CN117175970B - 一种仿海豹运动的压电步进直线执行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿海豹运动的压电步进直线执行器，属于精密仪器设备技术领域，包括动子、压电陶瓷、柔性机构、驱动足和基座，柔性机构端部固定块，两个端部固定块对称安装于基座的两侧，输出端A和输出端B平行设置，输出端A和输出端B的两端分别与一个板型柔性铰链B的一端连接，每对板型柔性铰链B的另一端分别与一个支撑板的一端连接，两个支撑板另一端分别与一对板型柔性铰链A的一端连接，每对板型柔性铰链A的另一端分别与一个端部固定块连接，驱动足通过紧固螺母安装于输出端上；压电陶瓷用于在控制电压驱动下协同配合使柔性机构发生规律变形，从而带动驱动足产生椭圆形运动轨迹，进而带动动子实现高精度的步进直线位移输出。

Description

一种仿海豹运动的压电步进直线执行器

技术领域

本发明属于精密仪器设备技术领域，尤其涉及一种仿海豹运动的压电步进直线执行器。

背景技术

相对于传统大尺寸驱动装置，如电磁电机、液压/气压传动、内燃机等，压电执行器由于其结构简单、快速响应、高精度和高分辨率等特性，而被广泛应用于精密加工、自动化设备和航空航天等领域。

步进型压电执行器根据结构组成和驱动原理的不同，主要分为尺蠖式压电执行器、海豹式压电执行器和惯性式压电执行器。其中，海豹式压电执行器由一个持续式钳位机构、一个间歇式钳位机构和一个进给机构组成。

现有海豹式压电执行器进给机构与间歇式钳位机构为两个独立单元，此种结构布置将导致执行器正反运动不对称，且单向的间歇式钳位单元会造成导向机构的侧压力增大，产生较大的侧向波动误差，并且导致压电执行器尺寸较大，不利于压电执行器的精密运动。

发明内容

本发明提出了一种仿海豹运动的压电步进直线执行器，用于解决现有的海豹式压电步进执行器尺寸不够紧凑、侧向波动误差大的问题。

一种仿海豹运动的压电步进直线执行器，包括动子、压电陶瓷、柔性机构、驱动足和基座；

柔性机构包括两对板型柔性铰链A、两对板型柔性铰链B、输出端A、输出端B、一对端部固定块和一对支撑板；两个端部固定块对称安装于基座的两侧，输出端A和输出端B平行设置，输出端A和输出端B的两端分别与一个板型柔性铰链B的一端连接，每对板型柔性铰链B的另一端分别与一个支撑板的一端连接，两个支撑板另一端分别与一对板型柔性铰链A的一端连接，每对板型柔性铰链A的另一端分别与一个端部固定块连接，每对板型柔性铰链A围合成一个安装槽；

基座上设有两个凸块；

两个凸块上的轴孔、两个支撑板上的轴孔和两个端部固定块上的轴孔设置于同一条直线上，动子滑动连接在两个凸块上的轴孔、两个支撑板上的轴孔和两个端部固定块的轴孔内；

驱动足包括驱动足A和驱动足B，驱动足A和驱动足B分别通过紧固螺母A和紧固螺母B安装于输出端B和输出端A上；

压电陶瓷包括压电陶瓷A和压电陶瓷B，压电陶瓷A和压电陶瓷B分别设置于安装槽内，压电陶瓷A和压电陶瓷B两端分别与支撑板和端部固定块接触，压电陶瓷A和压电陶瓷B用于在控制电压驱动下协同配合使柔性机构发生规律变形，从而带动驱动足A和驱动足B产生椭圆形运动轨迹，进而带动动子实现高精度的步进直线位移输出。

优选的，两个端部固定块的轴孔内分别螺纹连接有调节螺管A和调节螺管B，动子滑动连接在调节螺管A和调节螺管B内，调节螺管A用于调节压电陶瓷A的预紧力；调节螺管B用于调节压电陶瓷B的预紧力。

优选的，压电陶瓷A与安装槽之间设有调节垫片A，压电陶瓷B与安装槽之间设有调节垫片B。

优选的，预紧螺栓A安装于基座上其中一个凸块的顶面螺纹孔内，预紧螺栓B安装于基座上另一凸块的顶面螺纹孔内，预紧螺栓A和预紧螺栓B分别与动子的两侧产生摩擦接触，预紧螺栓A和预紧螺栓B能调节动子在轴孔内滑动的摩擦预紧力。

优选的，整个柔性机构由一块材料整体加工而成。

优选的，压电陶瓷A和压电陶瓷B的驱动信号为正弦波电压信号，且两路正弦波电压信号之间的相位差为π/2。

本发明的有益效果：

本发明所述的一种仿海豹运动的压电步进直线执行器，通过两个同线布置的压电陶瓷的时序应变，推动所设计的连接有两个驱动足的柔性机构规律形变，能够实现两侧双驱动足的同步驱动，两侧驱动足在柔性机构的规律形变中实现钳位、进给、解钳和复位的工作过程的循环，从而驱动动子实现高精度的步进直线运动。两侧双驱动足的同步驱动有利于减小侧向波动误差，提高执行器的运动精度。执行器尺寸集中于单轴，体积更加集成紧凑，有利于在空间较小的环境中工作。本申请在航空航天、光学仪器、集成电器、半导体制造等高尖端科学技术领域具有良好的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为本发明的俯视图；

图3为柔性机构的立体结构示意图；

图4为柔性机构的俯视图；

图5为本发明的控制电压信号波动图；

图6为本发明的在控制电压驱动下的驱动原理图；

图7为图6中I处局部放大示意图；

图8为两驱动足实际运动轨迹图。

其中，图中各附图标记：

1－动子；2－调节螺管A；3－调节垫片A；4－压电陶瓷A；5－端部固定块；6－预紧螺栓A；7－驱动足A；8－紧固螺母A；9－预紧螺栓B；10－基座；11－压电陶瓷B；12－调节垫片B；13－调节螺管B；14－紧固螺母B；15－驱动足B；16－板型柔性铰链A；17－板型柔性铰链B；18－输出端A；19－输出端B；20－支撑板。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护。

请参阅图1-4，一种仿海豹运动的压电步进直线执行器，包括动子1、压电陶瓷、柔性机构、驱动足和基座10；

柔性机构包括两对板型柔性铰链A16、两对板型柔性铰链B17、输出端A18、输出端B19、一对端部固定块5和一对支撑板20；两个端部固定块5对称安装于基座10的两侧，输出端A18和输出端B19平行设置，输出端A18和输出端B19的两端分别与一个板型柔性铰链B17的一端连接，每对板型柔性铰链B17的另一端分别与一个支撑板20的一端连接，两个支撑板20另一端分别与一对板型柔性铰链A16的一端连接，每对板型柔性铰链A16的另一端分别与一个端部固定块5连接，每对板型柔性铰链A16围合成一个安装槽；

基座10上设有两个凸块；

两个凸块上的轴孔、两个支撑板20上的轴孔和两个端部固定块5上的轴孔设置于同一条直线上，动子1滑动连接在两个凸块上的轴孔、两个支撑板20上的轴孔和两个端部固定块5的轴孔内；

驱动足包括驱动足A7和驱动足B15，驱动足A7和驱动足B15分别通过紧固螺母A8和紧固螺母B14安装于输出端B19和输出端A18上；

压电陶瓷包括压电陶瓷A4和压电陶瓷B11，压电陶瓷A4和压电陶瓷B11分别设置于安装槽内，压电陶瓷A4和压电陶瓷B11两端分别与支撑板20和端部固定块5接触，压电陶瓷A4和压电陶瓷B11用于在控制电压驱动下协同配合使柔性机构发生规律变形，从而带动驱动足A7和驱动足B15产生椭圆形运动轨迹，进而带动动子1实现高精度的步进直线位移输出，板型柔性铰链A16用于约束压电陶瓷直线变形；压电陶瓷A4和压电陶瓷B11共同参与、控制柔性机构的规律变形运动，带动驱动足A7和驱动足B15实现椭圆形运动，实现钳位、进给、解钳和复位的工作过程循环，即本申请的压电步进执行器的钳位和进给不是由两个独立的单元控制，而是由同一个单元（即压电陶瓷A4和压电陶瓷B11）控制，从而驱动动子1实现高精度的步进直线运动。而且，两侧双驱动足的同步驱动有利于减小侧向波动误差，提高执行器的运动精度，同时执行器的尺寸集中于单轴，体积更加集成紧凑。

请参阅图1-4，优选地，两个端部固定块5的轴孔内分别螺纹连接有调节螺管A2和调节螺管B13，动子1滑动连接在调节螺管A2和调节螺管B13内，调节螺管A2用于调节压电陶瓷A4的预紧力；调节螺管B13用于调节压电陶瓷B11的预紧力。

请参阅图1-4，优选地，压电陶瓷A4与安装槽之间设有调节垫片A3，压电陶瓷B11与安装槽之间设有调节垫片B12，这样，压电陶瓷A4和调节垫片A3安装于柔性机构一侧的安装槽内，并通过调节螺管A2调节预紧力；压电陶瓷B11和调节垫片B12安装于柔性机构另一侧的安装槽内，并通过调节螺管B13调节预紧力。

请参阅图1-4，优选地，动子1的外侧连接有预紧螺栓A6和预紧螺栓B9，预紧螺栓A6和预紧螺栓B9均与动子1摩擦接触，具体地，预紧螺栓A6安装于基座10上其中一个凸块的顶面螺纹孔内，预紧螺栓B9安装于基座10上另一凸块的顶面螺纹孔内，预紧螺栓A6和预紧螺栓B9分别与动子1的两侧产生摩擦接触，并可以通过预紧螺栓A6和预紧螺栓B9调节动子1在轴孔内滑动的摩擦预紧力。

请参阅图1-4，优选地，为保证形位精度，整个柔性机构由一块材料整体加工而成。

请参阅图5，优选地，压电陶瓷A4和压电陶瓷B11的驱动信号为正弦波电压信号，且两路正弦波电压信号之间的相位差为π/2。

下面对本申请提供的基于同步双足驱动的压电步进执行器的具体驱动过程进行说明：

请参照图5，压电陶瓷A4和压电陶瓷B11的驱动信号为正弦波电压信号，且两路正弦波电压信号之间的相位差为π/2，两个压电陶瓷在正弦波电压信号的驱动下，通过控制两侧驱动足同步产生相同的椭圆形运动轨迹，有序协同完成步进运动。此处以正弦波电压信号为例，三角波电压信号同样适用。

如图5-7所示，本发明的具体工作过程如下：

在运动周期0（T）时，压电陶瓷A4电压为U/2，压电陶瓷B11电压为0。在逆压电效应作用下，压电陶瓷A4的输出位移为L/2，压电陶瓷B11的输出位移为0。如图6（a）所示，压电陶瓷A4在板型柔性铰链A16的约束下，向右端运动，在压电陶瓷A4的推动下，柔性机构发生规律变形，驱动足A7和驱动足B15分别运动至椭圆形运动轨迹的a点和a’点。

2. 在运动周期T/4时，压电陶瓷A4电压为U，压电陶瓷B11电压为U/2。在逆压电效应作用下，压电陶瓷A4的输出位移为L，压电陶瓷B11的输出位移为L/2。如图6（b）所示，压电陶瓷A4和压电陶瓷B11在两对板型柔性铰链A16的约束下，分别向中心运动，在两个压电陶瓷的推动下，柔性机构发生规律变形，驱动足A7和驱动足B15分别运动至椭圆形运动规矩的b点和b’点，完成钳位动作。

3. 在运动周期T/2时，压电陶瓷A4电压为U/2，压电陶瓷B11电压为U。在逆压电效应作用下，压电陶瓷A4的输出位移为L/2，压电陶瓷B11的输出位移为L。如图6（c）所示，在柔性机构的变形下，驱动足A7和驱动足B15分别运动至椭圆形运动轨迹的c点和c’点，完成进给动作。

4. 在运动周期3T/4时，压电陶瓷A4电压为0，压电陶瓷B11电压为U/2。在逆压电效应作用下，压电陶瓷A4的输出位移为0，压电陶瓷B11的输出位移为L/2。如图6（d）所示，在柔性机构变形下，驱动足A7和驱动足B15分别运动至椭圆形运动轨迹的d点和d’点，完成解钳运动。

5. 在运动周期T时，压电陶瓷A4电压为U/2，压电陶瓷B11电压为0。在逆压电效应作用下，压电陶瓷A4的输出位移为L/2，压电陶瓷B11的输出位移为0，如图6（a）所示，在柔性机构的变形下，驱动足A7和驱动足B15分别运动至椭圆形运动轨迹的a点和a’点，完成复位动作。

执行器经过一个周期的动作，驱动足A7和驱动足B15能够同步完成顺时针和逆时针的椭圆形运动轨迹。当驱动足A7和驱动足B15分别与动子1接触时，便可分别同步实现钳位－进给－解钳－复位的驱动过程，从而推动动子1向左侧完成一个步长的直线运动。不断循环重复该过程，动子1便可实现大行程的步进直线运动。

事实上，由于动子1的影响，两驱动足运动轨迹并不是完整的椭圆形，而是由两对椭圆弧组成的图形，如图8所示。

此外，当将压电陶瓷A4和压电陶瓷B11的正弦波电压信号进行交换后，压电执行器便可实现反向的大行程位移输出。

以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种仿海豹运动的压电步进直线执行器，其特征在于：包括动子（1）、压电陶瓷、柔性机构、驱动足和基座（10）；

柔性机构包括两对板型柔性铰链A（16）、两对板型柔性铰链B（17）、输出端A（18）、输出端B（19）、一对端部固定块（5）和一对支撑板（20）；两个端部固定块（5）对称安装于基座（10）的两侧，输出端A（18）和输出端B（19）平行设置，输出端A（18）和输出端B（19）的两端分别与一个板型柔性铰链B（17）的一端连接，每对板型柔性铰链B（17）的另一端分别与一个支撑板（20）的一端连接，两个支撑板（20）另一端分别与一对板型柔性铰链A（16）的一端连接，每对板型柔性铰链A（16）的另一端分别与一个端部固定块（5）连接，每对板型柔性铰链A（16）围合成一个安装槽；

基座（10）上设有两个凸块；

两个凸块上的轴孔、两个支撑板（20）上的轴孔和两个端部固定块（5）上的轴孔设置于同一条直线上，动子（1）滑动连接在两个凸块上的轴孔、两个支撑板（20）上的轴孔和两个端部固定块（5）的轴孔内；

驱动足包括驱动足A（7）和驱动足B（15），驱动足A（7）和驱动足B（15）分别通过紧固螺母A（8）和紧固螺母B（14）安装于输出端B（19）和输出端A（18）上；

压电陶瓷包括压电陶瓷A（4）和压电陶瓷B（11），压电陶瓷A（4）和压电陶瓷B（11）分别设置于安装槽内，压电陶瓷A（4）和压电陶瓷B（11）两端分别与支撑板（20）和端部固定块（5）接触，压电陶瓷A（4）和压电陶瓷B（11）用于在控制电压驱动下协同配合使柔性机构发生规律变形，从而带动驱动足A（7）和驱动足B（15）产生椭圆形运动轨迹，进而带动动子（1）实现高精度的步进直线位移输出。

2.根据权利要求1所述的一种仿海豹运动的压电步进直线执行器，其特征在于：两个端部固定块（5）的轴孔内分别螺纹连接有调节螺管A（2）和调节螺管B（13），动子（1）滑动连接在调节螺管A（2）和调节螺管B（13）内，调节螺管A（2）用于调节压电陶瓷A（4）的预紧力；调节螺管B（13）用于调节压电陶瓷B（11）的预紧力。

3.根据权利要求2所述的一种仿海豹运动的压电步进直线执行器，其特征在于：压电陶瓷A（4）与安装槽之间设有调节垫片A（3），压电陶瓷B（11）与安装槽之间设有调节垫片B（12）。

4.根据权利要求3所述的一种仿海豹运动的压电步进直线执行器，其特征在于：预紧螺栓A（6）安装于基座（10）上其中一个凸块的顶面螺纹孔内，预紧螺栓B（9）安装于基座（10）上另一凸块的顶面螺纹孔内，预紧螺栓A（6）和预紧螺栓B（9）分别与动子（1）的两侧产生摩擦接触，预紧螺栓A（6）和预紧螺栓B（9）能调节动子（1）在轴孔内滑动的摩擦预紧力。

5.根据权利要求4所述的一种仿海豹运动的压电步进直线执行器，其特征在于：整个柔性机构由一块材料整体加工而成。

6.根据权利要求5所述的一种仿海豹运动的压电步进直线执行器，其特征在于：压电陶瓷A（4）和压电陶瓷B（11）的驱动信号为正弦波电压信号，且两路正弦波电压信号之间的相位差为π/2。