺度低速直线运动输出；
当单自由度导向机构6为旋转导向机构时，一对第二变幅杆实现反向弯曲运动，驱动器实现旋转运动输出，在共振高频率下完成自由梁的二阶弯曲振动，基于惯性冲击力驱动自身实现大尺度高速旋转运动输出；在非共振情况下完成梁的低频慢速运动，基于惯性冲击力驱动自身实现大尺度低速旋转运动输出。
其它组成与连接关系及激励方法均与具体实施方式一相同。
Claims (5)
1.一种基于宽速度范围两自由度大尺度压电平台的激励方法，其特征在于：宽速度范围两自由度大尺度压电平台包括两自由度导向机构(1)、第一驱动器支撑架(2)、第一惯性块(3)、输出平台(4)及四足对称式弯曲复合型压电驱动器(5)，通过两自由度导向机构(1)实现大尺度压电平台在两个直线自由度的运动导向，所述四足对称式弯曲复合型压电驱动器(5)通过所述第一驱动器支撑架(2)固装在所述两自由度导向机构(1)上，其中所述四足对称式弯曲复合型压电驱动器(5)包括连接块(5-1)及相互垂直且两两对称固装在连接块(5-1)四个侧面的第一至第四驱动足，每个驱动足均包括同轴布置的第一压电单元(5-21)及第一变幅杆(5-22)，第一惯性块(3)的数量为四个且对应固装在四个第一变幅杆(5-22)的末端，每个驱动足均可实现沿各自切向方向的弯曲运动，所述输出平台(4)固装在连接块(5-1)及第一驱动器支撑架(2)的顶端；
激励四足对称式弯曲复合型压电驱动器(5)工作在一阶弯曲谐振状态下实现高频快速运动，以及激励四足对称式弯曲复合型压电驱动器(5)工作在非共振弯曲状态下实现低频慢速运动，进而激励宽速度范围两自由度大尺度压电平台实现X轴方向和Y轴方向两自由度大尺度运动输出，具体包括如下步骤：
实现沿Y轴负向运动输出的激励方法如下：
步骤一、向沿X轴的第一驱动足(5-2)和第三驱动足(5-4)施加幅值缓慢上升的激励电压信号，使第一驱动足(5-2)和第三驱动足(5-4)沿Y轴负方向弯曲，带动其对应连接的第一惯性块(3)沿Y轴负方向运动，利用第一驱动足(5-2)和第三驱动足(5-4)产生的惯性冲击力驱动四足对称式弯曲复合型压电驱动器(5)及输出平台(4)沿Y轴正方向运动一段距离；
步骤二、向沿X轴的第一驱动足(5-2)和第三驱动足(5-4)施加幅值快速下降的激励电压信号，使第一驱动足(5-2)和第三驱动足(5-4)沿Y轴正方向快速弯曲，带动其对应连接的第一惯性块(3)沿Y轴正方向快速运动，利用惯性冲击力驱动四足对称式弯曲复合型压电驱动器(5)及输出平台(4)沿Y轴负向运动一段距离，且沿Y轴负方向运动的距离大于沿Y轴正方向运动的距离；
步骤三、重复步骤一至步骤二，驱动输出平台(4)沿Y轴“正向小步距-负向大步距”运动，最终实现沿Y轴负向的连续运动；
实现沿X轴负向运动输出的激励方法如下：
步骤一、向沿Y轴的第二驱动足(5-3)和第四驱动足(5-5)施加幅值缓慢上升的激励电压信号，使第二驱动足(5-3)和第四驱动足(5-5)沿X轴负方向弯曲，带动其对应连接的第一惯性块(3)沿Y轴负方向运动，利用第一惯性块(3)产生的惯性冲击力驱动四足对称式弯曲复合型压电驱动器(5)及输出平台(4)沿X轴正方向运动一段距离；
步骤二、向沿Y轴的第二驱动足(5-3)和第四驱动足(5-5)施加幅值快速下降的激励电压信号，使第二驱动足(5-3)和第四驱动足(5-5)沿X轴正方向快速弯曲，带动其对应连接的第一惯性块(3)沿X轴正方向快速运动，利用惯性冲击力驱动四足对称式弯曲复合型压电驱动器(5)及输出平台(4)沿X轴负方向运动一段距离，且沿X轴负方向运动的距离大于沿X轴正方向运动的距离；
步骤三、重复步骤一至步骤二，驱动输出平台(4)沿X轴“正向小步距-负向大步距”运动，最终实现沿X轴负向的连续运动；
通过改变激励信号的正负实现输出平台(4)沿两自由度的反向运动。
2.根据权利要求1所述的激励方法，其特征在于：所述第一变幅杆(5-22)为截面渐变结构，其大直径端靠近第一压电单元(5-21)设置，第一惯性块(3)固装在第一变幅杆(5-22)的小直径端。
3.根据权利要求1或2所述的激励方法，其特征在于：所述两自由度导向机构(1)包括正交布置的第一导轨滑块机构(1-1)和第二导轨滑块机构(1-2)，其中第一导轨滑块机构(1-1)中的导轨通过连接架(1-3)固装在第二导轨滑块机构(1-2)中的滑块上。
4.根据权利要求1所述的激励方法，其特征在于：第一惯性块(3)的质量大于其对应连接的驱动足的质量。
5.根据权利要求1所述的激励方法，其特征在于：激励电压信号的波形为非对称波。
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