CN215498762U - 一种摩擦调控式惯性压电电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种摩擦调控式惯性压电电机，属于微特电机领域。该电机由驱动单元Ⅰ、摩擦调控单元、驱动单元Ⅱ和U型导向底座组成，摩擦调控单元置于电机的中央，两端对称布置有驱动单元Ⅰ和驱动单元Ⅱ。所述的由驱动单元Ⅰ、摩擦调控单元、驱动单元Ⅱ组成的整体内置于U型导向底座中。利用驱动单元中压电叠堆的快伸慢缩实现电机突跃式步进，并通过摩擦控制单元对摩擦力的主动调控实现电机高频无回退步进。本实用新型的有益效果是：通过主动调控电机所受摩擦力消除电机高频工作的回退问题,提高电机工作带宽以实现电机精度与速度的结合，使该电机在精密加工、生物工程等领域有更广阔的应用前景。

Description

一种摩擦调控式惯性压电电机

技术领域

本实用新型涉及一种惯性冲击性压电电机，属于微特电机领域。通过几个压电叠堆的相互配合可实现高速与高精度运动。

背景技术

压电电机具有精度高、体积小、响应快、抗电磁干扰等优点。基于这些优点，压电驱动装置在生物工程、微操作、航空航天等领域有重要应用意义。

现有的精密仪器中需要高精度与高速度结合的电机。但是高精度和高速度往往是一对矛盾。传统的惯性冲击型压电电机工作频率普遍较低，当提高激励频率时则会出现电机回退现象。低频率的工作条件极大的限制了惯性冲击型压电电机的工作效率且电机的回退现象会带来分辨率降低，单步步进太短等问题。本装置采用主动控制电机主体所受摩擦力的方法抑制了电机的回退现象进而实现提高惯性冲击型电机的工作带宽，使电机高频快速运动。

发明内容

本实用新型的目的是通过增设摩擦控制单元控制其中压电堆叠的伸缩，主动调控电机所受摩擦，进而抑制电机高频工作下的回退现象，提高电机的工作带宽，实现电机高精度高速度的结合。

本实用新型的上述实用新型目的是通过以下技术方案实现的：

本实用新型包括如下结构：包括驱动单元Ⅰ、摩擦调控单元、驱动单元Ⅱ和U型导向底座。其中，除压电叠堆及配重外，其他结构为一体成型，所用材料为7075Al。电机需配合U型导向底座工作，摩擦控制单元置于电机中央，通过回复铰链与两侧惯性质量块相连，惯性质量块上有螺纹孔以配备不同工作条件下的配重。压电叠堆一个嵌于摩擦控制单元中央另外两个分别嵌于两侧回复铰链中间。

两侧压电叠堆负责给电机提供动力，通过压电叠堆的快伸慢缩实现电机突跃式步进。摩擦控制单元中央的压电叠堆负责推动柔性铰链控制上下足与U型导向底座间的摩擦力以起到电机迅速制动的效果。

通过采用上述技术方案，叠堆的收缩利用了回复铰链的弹性势能其目的在于更好的保护了压电叠堆延长电机使用寿命且可以使压电叠堆与回复铰链获得更大的固有频率。

通过采用上述技术方案，三个压电叠堆均在各自位置使用镶嵌的形式与电机主体连接提高电机的使用寿命。

本实用新型的有益效果：

本电机设计结构简单，位移分辨率高，控制难度较低，摩擦控制单元的增设提高了电机的工作带宽，实现了电机速度与精度的结合。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。

图1为本实用新型的摩擦调控式惯性压电电机三维结构示意图；

图2为本实用新型的具体结构示意图；

图3为本实用新型的驱动原理图；

图4为本实用新型压电堆叠Ⅱ的电压信号示意图；

图5为本实用新型的驱动单元Ⅰ和驱动单元Ⅱ中间压电叠堆电压信号示意图；

图6为本实用新型的压电叠堆Ⅱ压电叠堆Ⅰ电压信号示意图。

图中：1、驱动单元Ⅰ；1-1、回复铰链Ⅰ；1-2、压电堆叠Ⅰ；1-3、惯性质量块Ⅰ；2、摩擦调控单元；2-1、上足；2-2、柔性铰链；2-3、压电堆叠Ⅱ；2-4、下足；3、驱动单元Ⅱ；3-1、回复铰链Ⅱ；3-2、压电堆叠Ⅲ；3-3、惯性质量块Ⅱ；4、U型导向底座。

具体实施方式

下面将结合实例中的附图对本专利进一步说明。

请参阅图1所示，本实用新型包括驱动单元Ⅰ(1)、回复铰链Ⅰ(1-1)、压电堆叠Ⅰ(1-2)、惯性质量块Ⅰ(1-3)、摩擦调控单元(2)、上足(2-1)、柔性铰链(2-2)、压电堆叠Ⅱ(2-3)、下足(2-4)、驱动单元Ⅱ(3)、回复铰链Ⅱ(3-1)、压电堆叠Ⅲ(3-2)、惯性质量块Ⅱ(3-3)、U型导向底座(4)。

摩擦控制单元(11)置于电机中央，通过回复铰链Ⅰ(1-1)、回复铰链Ⅱ(3-1)与两侧惯性质量块Ⅰ(1-3)、惯性质量块Ⅱ(3-3)相连，惯性质量块Ⅰ(1-3)、惯性质量块Ⅱ(3-3)上有螺纹孔以配备不同工作条件下的配重。压电堆叠Ⅱ(2-3)一个嵌于摩擦控制单元中央另外两压电堆叠Ⅰ(1-2)、压电堆叠Ⅲ(3-2)分别嵌于两侧回复铰链Ⅰ(1-1)、回复铰链Ⅱ(3-1)中间。本实用新型解决了传统惯性冲击性压电电机工作带宽窄，高频工作有回退等问题。并且具有结构简单、易于控制等优点，使其在航空航天、微型操作、超精密加工等领域有极广泛的应用前景。

本实用新型的工作包含如下步骤：

参阅图1所示电机结构，并以电机向左运动为例。

a)电机开始移动前，摩擦调控单元(2)中央压电堆叠Ⅱ(2-3)加载低电压使其处于收缩状态。上足(2-1)和下足(2-4)与U型导向底座(4)几乎不产生摩擦力。同时，压电堆叠Ⅲ(3-2)加载低电压，在回复铰链Ⅱ(3-1)的作用下处于压缩状态。

b)压电堆叠Ⅲ(3-2)加载电压突然升高，使其迅速伸长，瞬间产生的推力大于电机在导轨上受到的最大静摩擦力，因此电机主体向左移动了一段距离，产生位移X。

c)压电堆叠Ⅲ(3-2)堆伸长到既定位置时，摩擦控制单元(2)中央压电堆叠Ⅱ(2-3)瞬间加载高电压致使柔性铰链(2-2)瞬间向上张紧，上足(2-1)和下足(2-4)与U型导向底座(4)间产生巨大的摩擦力以达到电机瞬间制动的效果。

d)制动完成后，压电堆叠Ⅲ(3-2)加载电压缓慢下降，其在回复铰链Ⅱ(3-1)的作用下缓慢收缩到起始位置，为下一次步进做好准备。

e)摩擦控制单元(2)中央中央压电堆叠Ⅱ(2-3)加载电压下载，压电叠堆在柔性铰链(2-2)的作用下收缩到起始位置，上足(2-1)和下足(2-4)与U型导向底座(4)间的摩擦力再度减小，为下一次的步进运动做好准备。

f)重复上述五个步骤即可使电机实现高频无回退的步进。

对具体实施办法所述的压电堆叠Ⅲ(3-2)控制电压如图4所示。

对具体实施办法所述的摩擦调控单元(2)中央压电堆叠Ⅱ(2-3)控制电压如图5所示。

对具体实施办法所述的压电堆叠Ⅲ(3-2)与摩擦调控单元(2)中央压电堆叠Ⅱ(2-3)同时刻的控制电压如图6所示。

本实用新型相较于传统惯性冲击型压电电机，明显提高了电机的工作带宽，完成了电机高频条件下的工作，并最终实现速度与精度的统一。

Claims (4)

1.一种摩擦调控式惯性压电电机，其特征在于：包括驱动单元Ⅰ(1)、摩擦调控单元(2)、驱动单元Ⅱ(3)和U型导向底座(4)组成；驱动单元Ⅰ(1)、摩擦调控单元(2)和驱动单元Ⅱ(3)依次排成一个整体，驱动单元Ⅰ(1)和驱动单元Ⅱ(3)结构完全相同且关于摩擦调控单元(2)对称布置；驱动单元Ⅰ(1)、摩擦调控单元(2)和驱动单元Ⅱ(3)组成的整体以紧配合的方式内嵌于U型导向底座(4)内。

2.根据权利要求1所述的摩擦调控式惯性压电电机，其特征在于：驱动单元Ⅰ(1)包括回复铰链Ⅰ(1-1)、压电堆叠Ⅰ(1-2)、惯性质量块Ⅰ(1-3)；所述的惯性质量块Ⅰ(1-3)通过回复铰链Ⅰ(1-1)与摩擦调控单元(2)连接为一个整体；所述的压电堆叠Ⅰ(1-2)以紧配合的方式内嵌于铰链Ⅰ(1-1)中；通过压电堆叠Ⅰ(1-2)的快伸慢缩起到电机+x向的突跃式步进。

3.根据权利要求1所述的摩擦调控式惯性压电电机，其特征在于：摩擦调控单元(2)包括上足(2-1)、柔性铰链(2-2)、压电堆叠Ⅱ(2-3)、下足(2-4)；所述的上足(2-1)、柔性铰链(2-2)和下足(2-4)连接为一个整体；所述的压电堆叠Ⅱ(2-3)以紧配合的方式内嵌与摩擦控制单元中间；通过压电堆叠Ⅱ(2-3)通电伸长上顶柔性铰链(2-2)以使上足(2-1)和下足(2-4)与U型导向底座(4)产生巨大摩擦力达到电机的制动。

4.根据权利要求1所述的摩擦调控式惯性压电电机，其特征在于：驱动单元Ⅱ(3)包括回复铰链Ⅱ(3-1)、压电堆叠Ⅲ(3-2)、惯性质量块Ⅱ(3-3)；所述的驱动单元Ⅱ(3)与驱动单元Ⅰ(1)结构相同，对称的分布在摩擦调控单元(2)两侧，以实现电机双向步进。

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