CN114123854A - 改善粘滑式压电驱动器大行程非线性的装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种改善粘滑式压电驱动器大行程非线性的装置与方法，属于自感知压电驱动领域。装置由固定基座、移动平台、驱动单元、预紧力加载机构、应变检测单元五部分组成。粘滑驱动器的输出特性受驱动器与动子间接触力的显著影响，接触力的变化会降低驱动器大行程的线性度。为了保持接触力的恒定，本发明在驱动足末端处集成应变检测单元，利用力传感器对驱动单元进行标定后，采集卡可以采集驱动足与移动平台间的接触力；通过Labview程序控制驱动装置在运动过程中保持驱动单元与移动平台间的最大接触力不变，维持驱动装置运动状态稳定，改善粘滑式压电驱动器大行程非线性问题。本发明具有结构紧凑，运动稳定性好，环境适应性好等特点。
Description
技术领域
本发明涉及自感知压电驱动领域，特别涉及一种改善粘滑式压电驱动器大行程非线性的装置与方法。通过Labview程序可以实时采集接触力数值，并能控制驱动过程中最大接触力不变，提高了驱动器大行程线性度，扩展了粘滑式压电驱动器在精密定位、精密加工、精密光学等需要大行程和高精度驱动领域的应用。
背景技术
随着现代科学技术的快速发展，对精密驱动技术的需求和要求也逐渐增加，而传统的驱动装置由于结构尺寸大，输出精度低已无法满足现代科技诸多领域对精密驱动与定位需求。人们对于结构紧凑、定位精度高的微小型驱动装置的需求日益迫切。粘滑式压电驱动装置作为一类新型驱动装置，具有结构简单、定位精度高、响应速度快、工作稳定性好等优点成为近年来精密驱动技术领域的一个重要分支。
压电粘滑驱动主要是将周期性锯齿波激励电信号施加于压电元件，激发定子产生快慢交替的运动，控制定子与动子在“粘”和“滑”两种运动状态之间的相互转换，利用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，但由于运动过程中滑块倾覆，驱动足与接触表面间存在凹坑或凸起，都会引起驱动器与动子间接触力的变化。粘滑驱动器的输出特性受驱动器与动子间接触力的显著影响，接触力的变化会降低驱动器大行程的线性度，对粘滑驱动器的实际应用带来负面影响。因此，如何改善粘滑式压电驱动装置的大行程位移线性度是目前研究人员亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改善粘滑式压电驱动器大行程非线性的装置与方法，解决了现有技术对于大行程步进式压电驱动装置接触状态不稳定导致位移非线性问题。本发明在压电粘滑式驱动装置的驱动足处集成应变检测单元，实时检测驱动足与L形板间的接触力值变化，通过Labview程序可以控制驱动装置（即：改善粘滑式压电驱动器大行程非线性的装置，下文简称驱动装置）在周期性锯齿波加载过程中驱动足与L形板间的最大接触力不变，有利于改善驱动装置大行程线性度。本发明提出大行程非线性的改善方法，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：
改善粘滑式压电驱动器大行程非线性的装置，包括固定基座1、移动平台、驱动单元、预紧力加载机构11和应变检测单元五部分；所述应变检测单元由四片应变片6组成，四片应变片6对称布置在驱动足5末端两侧构成全桥电路；应变片6随驱动足5一起变形，由于两侧应变片6产生的形变不同，导致应变片电阻变化不同，进而在桥式电路两端形成电压差；经过电压放大及数据换算，用数据采集卡测得驱动足5与L形板4间的实时接触力；所述四片应变片6构成全桥电路减小泻流产生的振荡干扰；为了提高接触力测量精度，驱动单元在力标定过程中保证所用接触力范围尽量达到满量程。
本发明的另一目的在于提供一种改善粘滑式压电驱动器大行程非线性的方法，包括以下步骤：
a)利用已标定的力传感器对驱动装置进行力的标定；
b)将驱动单元与预紧力加载机构11固连，调节预紧力加载机构11可使驱动足5与L形板4弹性接触；
c)在Labview控制程序中设定最大接触力F和每次循环增加的电压值ΔU；
d)程序上电，数据采集卡采集的接触力f 1先与设定的最大接触力F对比，当f 1＜F时，压电叠堆8的输入电压增加ΔU，压电叠堆8随之伸长驱动柔性铰链9变形，驱动足5与L形板4间的接触力增大为f 2；当f 2＜F时，重复上述循环，直到f n ≥F，f n 为第n次采集到的接触力值，压电叠堆8的输入电压快速降为0 V；至此形成一个完整驱动周期，周期驱动波形整体为锯齿形波形；
e)重复进行步骤c)可实现驱动装置在周期性加载过程中驱动足5与L形板4间的最大接触力不变，通过控制驱动足5与L形板4间的最大接触力不变，维持驱动装置运动状态稳定，有利于改善驱动装置大行程线性度。
本发明的有益效果在于：装置结构简单、紧凑、控制便捷、稳定性好，通过调节电压方向控制驱动装置的正反向运动。本发明通过保持驱动单元与移动平台间的最大接触力不变，改善驱动装置大行程非线性，并且改变循环电压变化量ΔU大小可以控制滑移动平台的运动速度，在高定位精度与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为本发明的改善粘滑式压电驱动器大行程非线性的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为本发明的工作原理图；
图4为本发明的正向周期性锯齿波驱动电压时序图；
图5为本发明的反向周期性锯齿波驱动电压时序图；
图6为本发明的最大接触力控制流程图；
图7为本发明的驱动装置力标定图；
图8为本发明的驱动装置在信号发生器输入驱动频率固定为10 Hz，驱动电压幅值在10-120 V之间时，测得3种不同预紧条件下输入电压与输出步距关系图；
图9为本发明的驱动装置在信号发生器输入驱动电压幅值固定为100 V，驱动频率在10-700 Hz之间时，测得3种不同预紧条件下输入频率与输出速度关系图；
图10为本发明的驱动装置在8 N初始预紧条件下，信号发生器输入驱动电压幅值固定为100 V，驱动频率1 Hz时，测得驱动装置在不平整的L形板4上驱动的位移与时间关系图；
图11为本发明的驱动装置在8 N初始预紧条件下，Labview控制最大接触力为8.9N时，测得驱动装置在不平整的L形板4上驱动的位移与时间关系图；
图12为本发明的驱动装置在8 N初始预紧条件下，Labview控制最大接触力为8.9N时，测得驱动装置在不平整的L形板4上驱动的接触力与时间关系图。
图中：1、底座；2、导轨滑块；3、M2螺钉；4、L形板；5、驱动足；6、应变片；7、楔块；8、压电叠堆；9、柔性铰链；10、M4螺钉；11、预紧力加载机构。
具体实施方式
下面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12所示，本发明的改善粘滑式压电驱动器大行程非线性的装置与方法，该驱动装置由固定基座、移动平台、驱动单元、预紧力加载机构、应变检测单元五部分组成。粘滑驱动器的输出特性受驱动器与动子间接触力的显著影响，接触力的变化会降低驱动器大行程的线性度。为了保持接触力的恒定，本发明在驱动足末端处集成应变检测单元，利用力传感器对驱动单元进行标定后，采集卡可以采集驱动足与移动平台间的接触力；通过Labview程序控制驱动装置在运动过程中保持驱动单元与移动平台间的最大接触力不变，维持驱动装置运动状态稳定，改善粘滑式压电驱动器大行程非线性问题。本发明具有结构紧凑，运动稳定性好，环境适应性好等特点。
参见图1及图2所示，本发明的改善粘滑式压电驱动器大行程非线性的装置包括固定基座1、移动平台、驱动单元、预紧力加载机构11和应变检测单元五部分，其中移动平台包括导轨滑块2和L形板4，L形板4与导轨滑块2通过M2螺钉3固接；所述的导轨滑块2与预紧力加载机构11分别通过M2螺钉3安装在固定基座1上；调节预紧力加载机构11可以调整驱动单元与L形板4的初始接触力。
参见图1及图2所示，所述的驱动单元包括驱动足5、应变片6、楔块7、压电叠堆8和柔性铰链9；所述的驱动足5呈悬臂梁状；所述的楔块7与压电叠堆8采用紧配合方式安装在柔性铰链9处；所述的驱动足5在调整完预紧力加载机构11后，可以与L形板4实现弹性接触；所述的驱动单元与预紧力加载机构11固定连接，调节预紧力加载机构11使驱动足5与L形板4弹性接触。所述的应变检测单元由四片应变片6组成，四片应变片6对称布置于驱动足5末端两侧构成全桥电路，应变片6会随驱动足5一起变形，由于两侧应变片6产生的形变不同，导致应变片电阻变化不同，进而在桥式电路两端形成电压差；经过电压放大及数据换算，用数据采集卡可以测得驱动足5与L形板4间的实时接触力；所述的四片应变片6构成全桥电路可以减小泻流产生的振荡干扰；为了提高接触力测量精度，所述的驱动单元在力标定过程中保证所用接触力范围尽量达到满量程；所述的驱动单元与预紧力加载机构11通过M4螺钉10固定连接。
给驱动装置中的压电叠堆8施加如图4所示的正向周期性锯齿波驱动电压，控制压电叠堆8伸长或缩短，激发定子产生快慢交替的运动，其工作原理如图3所示。
该驱动装置可以通过Labview程序施加如图5所示的反向周期性锯齿形驱动电压实现移动平台反向连续运动，改变循环电压变化量ΔU大小可以控制移动平台运动速度。
参见图8所示，本发明的驱动装置在信号发生器输入驱动频率固定为10 Hz，驱动电压幅值在10-100 V之间时，测得3种不同预紧条件下输入电压与输出步距关系图；
参见图9所示，本发明的驱动装置在信号发生器输入驱动电压幅值固定为100 V，驱动频率在10-700 Hz之间时，测得3种不同预紧条件下输入频率与输出速度关系图；
驱动装置在8 N初始预紧条件下，信号发生器输入的驱动电压幅值固定为100 V，驱动频率在1 Hz时，驱动装置在不平整的L形板上驱动测得的位移与时间关系图（如图10）。
在同一工作区域内，本发明改的善粘滑式压电驱动器大行程非线性的方法步骤（如图6）如下：
a)利用已标定的力传感器对驱动装置进行力的标定，标定曲线如图7所示；
b)驱动单元与预紧力加载机构11固连，调节预紧力加载机构11可使驱动足5与L形板4弹性接触；
c)在Labview控制程序中设定最大接触力F和每次循环增加的电压值ΔU；；
d)程序上电，采集卡采集的接触力f 1先与设定的最大接触力F对比，当f 1＜F时，压电叠堆8的输入电压增加ΔU，压电叠堆8随之伸长驱动柔性铰链变形，驱动足5与L形板4间的接触力增大为f 2；当f 2＜F时，重复上述循环，直到f n ≥F（f n 为第n次采集到的接触力值），压电叠堆8的输入电压快速降为0 V；至此形成一个完整驱动周期，周期驱动波形整体为锯齿形波形;
e)重复进行步骤d)可实现驱动装置在周期性加载过程中驱动足5与L形板4间的最大接触力不变（如图12），通过控制驱动足5与L形板4间的最大接触力不变，维持驱动装置运动状态稳定，有利于改善驱动装置大行程线性度（如图11）。
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 (2)
1.一种改善粘滑式压电驱动器大行程非线性的装置，其特征在于：包括固定基座（1），移动平台，驱动单元，预紧力加载机构（9）和应变检测单元五部分；其中应变检测单元由四片应变片（6）组成，四片应变片（6）对称布置于驱动足（5）末端两侧构成全桥电路；应变片（6）会随驱动足（5）一起变形，由于两侧应变片（6）产生的形变不同，导致应变片电阻变化不同，进而在桥式电路两端形成电压差；经过电压放大及数据换算，用数据采集卡可以测得驱动足（5）与L形板（4）间的实时接触力；所述的四片应变片（6）构成全桥电路可以减小泻流产生的振荡干扰；为了提高接触力测量精度，所述的驱动单元在力标定过程中保证所用接触力范围尽量达到满量程。
2.一种改善粘滑式压电驱动器大行程非线性的方法，其特征在于：包括以下步骤：
a)利用已标定的力传感器对驱动装置进行力的标定；
b)将驱动单元与预紧力加载机构（11）固连，调节预紧力加载机构（11）可使驱动足（5）与L形板（4）弹性接触；
c)在Labview控制程序中设定最大接触力F和每次循环增加的电压值ΔU；
d)程序上电，数据采集卡采集的接触力f 1先与设定的最大接触力F对比，当f 1＜F时，压电叠堆（8）的输入电压增加ΔU，压电叠堆（8）随之伸长驱动柔性铰链（9）变形，驱动足（5）与L形板（4）间的接触力增大为f 2；当f 2＜F时，重复上述循环，直到f n ≥F，f n 为第n次采集到的接触力值，压电叠堆（8）的输入电压快速降为0 V；至此形成一个完整驱动周期，周期驱动波形整体为锯齿形波形；
e)重复进行步骤c)可实现驱动装置在周期性加载过程中驱动足（5）与L形板（4）间的最大接触力不变，通过控制驱动足（5）与L形板（4）间的最大接触力不变，维持驱动装置运动状态稳定，有利于改善驱动装置大行程线性度。
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Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1066348A (zh) * | 1991-04-27 | 1992-11-18 | 广东工学院 | 直线驱动器 |
| JPH10248277A (ja) * | 1997-03-03 | 1998-09-14 | Minolta Co Ltd | 電気機械変換素子を使用した駆動装置 |
| KR20050107056A (ko) * | 2004-05-07 | 2005-11-11 | 학교법인 포항공과대학교 | 초고속 초정밀 대변위 스테이지 |
| CN201976028U (zh) * | 2011-04-19 | 2011-09-14 | 吉林大学 | 内置应变片式自检测压电驱动平台 |
| CN110429860A (zh) * | 2019-08-12 | 2019-11-08 | 吉林大学 | 一种接触力可测式粘滑驱动器及其测试方法 |
| CN113114067A (zh) * | 2021-05-08 | 2021-07-13 | 吉林大学 | 一种可大行程测距的压电粘滑式驱动装置与测距方法 |
-
2021
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Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1066348A (zh) * | 1991-04-27 | 1992-11-18 | 广东工学院 | 直线驱动器 |
| JPH10248277A (ja) * | 1997-03-03 | 1998-09-14 | Minolta Co Ltd | 電気機械変換素子を使用した駆動装置 |
| KR20050107056A (ko) * | 2004-05-07 | 2005-11-11 | 학교법인 포항공과대학교 | 초고속 초정밀 대변위 스테이지 |
| CN201976028U (zh) * | 2011-04-19 | 2011-09-14 | 吉林大学 | 内置应变片式自检测压电驱动平台 |
| CN110429860A (zh) * | 2019-08-12 | 2019-11-08 | 吉林大学 | 一种接触力可测式粘滑驱动器及其测试方法 |
| CN113114067A (zh) * | 2021-05-08 | 2021-07-13 | 吉林大学 | 一种可大行程测距的压电粘滑式驱动装置与测距方法 |
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