CN116526888A - 一种具有异向摩擦特性的交替步进压电粘滑驱动器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有异向摩擦特性的交替步进压电粘滑驱动器及方法，包括基座，所述基座上设置有压电直线进给驱动器，所述压电直线进给驱动器的一端设置有定子，所述定子包括麦芒尖端、连接麦芒尖端与压电直线进给驱动器的柔性铰链，所述麦芒尖端的一侧设置有直线导轨，所述直线导轨上设置有动子。本发明采用上述的一种具有异向摩擦特性的交替步进压电粘滑驱动器及方法，不需要设置非对称的驱动电压实现粘滑驱动，同时简化控制，结构简单，降低成本。

Description

一种具有异向摩擦特性的交替步进压电粘滑驱动器及方法

技术领域

本发明涉及压电精密驱动技术领域，尤其是涉及一种具有异向摩擦特性的交替步进压电粘滑驱动器及方法。

背景技术

微纳驱动技术是装备制造中的一项关键技术，广泛应用于精密制造，微纳技术，通讯设备等诸多领域。压电电机基于压电材料的逆压电效应而制作，具有响应速度快、分辨率高、结构简单、体积小以及不受电磁干扰等特点，在特殊环境下的微纳驱动中得到了广泛应用。利用压电电机作为驱动元件设计制造的各类驱动器通常具有结构简单，易控制等优点。

粘滑驱动是使驱动器在一个驱动周期中产生“粘滞”和“滑动”两个过程，“粘滞”过程的输出位移即为一个驱动周期的输出位移，现有压电粘滑驱动器为实现有效的粘滑驱动，避免在“滑动”过程中摩擦力仍较大，使机构产生回退，往往采用非对称电压信号对压电电机进行激励，利用逆压电效应使压电材料缓慢伸长和快速缩短，两个过程中产生的摩擦力不同而实现“粘滞”和“滑动”两个过程。但这种方式通常具有控制复杂，效率低等缺点。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有异向摩擦特性的交替步进压电粘滑驱动器及方法，不需要设置非对称的驱动电压实现粘滑驱动，同时简化控制，结构简单，降低成本。

为实现上述目的，本发明提供了一种具有异向摩擦特性的交替步进压电粘滑驱动器及方法，包括基座，所述基座上设置有压电直线进给驱动器，所述压电直线进给驱动器的一端设置有定子，所述定子包括麦芒尖端、连接麦芒尖端与压电直线进给驱动器的柔性铰链，所述麦芒尖端的一侧设置有直线导轨，所述直线导轨上设置有动子。

优选的，所述动子表面设置有一定的粗糙度，所述柔性铰链受转矩能发生旋转，所述麦芒尖端与动子表面呈倾斜设置，麦芒尖端沿该角度方向呈直线运动。

包括以下步骤：

S1：初始状态下，所述压电直线进给驱动器保持断电状态，麦芒尖端与动子间未接触；

S2：所述压电直线进给驱动器通入电压直至最大值U，压电直线进给驱动器变形伸长，定子沿该方向向前运动，直至与动子表面接触，柔性铰链发生变形，麦芒尖端与动子表面不平整微峰像棘齿一样卡住，会产生较大摩擦力，形成“粘滞”过程带动动子沿导轨运动；

S3：所述压电直线进给驱动器电压减小至0，压电直线进给驱动器逐渐恢复原长，麦芒尖端与动子逐渐脱离接触并恢复到初始位置，由于柔性铰链具有一定的弹性，该过程产生的摩擦力远小于上一阶段，形成“滑动”过程，从而不带动动子回退。

优选的，所述电压最大值

其中，U≈KL，K：与压电直线进给驱动器相关的常数，L:压电直线进给驱动器伸长距离，D：动子移动距离，

优选的，在步骤S3中，动子不发生位移，维持在步骤S2结束时的位置。

优选的，在一个对称的电压周期中，麦芒尖端与动子表面依次经历“粘滞”和“滑动”两个阶段，“粘滞”阶段麦芒尖端推动动子沿直线导轨向前运动D,“滑动”阶段麦芒尖端不带动动子运动而回到初始位置，故在一个周期内动子的位移为D。

优选的，所述压电直线进给驱动器往复运动，实现动子的单向运动。

因此，本发明采用上述一种具有异向摩擦特性的交替步进压电粘滑驱动器及方法，其技术效果如下：

(1)不需要设置对称的驱动电压即可实现有效的粘滑驱动，同时结构简单，降低成本。

(2)粘滑驱动器的一个驱动周期可实现动子输出一次单向位移，输入循环的对称电压，可利用定子的多次微小位移实现动子输出较大的位移。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1是本发明一种具有异向摩擦特性的交替步进压电粘滑驱动器的俯视图；

图2是本发明一种具有异向摩擦特性的交替步进压电粘滑驱动器的侧视图；

图3是本发明一种具有异向摩擦特性的交替步进压电粘滑驱动器的动子表面围观放大示意图；

图4是本发明一种具有异向摩擦特性的交替步进压电粘滑驱动器的通电状态对比图；

图5是本发明一种具有异向摩擦特性的交替步进压电粘滑驱动器的电压区间与运动对应图；

图6是本发明一种具有异向摩擦特性的交替步进压电粘滑驱动器的向左单向运动示意图；

图7是本发明一种具有异向摩擦特性的交替步进压电粘滑驱动器的向有单向运动示意图。

附图标记

1、基座；2、压电直线进给驱动器；3、定子；31、麦芒尖端；32、柔性铰链；4、直线导轨；5、动子。

具体实施方式

以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

实施例一

如图所示，本发明提供了一种具有异向摩擦特性的交替步进压电粘滑驱动器及方法，包括基座1，基座1上设置有压电直线进给驱动器2，压电直线进给驱动器2的一端设置有定子3，定子3包括麦芒尖端31、连接麦芒尖端31与压电直线进给驱动器2的柔性铰链32，麦芒尖端31的一侧设置有直线导轨4，直线导轨4上设置有动子5。动子5表面设置有一定的粗糙度，柔性铰链32受转矩能发生旋转，麦芒尖端31与动子5表面呈倾斜设置，麦芒尖端31沿该角度方向呈直线运动。

其中驱动器的具体工作原理如下：

(1)初始状态下，压电直线进给驱动器2保持断电状态，麦芒尖端31与动子5间未接触。

(2)压电直线进给驱动器2通入电压直至最大值U(其中，U≈KL，K：与压电直线进给驱动器相关的常数，L:压电直线进给驱动器伸长距离，D：动子移动距离，)，压电直线进给驱动器2变形伸长，定子3沿该方向向前运动，直至与动子5表面接触，柔性铰链32发生变形，麦芒尖端与31动子5表面不平整微峰像棘齿一样卡住，会产生较大摩擦力，形成“粘滞”过程带动动子沿导轨运动。

(3)压电直线进给驱动器2电压减小至0，压电直线进给驱动器2逐渐恢复原长，麦芒尖端31与动子5逐渐脱离接触并恢复到初始位置，由于柔性铰链32具有一定的弹性，该过程产生的摩擦力远小于上一阶段，形成“滑动”过程，从而不带动动子5回退，动子5不发生位移，维持在步骤(2)结束时的位置

在一个对称的电压周期中，麦芒尖端31与动子5表面依次经历“粘滞”和“滑动”两个阶段，“粘滞”阶段麦芒尖端推动动子5沿直线导轨4向前运动D,“滑动”阶段麦芒尖端不带动动子5运动而回到初始位置，故在一个周期内动子的位移为D。压电直线进给驱动器2往复运动，实现动子5的单向运动。

在驱动过程中，给压电进给驱动器2通入电压，推动压电直线进给驱动器2进行前进和回缩的往复运动，在前进过程中，由于驱动末端的麦芒尖端31和与动子5的倾角布置，麦芒尖端31与动子5表面不平整微峰像棘齿一样卡住，会产生较大摩擦力带动动子5沿导轨运动，回缩时，柔性铰链32发生变形，麦芒尖端31与动子5间摩擦力减小，不会带动动子5回退，压电直线进给驱动器2往复运动，实现动子5的单向运动。

本实施例以向左驱动动子为例，若需向右驱动动子时，可以将上述步骤中的压电直线进给驱动器2和麦芒尖端31的布置改为与上述状态的对称方向，具体驱动原理相同在此不再详细描述。

因此，本发明采用上述一种具有异向摩擦特性的交替步进压电粘滑驱动器及方法，不需要设置非对称的驱动电压实现粘滑驱动，同时简化控制，结构简单，降低成本。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种具有异向摩擦特性的交替步进压电粘滑驱动器及方法，其特征在于：包括基座，所述基座上设置有压电直线进给驱动器，所述压电直线进给驱动器的一端设置有定子，所述定子包括麦芒尖端、连接麦芒尖端与压电直线进给驱动器的柔性铰链，所述麦芒尖端的一侧设置有直线导轨，所述直线导轨上设置有动子。

2.根据权利要求1所述的一种具有异向摩擦特性的交替步进压电粘滑驱动器及方法，其特征在于：所述动子表面设置有一定的粗糙度，所述柔性铰链受转矩能发生旋转，所述麦芒尖端与动子表面呈倾斜设置，麦芒尖端沿该角度方向呈直线运动。

3.一种具有异向摩擦特性的交替步进压电粘滑驱动器的方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：初始状态下，所述压电直线进给驱动器保持断电状态，麦芒尖端与动子间未接触；

S2：所述压电直线进给驱动器通入电压直至最大值U，压电直线进给驱动器变形伸长，定子沿该方向向前运动，直至与动子表面接触，柔性铰链发生变形，麦芒尖端与动子表面不平整微峰像棘齿一样卡住，会产生较大摩擦力，形成“粘滞”过程带动动子沿导轨运动；

S3：所述压电直线进给驱动器电压减小至0，压电直线进给驱动器逐渐恢复原长，麦芒尖端与动子逐渐脱离接触并恢复到初始位置，由于柔性铰链具有一定的弹性，该过程产生的摩擦力远小于上一阶段，形成“滑动”过程，从而不带动动子回退。

4.根据权利要求3所述的一种具有异向摩擦特性的交替步进压电粘滑驱动器的方法，其特征在于：所述电压最大值U≈KD/cosφ，

其中，U≈KL，K：与压电直线进给驱动器相关的常数，L:压电直线进给驱动器伸长距离，D：动子移动距离，D≈Lcosφ。

5.根据权利要求3所述的一种具有异向摩擦特性的交替步进压电粘滑驱动器的方法，其特征在于：在步骤S3中，动子不发生位移，维持在步骤S2结束时的位置。

6.根据权利要求3所述的一种具有异向摩擦特性的交替步进压电粘滑驱动器的方法，其特征在于：在一个对称的电压周期中，麦芒尖端与动子表面依次经历“粘滞”和“滑动”两个阶段，“粘滞”阶段麦芒尖端推动动子沿直线导轨向前运动D,“滑动”阶段麦芒尖端不带动动子运动而回到初始位置，故在一个周期内动子的位移为D。

7.根据权利要求3所述的一种具有异向摩擦特性的交替步进压电粘滑驱动器的方法，其特征在于：所述压电直线进给驱动器往复运动，实现动子的单向运动。