CN116599381A - 一种基于差分原理的高精度高分辨率直线压电电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于差分原理的高精度高分辨率直线压电电机，包括一级驱动系统与二级驱动系统，所述一级驱动系统包括底座、第一齿、第二齿、第三齿、第一纵向直线驱动器、第二纵向直线驱动器与第三纵向直线驱动器，所述纵向直线驱动器固连且位于直线导轨上的中间滑块将运动传递到二级驱动系统，所述二级驱动系统包括第四纵向直线驱动器、第五纵向直线驱动器、第六纵向直线驱动器、第四齿、第五齿与第六齿，所述直线导轨上设有动子。本发明采用上述的一种基于差分原理的高精度高分辨率直线压电电机，提高了直线压电电机的运动分辨率，通过调整各部分尺寸及直线驱动器、驱动齿的数量实现更高的分辨率。
Description
技术领域
本发明属于精密驱动与定位技术领域，涉及一种基于差分原理的高精度高分辨率直线压电电机。
背景技术
压电电机具有响应速度快、结构简单、不受电磁干扰的特点，在特殊环境下的精密驱动与定位系统中应用。
现有压电的驱动原理为通过摩擦界面的摩擦力进行传动，将压电定子的周期性的微运动转化为动子的步进式运动。然而由于摩擦力变化的复杂性以及摩擦界面的不确定性，电机的驱动方法都存在步态不一致性且步态误差具有累积性，这种步态累积误差需要通过复杂的闭环控制系统才能实现精确定位。
复杂的闭环控制系统不仅需要高跨尺度高精密传感器和控制器，既昂贵又占体积，增加了成本，限制了其微型化的发展，而且还会降低其在实际应用中的可靠性。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于差分原理的高精度高分辨率直线压电电机，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于差分原理的高精度高分辨率直线压电电机，包括一级驱动系统与二级驱动系统，所述一级驱动系统包括底座、第一齿、第二齿、第三齿、第一纵向直线驱动器、第二纵向直线驱动器与第三纵向直线驱动器，所述纵向直线驱动器固连且位于直线导轨上的中间滑块将运动传递到二级驱动系统，所述二级驱动系统包括第四纵向直线驱动器、第五纵向直线驱动器与第六纵向直线驱动器，所述直线导轨上设有动子。
优选的，所述D为一级驱动动子齿距，所述L为一级驱动动子啮合齿的间距，所述d为二级驱动动子齿距，所述l为二级驱动动子啮合齿的间距。
优选的，所述底座为齿距为D的齿形微结构且固定于机架。
优选的，所述n个均匀分布的第一齿、第二齿、第三齿分别与底座齿形为机构配合驱动的齿距为：
所述D为一级驱动动子齿距，所述L为一级驱动动子啮合齿的间距。
优选的，所述n个均匀分布的第一纵向直线驱动器、第二纵向直线驱动器与第三纵向直线驱动器的间距为：
所述D为一级驱动动子齿距，所述L为一级驱动动子啮合齿的间距。
优选的，所述第一纵向直线驱动器、第二纵向直线驱动器与第三纵向直线驱动器驱动第一齿、第二齿与第三齿，所述第四纵向直线驱动器、第五纵向直线驱动器与第六纵向直线驱动器驱动第四齿、第五齿与第六齿。
优选的，所述二级驱动系统包括n个分布间距为的第四纵向直线驱动器、第五纵向直线驱动器与第六纵向直线驱动器，分布齿距为d的使用第一纵向直线驱动器驱动的第四齿、第五齿与第六齿，所述d为二级驱动动子齿距，所述l为二级驱动动子啮合齿的间距。
优选的，所述直线导轨上设有齿距为d的齿形微结构的动子。
优选的，所述底座上设有与第一齿、第二齿与第三齿配合的齿形微结构。
优选的，所述纵向直线驱动器包括第一纵向直线驱动器、第二纵向直线驱动器、第三纵向直线驱动器、第四纵向直线驱动器、第五纵向直线驱动器与第六纵向直线驱动器，所述第一纵向直线驱动器、第二纵向直线驱动器、第三纵向直线驱动器、第五纵向直线驱动器与第六纵向直线驱动器固连且位于直线导轨上的中间滑块将运动传递到二级驱动系统。
因此，本发明采用上述结构的一种基于差分原理的高精度高分辨率直线压电电机，提高了直线压电电机的运动分辨率，实际运用中可以通过调整各部分尺寸实现更高的分辨率。
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为本发明一种基于差分原理的高精度高分辨率直线压电电机；
图2为本发明一种基于差分原理的高精度高分辨率直线压电电机的运动原理示意图；
图3为本发明一种基于差分原理的高精度高分辨率直线压电电机的一级驱动系统单独驱动示意图。
附图标记
1、底座；2、第一齿；3、第二齿；4、第三齿；5、第一纵向直线驱动器；6、第二纵向直线驱动器；7、第三纵向直线驱动器；8、中间滑块；9、第四纵向直线驱动器；10、第四齿；11、第五纵向直线驱动器；12、第五齿；13、第六纵向直线驱动器；14、第六齿；15、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1所示，包括一级驱动系统与二级驱动系统，一级驱动系统包括底座1、第一齿2、第二齿3、第三齿4、第一纵向直线驱动器5、第二纵向直线驱动器6与第三纵向直线驱动器7。
均匀分布的齿距为的第一齿2、第二齿3、第三齿4与底座1齿形微结构配合驱动，底座1为齿距为D的齿形微结构且固定于机架，
均匀分布的第一纵向直线驱动器5、第二纵向直线驱动器6与第三纵向直线驱动器7的间距为所述D为一级驱动动子齿距，所述L为一级驱动动子啮合齿的间距。
第一纵向直线驱动器5、第二纵向直线驱动器6与第三纵向直线驱动器7分别驱动第一齿2、第二齿3与第三齿4。
第一纵向直线驱动器5、第二纵向直线驱动器6、第三纵向直线驱动器7、第四纵向直线驱动器9、第五纵向直线驱动器11与第六纵向直线驱动器13固连且位于直线导轨上的中间滑块8将运动传递到二级驱动系统，二级驱动系统包括分布间距为的第四纵向直线驱动器9、第五纵向直线驱动器11、第六纵向直线驱动器13、第四齿10、第五齿12与第六齿14。所述d为二级驱动动子齿距，所述l为二级驱动动子啮合齿的间距。
第四纵向直线驱动器9驱动第四齿10，第五纵向直线驱动器11驱动第五齿12，第六纵向直线驱动器13驱动第六齿14，直线导轨上设有齿距为d的齿形微结构的动子15。
如图2所示，不失一般性，以n＝3，D为一级驱动动子齿距，d为二级驱动动子齿距动子，向右运动为例，动子的运动情况如下所述：
(a)第一纵向直线驱动器5驱动第四齿10向下或向上移动，第四纵向直线驱动器9驱动第四齿10向下或向上运动，直到分别与底座1上齿形微结构及动子15上的齿形微结构完成啮合，以实现一、二级驱动系统的初始位置的确定。
(b)第一纵向直线驱动器5与第四纵向直线驱动器9复位，带动第三齿4、第四齿10分别与底座1上齿形微结构及动子15上的齿形微结构脱离啮合，完成上述运动后，第三纵向直线驱动器7驱动第一齿2向下运动，直到其与底座1上齿形微结构完成啮合，在啮合力作用下使中间滑块8实现右进给距离因n＝3，即进给距离为/>
(c)第三纵向直线驱动器7保持此位置不动，使第一齿2与底座1上的齿形微结构保持啮合，第五纵向直线驱动器11驱动第五齿12向上运动，直到其与动子15上齿形微结构完成啮合，在啮合力作用下使动子实现右进给距离由于第三纵向直线驱动器7的作用，中间滑块8保持不动以保证二级驱动系统驱动的可靠性。
(d)第三纵向直线驱动器7、第五纵向直线驱动器11复位，带动第一齿2、第五齿12分别与底座1上齿形微结构及动子15上的齿形微结构脱离啮合，完成上述运动后，第二纵向直线驱动器6驱动第二齿2向下运动，直到其与底座1上齿形微结构完成啮合，在啮合力作用下使中间滑块8实现右进给距离
(e)第二纵向直线驱动器6保持此位置不动，使第二齿3与底座1上齿形微结构的齿形微结构保持啮合，第六纵向直线驱动器13驱动第六齿14向上运动，直到其与动子15上齿形微结构完成啮合，在啮合力作用下使动子15实现右进给距离由于第二纵向直线驱动器6的作用，中间滑块8保持不动以保证二级驱动系统驱动的可靠性。
(f)第二纵向直线驱动器6、第六纵向直线驱动器13复位，带动第二齿3、第六齿14分别与底座1上齿形微结构及动子15上的齿形微结构脱离啮合，完成上述运动后，第一纵向直线驱动器5驱动第三齿4向下运动，直到其与底座1上齿形微结构完成啮合，在啮合力作用下使中间滑块8实现右进给距离
(g)第一纵向直线驱动器5保持此位置不动，使第三齿4与底座1上齿形微结构的齿形微结构保持啮合，第四纵向直线驱动器9驱动第四齿10向上运动，直到其与动子15上齿形微结构完成啮合，在啮合力作用下使动子15实现右进给距离由于第一纵向直线驱动器5的作用，中间滑块8保持不动以保证二级驱动系统驱动的可靠性。
至此，系统重新回到由第三齿4、第四齿10参与啮合的初始状态，完成一整个运动周期的运动，实现了向右的总位移
同理，改变各齿的运动顺序亦可以完成向左的进给运动。
如图3所示，以相对较大尺寸的构造，利用差分原理实现高分辨率，高精度的步进运动，同时具备一定的误差自消除能力。
在不引入差分原理单纯利用齿的啮合效果产生步进运动时，运动的分辨率基本完全取决于啮合齿的尺寸及数量，极大受限于啮合齿的加工精度及电机整体的装配精度。
而一种基于差分原理的高精度高分辨率直线压电电机则另辟蹊径利用差分原理在极大程度上摆脱了啮合齿的加工精度及电机整体的装配精度的限制，以实现在啮合齿尺寸较大、装配要求宽松的情况下实现更高分辨率且无累积误差的步进运动。为便于理解，现以如下的实例进行说明：
倘若将一种基于差分原理的高精度高分辨率直线压电电机的一级驱动系统单独分离出来，其基本啮合运动可以实现步进分辨率为的步进直线运动，反之，将一种基于差分原理的高精度高分辨率直线压电电机的二级驱动系统单独分离出来，其也仅能实现步进分辨率为/>的步进直线运动。
基于差分的思想，组合上述两种驱动系统则可以实现的分辨率为在不增加加工及装配难度的情况下，极大地提高了直线压电电机的运动分辨率。实际运用中可以通过调整各部分尺寸实现更高的分辨率。
因此，本发明采用上述结构的一种基于差分原理的高精度高分辨率直线压电电机，提高了直线压电电机的运动分辨率，通过调整各部分尺寸及直线驱动器、驱动齿的数量实现更高的分辨率。
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 (9)
1.一种基于差分原理的高精度高分辨率直线压电电机，其特征在于：本发明公开了一种高精度高分辨率的步进压电直线电机，包括一级驱动系统与二级驱动系统，所述一级驱动系统包括底座、第一齿、第二齿、第三齿、第一纵向直线驱动器、第二纵向直线驱动器与第三纵向直线驱动器，所述纵向直线驱动器固连且位于直线导轨上的中间滑块将运动传递到二级驱动系统，所述二级驱动系统包括第四纵向直线驱动器、第五纵向直线驱动器、第六纵向直线驱动器、第四齿、第五齿与第六齿，所述直线导轨上设有动子。本发明采用上述的一种基于差分原理的高精度高分辨率直线压电电机，提高了直线压电电机的运动分辨率，通过调整各部分尺寸及直线驱动器、驱动齿的数量实现更高的分辨率。
2.根据权利要求1所述的一种基于差分原理的高精度高分辨率直线压电电机，其特征在于：所述底座为齿距为D的齿形微结构且固定于机架。
3.根据权利要求1所述的一种基于差分原理的高精度高分辨率直线压电电机，其特征在于：所述n个均匀分布的第一齿、第二齿、第三齿分别与底座齿形为机构配合驱动的齿距为：
所述D为一级驱动动子齿距，所述L为一级驱动动子啮合齿的间距。
4.根据权利要求1所述的一种基于差分原理的高精度高分辨率直线压电电机，其特征在于：所述n个均匀分布的第一纵向直线驱动器、第二纵向直线驱动器与第三纵向直线驱动器的间距为：
所述D为一级驱动动子齿距，所述L为一级驱动动子啮合齿的间距。
5.根据权利要求1所述的一种基于差分原理的高精度高分辨率直线压电电机，其特征在于：所述第一纵向直线驱动器、第二纵向直线驱动器与第三纵向直线驱动器驱动第一齿、第二齿与第三齿，所述第四纵向直线驱动器、第五纵向直线驱动器与第六纵向直线驱动器驱动第四齿、第五齿与第六齿。
6.根据权利要求1所述的一种基于差分原理的高精度高分辨率直线压电电机，其特征在于：所述二级驱动系统包括n个分布间距为的第四纵向直线驱动器、第五纵向直线驱动器与第六纵向直线驱动器，分布齿距为d的使用第一纵向直线驱动器驱动的第四齿、第五齿与第六齿，所述d为二级驱动动子齿距，所述l为二级驱动动子啮合齿的间距。
7.根据权利要求1所述的一种基于差分原理的高精度高分辨率直线压电电机，其特征在于：所述直线导轨上设有齿距为d的齿形微结构的动子。
8.根据权利要求1所述的一种基于差分原理的高精度高分辨率直线压电电机，其特征在于：所述底座上设有与第一齿、第二齿与第三齿配合的齿形微结构。
9.根据权利要求1所述的一种基于差分原理的高精度高分辨率直线压电电机，其特征在于：所述纵向直线驱动器包括第一纵向直线驱动器、第二纵向直线驱动器、第三纵向直线驱动器、第四纵向直线驱动器、第五纵向直线驱动器与第六纵向直线驱动器，所述第一纵向直线驱动器、第二纵向直线驱动器、第三纵向直线驱动器、第五纵向直线驱动器与第六纵向直线驱动器固连且位于直线导轨上的中间滑块将运动传递到二级驱动系统。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN117097200A (zh) * | 2023-08-24 | 2023-11-21 | 哈尔滨工业大学(深圳)(哈尔滨工业大学深圳科技创新研究院) | 一种啮合式单一驱动源多目标独立驱动方法 |
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2023
- 2023-03-13 CN CN202310236479.8A patent/CN116599381A/zh active Pending
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| CN117097200A (zh) * | 2023-08-24 | 2023-11-21 | 哈尔滨工业大学(深圳)(哈尔滨工业大学深圳科技创新研究院) | 一种啮合式单一驱动源多目标独立驱动方法 |
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