CN115242121B - 一种基于同步双足驱动的压电步进执行器 - Google Patents
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Abstract
一种基于同步双足驱动的压电步进执行器，包括定子、滑块、导轨、柔性机构和压电陶瓷，所述柔性机构安装于所述滑块上，所述柔性机构包括四个端部柔性铰链、两对板型柔性铰链、驱动足A、驱动足B和输出端，所述驱动足A和所述驱动足B的两端部均分别与一端部柔性铰链的一端连接，每个端部柔性铰链的另一端与所述板型柔性铰链相连，每对所述板型柔性铰链围合成一个安装槽；两个所述安装槽分别位于所述输出端的两侧，所述压电陶瓷设置于所述安装槽内。本申请通过两个协同配合的压电陶瓷驱动专门设计的具有双足的柔性机构做矩形运动，实现压电步进执行器的大行程、大负载的步进直线位移输出。
Description
技术领域
本发明属于精密仪器设备技术领域，尤其涉及一种基于同步双足驱动的压电步进执行器。
背景技术
微纳米技术的快速发展推动了航空航天、光学仪器、集成电器、半导体制造等高尖端科学技术领域的持续进步，诸多高尖端科技领域对执行器提出了更高的精度需求。传统大尺寸驱动装置，如电磁电机、液压/气压传动、内燃机等由于整体结构尺寸大、驱动过程存在运动丢失及回程间隙等缺陷，难以满足精度要求。
随着材料科学的发展，新型功能材料为解决这些问题提供了新思路，其中，基于逆压电效应的压电陶瓷材料促进了精密压电执行器的发展，在精密驱动领域引起了广泛关注。压电执行器因其结构简单、可控性好、控制精度高、响应速度快、无磁场干扰、机电转换率高等优点得到了更广泛的应用。
基于步进原理的压电步进执行器根据结构组成和驱动原理的不同，主要分为尺蠖式压电执行器、海豹式压电执行器和惯性式压电执行器。其中，海豹式压电执行器的驱动部分是在矩形波或梯形波的激励下产生矩形驱动轨迹进而完成步进动作。
现有海豹式压电执行器进给单元与间歇式钳位单元为两个独立单元，此种结构布置将导致执行器正反运动不对称，且单向的间歇式钳位单元会造成导向机构的侧压力增大，产生较大的寄生位移，不利于压电执行器的精密运动。
检索相关文献，可以将目前海豹式压电步进执行器的局限性总结如下：
1、载荷输出有限，运动稳定性差，易出现运行不平稳和直线度不稳定的现象；
2、箝位面与导轨面之间磨损大，易造成输出载荷不稳定甚至无输出，使用寿命短；
3、结构和操作复杂、成本高、能量损失大；
4、寄生位移大，且难以同时实现大载荷和高精度驱动。
发明内容
本发明是为了解决现有的海豹式压电步进执行器寄生位移大、承载能力小且寿命短的问题。现提出一种基于同步双足驱动的压电步进执行器。
一种基于同步双足驱动的压电步进执行器，包括定子、滑块、导轨、柔性机构和压电陶瓷，所述导轨安装于所述定子上，所述导轨包括导轨A和导轨B，所述导轨A和所述导轨B平行设置；
所述滑块设置于所述导轨A和所述导轨B之间，并与所述导轨A和所述导轨B滑动配合；
所述柔性机构安装于所述滑块上，所述柔性机构包括四个端部柔性铰链、两对板型柔性铰链、驱动足A、驱动足B和输出端；所述驱动足A和驱动足B平行设置，所述驱动足A和所述驱动足B的两端部均分别与一端部柔性铰链的一端连接，每个端部柔性铰链的另一端与所述板型柔性铰链相连，每对所述板型柔性铰链围合成一个安装槽；两个所述安装槽分别位于所述输出端的两侧；
所述压电陶瓷包括压电陶瓷A和压电陶瓷B，所述压电陶瓷A和所述压电陶瓷B分别设置于所述输出端两侧的安装槽内。
优选地，所述端部柔性铰链包括两个正圆柔性铰链。
优选地，所述压电陶瓷A还连接有调节螺栓A，所述调节螺栓A用于调节所述压电陶瓷A的预紧力；所述压电陶瓷B还连接有调节螺栓B，所述调节螺栓B用于调节所述压电陶瓷B的预紧力。
优选地，所述压电陶瓷A与所述安装槽之间设有调节垫片A，所述压电陶瓷 B与所述安装槽之间设有调节垫片B。
优选地，所述驱动足A的外侧通过螺纹孔连接有预紧螺栓A，所述驱动足B的外侧通过螺纹孔连接有预紧螺栓B，所述预紧螺栓A和所述预紧螺栓B均与所述滑块摩擦接触。
优选地，所述导轨与所述定子之间形成有滑槽，所述滑块与所述滑槽配合。
优选地，所述压电陶瓷A和所述压电陶瓷B的驱动信号为三角波电压信号，且两路三角波电压信号之间的相位差为π/2。
优选地，所述柔性机构一体成型。
本发明所述的一种基于同步双足驱动的压电步进执行器，通过两个同线布置的压电陶瓷的时序应变，推动所开发的具有两个驱动足的柔性机构规律形变，能够实现两侧双足的同步驱动，两侧驱动足与导轨配合，在柔性机构的规律形变中实现钳位-进给-释放-复位的工作过程的循环，从而驱动动子部分实现长行程、大负载的步进直线运动。两侧双足的同步驱动有利于减小寄生位移，提高执行器的运动精度，同时有利于增加钳位力，减轻导轨的磨损，提高执行器的负载能力。在航空航天、光学仪器、集成电器、半导体制造等高尖端科学技术领域具有良好的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为一种基于同步双足驱动的压电步进执行器的立体结构示意图；
图2为一种基于同步双足驱动的压电步进执行器的俯视图；
图3为柔性机构的立体结构示意图；
图4为柔性机构的俯视图；
图5为一种基于同步双足驱动的压电步进执行器的控制电压信号波形图；
图6为一种基于同步双足驱动的压电步进执行器在控制电压驱动下的驱动原理图；
其中，图中各附图标记：
1-定子；2-滑块；3-调节螺栓A；4-导轨A；5-调节垫片A；6-压电陶瓷A；7-预紧螺栓A；8-压电陶瓷B；9-调节垫片B；10-调节螺栓B；11-导轨B；12-预紧螺栓B；13-柔性机构；14-正圆柔性铰链；15-板型柔性铰链；16-输出端；17-驱动足A；18-驱动足B。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护。
现对本发明实施例提供的基于同步双足驱动的压电步进执行器进行说明。
在本发明的其中一个实施例中，请参阅图1-4，一种基于同步双足驱动的压电步进执行器，包括定子1、滑块2、导轨、柔性机构13和压电陶瓷，其中，滑块2、柔性机构13和压电陶瓷构成动子部分，导轨包括导轨A4和导轨B11，两条导轨平行设置在定子1上，滑块2滑动设置于定子1上，且位于两条导轨之间；压电陶瓷包括压电陶瓷A6和压电陶瓷B8，所述压电陶瓷A6和压电陶瓷B8用于在控制电压驱动下协同配合带动柔性机构发生规律变形，产生矩形运动轨迹；柔性机构13安装于所述滑块2上，且所述柔性机构13位于导轨A4和导轨B11之间，所述柔性机构13可在压电陶瓷A6和压电陶瓷B8的时序应变下产生规律的矩形运动，并与导轨A4和导轨B11配合，从而实现大行程、大负载的步进直线位移输出，进而带动滑块2沿导轨移动；
如图3-4所示，所述柔性机构13包括四个端部柔性铰链、两对板型柔性铰链15、驱动足A17、驱动足B18和输出端16，其中，驱动足A17和驱动足B18平行设置，用于在柔性机构13的矩形运动过程中与导轨配合，实现柔性机构的步进位移输出；驱动足A17和驱动足B18的两端部均分别与一端部柔性铰链的一端连接，每个端部柔性铰链的另一端与所述板型柔性铰链15相连，所述端部柔性铰链用于在压电陶瓷的带动下产生弯曲变形从而推动驱动足A17和驱动足B18做矩形运动；每对所述板型柔性铰链15围合成一个安装槽，两个所述安装槽分别位于所述输出端16的两侧，所述压电陶瓷A6和所述压电陶瓷B8分别设置于所述输出端两侧的安装槽内，所述板型柔性铰链15用于约束压电陶瓷直线变形，所述输出端16用于连接被驱动器件。
上述实施例中的压电步进执行器，包括定子1、滑块2、导轨A4、导轨B11、压电陶瓷A6、压电陶瓷B8和柔性机构13，所述柔性机构13包括平行设置的驱动足A17和驱动足B18，压电陶瓷A6和压电陶瓷B8对称布置在柔性机构中，压电陶瓷A6和压电陶瓷B8共同参与、控制柔性机构13的矩形运动，实现钳位-进给-释放-复位的工作过程循环，即本申请的压电步进执行器的钳位和进给不是由两个独立的单元控制，而是由同一个单元（即压电陶瓷A6和压电陶瓷B8）控制，从而驱动动子部分实现长行程、大负载的步进直线运动。而且，两侧双足的同步驱动有利于减小寄生位移，提高执行器的运动精度，同时有利于增加钳位力，减轻导轨的磨损，提高执行器的负载能力。
为了使两侧的驱动足A17和驱动足B18形变完全相同，以使得动子部分实现长行程、大负载的稳定输出，优选地，所述压电陶瓷A6和压电陶瓷B8布置于同一直线上，这样，柔性机构13的A部和B部具有完全相同的结构，且以输出端16为中心轴成对称分布。
优选地，所述端部柔性铰链包括两个正圆柔性铰链14。
在本发明的其中一个实施例中，如图1-2，所述压电陶瓷A6还连接有调节螺栓A3，所述调节螺栓A3用于调节所述压电陶瓷A6的预紧力；所述压电陶瓷B8还连接有调节螺栓B10，所述调节螺栓B10用于调节所述压电陶瓷B8的预紧力；
优选地，所述压电陶瓷A6与所述安装槽之间设有调节垫片A5，所述压电陶瓷 B6与所述安装槽之间设有调节垫片B9，这样，压电陶瓷A6和调节垫片A5安装于柔性机构13一侧的安装槽内，并通过调节螺栓A3调节预紧力；压电陶瓷B8和调节垫片B9安装于柔性机构13另一侧的安装槽内，并通过调节螺栓B10调节预紧力；
优选地，所述导轨A4和导轨B11与所述定子1之间形成有滑槽，所述滑块2与所述滑槽配合，进一步地，导轨A4和导轨B11分别通过螺栓固定安装于定子1的两侧。这样，滑块2、调节螺栓A3、调节垫片A5、压电陶瓷A6、压电陶瓷B8、调节垫片B9、调节螺栓B10和柔性机构13共同构成压电步进执行器的动子部分；动子部分装配于导轨A4和导轨B11形成的滑槽内，并可沿导轨A4和导轨B11实现直线滑动；
在本发明的其中一个实施例中，如图1-2，所述驱动足A17的外侧连接有预紧螺栓A7，所述驱动足B18的外侧连接有预紧螺栓B12，所述预紧螺栓A7和所述预紧螺栓B12均与所述滑块2摩擦接触。具体地，预紧螺栓A7安装于导轨A4侧面的螺纹孔内，预紧螺栓B12安装于导轨B11侧面的螺纹孔内，预紧螺栓A7和预紧螺栓B12分别与滑块2的两侧产生摩擦接触，并可以通过预紧螺栓A7和预紧螺栓B12调节动子部分在滑槽内滑动的摩擦预紧力。
优选地，滑块2通过螺栓固定安装于柔性机构13中间的螺纹孔内。
优选地，为保证形位精度，整个柔性机构13由一块材料整体加工而成。
下面对本申请提供的基于同步双足驱动的压电步进执行器的具体驱动过程进行说明：
请参照图5，本实施方式中，压电陶瓷A6和压电陶瓷B8的驱动信号为三角波电压信号，且两路三角波电压信号之间的相位差为π/2，两个压电陶瓷在三角波电压信号的驱动下，通过控制两侧驱动足同步产生相同的矩形运动轨迹，有序协同完成步进运动。此处以三角波电压信号为例，正弦波电压信号同样适用。
如图6所示，本发明的具体工作过程如下：
1.在运动周期0时，动子部分压电陶瓷A6电压为U/2，压电陶瓷B8电压为0。在逆压电效应作用下，压电陶瓷A6的输出位移为L/2，压电陶瓷B8的输出位移为0。如图6（a）所示，压电陶瓷A6在板型柔性铰链的约束下，向左端运动，在压电陶瓷A6的推动下，四对正圆柔性铰链能够产生规律的弯曲变形，驱动足A17和驱动足B18分别运动至矩形轨迹的左下角和左上角。
2.在运动周期T/4时，动子部分压电陶瓷A6电压为U，压电陶瓷B8电压为U/2。在逆压电效应作用下，压电陶瓷A6的输出位移为L，压电陶瓷B8的输出位移为L/2。如图6（b）所示，两个压电陶瓷在两对板型柔性铰链的约束下，分别向两端运动；在两个压电陶瓷的推动下，四对正圆柔性铰链能够产生规律的弯曲变形，驱动足A17和驱动足B18分别运动至矩形轨迹的左上角和左下角。
3.在运动周期T/2时，动子部分压电陶瓷A6电压为U/2，压电陶瓷B8电压为U。在逆压电效应作用下，压电陶瓷A6的输出位移为L/2，压电陶瓷B8的输出位移为L。如图6（c）所示，在柔性机构13的变形下，驱动足A17和驱动足B18分别运动至矩形轨迹的右上角和右下角。
4.在运动周期3T/4时，动子部分压电陶瓷A6电压为0，压电陶瓷B8电压为U/2。在逆压电效应作用下，压电陶瓷A6的输出位移为0，压电陶瓷B8的输出位移为L/2。如图6（d）所示，在柔性机构13的变形下，驱动足A17和驱动足B18分别运动至矩形轨迹的右下角和右上角。
5.在运动周期T时，动子部分压电陶瓷A6电压为U/2，压电陶瓷B8电压为0。在逆压电效应作用下，压电陶瓷A6的输出位移为L/2，压电陶瓷B8的输出位移为0。如图6（a）所示，在柔性机构13的变形下，驱动足A17和驱动足B18分别运动至矩形轨迹的左下角和左上角。动子部分又恢复运动周期0时的状态。
执行器经过一个周期的动作，驱动足A17和驱动足B18能够同步完成顺时针和逆时针的矩形运动轨迹。当驱动足A17和驱动足B18分别与导轨A4和导轨B11接触时，便可分别同步实现钳位-进给-释放-复位的驱动过程，从而推动动子部分向左侧完成一个步长的直线运动。不断循环重复该过程，动子部分便可实现大行程的步进直线运动。
此外，当将压电陶瓷A6和压电陶瓷B8的三角波电压信号进行交换后，压电执行器便可实现反向的大行程位移输出。
以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于同步双足驱动的压电步进执行器，包括定子（1）、滑块（2）、导轨、柔性机构（13）和压电陶瓷，其特征在于，
所述导轨安装于所述定子（1）上，所述导轨包括导轨A（4）和导轨B（11），所述导轨A（4）和所述导轨B（11）平行设置；
所述滑块设置于所述导轨A（4）和所述导轨B（11）之间，并与所述导轨A（4）和所述导轨B（11）滑动配合；
所述柔性机构（13）安装于所述滑块（2）上，所述柔性机构（13）包括四个端部柔性铰链、两对板型柔性铰链（15）、驱动足A（17）、驱动足B（18）和输出端（16）；所述驱动足A（17）和驱动足B（18）平行设置，所述驱动足A（17）和所述驱动足B（18）的两端部均分别与一端部柔性铰链的一端连接，每个端部柔性铰链的另一端与所述板型柔性铰链（15）相连，每对所述板型柔性铰链（15）围合成一个安装槽；两个所述安装槽分别位于所述输出端（16）的两侧；
所述压电陶瓷包括压电陶瓷A（6）和压电陶瓷B（8），所述压电陶瓷A（6）和所述压电陶瓷B（8）分别设置于所述输出端两侧的安装槽内。
2.如权利要求1所述的压电步进执行器，其特征在于，所述端部柔性铰链包括两个正圆柔性铰链（14）。
3.如权利要求2所述的压电步进执行器，其特征在于，所述压电陶瓷A（6）还连接有调节螺栓A（3 ），所述调节螺栓A（3）用于调节所述压电陶瓷A（6）的预紧力；所述压电陶瓷B（8）还连接有调节螺栓B（10），所述调节螺栓B（10）用于调节所述压电陶瓷B（8）的预紧力。
4.如权利要求3所述的压电步进执行器，其特征在于，所述压电陶瓷A（6）与所述安装槽之间设有调节垫片A（5），所述压电陶瓷 B（8 ）与所述安装槽之间设有调节垫片B（9）。
5.如权利要求1-4任一项所述的压电步进执行器，其特征在于，所述驱动足A（17）的外侧连接有预紧螺栓A（7），所述驱动足B（18）的外侧连接有预紧螺栓B（12），所述预紧螺栓A（7）和所述预紧螺栓B（12）均与所述滑块（2）摩擦接触。
6.如权利要求1-4任一项所述的压电步进执行器，其特征在于，所述导轨与所述定子（1）之间形成有滑槽，所述滑块（2）与所述滑槽配合。
7.如权利要求1-4任一项所述的压电步进执行器，其特征在于，所述压电陶瓷A（6）和所述压电陶瓷B（8）的驱动信号为三角波电压信号，且两路三角波电压信号之间的相位差为π/2。
8.如权利要求1-4任一项所述的压电步进执行器，其特征在于，所述柔性机构（13）一体成型。
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