CN113472237B - 纵弯组合致动尺蠖式直线压电驱动器及其激励方法 - Google Patents

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Abstract

纵弯组合致动尺蠖式直线压电驱动器及其激励方法属于压电驱动技术领域，目的在于解决现有技术存在的结构复杂、整体刚读题以及对加工质量要求高等问题。本发明包括：左伸缩压电陶瓷、左弯曲压电陶瓷、L形法兰板、右弯曲压电陶瓷、右伸缩压电陶瓷和动子；L型法兰板竖直部分的两侧设置有相同的螺栓；左伸缩压电陶瓷、左弯曲压电陶瓷、右弯曲压电陶瓷以及右伸缩压电陶瓷沿轴线方向均设置有通孔；L型法兰板一侧的螺栓依次穿过左弯曲压电陶瓷和左伸缩压电陶瓷后与一个螺母螺纹连接；L型法兰板另一侧的螺栓依次穿过右弯曲压电陶瓷和右伸缩压电陶瓷后与另一个螺母螺纹连接；左伸缩压电陶瓷和右伸缩压电陶瓷分别通过一个驱动组和动子接触。

Description

纵弯组合致动尺蠖式直线压电驱动器及其激励方法
技术领域
本发明属于压电驱动技术领域，具体涉及一种纵弯组合致动尺蠖式直线压电驱动器及其激励方法。
背景技术
压电驱动器利用压电陶瓷材料的逆压电效应，通过施加电信号激励压电陶瓷-金属复合定子产生振动或变形，进一步通过摩擦或直接驱动方式实现动子机械运动输出；具有结构设计灵活、响应速度快、定位精度高、断电自锁、不受电磁干扰、可直接驱动等技术优势，已经成为精密驱动与定位领域研究的热点之一，并已成功应用于航空航天、医疗器械、数码电子产品等领域。
尺蠖式压电驱动器是当前压电驱动器中较为具有代表性的一类，通过嵌入在不同柔性铰链机构中的压电叠堆的“钳位”与“致动”动作交替实现动子的机械运动输出，具有易于实现大行程运动输出的优势，且在整个运动过程中动子没有位移回退现象产生。然而，当前尺蠖式压电驱动器多使用柔性铰链设计结构，这会导致该类压电驱动器具有结构复杂的不足，且柔性铰链的使用常导致压电驱动器整体刚度较低、对加工质量要求高等问题，在一定程度上限制了尺蠖式压电驱动器的进一步应用。
发明内容
本发明的目的在于提出一种纵弯组合致动尺蠖式直线压电驱动器及其激励方法，解决现有技术存在的结构复杂、整体刚读题以及对加工质量要求高等问题。
为实现上述目的，本发明的纵弯组合致动尺蠖式直线压电驱动器包括：左伸缩压电陶瓷、左弯曲压电陶瓷、L形法兰板、右弯曲压电陶瓷、右伸缩压电陶瓷和动子；
所述L型法兰板竖直部分的两侧设置有相同的螺栓；所述左伸缩压电陶瓷、左弯曲压电陶瓷、右弯曲压电陶瓷以及右伸缩压电陶瓷沿轴线方向均设置有通孔；
所述L型法兰板一侧的螺栓依次穿过左弯曲压电陶瓷和左伸缩压电陶瓷后与一个螺母螺纹连接；所述L型法兰板另一侧的螺栓依次穿过右弯曲压电陶瓷和右伸缩压电陶瓷后与另一个螺母螺纹连接；所述左伸缩压电陶瓷和所述右伸缩压电陶瓷分别通过一个驱动足和所述动子接触。
所述左伸缩压电陶瓷和所述右伸缩压电陶瓷的驱动足和所述动子的接触为点接触，具体为：驱动足顶部为半球形，与动子之间是点接触。
所述左伸缩压电陶瓷和所述右伸缩压电陶瓷的驱动足和所述动子的接触为线接触，具体为：驱动足顶部为半圆柱形，与动子之间是线接触。
所述左伸缩压电陶瓷和右伸缩压电陶瓷的尺寸相同，所述左弯曲压电陶瓷和右弯曲压电陶瓷的尺寸相同。
所述L型法兰板的水平部分均匀分布有多个固定孔。
纵弯组合致动尺蠖式直线压电驱动器的激励方法包括沿螺栓轴向方向的向右激励方法和向左激励方法；
所述向右激励方法包括以下步骤：
步骤一：左伸缩压电陶瓷保持不动，左弯曲压电陶瓷施加负电压向下弯曲，右弯曲压电陶瓷施加正电压向上弯曲，右伸缩压电陶瓷保持不动，右伸缩压电陶瓷上的驱动足压紧动子；
步骤二：左伸缩压电陶瓷施加正电压向左伸长，左弯曲压电陶瓷保持不动，右弯曲压电陶瓷保持不动，右伸缩压电陶瓷施加正电压向右伸长，右伸缩压电陶瓷上的驱动足带动动子向右运动一步；
步骤三：左伸缩压电陶瓷保持不动，左弯曲压电陶瓷施加正电压向上弯曲，右弯曲压电陶瓷施加负电压向下弯曲，右伸缩压电陶瓷保持不动，左伸缩压电陶瓷上的驱动足压紧动子；
步骤四：左伸缩压电陶瓷施加负电压向右缩短，左弯曲压电陶瓷保持不动，右弯曲压电陶瓷保持不动，右伸缩压电陶瓷施加负电压向左缩短，左伸缩压电陶瓷上的驱动足带动动子向右移动一步；
步骤五：重复步骤一至步骤四，实现动子向右连续驱动；
所述向左激励方法包括以下步骤：
步骤一：右伸缩压电陶瓷保持不动，右弯曲压电陶瓷施加负电压向下弯曲，左弯曲压电陶瓷施加正电压向上弯曲，左伸缩压电陶瓷保持不动，左伸缩压电陶瓷上的驱动足压紧动子；
步骤二：右伸缩压电陶瓷施加正电压向右伸长，右弯曲压电陶瓷保持不动，左弯曲压电陶瓷保持不动，左伸缩压电陶瓷施加正电压向左伸长，左伸缩压电陶瓷上的驱动足带动动子向左运动一步；
步骤三：右伸缩压电陶瓷保持不动，右弯曲压电陶瓷施加正电压向上弯曲，左弯曲压电陶瓷施加负电压向下弯曲，左伸缩压电陶瓷保持不动，右伸缩压电陶瓷上的驱动足压紧动子；
步骤四：右伸缩压电陶瓷施加负电压向左缩短，右弯曲压电陶瓷保持不动，左弯曲压电陶瓷保持不动，左伸缩压电陶瓷施加负电压向右缩短，右伸缩压电陶瓷上的驱动足带动动子向左移动一步；
步骤五：重复步骤一至步骤四，实现动子向左连续驱动。
本发明的有益效果为：本发明的纵弯组合致动尺蠖式直线压电驱动器及其激励方法通过压电陶瓷弯曲运动实现“钳位”动作，通过纵向运动实现“致动”动作，进而利用纵向与弯曲运动复合实现动子致动。本发明整体采用螺栓夹紧构型，具有结构简单紧凑的特点，且本发明无柔性铰链使用，可避免现有尺蠖式压电驱动器由于使用柔性铰链而带来的结构复杂、对加工质量要求高、刚度降低等问题；此外，本发明在一个周期内能够实现动子两次致动，具有驱动效率高的突出优势。本发明在机器人、精密运动平台等领域具有潜在的应用前景。
附图说明
图1为本发明的纵弯组合致动尺蠖式直线压电驱动器整体结构示意图；
图2为本发明的纵弯组合致动尺蠖式直线压电驱动器中左伸缩压电陶瓷激励信号示意图；
图3为本发明的纵弯组合致动尺蠖式直线压电驱动器中左弯曲压电陶瓷激励信号示意图；
图4为本发明的纵弯组合致动尺蠖式直线压电驱动器中右弯曲压电陶瓷激励信号示意图；
图5为本发明的纵弯组合致动尺蠖式直线压电驱动器中右伸缩压电陶瓷激励信号示意图；
其中：1、左伸缩压电陶瓷，2、左弯曲压电陶瓷，3、L型法兰板，301、螺栓，302、固定孔，4、右弯曲压电陶瓷，5、右伸缩压电陶瓷，6、动子，7、螺母，8、驱动足。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。
参见附图1，本发明的纵弯组合致动尺蠖式直线压电驱动器包括：左伸缩压电陶瓷1、左弯曲压电陶瓷2、L形法兰板、右弯曲压电陶瓷4、右伸缩压电陶瓷5和动子6；
所述L型法兰板3竖直部分的两侧设置有相同的螺栓301；所述左伸缩压电陶瓷1、左弯曲压电陶瓷2、右弯曲压电陶瓷4以及右伸缩压电陶瓷5沿轴线方向均设置有通孔；
所述L型法兰板3一侧的螺栓301依次穿过左弯曲压电陶瓷2和左伸缩压电陶瓷1后与一个螺母7螺纹连接；所述L型法兰板3另一侧的螺栓301依次穿过右弯曲压电陶瓷4和右伸缩压电陶瓷5后与另一个螺母7螺纹连接；所述左伸缩压电陶瓷1和所述右伸缩压电陶瓷5分别通过一个驱动足8和所述动子6接触。
所述左伸缩压电陶瓷1和所述右伸缩压电陶瓷5的驱动足8和所述动子6的接触为点接触，具体为：驱动足8顶部为半球形，与动子6之间是点接触。
所述左伸缩压电陶瓷1和所述右伸缩压电陶瓷5的驱动足8和所述动子6的接触为线接触，具体为：驱动足8顶部为半圆柱形，与动子6之间是线接触。
所述左伸缩压电陶瓷1和右伸缩压电陶瓷5的尺寸相同，所述左弯曲压电陶瓷2和右弯曲压电陶瓷4的尺寸相同。
所述L型法兰板3的水平部分均匀分布有多个固定孔302。
所述左伸缩压电陶瓷1、左弯曲压电陶瓷2、右弯曲压电陶瓷4和右伸缩压电陶瓷5外横截面为方形或者圆形。
本发明中左伸缩压电陶瓷1和右伸缩压电陶瓷5施加电信号激励后沿其轴向产生伸长或缩短变形，左弯曲压电陶瓷2和右弯曲压电陶瓷4施加电信号激励后产生向上或向下的弯曲变形。L形法兰板竖直部分的左右两侧设置有尺寸相同的螺栓301，左侧的螺栓301穿过左弯曲压电陶瓷2和左伸缩压电陶瓷1与左侧的螺母7配合实现紧固连接，右侧的螺栓301穿过右弯曲压电陶瓷4和右伸缩压电陶瓷5与右侧的螺母7配合实现紧固连接；L形法兰板水平部分设置有固定孔302，用来实现压电驱动器整体的安装固定。
纵弯组合致动尺蠖式直线压电驱动器的激励方法包括沿螺栓301轴向方向的向右激励方法和向左激励方法；初始状态时两个驱动足8与动子6同时接触。
参见附图2-附图5，所述向右激励方法包括以下步骤：
步骤一：左伸缩压电陶瓷1保持不动，左弯曲压电陶瓷2施加负电压向下弯曲，右弯曲压电陶瓷4施加正电压向上弯曲，右伸缩压电陶瓷5保持不动，此过程只有右伸缩压电陶瓷5上的驱动足8压紧动子6；
步骤二：左伸缩压电陶瓷1施加正电压向左伸长，左弯曲压电陶瓷2保持不动，右弯曲压电陶瓷4保持不动，右伸缩压电陶瓷5施加正电压向右伸长，此过程右伸缩压电陶瓷5上的驱动足8带动动子6向右运动一步；
步骤三：左伸缩压电陶瓷1保持不动，左弯曲压电陶瓷2施加正电压向上弯曲，右弯曲压电陶瓷4施加负电压向下弯曲，右伸缩压电陶瓷5保持不动，此过程只有左伸缩压电陶瓷1上的驱动足8压紧动子6；
步骤四：左伸缩压电陶瓷1施加负电压向右缩短，左弯曲压电陶瓷2保持不动，右弯曲压电陶瓷4保持不动，右伸缩压电陶瓷5施加负电压向左缩短，此过程左伸缩压电陶瓷1上的驱动足8带动动子6向右移动一步；
步骤五：重复步骤一至步骤四，实现动子6向右连续驱动；可以通过累计多个步距进而实现动子6向右连续驱动；在一个工作周期内，本发明提出的纵弯组合致动尺蠖式直线压电驱动器驱动动子6移动两步；
所述向左激励方法包括以下步骤：
步骤一：右伸缩压电陶瓷5保持不动，右弯曲压电陶瓷4施加负电压向下弯曲，左弯曲压电陶瓷2施加正电压向上弯曲，左伸缩压电陶瓷1保持不动，此过程只有左伸缩压电陶瓷1上的驱动足8压紧动子6；
步骤二：右伸缩压电陶瓷5施加正电压向右伸长，右弯曲压电陶瓷4保持不动，左弯曲压电陶瓷2保持不动，左伸缩压电陶瓷1施加正电压向左伸长，此过程左伸缩压电陶瓷1上的驱动足8带动动子6向左运动一步；
步骤三：右伸缩压电陶瓷5保持不动，右弯曲压电陶瓷4施加正电压向上弯曲，左弯曲压电陶瓷2施加负电压向下弯曲，左伸缩压电陶瓷1保持不动，此过程只有右伸缩压电陶瓷5上的驱动足8压紧动子6；
步骤四：右伸缩压电陶瓷5施加负电压向左缩短，右弯曲压电陶瓷4保持不动，左弯曲压电陶瓷2保持不动，左伸缩压电陶瓷1施加负电压向右缩短，此过程右伸缩压电陶瓷5上的驱动足8带动动子6向左移动一步；
步骤五：重复步骤一至步骤四，实现动子6向左连续驱动。

Claims (7)

1.纵弯组合致动尺蠖式直线压电驱动器，其特征在于，包括：左伸缩压电陶瓷(1)、左弯曲压电陶瓷(2)、L形法兰板(3)、右弯曲压电陶瓷(4)、右伸缩压电陶瓷(5)和动子(6)；
所述L形法兰板(3)竖直部分的两侧设置有相同的螺栓(301)；所述左伸缩压电陶瓷(1)、左弯曲压电陶瓷(2)、右弯曲压电陶瓷(4)以及右伸缩压电陶瓷(5)沿轴线方向均设置有通孔；
所述L形法兰板(3)一侧的螺栓(301)依次穿过左弯曲压电陶瓷(2)和左伸缩压电陶瓷(1)后与一个螺母(7)螺纹连接；所述L形法兰板(3)另一侧的螺栓(301)依次穿过右弯曲压电陶瓷(4)和右伸缩压电陶瓷(5)后与另一个螺母(7)螺纹连接；所述左伸缩压电陶瓷(1)和所述右伸缩压电陶瓷(5)分别通过一个驱动足(8)和所述动子(6)接触。
2.根据权利要求1所述的纵弯组合致动尺蠖式直线压电驱动器，其特征在于，所述左伸缩压电陶瓷(1)和所述右伸缩压电陶瓷(5)的驱动足(8)和所述动子(6)的接触为点接触或线接触。
3.根据权利要求2所述的纵弯组合致动尺蠖式直线压电驱动器，其特征在于，所述点接触具体为：驱动足(8)顶部为半球形，与动子(6)之间是点接触。
4.根据权利要求2所述的纵弯组合致动尺蠖式直线压电驱动器，其特征在于，所述线接触具体为：驱动足(8)顶部为半圆柱形，与动子(6)之间是线接触。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的纵弯组合致动尺蠖式直线压电驱动器，其特征在于，所述左伸缩压电陶瓷(1)和右伸缩压电陶瓷(5)的尺寸相同，所述左弯曲压电陶瓷(2)和右弯曲压电陶瓷(4)的尺寸相同。
6.根据权利要求1-4中任意一项所述的纵弯组合致动尺蠖式直线压电驱动器，其特征在于，所述L形法兰板(3)的水平部分均匀分布有多个固定孔(302)。
7.基于权利要求1所述的纵弯组合致动尺蠖式直线压电驱动器的激励方法，其特征在于，包括沿螺栓(301)轴向方向的向右激励方法和向左激励方法；
所述向右激励方法包括以下步骤：
步骤一：左伸缩压电陶瓷(1)保持不动，左弯曲压电陶瓷(2)施加负电压向下弯曲，右弯曲压电陶瓷(4)施加正电压向上弯曲，右伸缩压电陶瓷(5)保持不动，右伸缩压电陶瓷(5)上的驱动足(8)压紧动子(6)；
步骤二：左伸缩压电陶瓷(1)施加正电压向左伸长，左弯曲压电陶瓷(2)保持不动，右弯曲压电陶瓷(4)保持不动，右伸缩压电陶瓷(5)施加正电压向右伸长，右伸缩压电陶瓷(5)上的驱动足(8)带动动子(6)向右运动一步；
步骤三：左伸缩压电陶瓷(1)保持不动，左弯曲压电陶瓷(2)施加正电压向上弯曲，右弯曲压电陶瓷(4)施加负电压向下弯曲，右伸缩压电陶瓷(5)保持不动，左伸缩压电陶瓷(1)上的驱动足(8)压紧动子(6)；
步骤四：左伸缩压电陶瓷(1)施加负电压向右缩短，左弯曲压电陶瓷(2)保持不动，右弯曲压电陶瓷(4)保持不动，右伸缩压电陶瓷(5)施加负电压向左缩短，左伸缩压电陶瓷(1)上的驱动足(8)带动动子(6)向右移动一步；
步骤五：重复步骤一至步骤四，实现动子(6)向右连续驱动；
所述向左激励方法包括以下步骤：
步骤一：右伸缩压电陶瓷(5)保持不动，右弯曲压电陶瓷(4)施加负电压向下弯曲，左弯曲压电陶瓷(2)施加正电压向上弯曲，左伸缩压电陶瓷(1)保持不动，左伸缩压电陶瓷(1)上的驱动足(8)压紧动子(6)；
步骤二：右伸缩压电陶瓷(5)施加正电压向右伸长，右弯曲压电陶瓷(4)保持不动，左弯曲压电陶瓷(2)保持不动，左伸缩压电陶瓷(1)施加正电压向左伸长，左伸缩压电陶瓷(1)上的驱动足(8)带动动子(6)向左运动一步；
步骤三：右伸缩压电陶瓷(5)保持不动，右弯曲压电陶瓷(4)施加正电压向上弯曲，左弯曲压电陶瓷(2)施加负电压向下弯曲，左伸缩压电陶瓷(1)保持不动，右伸缩压电陶瓷(5)上的驱动足(8)压紧动子(6)；
步骤四：右伸缩压电陶瓷(5)施加负电压向左缩短，右弯曲压电陶瓷(4)保持不动，左弯曲压电陶瓷(2)保持不动，左伸缩压电陶瓷(1)施加负电压向右缩短，右伸缩压电陶瓷(5)上的驱动足(8)带动动子(6)向左移动一步；
步骤五：重复步骤一至步骤四，实现动子(6)向左连续驱动。
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