CN113114067A - 一种可大行程测距的压电粘滑式驱动装置与测距方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可大行程测距的压电粘滑式驱动装置与测距方法，该驱动装置由导轨滑块、驱动单元、预紧力加载机构、固定基座四个部分组成。给驱动装置中的压电叠堆输入周期性锯齿形驱动电压可实现滑块的连续运动，调节驱动电压的幅值和频率可改变驱动装置的步进位移和速度。该驱动装置的创新之处在于可通过测量应变片应变换算出滑块的运动位移，理论上可用于无限行程的位移测量。本发明具有结构简单、操作方便等特点，在精密加工、精密测量、微纳操作等需要高定位精度和大行程位移输出的领域具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及压电精密驱动领域，特别涉及一种可大行程测距的压电粘滑式驱动装置与测距方法，在精密加工、精密测量、微纳操作等需要高定位精度和大行程位移输出的领域具有良好的应用前景。
背景技术
近年来，随着超精密加工、精密光学、航空航天、信息通讯等领域的快速发展，对精密驱动技术的需求和要求也逐渐增加，而传统的驱动装置如齿轮传动、气压传动等大尺寸驱动装置已无法满足现代科技诸多领域对精密驱动与定位需求。小空间内能够实现微/纳米级运动输出成了研究人员的重点研究方向。在此背景下，压电驱动技术因其结构简单、容差性强、响应速度快、输出精度高等优点，使其在诸多新型驱动装置中脱颖而出，被广泛应用于各类精密驱动领域。
压电驱动装置是利用压电材料的逆压电效应控制材料的机械变形来实现驱动装置直线或旋转运动，按驱动原理的不同可分为两大类：直动式压电驱动装置和步进式压电驱动装置。其中直动式压电驱动装置是利用压电材料直接驱动输出机构，输出行程较短；步进式压电驱动装置采用步进运动方式可用于大行程位移输出的场合。粘滑式驱动装置属于步进驱动装置，它控制简单，大多通过周期性锯齿形驱动电压施加于压电元件，激发定子产生快慢交替的运动，实现了定子与动子在“粘”阶段与“滑”阶段的相互转换，利用动子与定子接触表面间的摩擦力实现动子的运动输出。步进式压电驱动装置可实现大行程的位移输出，但是测量其运动输出的位移传感器大多仅限于短距离精确测量，无法兼顾大行程与高精度的双重要求；在长距离测量过程中，位移传感器精度会大幅度降低，无法对动子位移进行精确反馈，为大行程步进式压电驱动装置的位移测量和运动反馈带来了困难。由上述分析可以看出，如何实现步进式压电驱动装置的大行程位移测量是目前研究人员迫切需要解决的难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可大行程测距的压电粘滑式驱动装置与测距方法，解决目前对于步进式压电驱动装置的大行程位移测量的问题。本发明在压电粘滑式驱动装置中集成应变检测单元，检测每步运动过程中的电压变化，通过测量电压的累积，来换算出驱动装置的总位移，实现大行程位移测量。本发明提出的位移测量方法，可拓展应用于不同结构的压电驱动装置。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种可大行程测距的压电粘滑式驱动装置，包括导轨滑块2，驱动单元、预紧力加载机构9和固定基座1四部分，预紧力加载机构9通过螺钉10安装在固定基座1上；调整预紧力加载机构9可以调整驱动足4与滑块2-1的初始间隙，进而控制驱动装置的回退运动。
所述的驱动单元包括驱动足4、柔性铰链6、楔块3、压电叠堆5、应变片7；所述压电叠堆5与楔块3通过紧配合安装在柔性铰链6直圆铰链处；所述应变片7，分四片对称布置在柔性铰链6根部圆孔处；所述驱动足4与滑块2-1弹性接触；所述螺钉8将柔性铰链6固定于预紧力加载机构9上。
所述的导轨滑块2通过螺钉10固定在固定基座1上。
本发明的测距方法为：
A)驱动单元与预紧力加载机构9固连，调节预紧力加载机构9可使驱动足4与滑块2-1弹性接触；
B)给驱动单元中的压电叠堆5输入锯齿形驱动电压，由于压电材料的逆压电效应，压电叠堆5在驱动电压的上升沿缓慢伸长，使得柔性铰链6中的柔性部分发生弹性变形，柔性铰链6绕其根部薄弱处转动，从而使驱动足4与滑块2-1之间产生静摩擦力，该静摩擦力远大于导轨2-2与滑块2-1间的滚动摩擦，所以在驱动电压上升沿滑块2-1向Y轴正向移动S1的位移；在驱动电压的下降沿，压电叠堆5快速缩短，由于惯性力、弹性回复和动摩擦力的作用，滑块2-1会有一个回退运动S2，S2要比S1小很多。经过一个驱动周期后，滑块2-1向前移动了ΔS＝S1-S2的位移，若采用周期性锯齿形驱动电压加载，该驱动装置可以实现连续的正向运动。应变片7四片对称贴于柔性铰链6根部薄弱处，当压电叠堆5伸长或缩短时应变片7会随柔性铰链6一起变形，应变片7的电阻发生改变；应变片7的电阻发生改变；应变片7四片组成全桥电路，将其电阻变化转化成电压变化，供数据采集卡采集。
C)该驱动装置可以通过施加反向周期性锯齿形驱动电压实现滑块2-1的反向连续运动，改变驱动电压的幅值和驱动频率的大小可以控制滑块2-1的运动速度。
D)该驱动装置通过试验同步测取滑块2-1单步位移与数据采集卡采集的电压，拟合出二者之间的关系；在连续多步位移输出时，利用采集卡采集每步的电压值，通过累积多步的电压值来换算出滑块2-1总位移的大小，进而实现滑块2-1的大行程测距。
本发明的有益效果在于：结构简单、紧凑、控制便捷，通过调节电压方向控制驱动装置的正反向运动。本方案利用采集卡采集每步的电压值，通过累积多步的电压值来换算出滑块总位移的大小，在高定位精度和大行程位移输出的领域具有良好的应用前景。
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为本发明的一种可大行程测距的压电粘滑式驱动装置的立体结构示意图；
图2为本发明的驱动单元的立体结构示意图；
图3为本发明的导轨滑块结构示意图；
图4为本发明的工作原理图；
图5为本发明的周期性锯齿波驱动电压时序图；
图6为本发明的反向周期性锯齿波驱动电压时序图；
图7为本发明通过试验同步测取滑块单步位移与数据采集卡采集的电压，拟合出的关系示意图；
图8为本发明在连续多步位移输出时，数据采集卡采集每步的电压值换算出滑块总位移的关系示意图。
其中1、底座；2、导轨滑块；3、楔块；4、驱动足；5、压电叠堆；6、柔性铰链；7、应变片；8、螺钉；9、预紧力加载机构；10、螺钉。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式进一步说明。
如图1、2所示，本发明的驱动装置包括导轨滑块2，驱动单元、预紧力加载机构9和固定基座1四部分，预紧力加载机构9通过螺钉10安装在固定基座1上；调整预紧力加载机构9可以调整驱动足4与滑块2-1的初始间隙，进而控制驱动装置的回退运动。
如图1、2所示驱动单元包括驱动足4、柔性铰链6、应变片7、压电叠堆5和楔块3；所述的应变片7对称布置于柔性铰链6的薄弱处；所述的压电叠堆5与楔块3采用紧密配合的方式安装在柔性铰链6处；所述驱动足4在调整完预紧力加载机构9后，可以与滑块2-1实现弹性接触.
如图1、3所示导轨滑块2通过螺钉10固定在固定基座1上。
给驱动装置中的压电叠堆5施加如图5的周期性锯齿波驱动电压，控制压电叠堆5的伸长或缩短，驱动装置的运动步骤如下：
A)驱动单元与预紧力加载机构9固连，调节预紧力加载机构9可使驱动足4与滑块2-1弹性接触；
B)如图6所示，在t0时刻，压电叠堆5没有受到外加电压，驱动装置保持在初始位置；从t0到t1时刻，压电叠堆5缓慢伸长，使得柔性铰链6中的柔性部分发生弹性变形，柔性铰链6绕其根部薄弱处转动，从而使驱动足4与滑块2-1之间产生静摩擦力，该静摩擦力远大于导轨2-2与滑块2-1间的滚动摩擦，所以在驱动电压上升沿滑块2-1向Y轴正向移动S1的位移；在驱动电压的下降沿，压电叠堆5快速缩短，由于惯性力、弹性回复和动摩擦力的作用，滑块2-1会有一个回退运动S2，S2要比S1小很多。经过一个驱动周期后，滑块2-1向前移动了ΔS＝S1-S2的位移，若采用周期性锯齿形驱动电压加载，该驱动装置可以实现连续的正向运动。应变片7四片对称贴于柔性铰链6根部薄弱处，当压电叠堆5伸长或缩短时应变片7会随柔性铰链6一起变形，应变片7的电阻发生改变；应变片7的电阻发生改变；应变片7四片组成全桥电路，将其电阻变化转化成电压变化，供数据采集卡采集；
C)该驱动装置可以通过施加反向周期性锯齿形驱动电压(图6所示)实现滑块2-1的反向连续运动，改变驱动电压的幅值和驱动频率的大小可以控制滑块2-1的运动速度。
D)该驱动装置通过试验同步测取滑块2-1单步位移与数据采集卡采集的电压，拟合出二者之间的关系(图7所示)；在连续多步位移输出时，利用采集卡采集每步的电压值，通过累积多步的电压值来换算出滑块2-1总位移的大小(图8所示)，进而实现滑块2-1的大行程测距。
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 (5)
1.一种可大行程测距的压电粘滑式驱动装置，其特征在于：包括导轨滑块(2)，驱动单元、预紧力加载机构(9)和固定基座(1)四部分，其中导轨滑块(2)和预紧力加载机构(9)分别通过螺钉(10)安装在固定基座(1)上；调节预紧力加载机构(9)可以调整驱动单元与滑块(2-1)的初始间隙，进而控制驱动装置的回退运动。
2.根据权利要求1所述的一种可大行程测距的压电粘滑式驱动装置，其特征在于：所述的驱动单元包括驱动足(4)、柔性铰链(6)、应变片(7)、压电叠堆(5)和楔块(3)；所述的应变片(7)对称布置于柔性铰链(6)的薄弱处；所述的压电叠堆(5)与楔块(3)采用紧密配合的方式安装在柔性铰链(6)处；所述驱动足(4)在调整完预紧力加载机构(9)后，可以与滑块(2-1)实现弹性接触。
3.根据权利要求1所述的一种可大行程测距的压电粘滑式驱动装置，其特征在于：所述的应变片(7)包含四片，对称布置于柔性铰链(6)根部打孔处侧面，当压电叠堆(5)伸长或缩短时应变片(7)会随柔性铰链(6)一起变形，应变片(7)的电阻发生改变；应变片(7)四片组成全桥电路，将其电阻变化转化成电压变化，供数据采集卡采集。
4.根据权利要求1所述的一种可大行程测距的压电粘滑式驱动装置，其特征在于：柔性铰链(6)根部的孔结构是由两个圆形孔连接而成。
5.一种可大行程测距的压电粘滑式驱动装置的测距方法，其特征在于：包括以下步骤：
a)通过试验同步测取滑块(2-1)单步位移与数据采集卡采集的电压，拟合出二者之间的关系；
b)在连续多步位移输出时，利用采集卡采集每步的电压值，通过累积多步的电压值来换算出滑块(2-1)总位移的大小，进而实现滑块(2-1)的大行程测距。
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