CN205883083U - 一种采用斜梯形运动转换的精密压电粘滑直线式驱动装置 - Google Patents

Abstract

一种采用斜梯形运动转换的精密压电粘滑直线式驱动装置，以解决当前压电粘滑直线式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。本实用新型由定子组件、底座、预压力调整机构、动子和平移台组成，所述定子组件利用对称的柔性铰链结构来产生位移放大，利用斜梯形驱动足轴向刚度分布不均来产生侧向位移，增大摩擦驱动力，减小摩擦阻力；实现对摩擦力的综合调控，显著提升压电粘滑直线式驱动装置机械输出特性。本实用新型具有结构简单紧凑、精度高、行程大等特点，在高精密驱动与加工、大规模集成电路和微操作机器人等领域中具有很好的应用前景。

Description

一种采用斜梯形运动转换的精密压电粘滑直线式驱动装置

技术领域

本实用新型涉及一种采用斜梯形运动转换的精密压电粘滑直线式驱动装置，属于微纳精密驱动与定位技术领域。

背景技术

压电粘滑直线式驱动装置是一种利用压电元件的逆压电效应，在非对称电信号激励下激发振子（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装置。按照驱动工作原理的不同，压电粘滑直线式驱动装置主要分为共振型压电粘滑直线式驱动装置与非共振型压电粘滑直线式驱动装置两大类。与共振型压电粘滑直线式驱动装置相比，非共振型压电粘滑直线式驱动装置具有结构简单紧凑、定位精度高和控制方便等优点，被广泛应用于精密驱动与定位技术领域。

压电粘滑直线式驱动装置主要是将锯齿激励电信号施加于压电元件，激发定子产生快慢交替的运动变形，控制定子与动子在“粘”和“滑”两种运动状态之间相互转换，利用摩擦力驱动动子实现机械运动输出。然而，由于压电粘滑驱动缓慢与快速变形阶段，定子与动子间摩擦力起到不同作用，具体为缓慢变形驱动阶段时表现为摩擦驱动力，而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压压电粘滑直线式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，限制了压电粘滑直线式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式驱动装置由于定子与动子间摩擦力综合调控困难，所导致的输出机械性能受限，产生类锯齿状不平稳运动输出，劣化输出性能等技术问题，本实用新型公开了一种采用斜梯形运动转换的精密压电粘滑直线式驱动装置。

本实用新型所采用的技术方案是：

所述的一种采用斜梯形运动转换的精密压电粘滑直线式驱动装置由定子组件、底座、预压力调整机构、动子和平移台组成。

所述定子组件包括垫片、框形结构铰链、预紧螺栓和压电叠堆。通过调节预紧螺栓和垫片将压电叠堆固定在框形结构铰链内。所述框形结构铰链由直圆型柔性铰链Ⅰ、预紧螺栓安装孔、燕尾凸台、直圆型柔性铰链Ⅱ、斜梯形定子驱动足、垫块凹槽和刚性横梁组成。所述框形结构铰链一侧设置有直圆型柔性铰链Ⅰ，另一侧设置有直圆型柔性铰链Ⅱ，所述的直圆型柔性铰链Ⅰ和直圆型柔性铰链Ⅱ通过刚性横梁进行连接。所述框形结构铰链设置有预紧螺栓安装孔，所述预紧螺栓安装孔为沉头孔，预紧螺栓通过预紧螺栓安装孔实现压电叠堆的轴向预紧。所述框形结构铰链设置有燕尾凸台，所述燕尾凸台与燕尾凹槽进行连接，实现预压力调整机构沿单一方向的直线式加载。所述框形结构铰链设置有斜梯形定子驱动足，所述斜梯形定子驱动足端面相应涂有陶瓷类或玻璃纤维类摩擦材料，所述斜梯形定子驱动足驱动动子直线运动，所述框形结构铰链设置有垫块凹槽。

所述底座可采用不锈钢材料，所述底座包括底座安装孔、底座安装平面、燕尾凹槽、预压力调整机构安装孔、固定导轨安装平面、导轨限位凸台、固定导轨螺纹安装孔和活动导轨定位基准面。所述底座安装孔，可与其它平台装置进行固定，所述底座安装平面作为预压力调整机构和动子的安装基准平面，所述燕尾凹槽用于限定预压力调整机构的方向，通过燕尾凹槽的限位，预压力调整机构仅沿着轴向方向直线移动，实现对定子组件的加载。所述预压力调整机构安装孔用于预压力调整机构的固定，所述固定导轨安装平面和固定导轨螺纹安装孔用于安装固定导轨，所述导轨限位凸台用于限定固定导轨安装位置，可以快速完成固定导轨的安装。所述活动导轨定位基准面作为活动导轨的安装基准面。

所述预压力调整机构包括螺杆、螺杆固定座、预压力调整机构安装螺栓和解耦球头。所述螺杆的外螺纹通过与螺杆固定座的内螺纹进行螺纹连接配合，通过调节螺杆可实现螺旋运动，利用解耦球头进行运动解耦，完成定子组件的加载。预压力调整机构安装螺栓与预压力调整机构安装孔通过螺纹连接，实现对螺杆固定座的固定。

所述动子包括活动导轨固定螺栓、活动导轨、导轨限位螺钉、固定导轨、固定导轨安装螺栓和保持架。通过活动导轨固定螺栓和平移台安装孔之间的螺纹配合实现活动导轨与平移台连接。导轨限位螺钉用于限制活动导轨和固定导轨的运动行程，通过固定导轨安装螺栓与固定导轨螺纹安装孔的螺纹连接实现固定导轨与底座之间的固定，所述保持架用于支撑活动导轨和固定导轨。

所述平移台包括平移台安装孔、平移台安装平面和平移台螺纹孔。通过平移台安装孔和平移台安装平面与活动导轨固定螺栓的螺纹连接，实现平移台与活动导轨之间的固定，所述平移台通过平移台螺纹孔用于与其他外围装置的连接。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型由于采用具有摩擦力综合调控功能的定子组件结构，增大了定子组件缓慢变形驱动阶段定子组件与动子间摩擦驱动力，降低定子组件快速变形驱动阶段定子组件与动子间摩擦阻力，实现了对压电粘滑直线式驱动装置整个驱动过程的摩擦力进行综合调控，可显著提升压电粘滑直线式驱动装置机械输出特性，抑制位移回退运动的产生。与当前已有技术相比，输出力提升15%以上，输出速度提升20%以上，输出效率提升35%以上，位移回退率降低50%以上，开环条件下定位精度可达纳米级。

附图说明

图1所示为本实用新型提出的一种采用斜梯形运动转换的精密压电粘滑直线式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采用斜梯形运动转换的精密压电粘滑直线式驱动装置定子组件的结构示意图；

图3所示为本实用新型提出的一种采用斜梯形运动转换的精密压电粘滑直线式驱动装置框形结构铰链的结构示意图；

图4所示为本实用新型提出的一种采用斜梯形运动转换的精密压电粘滑直线式驱动装置底座的结构示意图；

图5所示为本实用新型提出的一种采用斜梯形运动转换的精密压电粘滑直线式驱动装置预压力调整机构的结构示意图；

图6所示为本实用新型提出的一种采用斜梯形运动转换的精密压电粘滑直线式驱动装置动子的结构示意图；

图7所示为本实用新型提出的一种采用斜梯形运动转换的精密压电粘滑直线式驱动装置平移台的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1~图7说明本实施方式。本实施方式提供了一种采用斜梯形运动转换的精密压电粘滑直线式驱动装置的具体实施方案。所述一种采用斜梯形运动转换的精密压电粘滑直线式驱动装置由定子组件1、底座2、预压力调整机构3、动子4和平移台5组成。

所述定子组件1包括垫片1-1、框形结构铰链1-2、预紧螺栓1-3和压电叠堆1-4。通过调节预紧螺栓1-3和垫片1-1将压电叠堆1-4固定在框形结构铰链1-2内。

所述框形结构铰链1-2由直圆型柔性铰链Ⅰ1-2-1、预紧螺栓安装孔1-2-2、燕尾凸台1-2-3、直圆型柔性铰链Ⅱ1-2-4、斜梯形定子驱动足1-2-5、垫块凹槽1-2-6和刚性横梁1-2-7组成。所述框形结构铰链1-2可采用5052铝合金、6061铝合金、7075铝合金、Ti-35A钛合金或Ti-13钛合金材料。所述框形结构铰链1-2一侧设置有4个直圆型柔性铰链Ⅰ1-2-1，另一侧设置有4个直圆型柔性铰链Ⅱ1-2-4。所述的直圆型柔性铰链Ⅰ1-2-1和直圆型柔性铰链Ⅱ1-2-4通过刚性横梁1-2-7进行连接，所述2个刚性梁1-2-7之间的距离为L，所述直圆型柔性铰Ⅰ1-2-1和直圆型柔性铰链Ⅱ1-2-4具有相同的圆角半径值R₁，其中R₁/L的取值范围0.017~0.09，可以保证直圆型柔性铰Ⅰ1-2-1和直圆型柔性铰链Ⅱ1-2-4具有位移放大能力以及压电叠堆1-4具有一定的安装空间。其中，框形结构铰链1-2采用对称矩形结构的柔性铰链，使定子组件1沿的斜梯形定子驱动足1-2-5轴向刚度分布不均而产生侧向位移，增大缓慢变形驱动阶段时摩擦驱动力，减小快速变形驱动阶段时摩擦阻力，可实现对摩擦力的综合调控。所述框形结构铰链1-2设置有预紧螺栓安装孔1-2-2，所述预紧螺栓安装孔1-2-2为沉头孔，预紧螺栓1-3通过预紧螺栓安装孔1-2-2实现压电叠堆1-4的轴向预紧。所述框形结构铰链1-2设置有燕尾凸台1-2-3，所述燕尾凸台1-2-3与燕尾凹槽2-3进行连接，实现预压力调整机构3沿单一方向的直线式加载。所述框形结构铰链1-2设置有斜梯形定子驱动足1-2-5，所述斜梯形定子驱动足1-2-5的厚度为N，活动导轨4-2的厚度为M，其中N＜M可以保证有效接触面积，提高传动效率，其中M=（N+1）mm，本实施方式中M=8mm，N=7mm。所述斜梯形定子驱动足1-2-5端面相应涂有陶瓷类或玻璃纤维类摩擦材料，所述斜梯形定子驱动足1-2-5驱动动子4直线运动。所述框形结构铰链1-2设置有垫块凹槽1-2-6，垫块凹槽1-2-6宽度为B，垫片1-1宽度为C，其中B=（C±1）mm，本实施方式中C=6mm，B=7mm。

所述底座2可采用不锈钢材料，所述底座2包括底座安装孔2-1、底座安装平面2-2、燕尾凹槽2-3、预压力调整机构安装孔2-4、固定导轨安装平面2-5、导轨限位凸台2-6、固定导轨螺纹安装孔2-7和活动导轨定位基准面2-8。所述底座安装孔2-1，可与其它平台装置进行固定，所述底座安装平面2-2作为预压力调整机构3和动子4的安装基准平面，所述燕尾凹槽2-3用于限定预压力调整机构3的方向，通过燕尾凹槽2-3的限位，预压力调整机构3仅沿着轴向方向直线移动，实现对定子组件1的加载。所述预压力调整机构安装孔2-4用于预压力调整机构3的固定，所述固定导轨安装平面2-5和固定导轨螺纹安装孔2-7用于安装固定导轨4-4，所述导轨限位凸台2-6用于限定固定导轨4-4安装位置，可以快速完成固定导轨4-4的安装。所述活动导轨定位基准面2-8作为活动导轨4-2的安装基准面。

所述预压力调整机构3包括螺杆3-1、螺杆固定座3-2、预压力调整机构安装螺栓3-3和解耦球头3-4。所述螺杆3-1的外螺纹通过与螺杆固定座3-2的内螺纹进行螺纹连接配合，通过调节螺杆3-1可实现螺旋运动，利用解耦球头3-4进行运动解耦，解耦球头3-4推动预紧螺栓安装孔1-2-2直线移动，完成定子组件1的加载。预压力调整机构安装螺栓3-3与预压力调整机构安装孔2-4通过螺纹连接，实现对螺杆固定座3-2的固定。

所述动子4包括活动导轨固定螺栓4-1、活动导轨4-2、导轨限位螺钉4-3、固定导轨4-4、固定导轨安装螺栓4-5和保持架4-6。通过活动导轨固定螺栓4-1和平移台安装孔5-1之间的螺纹配合实现活动导轨4-2与平移台5的连接。导轨限位螺钉4-3用于限制活动导轨4-2和固定导轨4-4的运动行程，通过固定导轨安装螺栓4-5与固定导轨螺纹安装孔2-7的螺纹连接实现固定导轨4-4与底座2之间的固定。所述保持架4-6用于支撑活动导轨4-2和固定导轨4-4。

所述平移台5包括平移台安装孔5-1、平移台安装平面5-2和平移台螺纹孔5-3。通过平移台安装孔5-1和平移台安装平面5-2与活动导轨固定螺栓4-1的螺纹连接，实现平移台5与活动导轨4-2之间的固定，所述平移台5通过平移台螺纹孔5-3用于与其他外围装置的连接。

工作原理：一种采用斜梯形运动转换的精密压电粘滑直线式驱动装置能够综合调控定子组件与动子间的摩擦力，进而提升粘滑直线式驱动装置机械输出特性。本实用新型的定子组件采用对称矩形结构的柔性铰链，利用斜梯形驱动足轴向刚度分布不均来产生侧向位移，调整定子组件与动子间接触的正压力，即在定子组件缓慢变形驱动阶段，增大对称柔性定子与动子间接触的正压力，进而增加对称柔性定子与动子间的摩擦驱动力，在定子组件快速变形驱动阶段，减小定子组件与动子间间接触的正压力，进而减小定子组件与动子间的摩擦阻力，实现对缓慢变形驱动阶段摩擦驱动力与快速变形驱动阶段摩擦阻力的综合调控，抑制回退运动产生，可显著提升压电粘滑直线式驱动装置机械输出特性。

综合以上所述内容，本实用新型提供一种采用斜梯形运动转换的精密压电粘滑直线式驱动装置，采用对称矩形结构的柔性铰链，利用斜梯形驱动足轴向刚度分布不均来产生侧向位移，综合调控定子组件与动子间的摩擦力。框形结构铰链与压电叠堆装配成一个定子组件，装配简单，易于调节；所设计的预压力调整机构，可方便的调节定子组件与动子之间接触的预紧力。本实用新型具有结构简单紧凑、精度高和行程大等特点，航空航天、大规模集成电路和微操作机器人等微纳精密驱动与定位领域中具有很好的应用前景。

Claims (10)

1.一种采用斜梯形运动转换的精密压电粘滑直线式驱动装置，其特征在于该斜梯形运动转换的精密压电粘滑直线式驱动装置由定子组件（1）、底座（2）、预压力调整机构（3）、动子（4）和平移台（5）组成；其中定子组件（1）、预压力调整机构（3）和动子（4）固定在底座（2）上，平移台（5）固定在动子（4）上。

2.根据权利要求1所述的一种采用斜梯形运动转换的精密压电粘滑直线式驱动装置，其特征在于所述定子组件（1）包括垫片（1-1）、框形结构铰链（1-2）、预紧螺栓（1-3）和压电叠堆（1-4）；通过调节预紧螺栓（1-3）和垫片（1-1）将压电叠堆（1-4）固定在框形结构铰链（1-2）内。

3.根据权利要求2所述的一种采用斜梯形运动转换的精密压电粘滑直线式驱动装置，其特征在于所述框形结构铰链（1-2）由直圆型柔性铰链Ⅰ（1-2-1）、预紧螺栓安装孔（1-2-2）、燕尾凸台（1-2-3）、直圆型柔性铰链Ⅱ（1-2-4）、斜梯形定子驱动足（1-2-5）、垫块凹槽（1-2-6）和刚性横梁（1-2-7）组成；框形结构铰链（1-2）一侧设置有直圆型柔性铰链Ⅰ（1-2-1），另一侧设置有直圆型柔性铰链Ⅱ（1-2-4），所述的直圆型柔性铰链Ⅰ（1-2-1）和直圆型柔性铰链Ⅱ（1-2-4）通过刚性横梁（1-2-7）进行连接，所述框形结构铰链（1-2）设置有预紧螺栓安装孔（1-2-2），预紧螺栓（1-3）通过预紧螺栓安装孔（1-2-2）实现压电叠堆（1-4）的轴向预紧，所述燕尾凸台（1-2-3）与燕尾凹槽（2-3）进行连接，实现预压力调整机构（3）加载，所述框形结构铰链（1-2）设置有斜梯形定子驱动足（1-2-5），所述斜梯形定子驱动足（1-2-5）驱动动子（4）直线运动，所述框形结构铰链（1-2）设置有垫块凹槽（1-2-6）。

4.根据权利要求3所述的一种采用斜梯形运动转换的精密压电粘滑直线式驱动装置，其特征在于所述的框形结构铰链（1-2）设置有直圆型柔性铰Ⅰ（1-2-1）、直圆型柔性铰链Ⅱ（1-2-4）和刚性梁（1-2-7），所述2个刚性梁（1-2-7）之间的距离为L，所述直圆型柔性铰Ⅰ（1-2-1）和直圆型柔性铰链Ⅱ（1-2-4）具有相同的圆角半径值R₁，其中R₁/L的取值范围0.017~0.09。

5.根据权利要求3所述的一种采用斜梯形运动转换的精密压电粘滑直线式驱动装置，其特征在于所述斜梯形定子驱动足（1-2-5）的厚度为N，活动导轨（4-2）的厚度为M，其中M=（N+1）mm。

6.根据权利要求3所述的一种采用斜梯形运动转换的精密压电粘滑直线式驱动装置，其特征在于所述框形结构铰链设置有垫块凹槽（1-2-6）的宽度为B，垫片（1-1）宽度为C，其中B=（C±1）mm。

7.根据权利要求1所述的一种采用斜梯形运动转换的精密压电粘滑直线式驱动装置，其特征在于所述底座（2）包括底座安装孔（2-1）、底座安装平面（2-2）、凹型燕尾槽（2-3）、预压力调整机构安装孔（2-4）、固定导轨安装平面（2-5）、导轨限位凸台（2-6）、固定导轨螺纹安装孔（2-7）和活动导轨定位基准面（2-8）；所述底座安装孔（2-1），可与其它平台装置进行固定，所述底座安装平面（2-2）作为预压力调整机构（3）和动子（4）的安装基准平面，所述燕尾凹槽（2-3）用于限定预压力调整机构（3）仅沿着轴向方向直线移动，实现对定子组件1的加载，所述预压力调整机构安装孔（2-4）用于预压力调整机构（3）的固定，所述固定导轨安装平面（2-5）和固定导轨螺纹安装孔（2-7）用于安装固定导轨（4-4），所述导轨限位凸台（2-6）用于限定固定导轨（4-4）安装位置，所述活动导轨定位基准面（2-8）作为活动导轨（4-2）的安装基准面。

8.根据权利要求1所述的一种采用斜梯形运动转换的精密压电粘滑直线式驱动装置，其特征在于所述预压力调整机构（3）包括螺杆（3-1）、螺杆固定座（3-2）、预压力调整机构安装螺栓（3-3）和解耦球头（3-4）；所述螺杆（3-1）的外螺纹通过与螺杆固定座（3-2）的内螺纹进行螺纹连接配合，通过调节螺杆（3-1）可实现螺旋运动，利用解耦球头（3-4）进行运动解耦，解耦球头（3-4）推动预紧螺栓安装孔（1-2-2）直线移动，完成定子组件（1）的加载，预压力调整机构安装螺栓（3-3）与预压力调整机构安装孔（2-4）通过螺纹连接，实现对螺杆固定座（3-2）的固定。

9.根据权利要求1所述的一种采用斜梯形运动转换的精密压电粘滑直线式驱动装置，其特征在于所述动子（4）包括活动导轨固定螺栓（4-1）、活动导轨（4-2）、导轨限位螺钉（4-3）、固定导轨（4-4）、固定导轨安装螺栓（4-5）和保持架（4-6）；通过活动导轨固定螺栓（4-1）和平移台安装孔（5-1）之间的螺纹配合实现活动导轨（4-2）与平移台（5）的连接，导轨限位螺钉（4-3）限制活动导轨（4-2）和固定导轨（4-4）的运动行程，通过固定导轨安装螺栓（4-5）与固定导轨螺纹安装孔（2-7）的螺纹连接实现固定导轨（4-4）与底座（2）之间的固定，所述保持架（4-6）用于支撑活动导轨（4-2）和固定导轨（4-4）。

10.根据权利要求1所述的一种采用斜梯形运动转换的精密压电粘滑直线式驱动装置，其特征在于所述平移台（5）包括平移台安装孔（5-1）、平移台安装平面（5-2）和平移台螺纹孔（5-3）；通过平移台安装孔（5-1）和平移台安装平面（5-2）与活动导轨固定螺栓（4-1）的螺纹连接，实现平移台（5）与活动导轨（4-2）之间的固定，所述平移台（5）通过平移台螺纹孔（5-3）用于与其他外围装置的连接。