CN117060771A - 一种利用超声复合振动的压电惯性驱动器及性能调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用超声复合振动的压电惯性驱动器及性能调控方法，包括柔性铰链机构、左法向驱动压电陶瓷叠堆、左运动压头、右法向驱动压电陶瓷叠堆、右运动压头，柔性铰链机构的左侧和右侧中部分别设置有凹槽，左法向驱动压电陶瓷叠堆设置于左侧的凹槽内，左运动压头与左法向驱动压电陶瓷叠堆固定连接，右法向驱动压电陶瓷叠堆设置于右侧的凹槽内，右运动压头与右法向驱动压电陶瓷叠堆固定连接，左运动压头和右运动压头的底端与滑块相接触。本发明采用上述结构的一种利用超声复合振动的压电惯性驱动器及性能调控方法，通过对接触面上摩擦力的改变，降低压头与滑块之间的宏观摩擦系数，从而提高驱动器的单步驱动步长，增大驱动速度。

Description

一种利用超声复合振动的压电惯性驱动器及性能调控方法

技术领域

本发明涉及压电精密驱动技术领域，尤其是涉及一种利用超声复合振动的压电惯性驱动器及性能调控方法。

背景技术

压电电机具有响应速度快、结构简单、不受电磁干扰等特点，在特殊环境下的精密驱动与定位系统中得到了广泛应用。惯性致动型压电驱动器利用压电材料快速响应的特点基于惯性原理实现致动效果，现有惯性致动型压电驱动器可分为惯性冲击式和惯性摩擦式两种，二者的主要区别在于驱动器的定子与动子是否为一个整体。

惯性式压电驱动器虽然结构简单，易于控制，便于微型化，但惯性驱动压电驱动器由于其通过摩擦界面接触驱动的方式，驱动速度以及分辨率受到了摩擦力的限制，而如何增大进程时的摩擦，减小回程时的摩擦是提高惯性式压电驱动器性能的关键问题。而单点接触式的驱动结构其驱动效率完全取决于驱动频率，对驱动频率和设备的要求更高，

发明内容

本发明的目的是提供一种利用超声复合振动的压电惯性驱动器及性能调控方法，采用双压头接触相位差驱动滑块，通过对接触面上摩擦力的改变，改善滑块的切向运动状态，降低压头与滑块之间的宏观摩擦系数，从而提高驱动器的单步驱动步长，增大驱动速度。

为实现上述目的，本发明提供了一种利用超声复合振动的压电惯性驱动器，包括柔性铰链机构、左法向驱动压电陶瓷叠堆、左运动压头、右法向驱动压电陶瓷叠堆、右运动压头，柔性铰链机构的左侧和右侧中部分别设置有凹槽，左法向驱动压电陶瓷叠堆设置于左侧的凹槽内，左运动压头与左法向驱动压电陶瓷叠堆固定连接，右法向驱动压电陶瓷叠堆设置于右侧的凹槽内，右运动压头与右法向驱动压电陶瓷叠堆固定连接，左运动压头和右运动压头的底端与滑块相接触。

一种利用超声复合振动的压电惯性驱动器的推力调控方法，包括：

对两个运动压头分别建立二维直角坐标系，以压头与滑块的接触点为0点，以水平方向为X轴，向右为正向，以竖直方向为Z轴，向上为正向；

S1法向预紧：驱动之前，为实现基本的粘滑运动，向柔性铰链机构施力，由左运动压头和右运动压头的底端向滑块施加-Z方向的预紧力；

S2切向复合运动：向左法向驱动压电陶瓷叠堆和右法向驱动压电陶瓷叠堆分别施加周期性的驱动电压，两驱动电压之间存在相位差，

驱动电压的波形为折线形，按时间划分斜率，以t₁为起始时间，驱动电压的绝对值在t₁-t₂之间单调递增，t₂-t₃之间单调递减，t₃时归零，满足：

t₂-t₁>t₃-t₂

t₃>t₂>t₁

左压头在左法向驱动压电陶瓷叠堆的驱动下、右压头在右法向驱动压电陶瓷叠堆的驱动下具有运动x(t)，表示在X轴方向，t₁到t₂时刻，运动压头与滑块为无相对运动的粘附状态，此时滑块随运动压头运动，产生+X方向的位移，t₂到t₃时刻，压头与滑块为相对滑动状态，此时滑块产生-X方向的位移，整个周期中+X位移与-X位移的差值即为滑块的单步步长；

S3切向超声减摩：在切向运动的基础上，额外在运动压头的回程运动阶段引入切向的振动，振动频率远大于切向运动的频率。

优选的，压头与滑块之间的摩擦力和压力满足库伦摩擦定律，t₁到t₂时刻之间，压头与滑块为静摩擦状态，

F_X＝F_摩＜F_预×μ

F_预×μ表示最大静摩擦力，μ为摩擦系数，F_预为预紧力，F_X为切向力，F_摩表示压头与滑块之间的摩擦力；

t₂到t₃时刻之间，切向振动减摩状态下，预紧力F_预保持不变，则压头与滑块之间的最大静摩擦力不变，F_X周期性增大或减小，当F_摩＝F_X≤F_预×μ时，处于静摩擦状态，当F_摩＝F_预×μ＜F_X时，处于滑动摩擦状态。

因此，本发明采用上述结构和步骤的一种利用超声复合振动的压电惯性驱动器及性能调控方法，通过双压头协同驱动、超声振动减摩的方式改变滑块的运动状态，使滑块与压头之间的接触从基本的静摩擦-滑动摩擦，转变为静摩擦-动静交替，从而提高惯性压电致动器的驱动速度。

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为本发明一种利用超声复合振动的压电惯性驱动器实施例1的结构示意图；

图2为本发明实施例的压头与滑块接触示意图；

图3为本发明实施例的驱动电压波形图；

图4为本发明实施例的单个周期内的压头切向运动曲线图；

图5为本发明实施例的原位移曲线、超声减摩后位移曲线、复合振动后位移曲线对比图；

图6为本发明实施例的引入超声振动减摩后的单个周期内的压头切向运动曲线图；

图7为本发明实施例的超声振动减摩期间的摩擦力变化图；

图8为本发明实施例的对两运动压头的驱动电压相位差对比图；

图9为本发明实施例的两压头运动无相位差时的合摩擦力曲线图；

图10为本发明实施例的两压头运动有相位差时的合摩擦力曲线图。

附图标记

1、柔性铰链机构；2、右法向驱动压电陶瓷叠堆；3、右运动压头、4、滑块；5、左运动压头；6、左法向驱动压电陶瓷叠堆。

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。

实施例1

如图1所示，一种利用超声复合振动的压电惯性驱动器，包括柔性铰链机构1、左法向驱动压电陶瓷叠堆6、左运动压头5、右法向驱动压电陶瓷叠堆2、右运动压头3，柔性铰链机构1的左侧和右侧中部分别设置有凹槽，左法向驱动压电陶瓷叠堆6设置于左侧的凹槽内，左运动压头5与左法向驱动压电陶瓷叠堆6固定连接，右法向驱动压电陶瓷叠堆2设置于右侧的凹槽内，右运动压头3与右法向驱动压电陶瓷叠堆2固定连接，左运动压头5和右运动压头3的底端与滑块4相接触。左法向驱动压电陶瓷叠堆6和右法向驱动压电陶瓷叠堆2通电后均产生切向的形变。这种结构的惯性压电致动器从法向对滑块4施力，适用于驱动装置位于上方的情景。

一种利用超声复合振动的压电惯性驱动器的推力调控方法，包括：

如图2所示，对两个运动压头分别建立二维直角坐标系，以压头与滑块4的接触点为0点，以水平方向为X轴，向右为正向，以竖直方向为Z轴，向上为正向；

S1法向预紧，驱动之前，为实现基本的粘滑运动，向柔性铰链机构1施力，由左运动压头5和右运动压头3的底端向滑块4施加-Z方向的预紧力。

S2切向复合运动：向左法向驱动压电陶瓷叠堆6和右法向驱动压电陶瓷叠堆2分别施加周期性的驱动电压，两驱动电压之间存在相位差，相位差应在半周期左右即，(t₃-t₁)/2，视具体情况调整。

驱动电压的波形为折线形，如图3所示，按时间划分斜率，以t₁为起始时间，驱动电压的绝对值在t₁-t₂之间单调递增，t₂-t₃之间单调递减，t₃时归零，满足：

t₂-t₁>t₃-t₂

t₃>t₂>t₁

左压头在左法向驱动压电陶瓷叠堆6的驱动下、右压头在右法向驱动压电陶瓷叠堆2的驱动下具有运动x(t)，表示在X轴方向，t₁到t₂时刻，运动压头与滑块4为无相对运动的粘附状态，此时滑块4随运动压头运动，产生+X方向的位移，t₂到t₃时刻，压头与滑块4为相对滑动状态，此时滑块4产生-X方向的位移，整个周期中+X位移与-X位移的差值即为滑块4的单步步长，单个周期中的切向位移曲线如图4所示。

压头与滑块4之间的摩擦力和压力满足库伦摩擦定律：

t₁到t₂时刻之间，压头与滑块4为静摩擦状态，

F_X＝F_摩＜F、_预×μ

F_预×μ表示最大静摩擦力，μ为摩擦系数，F_预为预紧力，F_X为切向力，F_摩表示压头与滑块4之间的摩擦力。

如图5中的原位移曲线所示，滑块4在压头的每一个运动周期都会与压头产生一个位移差值，此差值即为惯性致动型压电驱动器的单步步长，随着时间的积累，滑块4在宏观上产生一个恒定的运动速度。

S3切向超声减摩：在切向运动的基础上，改变压电陶瓷叠堆的驱动电压，由单一斜率的回程驱动电压变为高频振动电压，额外在运动压头的回程运动阶段引入切向的振动，振动频率远大于切向运动的频率，相应的单个周期的切向位移如图6所示。

t₂到t₃时刻之间，预紧力F_预保持不变，则压头与滑块4之间的最大静摩擦力不变，F_X周期性增大或减小。摩擦力变化如图7所示，t₄-t₅为t₂到t₃之间截取的一段。

t₄时刻之前，F_摩＝F_X≤F_预×μ，处于静摩擦状态；

t₄-t₅时刻之间，F_摩＝F_预×μ＜F_X，处于滑动摩擦状态。

从相对宏观的时间周期分析，在未引入切向振动之前，压头回程阶段一直与滑块4存在相对运动，摩擦力为F_预×μ，即对应的宏观摩擦系数为μ。而引入切向振动后，回程阶段存在一部分时间压头3与滑块4为静摩擦状态，即摩擦力小于F_预×μ，导致宏观摩擦系数小于滑块4与压头3之间的实际摩擦系数μ。最后滑块4的位移如图5中的超声减摩后位移曲线所示，相比未施加切向振动前，在回程阶段滑块4所受摩擦力减少，惯性式压电驱动器的单步步长提高。

同时，由于两个运动压头交替工作，协同实现与滑块4的作用，其驱动电压如图8所示。在两压头运动无相位差时，其合摩擦力如图9所示，而当压电运动存在相位差时其合摩擦力如图10所示，可以看到相比与无相位差，在有相位差的情况下摩擦力最小值提高，而最大值无明显变化，整体摩擦力的分布更加均匀。在复合振动下，滑块4位移如图5中的复合振动后位移曲线所示，可以看到相比单独的超声减摩位移有了进一步的提高，同时滑块4运动过程中的回退现象有了明显改善，整体驱动过程更加平稳。

因此，采用本发明提出的一种利用超声复合振动的压电惯性驱动器及性能调控方法，可以提高惯性粘滑式压电驱动器的驱动速度与运动稳定性，在基本压电粘滑驱动的基础上引入超声减摩的方法后驱动速度得到了提高，进一步使两压电叠堆的驱动电压之间产生相位差，进一步形成超声复合振动，由此压头与滑块4之间的摩擦力分布变得更为合理，保证始终至少有一个压头为滑块4提供驱动力，从而进一步提高了压电粘滑驱动的驱动速度，同时驱动过程中位移回退减小，运动稳定性提高。

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 (3)

1.一种利用超声复合振动的压电惯性驱动器，其特征在于：包括柔性铰链机构、左法向驱动压电陶瓷叠堆、左运动压头、右法向驱动压电陶瓷叠堆、右运动压头，柔性铰链机构的左侧和右侧中部分别设置有凹槽，左法向驱动压电陶瓷叠堆设置于左侧的凹槽内，左运动压头与左法向驱动压电陶瓷叠堆固定连接，右法向驱动压电陶瓷叠堆设置于右侧的凹槽内，右运动压头与右法向驱动压电陶瓷叠堆固定连接，左运动压头和右运动压头的底端与滑块相接触。

2.根据权利要求1所述的一种利用超声复合振动的压电惯性驱动器的推力调控方法，其特征在于，包括：

对两个运动压头分别建立二维直角坐标系，以压头与滑块的接触点为0点，以水平方向为X轴，向右为正向，以竖直方向为Z轴，向上为正向；

S1法向预紧：驱动之前，为实现基本的粘滑运动，向柔性铰链机构施力，由左运动压头和右运动压头的底端向滑块施加-Z方向的预紧力；

S2切向复合运动：向左法向驱动压电陶瓷叠堆和右法向驱动压电陶瓷叠堆分别施加周期性的驱动电压，两驱动电压之间存在相位差，

驱动电压的波形为折线形，按时间划分斜率，以t₁为起始时间，驱动电压的绝对值在t₁-t₂之间单调递增，t₂-t₃之间单调递减，t₃时归零，满足：

t₂-t₁＞t₃-t₂

t₃＞t₂＞t₁

左压头在左法向驱动压电陶瓷叠堆的驱动下、右压头在右法向驱动压电陶瓷叠堆的驱动下具有运动x(t)，表示在X轴方向，t₁到t₂时刻，运动压头与滑块为无相对运动的粘附状态，此时滑块随运动压头运动，产生+X方向的位移，t₂到t₃时刻，压头与滑块为相对滑动状态，此时滑块产生-X方向的位移，整个周期中+X位移与-X位移的差值即为滑块的单步步长；

S3切向超声减摩：在切向运动的基础上，额外在运动压头的回程运动阶段引入切向的振动，振动频率远大于切向运动的频率。

3.根据权利要求2所述的一种利用超声复合振动的压电惯性驱动器的推力调控方法，其特征在于：压头与滑块之间的摩擦力和压力满足库伦摩擦定律，t₁到t₂时刻之间，压头与滑块为静摩擦状态，

F_X＝F_摩<F_预×μ

F_预×μ表示最大静摩擦力，μ为摩擦系数，F_预为预紧力，F_X为切向力，F_摩表示压头与滑块之间的摩擦力；

t₂到t₃时刻之间，切向振动减摩状态下，预紧力F_预保持不变，则压头与滑块之间的最大静摩擦力不变，F_X周期性增大或减小，当F_摩＝F_X≤F_预×μ时，处于静摩擦状态，当F_摩＝F_预×μ<F_X时，处于滑动摩擦状态。