CN116317682A - 一种变刚度惯性冲击直线压电马达 - Google Patents
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Abstract
本发明属于精密驱动与定位技术领域，具体地说，它涉及一种变刚度惯性冲击直线压电马达。包括底座、压电弹性振子、刚度调节机构、第一侧夹紧块和第二侧夹紧块；第一侧夹紧块和第二侧夹紧块从基片的中部两侧夹紧基片，其中刚度调节机构可改变一对挡块和对应基片侧面的贴合位置，进而改变两侧夹持刚度，使得基片两端的两对质量块在往复摆动过程中，使压电马达自身产生的往复惯性冲击力有所差异，往复惯性冲击力差将转化为压电马达往复摆动位移差，在时间累积下压电马达将实现直线运动，通过刚度调节机构改变夹持刚度，使压电马达获得不同的运行速度与步距，以满足不同负载、不同工况的需求，具有较强的适用性。
Description
技术领域
本发明属于精密驱动与定位技术领域，具体地说，它涉及一种变刚度惯性冲击直线压电马达。
背景技术
近几十年来，随着工程应用中对驱动器需求的增加以及精密加工制造技术的进步，压电马达得到了迅速发展。压电马达利用压电材料的逆压电效应将输入电能转换为输出机械能。与传统电磁压电马达相比，压电马达具有体积小、响应快、无电磁干扰等优点。目前，压电马达广泛应用于微型机器人、航空航天设备、生物医学、光学测量等领域。压电马达结构类型众多，根据其工作原理主要可分为超声压电马达、尺蠖压电马达和惯性冲击压电马达。
惯性冲击压电马达是一种利用定子的惯性冲击来实现转子的线性运动或旋转的压电马达。该类型压电马达具有冲程大、结构简单、分辨率高以及小型化的优点。
根据不同的驱动机理，惯性冲击压电马达可分为非对称电信号式和非对称机械结构式两种。非对称电信号式惯性冲击压电马达通过输入非对称激励电压信号，压电马达定子产生非对称惯性冲击力进而实现压电马达单向运动。该型压电马达工作在准静态下，压电马达具有较高的分辨率、较快的响应速度，然而压电元件材料性能却很难发挥充分，导致压电马达输出性能不佳。
非对称机械结构式惯性冲击压电马达采用非对称的机械结构设计，输入对称激励电压信号驱动实现压电马达定向运动，然而基于非对称机械结构设计的惯性冲击压电马达大多只能实现单向运动，且无法根据实际工况需求在不改变激励信号源电压的条件下变换输出速度和步距。
发明内容
本发明目的是为解决非对称电信号式惯性冲击压电马达工作在准静态下，压电元件材料性能难以发挥充分致使压电马达输出性能不佳，以及非对称机械结构式惯性冲击压电马达大多只能实现单向运动，且无法根据实际工况需求在不改变激励信号源电压的条件下变换输出速度和步距等缺点，提供一种变刚度惯性冲击直线压电马达。
本发明采用以下技术方案：
一种变刚度惯性冲击直线压电马达，包括底座1、压电弹性振子3、刚度调节机构2、第一侧夹紧块4和第二侧夹紧块5；
所述压电弹性振子3包括基片31、压电陶瓷片组和质量块组，
基片31为长条状矩形薄片，矩形薄片沿着底座1的横向布置，且直立在底座1的上端，第一侧夹紧块4和第二侧夹紧块5从两侧中部夹紧固定矩形薄片；
矩形薄片两端对称设有压电陶瓷片组和质量块组，每个压电陶瓷片组包括对应贴合在矩形薄片两侧面的一对压电陶瓷片32，每个质量块组包括对应贴合在矩形薄片端部两侧面的一对质量块33；
所述刚度调节机构2包括一对挡块21、挡块调节块22和调节螺栓23；
所述一对挡块21对称位于第二侧夹紧块5的两侧，且一对挡块21的一端面贴合在基片31的对应侧面上，一对挡块21的另一端对应开设有一对斜面，
挡块调节块22为水平楔形块，调节螺栓23水平穿过挡块调节块22，并和第二侧夹紧块5固定连接，旋转调节螺栓23使得挡块调节块22的两侧面贴合一对斜面24滑动，实现一对挡块21沿着基片31的长度方向靠近或远离；
工作时，向每对压电陶瓷片32输入一阶谐波激励信号，每对压电陶瓷片32受激励带动基片31做一阶谐振，由于基片31两侧夹持刚度不同，压电马达自身产生的往复惯性冲击力不同，使得压电马达往复摆动产生位移差，循环激励信号实现压电马达直线运动；向每对压电陶瓷片32输入二阶谐波激励信号，基片31做二阶谐振，压电马达产生的往复惯性冲击力差形成往复摆动位移差，循环激励信号实现压电马达反向直线运动。
进一步，所述底座1为方形板，且底座1的中间纵向开设有燕尾槽11；
挡块调节块22的下端通过燕尾滑块滑动配合位于燕尾槽11内，旋转调节螺栓23使得挡块调节块22沿着底座1的纵向运动，且挡块调节块22的两侧面贴合一对斜面24滑动，实现一对挡块21沿着基片31的长度方向靠近或远离。
进一步，一对挡块21对合时，对应贴合着基片31的一端形成矩形槽，第二侧夹紧块5配合位于矩形槽内；一对挡块21远离至最大距离时，挡块调节块22运动至第二侧夹紧块5处；所述一对挡块21之间的调节距离为0~4mm。
进一步，所述一对挡块21之间的调节距离为2mm时，即挡块和第二侧夹紧块5对应侧面的距离为1 mm时；
在输入一阶谐振频率为90 Hz、240Vp-p一阶谐振频率激励下，压电马达的空载速度和位移分辨率分别为20.457 mm/s和0.22 mm；在输入二阶谐振频率为601 Hz、240 Vp-p二阶谐振信号激励下，压电马达反向输出速度为13.126 mm/s，位移分辨率为0.02 mm。
进一步，所述第二侧夹紧块5的下端通过燕尾滑块滑动配合位于燕尾槽11内，使得第二侧夹紧块5贴合位于所述基片31的中部一侧；
所述第一侧夹紧块4为倒立的“T”形，且水平部通过螺栓固定在所述底座1上，竖直部贴合位于所述基片31的中部另一侧；
一对螺栓依次穿过第二侧夹紧块5、基片31的中部和第一侧夹紧块4，使得基片31沿着底座1的横向固定在底座1上。
进一步，所述一对挡块21的相对外侧的下端分别设有水平安装板211，每个安装板211上开设有一对腰型槽；
所述底座1的上端对应所述第二侧夹紧块5的一侧设有一对安装台12，一对挡块21的一对安装板对应位于一对安装台12上，并通过螺栓和腰形槽的配合固定连接。
进一步，所述每个安装台上设有一对横向挡边13，一对安装板对应位于一对安装台12，使得安装板沿着底座1的横向调节安装固定。
进一步，每个所述压电陶瓷片的材料为锆钛酸铅压电陶瓷。
本发明的有益技术效果如下：
（1）本发明的一种变刚度惯性冲击直线压电马达，包括底座、压电弹性振子、刚度调节机构、第一侧夹紧块和第二侧夹紧块；第一侧夹紧块和第二侧夹紧块从基片的中部两侧夹紧基片，其中刚度调节机构可改变一对挡块和对应基片侧面的贴合位置，进而改变两侧夹持刚度，使得基片两端的两对质量块在往复摆动过程中，使压电马达自身产生的往复惯性冲击力有所差异，往复惯性冲击力差将转化为压电马达往复摆动位移差，在时间累积下压电马达将实现直线运动，通过刚度调节机构改变夹持刚度，使压电马达获得不同的运行速度与步距，以满足不同负载、不同工况的需求，具有较强的适用性。
（2）本发明的一种变刚度惯性冲击直线压电马达，工作在多阶谐振状态，压电弹性振子在二阶谐振模态下，压电马达可实现反向直线运动，压电弹性振子的压电元件材料可充分发挥出响应速度快和功率密度高的特性，提高了压电马达的输出性能；压电马达样机在刚度调节距离为1 mm时，其一阶谐振频率为90 Hz、240Vp-p一阶谐振频率激励下，压电马达样机的空载速度和位移分辨率分别为20.457 mm/s和0.22 mm；在二阶谐振频率为601Hz、240 Vp-p二阶谐振信号激励下，压电马达样机反向输出速度为13.126 mm/s，位移分辨率为0.02 mm。
（3）本发明的一种变刚度惯性冲击直线压电马达，整体结构紧凑、信号控制简单，双向直线运动均可实现毫米级定位，非常适合作为微型扫描探针显微镜、光纤扫描系统等精密机械的微调定位装置。
附图说明
图1为本发明一种变刚度惯性冲击直线压电马达的结构示意图一。
图2为本发明一种变刚度惯性冲击直线压电马达的结构示意图二。
图3为本发明的刚度调节机构的结构示意图。
图4为本发明底座的结构示意图。
图5为本发明刚度调节机构的爆炸图。
图6为本发明挡块调节块的结构示意图。
图7为本发明压电弹性振子的结构示意图。
图8为本发明上夹紧块的结构示意图。
图9为本发明下夹紧块的结构示意图。
图10为本发明刚度调节机构变夹持刚度的原理示意图。
图11为本发明压电马达一阶谐振定向运动工作原理图。
图12为本发明压电马达二阶谐振反向运动工作原理图。
图13为本发明压电马达激励电信号图。
其中：底座1、压电弹性振子3、刚度调节机构2、第一侧夹紧块4、第二侧夹紧块5、基片31、一对压电陶瓷片32、一对质量块33、一对挡块21、挡块调节块22、调节螺栓23、一对斜面24、燕尾槽11、安装板211、一对安装台12、一对横向挡边13。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例
见图1，一种变刚度惯性冲击直线压电马达，包括底座1、压电弹性振子3、刚度调节机构2、第一侧夹紧块4和第二侧夹紧块5；
见图7，所述压电弹性振子3包括基片31、压电陶瓷片组和质量块组，
基片31为长条状矩形薄片，矩形薄片沿着底座1的横向布置，且直立在底座1的上端，第一侧夹紧块4和第二侧夹紧块5从两侧中部夹紧固定矩形薄片；
矩形薄片两端对称设有压电陶瓷片组和质量块组，每个压电陶瓷片组包括对应贴合在矩形薄片两侧面的一对压电陶瓷片32，每个质量块组包括对应贴合在矩形薄片端部两侧面的一对质量块33；
见图3和图5，所述刚度调节机构2包括一对挡块21、挡块调节块22和调节螺栓23；
所述一对挡块21对称位于第二侧夹紧块5的两侧，且一对挡块21的一端面贴合在基片31的对应侧面上，一对挡块21的另一端对应开设有一对斜面；
挡块调节块22为水平楔形块，调节螺栓23水平穿过挡块调节块22，并和第二侧夹紧块5固定连接，旋转调节螺栓23使得挡块调节块22的两侧面贴合一对斜面24滑动，实现一对挡块21沿着基片31的长度方向靠近或远离；
所述一对挡块21的相对外侧的下端分别设有水平安装板211，每个安装板211上开设有一对腰型槽；
见图4，所述底座1为方形板，且底座1的中间纵向开设有燕尾槽11；所述底座1的上端对应所述第二侧夹紧块5的一侧设有一对安装台12，一对挡块21的一对安装板对应位于一对安装台12上，并通过螺栓和腰形槽的配合固定连接，所述每个安装台上设有一对横向挡边13，一对安装板对应位于一对安装台12，使得安装板沿着底座1的横向调节安装固定。
见图6，挡块调节块22的下端通过燕尾滑块滑动配合位于燕尾槽11内，旋转调节螺栓23使得挡块调节块22沿着底座1的纵向运动，且挡块调节块22的两侧面贴合一对斜面24滑动，实现一对挡块21沿着基片31的长度方向靠近或远离。
见图2，一对挡块21对合时，对应贴合着基片31的一端形成矩形槽，第二侧夹紧块5配合位于矩形槽内；一对挡块21远离至最大距离时，挡块调节块22运动至第二侧夹紧块5处；
见图10，所述一对挡块21之间的调节距离为0~4mm。
见图9，所述第二侧夹紧块5的下端通过燕尾滑块滑动配合位于燕尾槽11内，使得第二侧夹紧块5贴合位于所述基片31的中部一侧；
见图8，所述第一侧夹紧块4为倒立的“T”形，且水平部通过螺栓固定在所述底座1上，竖直部贴合位于所述基片31的中部另一侧；
一对螺栓依次穿过第二侧夹紧块5、基片31的中部和第一侧夹紧块4，使得基片31沿着底座1的横向固定在底座1上。
每个所述压电陶瓷片的材料为锆钛酸铅压电陶瓷。
工作时，向每对压电陶瓷片32输入一阶谐波激励信号，每对压电陶瓷片32受激励带动基片31做一阶谐振，由于基片31两侧夹持刚度不同，压电马达自身产生的往复惯性冲击力不同，使得压电马达往复摆动产生位移差，循环激励信号实现压电马达直线运动；向每对压电陶瓷片32输入二阶谐波激励信号，基片31做二阶谐振，压电马达产生的往复惯性冲击力差形成往复摆动位移差，循环激励信号实现压电马达反向直线运动。
具体的，见图11，在t0时间处，通入压电弹性振子3的一阶谐波激励信号电压位于正峰值。马达压电弹性振子3在峰值电压的作用下保持其向后摆动到极限位置的状态，此时压电马达处于初始位置，位移为0；
在t0到t1时间段内，通入压电弹性振子3的一阶谐波激励信号电压从正峰值快速下降到负峰值处，在此时间段内，马达压电弹性振子3在电压信号的激励下迅速从后极限位置向前摆动到前极限位置。
因马达压电弹性振子3后侧的第二侧夹紧块5和一对挡块21的有效夹持长度较长，对马达压电弹性振子3的夹持刚度较大，故压电弹性振子3向前摆动时压电马达向后产生的惯性冲击力较小，马达将向后产生一个较小的位移S1；
在t1时间处，通入压电弹性振子3的一阶谐波激励信号电压位于负峰值。马达压电弹性振子3在峰值电压的作用下保持其向前摆动到极限位置的状态，马达静止不动。
从t1到t2，通入压电弹性振子3的一阶谐波激励信号电压从负峰值快速上升到正峰值处。在此时间段内，马达压电弹性振子3在电压信号的激励下迅速从前极限位置向后摆动到后极限位置。
因马达压电弹性振子3一侧的第一侧夹紧块4的有效夹持长度较短，对马达压电弹性振子3的夹持刚度较小，故压电弹性振子3向后摆动时压电马达向前产生的惯性冲击力较大，马达将向前后退一个较大的位移S2。上述四个步骤即为压电马达在一个一阶谐振激励电压信号周期内的具体工作过程，在此过程中马达完成一个工作周期循环的移动△S，长度为（S2-S1），方向为长挡块侧方向。当对马达持续施加周期循环的一阶谐波激励电压信号时，通过连续累积每个周期内产生的微小位移，马达将实现持续定向的宏观运动。
参见图12，在t0时间处，通入压电弹性振子3的二阶谐波激励信号电压位于正峰值。马达压电弹性振子3在峰值电压的作用下保持其中间部位向前弯曲、末端一对质量块33向后摆动的极限位置状态。此时，马达处于初始位置，位移为0；在t0到t1时间段内，通入压电弹性振子3的二阶谐波激励信号电压从正峰值快速下降到负峰值处。在此时间段内，马达压电弹性振子3在电压信号的激励下，其中间部位迅速摆动到向后弯曲，而末端质量块33摆动到前极限位置。因马达压电弹性振子3后侧的第一侧夹紧块4的有效夹持长度较短，对马达压电弹性振子3的夹持刚度较小，故压电马达向后产生的惯性冲击力较大，马达将向后产生一个较大的位移L1。在t1时间处，通入压电弹性振子3的二阶谐波激励信号电压位于负峰值。马达压电弹性振子3在峰值电压的作用下保持其中间部位向后弯曲、末端质量块33向前摆动的极限位置状态，马达静止不动。从t1到t2，通入压电弹性振子3的二阶谐波激励信号电压从负峰值快速上升到正峰值处。在此时间段内，马达压电弹性振子3在电压信号的激励下其中间部位迅速摆动到向前弯曲、一对质量块33摆动到后极限位置，因马达压电弹性振子3前侧的第二侧夹紧块5和一对挡块21的有效夹持长度较长，对马达压电弹性振子3的夹持刚度较大，故压电马达向前产生的惯性冲击力较小，马达将向前后退一个较小的位移L2。上述四个步骤为压电马达在一个二阶谐振激励电压信号周期内的具体工作过程，在此过程中马达完成一个工作周期循环的移动△L，长度为（L1-L2），方向为短挡块侧方向。当对马达施加连续周期的二阶谐波激励电压信号时，通过连续累积每个周期内产生的微小位移马达将实现持续反向的宏观运动。
本发明在所述一对挡块21之间的调节距离为2mm时，即每个挡块和第二侧夹紧块5对应侧面的距离为1 mm时，
在输入一阶谐振频率为90 Hz、240Vp-p一阶谐振频率激励下，压电马达的空载速度和位移分辨率分别为20.457 mm/s和0.22 mm；在输入二阶谐振频率为601 Hz、240 Vp-p二阶谐振信号激励下，压电马达反向输出速度为13.126 mm/s，位移分辨率为0.02 mm。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种变刚度惯性冲击直线压电马达，其特征在于：包括底座（1）、压电弹性振子（3）、刚度调节机构（2）、第一侧夹紧块（4）和第二侧夹紧块（5）；
所述压电弹性振子（3）包括基片（31）、压电陶瓷片组和质量块组；
基片（31）为长条状矩形薄片，矩形薄片沿着底座（1）的横向布置，且直立在底座（1）的上端，第一侧夹紧块（4）和第二侧夹紧块（5）从两侧中部夹紧固定矩形薄片；
矩形薄片两端对称设有压电陶瓷片组和质量块组，每个压电陶瓷片组包括对应贴合在矩形薄片两侧面的一对压电陶瓷片（32），每个质量块组包括对应贴合在矩形薄片端部两侧面的一对质量块（33）；
所述刚度调节机构（2）包括一对挡块（21）、挡块调节块（22）和调节螺栓（23）；
所述一对挡块（21）对称位于第二侧夹紧块（5）的两侧，且一对挡块（21）的一端面贴合在基片（31）的对应侧面上，一对挡块（21）的另一端对应开设有一对斜面（24）；
挡块调节块（22）为水平楔形块，调节螺栓（23）水平穿过挡块调节块（22），并和第二侧夹紧块（5）固定连接，旋转调节螺栓（23）使得挡块调节块（22）的两侧面贴合一对斜面（24）滑动，实现一对挡块（21）沿着基片（31）的长度方向靠近或远离；
工作时，向每对压电陶瓷片（32）输入一阶谐波激励信号，每对压电陶瓷片（32）受激励带动基片（31）做一阶谐振，由于基片（31）两侧夹持刚度不同，压电马达自身产生的往复惯性冲击力不同，使得压电马达往复摆动产生位移差，循环激励信号实现压电马达直线运动；向每对压电陶瓷片（32）输入二阶谐波激励信号，基片（31）做二阶谐振，压电马达产生的往复惯性冲击力差形成往复摆动位移差，循环激励信号实现压电马达反向直线运动。
2.根据权利要求1所述一种变刚度惯性冲击直线压电马达，其特征在于：所述底座（1）为方形板，且底座（1）的中间纵向开设有燕尾槽（11）；
挡块调节块（22）的下端通过燕尾滑块滑动配合位于燕尾槽（11）内，旋转调节螺栓（23）使得挡块调节块（22）沿着底座（1）的纵向运动，且挡块调节块（22）的两侧面贴合一对斜面（24）滑动，实现一对挡块（21）沿着基片（31）的长度方向靠近或远离。
3.根据权利要求2所述一种变刚度惯性冲击直线压电马达，其特征在于：一对挡块（21）对合时，对应贴合着基片（31）的一端形成矩形槽，第二侧夹紧块（5）配合位于矩形槽内；一对挡块（21）远离至最大距离时，挡块调节块（22）运动至第二侧夹紧块（5）处；
所述一对挡块（21）之间的调节距离为0~4mm。
4.根据权利要求3所述一种变刚度惯性冲击直线压电马达，其特征在于：所述一对挡块（21）之间的调节距离为2mm时，即每个挡块和第二侧夹紧块（5）对应侧面的距离为1 mm时，在输入一阶谐振频率为90 Hz、240Vp-p一阶谐振频率激励下，压电马达的空载速度和位移分辨率分别为20.457 mm/s和0.22 mm；在输入二阶谐振频率为601 Hz、240 Vp-p二阶谐振信号激励下，压电马达反向输出速度为13.126 mm/s，位移分辨率为0.02 mm。
5.根据权利要求2所述一种变刚度惯性冲击直线压电马达，其特征在于：所述第二侧夹紧块（5）的下端通过燕尾滑块滑动配合位于燕尾槽（11）内，使得第二侧夹紧块（5）贴合位于所述基片（31）的中部一侧；
所述第一侧夹紧块（4）为倒立的“T”形，且水平部通过螺栓固定在所述底座（1）上，竖直部贴合位于所述基片（31）的中部另一侧；
一对螺栓依次穿过第二侧夹紧块（5）、基片（31）的中部和第一侧夹紧块（4），使得基片（31）沿着底座（1）的横向固定在底座（1）上。
6.根据权利要求1所述一种变刚度惯性冲击直线压电马达，其特征在于：所述一对挡块（21）的相对外侧的下端分别设有水平安装板（211），每个安装板（211）上开设有一对腰型槽；
所述底座（1）的上端对应所述第二侧夹紧块（5）的一侧设有一对安装台（12），一对挡块（21）的一对安装板对应位于一对安装台（12）上，并通过螺栓和腰形槽的配合固定连接。
7.根据权利要求6所述一种变刚度惯性冲击直线压电马达，其特征在于：所述每个安装台上设有一对横向挡边（13），一对安装板对应位于一对安装台（12），使得安装板沿着底座（1）的横向调节安装固定。
8.根据权利要求1所述一种变刚度惯性冲击直线压电马达，其特征在于：每个所述压电陶瓷片的材料为锆钛酸铅压电陶瓷。
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