CN116633188A - 一种一体式自钳位压电马达 - 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，它涉及一种一体式自钳位压电马达。包括马达底座、直线滑轨、预紧机构、压电振子机构和柔性钳位机构；柔性钳位机构包括L形安装板、L形的振子底板和柔性钳位足，柔性钳位足包括4根连接杆、一对钳位安装块和一对钳位块，4根连接杆呈水平菱形布置在一对钳位安装面之间，压电片通入一阶谐波激励信号时，基片发生一阶谐振，基片向一侧摆动时，带动滚珠滑块沿着直线滑轨运动，循环通入谐波激励信号时，实现压电马达的直线运动；压电片循环通入二阶谐波激励信号时，实现压电马达的反向直线运动。因此本发明实现自动协同驱动‑钳位控制，能够实现无回退，同时在单一驱动振子的情况下实现双向运动。
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，它涉及一种一体式自钳位压电马达。
背景技术
压电电机是一种新型驱动装置，其利用压电陶瓷的逆压电效应，将输入的电能转化为机械能，实现马达的直线或旋转运动。与传统电磁式电机相比，压电马达结构具有结构简单、驱动响应快、可控性高等优点，且在工作时无电磁干扰。广泛应用于生物制药、航空航天、光学测量、精密制造等领域。压电马达结构类型众多，根据其工作原理主要可分为超声马达、尺蠖马达和惯性冲击马达。
传统的粘滑型和平滑型惯性冲击马达，均采用非对称信号驱动，利用非对称信号幅值缓升和陡降阶段给马达动子带来的的惯性差驱动，其结构简单，驱动信号单一，但马达工作在准静态，输出性能不高，且定子与动子之间存在较大的摩擦磨损，马达寿命较短；
在后续的开发中，有研究人员提出了一种采用波形合成方法，将若干个正弦信号合成为类锯齿波信号来驱动马达运行，令马达工作在谐振态，大大提升了马达的输出性能；
还有一种新型惯性冲击马达的设计思路被提出，通过机械结构的不对称所带来的两个方向上的惯性力不对称来实现马达的连续单向运动，这种设计方法摆脱了不对称电信号的限制，令马达工作在谐振态，马达的输出性能同样得到较大提升，但受结构设计的限制，也就是非对称夹持使振动器两侧刚度不同，在振动时产生位移差，使得在单一振子的情况下往往只能实现单向运动，为了实现双向运动，传统惯性冲击马达往往需要对称的布置两个驱动振子，这使得马达结构更加复杂。
发明内容
为了提升惯性冲击马达在准静态下工作的输出性能，解决惯性冲击马达存在的回退现象、同步钳位式马达驱动信号控制系统复杂和结构设计上钳位开关和惯性驱动机构的控制信号频率匹配困难的问题，本发明提供了一种一体式自钳位压电马达。
本发明的具体技术方案如下：一种一体式自钳位压电马达，包括马达底座1、直线滑轨2、预紧机构3、压电振子机构4和柔性钳位机构5；
所述马达底座1水平布置，直线滑轨2横向布置在马达底座1的中部，直线滑轨2上配合设有滚珠滑块21；
所述预紧机构3包括一对安装板31和一对钳位板32，一对安装板31横向布置在直线滑轨2两侧对应的马达底座1上，每个钳位板为倒立的U形板，且一对钳位板32固定在对应一对安装板31上；
所述柔性钳位机构5包括L形安装板51、L形的振子底板52和柔性钳位足53，
L形安装板51的水平部固定在滚珠滑块21的上端，振子底板52的水平部和竖直部柔性连接，且水平部固定在L形安装板51的水平部上端，使得L形安装板51的竖直部和振子底板52的竖直部相对布置在滚珠滑块21的横向两端，且相对面为一对钳位安装面，L形安装板51的竖直部另一面为振子安装面；
柔性钳位足53包括4根连接杆531、一对钳位安装块532和一对钳位块533，4根连接杆531呈水平菱形布置在一对钳位安装面之间，一对钳位安装块532布置在菱形的横向两端，并和对应连接杆531端部柔性连接，一对钳位块533布置在菱形的纵向两端，并和对应连接杆531端部柔性连接，一对钳位安装块532和一对钳位安装面对应固定连接，使得一对钳位块533紧贴着一对钳位板32相对内侧面，一对钳位板32的每端均通过水平的预紧螺栓33预紧固定；
所述压电振子机构4包括基片41、压电片42和一对质量块43，基片41为竖直的长条状矩形薄片，基片41的下端和振子安装面固定连接，压电片42对应布置在基片41的一侧面，一对质量块43对应布置在基片41上端的两侧面；
工作时，压电片42通入一阶谐波激励信号时，基片41发生一阶谐振，一对钳位块533和对应一对钳位板32的作用，使得基片41向柔性钳位足53一侧摆动时，滚珠滑块21不动，基片41向另一侧摆动时，带动滚珠滑块21沿着直线滑轨2运动，由此产生了位移差，循环通入谐波激励信号时，实现压电马达的直线运动；压电片42循环通入二阶谐波激励信号时，实现压电马达的反向直线运动。
进一步，所述压电马达最大负载能力为180 g，当压电马达空载时，所述一对钳位板32作用4 N预紧力在一对钳位块533上，输入66 Hz 120Vp-p的激励信号时，压电马达正向运动输出速度为4.401 mm/s，最小位移分辨率为0.066 mm；输入420Hz 120 Vp-p的激励信号时，压电马达反向运动，输出速度为5.369 mm/s，最小位移分辨率为0.012 mm。
进一步，所述振子底板52的竖直部下端为单轴直圆型柔性铰链，实现振子底板52的水平部和竖直部柔性连接。
进一步，每根所述连接杆531的两端均为单轴直圆型柔性铰链，实现每根连接杆531的端部和对应钳位安装块或钳位块的连接为柔性连接。
进一步，所述马达底座1的横向两端设有一对侧板，且每个侧板的上端向内弯折形成安装槽，使得每个安装板的横向每端位于对应安装槽内，且每个安装板和对应马达底座1螺栓固定连接。
进一步，每个所述预紧螺栓33通过预紧弹簧331水平穿过一对钳位板32的对应一端，且预紧螺栓33的悬伸端通过蝶形螺母332锁紧固定，使得一对钳位板32的预紧力作用于一对钳位块533上。
进一步，所述压电片的材料为锆钛酸铅压电陶瓷；所述马达底座1、每个钳位板、直线滑轨2、滚珠滑块21、L形安装板51和每个质量块的材料均为45#钢；
每根连接杆531、振子底板52和基片41的材料均为65锰钢。
本发明的有益技术效果如下：
（1）本发明一种一体式自钳位压电马达，包括马达底座、直线滑轨、预紧机构、压电振子机构和柔性钳位机构；柔性钳位足包括4根连接杆、一对钳位安装块和一对钳位块，4根连接杆呈水平菱形布置在一对钳位安装面之间，一对钳位安装块布置在菱形的横向两端，并和对应连接杆端部柔性连接，一对钳位块布置在菱形的纵向两端，并和对应连接杆端部柔性连接，一对钳位安装块和一对钳位安装面对应固定连接，使得一对钳位块紧贴着一对钳位板相对内侧面，一对钳位板的每端均通过水平的预紧螺栓预紧固定，使得柔性钳位机构实现柔性放大自钳位功能，当基片向柔性钳位足一侧运动时，柔性钳位足将能量转换为钳位力，即一对钳位块抵紧一对钳位板、不能带动滚珠滑块运动，实现自动协同驱动-钳位控制，并规避掉了传统惯性冲击马达存在摩擦磨损较大的问题；能够有效的降低传统惯性冲击马达普遍出现的回退现象；同时利用压电振子机构不同谐振频率下出现的振型解决了惯性冲击马达在单一驱动振子的情况下难以实现双向运动的问题。
（2）本发明一种一体式自钳位压电马达工作在多阶谐振状态，压电振子机构在二阶谐振模态下，马达可实现反向直线运动，即马达能够在一阶模态驱动时动子向右运动（正向），二阶模态驱动时动子向左运动（反向），实现正反双向运动。本发明的压电马达最大负载能力为180 g；当压电马达空载时，在4 N的预紧力作用下，输入66 Hz 120Vp-p的激励信号时，马达正向运动输出速度为4.401 mm/s，最小位移分辨率为0.066 mm；输入420 Hz 120Vp-p的激励信号时，马达反向运动，输出速度为5.369 mm/s，最小位移分辨率为0.012mm。
附图说明
图1为本发明一种一体式自钳位压电马达的结构示意图；
图2为本发明直线滑轨和马达底座的安装示意图；
图3为本发明马达底座的结构示意图；
图4 为本发明预紧机构和马达底座的安装示意图；
图5为本发明柔性钳位机构的安装示意图；
图6为本发明柔性钳位足的安装示意图；
图7为本发明柔性钳位足的结构示意图；
图8为本发明L形安装板的结构示意图；
图9为本发明压电振子机构的结构示意图；
图10为本发明压电马达一阶谐振定向运动工作原理图；
图11为本发明压电马达二阶谐振反向运动工作原理图；
图12为本发明压电马达激励电信号图。
其中：马达底座1、直线滑轨2、滚珠滑块21、预紧机构3、一对安装板31、一对钳位板32、预紧螺栓33、预紧弹簧331、蝶形螺母332、压电振子机构4、基片41、压电片42、一对质量块43、柔性钳位机构5、L形安装板51、振子底板52、柔性钳位足53、连接杆531、一对钳位安装块532、一对钳位块533。
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和图2，一种一体式自钳位压电马达，包括马达底座1、直线滑轨2、预紧机构3、压电振子机构4和柔性钳位机构5；
所述马达底座1水平布置，直线滑轨2横向布置在马达底座1的中部，直线滑轨2上配合设有滚珠滑块21；
见图3，所述马达底座1的横向两端设有一对侧板，且每个侧板的上端向内弯折形成安装槽，使得每个安装板的横向每端位于对应安装槽内，且每个安装板和对应马达底座1螺栓固定连接。
见图4所述预紧机构3包括一对安装板31和一对钳位板32，一对安装板31横向布置在直线滑轨2两侧对应的马达底座1上，每个钳位板为倒立的U形板，且一对钳位板32固定在对应一对安装板31上；
进一步，每个所述预紧螺栓33通过预紧弹簧331水平穿过一对钳位板32的对应一端，且预紧螺栓33的悬伸端通过蝶形螺母332锁紧固定，使得一对钳位板32的预紧力作用于一对钳位块533上。
见图5、图6和图8，所述柔性钳位机构5包括L形安装板51、L形的振子底板52和柔性钳位足53，
L形安装板51的水平部固定在滚珠滑块21的上端，振子底板52的水平部和竖直部柔性连接，且水平部固定在L形安装板51的水平部上端，使得L形安装板51的竖直部和振子底板52的竖直部相对布置在滚珠滑块21的横向两端，且相对面为一对钳位安装面，L形安装板51的竖直部另一面为振子安装面；
见图7，柔性钳位足53包括4根连接杆531、一对钳位安装块532和一对钳位块533，4根连接杆531呈水平菱形布置在一对钳位安装面之间，一对钳位安装块532布置在菱形的横向两端，并和对应连接杆531端部柔性连接，一对钳位块533布置在菱形的纵向两端，并和对应连接杆531端部柔性连接，一对钳位安装块532和一对钳位安装面对应固定连接，使得一对钳位块533紧贴着一对钳位板32相对内侧面，一对钳位板32的每端均通过水平的预紧螺栓33预紧固定；
进一步，所述振子底板52的竖直部下端为单轴直圆型柔性铰链，实现振子底板52的水平部和竖直部柔性连接。
进一步，每根所述连接杆531的两端均为单轴直圆型柔性铰链，实现每根连接杆531的端部和对应钳位安装块或钳位块的连接为柔性连接。
见图9，所述压电振子机构4包括基片41、压电片42和一对质量块43，基片41为竖直的长条状矩形薄片，基片41的下端和振子安装面固定连接，压电片42布置在基片41的一侧面，一对质量块43对应布置在基片41上端的两侧面；
工作时，压电片42通入一阶谐波激励信号时，基片41发生一阶谐振，一对钳位块533和对应一对钳位板32的作用，使得基片41向柔性钳位足53一侧摆动时，滚珠滑块21不动，基片41向另一侧摆动时，带动滚珠滑块21沿着直线滑轨2运动，由此产生了位移差，循环通入谐波激励信号时，实现压电马达的直线运动；压电片42循环通入二阶谐波激励信号时，实现压电马达的反向直线运动。
进一步，所述压电片的材料为锆钛酸铅压电陶瓷；所述马达底座1、每个钳位板、直线滑轨2、滚珠滑块21、L形安装板51和每个质量块的材料均为45#钢；
每根连接杆531、振子底板52和基片41的材料均为65锰钢。
进一步，所述压电马达最大负载能力为180 g，当压电马达空载时，所述一对钳位板32作用4 N预紧力在一对钳位块533上，输入66 Hz 120Vp-p的激励信号时，压电马达正向运动输出速度为4.401 mm/s，最小位移分辨率为0.066 mm；输入420Hz 120 Vp-p的激励信号时，压电马达反向运动，输出速度为5.369 mm/s，最小位移分辨率为0.012 mm。
本发明的工作原理详细说明如下：见图10，为本发明的压电马达激励电信号。
见图11，输入66 Hz 120Vp-p的激励信号时，压电马达一阶谐振定向运动工作原理图，
具体的，
在0到t1时刻，压电片42的激励电压由0增加至负峰值，基片41向左摆动直至最左侧极限位置，同时，基片下端向左压缩柔性钳位机构5，使柔性钳位足53产生轻微形变，挤压力经过一对钳位块533放大并传递给一对钳位板32内壁产生正压力，导致摩擦力增大，动子无法运动，位移为0；在t1到T/2时刻，压电片42的激励电压逐渐从负峰值降至0，弹性振子与质量块一起向右回摆至初始竖直位置。同时，基片41下端对柔性钳位机构5的挤压力逐渐减小，钳位块与对应钳位板内壁之间的摩擦力也逐渐降低，但仍处于钳紧状态，动子无法整体运动，此时位移为0。值得注意的是，当t=T/2时，基片41回到初始竖直位置，柔性钳位机构5也恢复初始状态，但质量块获得了一定的向右方向的动能；在T/2到t2时刻，压电片42的激励电压由0逐渐升高至正向峰值，基片41开始向右摆动。同时基片下端开始向右拉伸柔性钳位机构5，使其产生弹性形变，钳位块脱离对应钳位板内壁，使马达动子处于释放状态。此过程中质量块的动能的一部分最终转化为马达动子整体的动能，在t=t2时，基片41摆动到右侧极限位置，此时动子向右位移△XR1；在t2到T时刻，压电片42的激励电压由正峰值逐渐降低至0，弹性振子开始向左回摆。同时，弹性振子下端对柔性钳位机构5的拉力逐渐减小，其逐渐恢复到初始状态，但该过程中钳位块依然脱离对应钳位板内壁，马达仍处于释放状态，并在惯性力的作用下继续向右运动一个微小位移△XR2。当t=T时，第四步结束，此时马达动子向右的位移为△XR。至此，马达完成了一个周期内的一阶运动，在一个工作周期内，马达动子整体向右运动了一小段位移△XR。通过连续累积每个周期产生的微小位移，此马达将在宏观上产生连续向右的运动，从而实现电机的正向运动。
参见图12，输入420 Hz 120 Vp-p的激励信号时，压电马达二阶谐振定向运动工作原理图，具体的，在0到t1时刻，压电片42的激励电压由0增加至负峰值，基片41开始向左弯曲直至最左侧极限位置。同时基片41下端向右拉伸柔性钳位机构5，使柔性钳位足53产生轻微形变，钳位块脱离对应钳位板内壁，马达动子处于释放状态。此过程中质量块的动能的一部分最终转化为马达动子整体的动能，在t=t1时，基片41弯曲到左侧极限位置，此时动子向左产生一个微小位移ΔXL1；在t1到T/2时刻，压电片42的激励电压由0增加至负峰值，基片41从左侧极限位置恢复至初始竖直位置。同时，基片41下端对柔性钳位机构5的拉力逐渐减小，并逐渐恢复到初始状态，但该过程中钳位块依然脱离对应钳位板内壁，马达仍处于释放状态，在惯性力的作用下继续向左运动一个微小位移ΔXL2。此时马达动子的总位移为△XL；在T/2到t2时刻，压电片42的激励电压由0逐渐升高至正向峰值，基片41开始向右弯曲直至最右侧极限位置。弹性振子下端向左压缩柔性自钳位机构，钳位块对钳位板内壁产生正压力，导致与定子壁的摩擦力增大，动子无法运动，位移为0；在t2到T时刻，压电片42的激励电压逐渐从正峰值降至0，基片41从最右侧极限位置恢复至初始竖直位置。同时，基片41下端对自钳位机构的挤压力逐渐减小，钳位块与对应钳位板内壁之间的摩擦力也逐渐降低，但仍处于钳紧状态，动子无法整体运动，此时位移为0。至此，马达完成了一个周期内的二阶运动，在一个工作周期内，马达动子整体向左运动了一小段位移ΔXL。通过连续累积每个周期产生的微小位移，此马达将在宏观上产生连续向左的运动，从而实现电机的反向运动。
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 (7)
1.一种一体式自钳位压电马达，其特征在于：包括马达底座（1）、直线滑轨（2）、预紧机构（3）、压电振子机构（4）和柔性钳位机构（5）；
所述马达底座（1）水平布置，直线滑轨（2）横向布置在马达底座（1）的中部，直线滑轨（2）上配合设有滚珠滑块（21）；
所述预紧机构（3）包括一对安装板（31）和一对钳位板（32），一对安装板（31）横向布置在直线滑轨（2）两侧对应的马达底座（1）上，每个钳位板为倒立的U形板，且一对钳位板（32）固定在对应一对安装板（31）上；
所述柔性钳位机构（5）包括L形安装板（51）、L形的振子底板（52）和柔性钳位足（53），
L形安装板（51）的水平部固定在滚珠滑块（21）的上端，振子底板（52）的水平部和竖直部柔性连接，且水平部固定在L形安装板（51）的水平部上端，使得L形安装板（51）的竖直部和振子底板（52）的竖直部相对布置在滚珠滑块（21）的横向两端，且相对面为一对钳位安装面，L形安装板（51）的竖直部另一面为振子安装面；
柔性钳位足（53）包括4根连接杆（531）、一对钳位安装块（532）和一对钳位块（533），4根连接杆（531）呈水平菱形布置在一对钳位安装面之间，一对钳位安装块（532）布置在菱形的横向两端，并和对应连接杆（531）端部柔性连接，一对钳位块（533）布置在菱形的纵向两端，并和对应连接杆（531）端部柔性连接，一对钳位安装块（532）和一对钳位安装面对应固定连接，使得一对钳位块（533）紧贴着一对钳位板（32）相对内侧面，一对钳位板（32）的每端均通过水平的预紧螺栓（33）预紧固定；
所述压电振子机构（4）包括基片（41）、压电片（42）和一对质量块（43），基片（41）为竖直的长条状矩形薄片，基片（41）的下端和振子安装面固定连接，压电片（42）对应布置在基片（41）的一侧面，一对质量块（43）对应布置在基片（41）上端的两侧面；
工作时，压电片（42）通入一阶谐波激励信号时，基片（41）发生一阶谐振，一对钳位块（533）和对应一对钳位板（32）的作用，使得基片（41）向柔性钳位足（53）一侧摆动时，滚珠滑块（21）不动，基片（41）向另一侧摆动时，带动滚珠滑块（21）沿着直线滑轨（2）运动，由此产生了位移差，循环通入谐波激励信号时，实现压电马达的直线运动；压电片（42）循环通入二阶谐波激励信号时，实现压电马达的反向直线运动。
2.根据权利要求1所述一种一体式自钳位压电马达，其特征在于：所述压电马达最大负载能力为180 g，当压电马达空载时，所述一对钳位板（32）作用4 N预紧力在一对钳位块（533）上，输入66 Hz 120Vp-p的激励信号时，压电马达正向运动输出速度为4.401 mm/s，最小位移分辨率为0.066 mm；输入420 Hz 120 Vp-p的激励信号时，压电马达反向运动，输出速度为5.369 mm/s，最小位移分辨率为0.012 mm。
3.根据权利要求1所述一种一体式自钳位压电马达，其特征在于：所述振子底板（52）的竖直部下端为单轴直圆型柔性铰链，实现振子底板（52）的水平部和竖直部柔性连接。
4.根据权利要求1所述一种一体式自钳位压电马达，其特征在于：每根所述连接杆（531）的两端均为单轴直圆型柔性铰链，实现每根连接杆（531）的端部和对应钳位安装块或钳位块的连接为柔性连接。
5.根据权利要求1所述一种一体式自钳位压电马达，其特征在于：所述马达底座（1）的横向两端设有一对侧板，且每个侧板的上端向内弯折形成安装槽，使得每个安装板的横向每端位于对应安装槽内，且每个安装板和对应马达底座（1）螺栓固定连接。
6.根据权利要求1所述一种一体式自钳位压电马达，其特征在于：每个所述预紧螺栓（33）通过预紧弹簧（331）水平穿过一对钳位板（32）的对应一端，且预紧螺栓（33）的悬伸端通过蝶形螺母（332）锁紧固定，使得一对钳位板（32）的预紧力作用于一对钳位块（533）上。
7.根据权利要求1所述一种一体式自钳位压电马达，其特征在于：所述压电片的材料为锆钛酸铅压电陶瓷；所述马达底座（1）、每个钳位板、直线滑轨（2）、滚珠滑块（21）、L形安装板（51）和每个质量块的材料均为45#钢；
每根连接杆（531）、振子底板（52）和基片（41）的材料均为65锰钢。
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| CN202310523156.7A CN116633188A (zh) | 2023-05-10 | 2023-05-10 | 一种一体式自钳位压电马达 |
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