CN205754055U - 具有菱形铰链拨片式运动转换器的压电粘滑直线驱动装置 - Google Patents
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Abstract
一种具有菱形铰链拨片式运动转换器的压电粘滑直线驱动装置，以解决当前压电粘滑直线驱动装置由于摩擦力综合调控困难所导致的输出机械性能受限等问题。本实用新型由固定支座、预加载机构、拨片式定子、动子组件和上滑台组成。所述拨片式定子的拨片式运动转换机构利用轴向刚度分布不均匀既可以产生侧向位移，又可以增大拨片式定子与动子组件间的摩擦驱动力，减小其接触面间的摩擦阻力，实现对摩擦力的综合调控，提升压电粘滑直线驱动装置的机械输出特性。本实用新型具有结构简单紧凑、控制简单、定位精度高以及行程大等特点，可广泛应用于微操作机器人、半导体加工等微纳精密驱动与定位技术领域。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种具有菱形铰链拨片式运动转换器的压电粘滑直线驱动装置，属于微纳精密驱动与定位技术领域。
背景技术
压电粘滑直线驱动装置是一种基于压电元件的逆压电效应，在非对称电信号作用下激发振子（或称定子）产生微幅振动，通过振子与动子间的摩擦耦合实现机械能输出的精密微纳驱动机构。压电粘滑直线驱动装置因具有结构简单紧凑、控制方便、行程大以及定位精度高等特点，被广泛应用于微操作机器人、半导体加工等微纳精密驱动与定位技术领域。
压电粘滑直线驱动装置主要是将锯齿激励电信号施加于压电元件，激发振子产生快慢交替的运动变形，控制振子与动子在“粘”和“滑”两种运动状态之间相互转换，利用振子与动子间的摩擦力驱动动子实现机械运动输出。然而，由于压电粘滑驱动在缓慢与快速变形驱动阶段，振子与动子间摩擦力分别发挥着不同作用。具体为缓慢变形驱动阶段时表现为摩擦驱动力，快速变形驱动阶段时表现为摩擦阻力。已有公开技术表明，当前的压电粘滑直线驱动装置无法实现对整个驱动过程的摩擦力进行综合调控，导致其输出机械性能受限，限制压电粘滑直线驱动装置的应用与发展。
发明内容
为解决已有压电粘滑直线驱动装置由于振子与动子间摩擦综合调控困难，所导致的机械输出特性受限，产生类锯齿状不平稳运动输出，劣化输出性能等技术问题，本实用新型公开一种具有菱形铰链拨片式运动转换器的压电粘滑直线驱动装置。
本实用新型所采用的技术方案是：
所述一种具有菱形铰链拨片式运动转换器的压电粘滑直线驱动装置由固定支座、预加载机构、拨片式定子、动子组件和上滑台组成。
所述固定支座由支座沉头孔、燕尾滑槽、加载机构螺孔、动子安装孔、限位台、动子安装台面和支座缓冲台组成。所述固定支座设置有支座沉头孔，通过支座沉头孔与外围装置固定；所述固定支座设置有燕尾滑槽，通过燕尾滑槽使拨片式定子定向移动；所述固定支座设置有加载机构螺孔，通过加载机构螺孔将预加载机构固定在固定支座上；所述固定支座设置有动子安装孔、限位台和动子安装台面，通过动子安装孔和限位台将动子组件固定在固定支座的动子安装台面上。
所述预加载机构由手动螺杆、加载机构固定架和加载机构螺纹孔组成。所述加载机构固定架通过加载机构螺纹孔安装在固定支座上；所述手动螺杆与加载机构固定架采用螺纹连接，紧固定拨片式定子。
所述拨片式定子由拨片式运动转换机构、叠堆型压电陶瓷、调整垫片和预紧螺钉组成。所述拨片式运动转换机构采用一种基于拨片式运动转换的菱形放大机构；所述拨片式运动转换机构设置有燕尾凸台，通过燕尾凸台可使拨片式定子沿燕尾滑槽定向移动；所述拨片式运动转换机构设置有端部直圆形柔性铰链和中部直圆形柔性铰链，可改变拨片式运动转换机构的轴向刚度分布。所述拨片式运动转换机构设置有拨片式菱形铰链，可改变拨片式运动转换机构的偏转刚度。所述拨片式运动转换机构设置有J形运动足，J形运动足可将叠堆型压电陶瓷振动产生的轴向位移化为侧向位移输出。所述拨片式运动转换机构设置有预紧螺钉安装孔，预紧螺钉安装孔与预紧螺钉采用螺纹连接，所述叠堆型压电陶瓷的后端面与预紧螺钉之间设置有调整垫片，叠堆型压电陶瓷的前端面与拨片式运动转换机构之间设置有调整垫片，目的是为了保护叠堆型压电陶瓷，防止其产生切应变或局部受力不均，通过调整预紧螺钉的旋进量，可实现对叠堆型压电陶瓷的轴向预紧。
所述动子组件为双列交叉滚柱导轨，包括固定滑轨、移动滑轨、滚柱保持架组件和端部限位螺钉。所述固定滑轨通过动子安装孔安装在固定支座的动子安装台面上；所述移动滑轨端面涂有陶瓷类或玻璃纤维类摩擦材料；所述滚柱保持架组件用于连接固定滑轨和移动滑轨；所述端部限位螺钉，用于避免移动滑轨运动过程中脱离固定滑轨。
所述上滑台由滑台螺纹孔、滑台沉头孔和滑台支撑块组成；所述上滑台设置有4n个滑台螺纹孔，用于与外围结构连接；所述上滑台设置有滑台沉头孔，上滑台通过滑台沉头孔与动子组件固定；所述上滑台设置有滑台支撑块，通过滑台支撑块使所述上滑台与动子组件间接接触，同时减小其相互的接触面积，实现上滑台平稳运动输出。
本实用新型的有益效果是：
本实用新型采用具有摩擦力综合调控功能的拨片式定子结构，可增大缓慢变形驱动阶段拨片式定子与动子组件间的摩擦驱动力，降低快速变形驱动阶段拨片式定子与动子组件间的摩擦阻力，实现对压电粘滑直线驱动装置整个驱动过程的摩擦力进行综合调控，可显著提升其机械输出特性，开环条件下定位精度可达纳米级。与当前已有技术相比，具有结构简单紧凑、控制方便以及易于装配等特点，同时其输出力提升10%以上，输出速度提升50%以上，输出效率提升60%以上。
附图说明
图1所示为本实用新型提出的一种具有菱形铰链拨片式运动转换器的压电粘滑直线驱动装置的结构示意图；
图2所示为本实用新型提出的一种具有菱形铰链拨片式运动转换器的压电粘滑直线驱动装置的固定支座结构示意图；
图3所示为本实用新型提出的一种具有菱形铰链拨片式运动转换器的压电粘滑直线驱动装置的预加载机构结构示意图；
图4所示为本实用新型提出的一种具有菱形铰链拨片式运动转换器的压电粘滑直线驱动装置的拨片式定子结构示意图；
图5所示为本实用新型提出的一种具有菱形铰链拨片式运动转换器的压电粘滑直线驱动装置的拨片式运动转换机构结构示意图；
图6所示为本实用新型提出的一种具有菱形铰链拨片式运动转换器的压电粘滑直线驱动装置的动子组件结构示意图；
图7所示为本实用新型提出的一种具有菱形铰链拨片式运动转换器的压电粘滑直线驱动装置的上滑台俯视结构示意图；
图8所示为本实用新型提出的一种具有菱形铰链拨片式运动转换器的压电粘滑直线驱动装置的上滑台仰视结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1~图8说明本实施方式。本实施方式提供一种具有菱形铰链拨片式运动转换器的压电粘滑直线驱动装置的具体实施方案。所述一种具有菱形铰链拨片式运动转换器的压电粘滑直线驱动装置由固定支座1、预加载机构2、拨片式定子3、动子组件4和上滑台5组成。
所述固定支座1由支座沉头孔1-1、燕尾滑槽1-2、加载机构螺孔1-3、动子安装孔1-4、限位台1-5、动子安装台面1-6和支座缓冲台1-7组成。所述固定支座1设置有支座沉头孔1-1，通过支座沉头孔1-1与外围装置固定；所述固定支座1设置有燕尾滑槽1-2，通过燕尾滑槽1-2使拨片式定子3定向移动；所述固定支座1设置有加载机构螺孔1-3，通过加载机构螺孔1-3将预加载机构2固定在固定支座1上；所述固定支座1设置有动子安装孔1-4、限位台1-5和动子安装台面1-6，通过动子安装孔1-4和限位台1-5将动子组件4固定在固定支座1的动子安装台面1-6上。
所述预加载机构2由手动螺杆2-1、加载机构固定架2-2和加载机构螺纹孔2-3组成。所述加载机构固定架2-2通过加载机构螺纹孔2-3安装在固定支座1上；所述手动螺杆2-1与加载机构固定架2-2采用螺纹连接预紧固定拨片式定子3。
所述拨片式定子3由拨片式运动转换机构3-1、叠堆型压电陶瓷3-2、调整垫片3-3和预紧螺钉3-4组成。所述拨片式运动转换机构3-1采用一种基于拨片式运动转换的菱形放大机构；所述拨片式运动转换机构3-1设置有燕尾凸台3-1-1，通过燕尾凸台3-1-1可使拨片式定子3沿燕尾滑槽1-2定向移动；所述拨片式运动转换机构3-1设置有端部直圆形柔性铰链3-1-2和中部直圆形柔性铰链3-1-5，端部直圆形柔性铰链3-1-2具有的圆角半径为R1，中部直圆形柔性铰链3-1-5具有的圆角半径R2，端部直圆形柔性铰链3-1-2与中部直圆形柔性铰链3-1-5圆角半径的比值K=R1/R2，其圆角半径的比值K的取值为0.2~0.6，通过调节圆角半径的比值K，可改变拨片式运动转换机构3-1的轴向刚度分布，本实施方式端部直圆形柔性铰链3-1-2与中部直圆形柔性铰链3-1-5具有的圆角半径的比值为0.5。所述拨片式运动转换机构3-1设置有拨片式菱形铰链3-1-3，拨片式菱形铰链3-1-3的壁厚为b，R1与b的比值R1/b取值为0.2~0.8，调整壁厚值b与圆角半径R1的比值，可改变拨片式运动转换机构3-1的偏转刚度，本实施方式中选取的壁厚比值R1/b为0.3。所述拨片式运动转换机构3-1设置有J形运动足3-1-4，J形运动足3-1-4可将叠堆型压电陶瓷3-2产生的轴向位移转化为侧向位移输出，J形运动足3-1-4的内弧圆角半径为R3，外弧圆角半径R4，其中内、外弧圆角半径的比值E=R3/R4取值为0.2~0.5，通过调节E值，可以改变拨片式定子3的轴向刚度，实现摩擦力的综合调控，本实施方式中选取的圆弧半径的比值E=0.3。所述J形运动足3-1-4底端壁厚为a，所述拨片式菱形铰链3-1-3的铰链端部设置的平面的宽度为Z，通过调节二者的比值M=a/Z，可以改变J形运动足3-1-4的刚度，其比值M的取值为0.3~0.6，本实施方式中选取的比值M=0.4。所述J形运动足3-1-4端面摩擦陶瓷材料，用于驱动动子组件4运动；所述拨片式运动转换机构3-1设置有预紧螺钉安装孔3-1-6，预紧螺钉安装孔3-1-6与预紧螺钉3-4采用螺纹连接，所述叠堆型压电陶瓷3-2采用PI或NEC公司的产品，所述叠堆型压电陶瓷3-2的后端面与预紧螺钉3-4之间设置有调整垫片3-3，叠堆型压电陶瓷3-2的前端面与拨片式运动转换机构3-1之间设置有调整垫片3-3，目的是为了保护叠堆型压电陶瓷3-2，防止其产生切应变或局部受力不均，通过调整预紧螺钉3-4的旋进量，可实现对叠堆型压电陶瓷3-2的轴向预紧。
所述动子组件4为双列交叉滚柱导轨，包括固定滑轨4-1、移动滑轨4-2、滚柱保持架组件4-3和端部限位螺钉4-4，其中固定滑轨4-1和移动滑轨4-2采用高碳钢材料。所述固定滑轨4-1通过动子安装孔1-4安装在固定支座1的动子安装台面1-6上；所述移动滑轨4-2端面涂有陶瓷类或玻璃纤维类摩擦材料；所述滚柱保持架组件4-3用于连接固定滑轨4-1和移动滑轨4-2；所述端部限位螺钉4-4，用于避免移动滑轨4-2运动过程中脱离固定滑轨4-1。
所述上滑台5由滑台螺纹孔5-1、滑台沉头孔5-2和滑台支撑块5-3组成；所述上滑台5设置有4n个滑台螺纹孔5-1，其中n为大于等于1的整数，用于与外围结构连接；所述上滑台5设置有滑台沉头孔5-2，上滑台5通过滑台沉头孔5-2与动子组件4固定；所述上滑台5设置有滑台支撑块5-3，通过滑台支撑块5-3使所述上滑台5与动子组件4间接接触，同时减小其相互的接触面积，实现上滑台5的平稳运动输出。
工作原理：一种具有非对称菱形放大转换功能的压电粘滑直线驱动装置可综合调控拨片式定子与动子组件间的摩擦力，进而提升压电粘滑直线驱动装置的机械输出特性。在拨片式定子的缓慢变形驱动阶段，动子组件在静摩擦力作用下随着拨片式定子发生缓慢的“粘”运动，此时静摩擦力提供驱动力，增大拨片式定子与动子组件间摩擦力可提升驱动装置的输出性能。在拨片式定子的快速变形驱动阶段，拨片式定子与动子组件间产生的滑动摩擦力为摩擦阻力，降低拨片式定子与动子组件滑动摩擦阻力，可改善压电粘滑直线驱动装置的综合输出特性。本实用新型的拨片式定子由于采用拨片式运动转换机构，使得拨片式定子沿轴向刚度分布不均匀，激发拨片式定子的J形运动足产生侧向位移，调整拨片式定子与动子组件间接触的正压力，即在拨片式定子的缓慢变形驱动阶段，可以增大拨片式定子与动子组件间接触的正压力，进而增大拨片式定子与动子组件间的摩擦驱动力；在拨片式定子的快速变形驱动阶段，减小拨片式定子与动子组件间接触的正压力，进而减小拨片式定子与动子组件间的摩擦阻力，实现对缓慢变形驱动阶段的摩擦驱动力与快速变形驱动阶段的摩擦阻力进行综合调控，提升压电粘滑直线驱动装置的输出性能。
综合以上所述内容，本实用新型提供一种具有菱形铰链拨片式运动转换器的压电粘滑直线驱动装置，以解决当前压电粘滑直线驱动装置由于摩擦力综合调控困难所导致的输出机械性能受限等问题。所提出的一种具有菱形铰链拨片式运动转换器的压电粘滑直线驱动装置具有结构简单紧凑、定位精度高及行程大等特点，在微操作机器人、半导体加工等微纳精密驱动与定位技术领域能够得到广泛应用。
Claims (9)
1.一种具有菱形铰链拨片式运动转换器的压电粘滑直线驱动装置，其特征在于该一种具有菱形铰链拨片式运动转换器的压电粘滑直线驱动装置由固定支座（1）、预加载机构（2）、拨片式定子（3）、动子组件（4）和上滑台（5）组成；所述预加载机构（2）、拨片式定子（3）和动子组件（4）均固定在固定支座（1）上；所述上滑台（5）固定在动子组件（4）上。
2.根据权利要求1所述的一种具有菱形铰链拨片式运动转换器的压电粘滑直线驱动装置，其特征在于所述固定支座（1）由支座沉头孔（1-1）、燕尾滑槽（1-2）、加载机构螺孔（1-3）、动子安装孔（1-4）、限位台（1-5）、动子安装台面（1-6）和支座缓冲台（1-7）组成；所述固定支座（1）设置有支座沉头孔（1-1），通过支座沉头孔（1-1）与外围装置固定；所述固定支座（1）设置有燕尾滑槽（1-2），通过燕尾滑槽（1-2）使拨片式定子（3）定向移动；所述固定支座（1）设置有加载机构螺孔（1-3），通过加载机构螺孔（1-3）将预加载机构（2）固定在固定支座（1）上；所述固定支座（1）设置有动子安装孔（1-4）、限位台（1-5）和动子安装台面（1-6），通过动子安装孔（1-4）和限位台（1-5）将动子组件（4）固定在固定支座（1）的动子安装台面（1-6）上。
3.根据权利要求1所述的一种具有菱形铰链拨片式运动转换器的压电粘滑直线驱动装置，其特征在于所述预加载机构（2）由手动螺杆（2-1）、加载机构固定架（2-2）和加载机构螺纹孔（2-3）组成；所述加载机构固定架（2-2）通过加载机构螺纹孔（2-3）安装在固定支座（1）上；所述手动螺杆（2-1）与加载机构固定架（2-2）采用螺纹连接预紧固定拨片式定子（3）。
4.根据权利要求1所述的一种具有菱形铰链拨片式运动转换器的压电粘滑直线驱动装置，其特征在于所述拨片式定子（3）由拨片式运动转换机构（3-1）、叠堆型压电陶瓷（3-2）、调整垫片（3-3）和预紧螺钉（3-4）组成；所述拨片式运动转换机构（3-1）采用一种基于拨片式运动转换的菱形放大机构；所述拨片式运动转换机构（3-1）设置有燕尾凸台（3-1-1），通过燕尾凸台（3-1-1）可使拨片式定子（3）沿燕尾滑槽（1-2）定向移动；所述拨片式运动转换机构（3-1）设置有端部直圆形柔性铰链（3-1-2）和中部直圆形柔性铰链（3-1-5）；所述拨片式运动转换机构（3-1）设置有拨片式菱形铰链（3-1-3）和J形运动足（3-1-4）；所述拨片式运动转换机构（3-1）设置有预紧螺钉安装孔（3-1-6），预紧螺钉安装孔（3-1-6）与预紧螺钉（3-4）采用螺纹连接；所述叠堆型压电陶瓷（3-2）的后端面与预紧螺钉（3-4）之间设置有调整垫片（3-3），叠堆型压电陶瓷（3-2）的前端面与拨片式运动转换机构（3-1）之间设置有调整垫片（3-3）。
5.根据权利要求4所述的一种具有菱形铰链拨片式运动转换器的压电粘滑直线驱动装置，其特征在于所述拨片式定子（3）的拨片式运动转换机构（3-1）设置有端部直圆形柔性铰链（3-1-2）和中部直圆形柔性铰链（3-1-5），端部直圆形柔性铰链（3-1-2）具有的圆角半径为R1，中部直圆形柔性铰链（3-1-5）具有的圆角半径R2，端部直圆形柔性铰链（3-1-2）与中部直圆形柔性铰链（3-1-5）具有的圆角半径的比值K=R1/R2，其圆角半径的比值K的取值范围为0.2~0.6。
6.根据权利要求4所述的一种具有菱形铰链拨片式运动转换器的压电粘滑直线驱动装置，其特征在于所述拨片式定子（3）的拨片式运动转换机构（3-1）设置有拨片式菱形铰链（3-1-3），拨片式菱形铰链（3-1-3）的壁厚为b，拨片式菱形铰链（3-1-3）的壁厚b与端部直圆形柔性铰链（3-1-2）的圆角半径R1的比值R1/b取值范围为0.2~0.45。
7.根据权利要求4所述的一种具有菱形铰链拨片式运动转换器的压电粘滑直线驱动装置，其特征在于所述拨片式定子（3）的J形运动足（3-1-4）的内弧圆角半径为R3，外弧圆角半径R4，其中内、外弧圆角半径的比值E=R3/R4取值为0.2~0.5。
8.根据权利要求1所述的一种具有菱形铰链拨片式运动转换器的压电粘滑直线驱动装置，其特征在于所述动子组件（4）为双列交叉滚柱导轨，包括固定滑轨（4-1）、移动滑轨（4-2）、滚柱保持架组件（4-3）和端部限位螺钉（4-4）。
9.根据权利要求1所述的一种具有菱形铰链拨片式运动转换器的压电粘滑直线驱动装置，其特征在于所述上滑台（5）由滑台螺纹孔（5-1）、滑台沉头孔（5-2）和滑台支撑块（5-3）组成；所述上滑台（5）设置有4n个滑台螺纹孔（5-1），其中n为大于等于1的整数；所述上滑台（5）设置有滑台沉头孔（5-2），通过滑台沉头孔（5-2）与动子组件（4）固定；所述上滑台（5）设置有滑台支撑块（5-3），通过滑台支撑块（5-3）使所述上滑台（5）与动子组件（4）间接接触。
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20161130 Termination date: 20170614 |