压电驱动双速工作台的制作方法

本发明属于一种压电驱动双速工作台。

背景技术：

企业生产过程中工作台起着巨大的作用，方便产品储运、运输和加工。而运输的过程当中，工作台就是实现产品的机械化、自动化运输和加工的保证。

各种工作台的原理大致是一样的，都是通过工作台上的限位或换向装置与换向开关接触来控制工作台的移动方向的。都是用弱电来控制强电，只不过数控的是通过反馈装置来完成的。但是它们都是电机（伺服电机或交直流电机）传递给丝杠（普通丝杠或滚珠丝杠），来完成工作台的运动，传统的工作台工作原理比较简单，但因涉及复杂的电路和复杂的机械结构，实现起来比较困难。

技术实现要素：

本发明的目的在于，解决上述现有所存在的问题，改变了原有的工作台移动过程中的驱动形式，实现了工作台工作过程中对不同工件以不同速度和不同工作要求进行移动的工作方式的压电驱动双速工作台。

本发明是这样实现的：双速工作台的基座通过螺钉安装振子支承架、下导轨，下导轨上安装下滑块，下支承板连接下导轨，下支承座通过螺钉连接下支承板，上支承座通过紧定螺钉固定在上支承板上，在上支承座、下支承座上装有离合装置、导向装置；离合装置通过定位盘、定位螺钉装固定在上支承座、下支承座上，导向装置通过轴肩和卡圈固定在上支承座、下支承座上；驱动装置的柔性支承板通过螺钉与振子支承架连接，驱动板安装在导向装置的尾端，内侧与导向装置通过螺栓连接，外侧贴有摩擦材料与驱动装置的驱动足接触，上支承座通过螺钉与箱体连接，箱体与上工作台面连接，下工作台安装在下支承座的上部，上导轨上安装上滑块，上滑块与上支承板连接，上滑块、下滑块均安装有锁紧装置、光栅尺，导向装置由固定螺钉、弹簧预紧螺钉、弹簧、导向轴、卡圈、导向套、垫片连接构成；驱动装置由定位螺帽a、用于弯曲的压电陶瓷a组、用于扭转的压电陶瓷b组、定位套、柔性支承板、弹性杆、驱动足连接构成，即驱动装置的弹性杆上套装有柔性支承板、定位套、用于扭转的压电陶瓷b组、驱动足、用于弯曲的压电陶瓷a组，端部用定位螺帽a固定。离合装置由定位螺帽、中间套、压电陶瓷组、定位盘、弹性杆连接构成，即离合装置的弹性杆上套装有定位盘、压电陶瓷组、中间套，端部通过定位螺帽压紧固定。锁紧装置由锁芯a、支承板、压电陶瓷组、弹簧、垫片锁芯b连接构成，即锁紧装置的锁芯a与锁芯b连接并安装弹簧，在锁芯a与锁芯b上安装有压电陶瓷组、支承板、垫片。

本发明的优点在于：

1、运用的压电陶瓷作为压电振子，当压电陶瓷a组7-2通周期性交变的电信号，压电振子形成二阶弯曲振动模态，驱动足与驱动板接触，对驱动板施加压力，同时给压电陶瓷b组7-3通电，振子形成扭转模态，此时弯扭复合，在摩擦力的作用下，可以自由驱动驱动板8（动子）来回移动。即改变了原有的工作台移动过程中的驱动形式，实现了工作台工作过程中对不同工件以不同速度和不同工作要求进行移动的工作方式；

2、结构紧凑，设计传动路线短，转矩密度大，低速大转矩，无需齿轮转速机构，大大减少了运动副的数量，可实现直接驱动。因此，相比之下大大减小了震动和噪声的影响、能量的损耗以及传动带来的误差等，大大提高了系统的定位精度和响应速度；

3、断电自锁，利用压电陶瓷的压电性能，设计了锁紧装置，一旦切断电源，锁紧装置立刻锁紧，响应快；

4、振子振动惯性小，响应快（毫秒级），具有较大的保持扭矩。由于该结构是基于压电效应，且振子（驱动装置）和驱动板之间采用摩擦传动，可以在毫秒之内从静止上升到稳定弯扭模态，并由于摩擦力的作用制动响应更快，同时，振子的数量可根据所需驱动力的大小增加或减少。

附图说明

图1为本发明结构的主视图；

图2为本发明结构的左视图；

图3为本发明结构的俯视图；

图4为本发明的驱动装置示意图；

图5为本发明的离合装置示意图；

图6为本发明的锁紧装置示意图；

图7为本发明的导向装置示意图；

图8为本发明的光栅尺安装示意图；

图9(a)(b)(c)(d)为压电陶瓷片的极化方式示意图；

图10为本发明的驱动器与压电陶瓷连接电路图；

图11为本发明的整流器电路原理图；

图12本发明的控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明：如图所示，双速工作台的基座20通过螺钉安装振子支承架5、下导轨1，下导轨1上安装下滑块18，下支承板17连接下导轨1，下支承座2通过螺钉连接下支承板17，上支承座12通过紧定螺钉13固定在上支承板14上，在上支承座12、下支承座2上装有离合装置10、导向装置21；离合装置10通过定位盘3、定位螺钉4装固定在上支承座12、下支承座2上，导向装置21通过轴肩和卡圈固定在上支承座12、下支承座2上；驱动装置7的柔性支承板通过螺钉6与振子支承架5连接，驱动板8安装在导向装置21的尾端，内侧与导向装置21通过螺栓连接，外侧贴有摩擦材料与驱动装置7的驱动足7-7接触，上支承座12通过螺钉与箱体11连接，箱体11与上工作台面9连接，下工作台16安装在下支承座2的上部，上导轨22上安装上滑块23，上滑块23与上支承板14连接，上滑块23、下滑块18均安装有锁紧装置15、光栅尺19，导向装置21由固定螺钉21-1、弹簧预紧螺钉21-2、弹簧21-3、导向轴21-4、卡圈21-5、导向套21-6、垫片21-7连接构成；驱动装置7由定位螺帽a7-1、用于弯曲的压电陶瓷a组7-2、用于扭转的压电陶瓷b组7-3、定位套7-4、柔性支承板7-5、弹性杆7-6、驱动足7-7连接构成，即驱动装置7的弹性杆7-6上套装有柔性支承板7-5、定位套7-4、用于扭转的压电陶瓷b组7-3、驱动足7-7、用于弯曲的压电陶瓷a组7-2，端部用定位螺帽a7-1固定。离合装置10由定位螺帽10-1、中间套10-2、压电陶瓷组10-3、定位盘10-4、弹性杆10-5连接构成，即离合装置10的弹性杆10-5上套装有定位盘10-4、压电陶瓷组10-3、中间套10-2，端部通过定位螺帽10-1压紧固定。锁紧装置15由锁芯a15-1、支承板15-2、压电陶瓷组15-3、弹簧15-4、垫片15-5锁芯b15-6连接构成，即锁紧装置15的锁芯a15-1与锁芯b15-6连接并安装弹簧15-4，在锁芯a15-1与锁芯b15-6上安装有压电陶瓷组15-3、支承板15-2、垫片15-5。

在电路中，x1为驱动装置7上的压电陶瓷a组7-2，x2为驱动装置7上的压电陶瓷b组7-3；驱动器所用控制芯片为dsp56f801，通过光栅尺19将工作台行使的距离反馈给驱动器，驱动器通过自身程序来自动调节4路pwm输出幅值，来改变压电陶瓷的振动幅度，已达到调节工作台运动速度。由该装置具有断电自锁响应快的优点，在其与光栅尺结合作用，因此达到高精度控制工作台的运动。

工作台工作过程如下：当工作台不工作时，离合装置10无电信号，处于收缩状态，与驱动装置7分离，互不干扰，整个工作台在锁紧装置15的控制下处于静止状态。

单速运动：当上工作台工作时（下工作台静止），对左右两个驱动装置7上的压电陶瓷a组7-2通周期性交变的电信号，振子形成二阶弯曲振动模态，同时给压电陶瓷b组7-3通周期性交变的电信号，振子形成扭转模态，二者复合成弯扭模态，然后给上工作台离合装置10中压电陶瓷组10-3通电信号，极化后的压电陶瓷变成压电振子，产生振动，会向左右两边进行横向外扩运动，同时锁紧装置15上的压电陶瓷组15-3收到电信号收缩，失去对轨道1的锁紧作用，此时，驱动装置的驱动足7-7与驱动板8接触，推动离合装置连接的工作台沿着轨道1向前移动，当对改变压电陶瓷b组7-3电信号的相位时，工作台向后移动，即实现了单速运动；同理，当下工作台工作时（上工作台静止），重复上述过程，也实现了单速运动。

双速运动：给驱动装置7上的压电陶瓷a组7-2，压电陶瓷b组7-3通周期性交变的电信号，同时给上下工作台的离合装置10，锁紧装置15的压电陶瓷组通电信号，使离合装置10到达工作位，锁紧装置锁芯a15-1和b15-6同时收缩，此时，工作台以最快的速度运动，实现了双速运动。

当调节提供电压大小，会改变单速运动和双速运动的速度，即实现了工作台工作过程中对不同工件以不同速度和不同工作要求进行移动的工作方式。

当切断离合装置10和锁紧装置15的电信号时，离合装置10收缩，两边各不接触，同时锁紧装置15膨胀锁紧，此时工作台停止运动，当对左右两个驱动装置上的压电陶瓷a组7-2，压电陶瓷b组7-3切断电信号时，工作台恢复到不工作的状态。

控制流程说明：如图12所示，动力源为220v交流电，分别对驱动器和整流器（1）通电，驱动器能同时调节压电陶瓷a组7-2和压电陶瓷a组7-3的电压，当压电陶瓷a组7-2接收信号后，产生弯曲振动，当压电陶瓷b组7-3接收信号后，产生扭转振动，两者共同作用，形成弯扭模态；整流器接收到电信号后，转换为直流电源，同时压电陶瓷组15-3和压电陶瓷组10-3（3）通电，压电陶瓷组15-3接收信号后，振动收缩，故锁紧装置15收缩；压电陶瓷组10-3接收信号后，振动膨胀，促使离合装置10膨胀；此时驱动足7-7与离合装置10接触，摩擦产生驱动力；故在驱动装置7，离合装置10，锁紧装置15共同作用下，驱动工作台移动；当改变压电陶瓷b组7-3的相位时（半个周期），工作台向相反的方向移动。

对于压电陶瓷都是统一规格的，可以直接购买或者直接定制，只是它们在应用上有所不同，产生弯曲、扭转、拉伸（收缩），这与压电陶瓷片的极化方式、粘贴方式等有关，如图9所示。例如环形片状陶瓷片，两面各平均四等分，当在陶瓷片左右各四面接相反的电压时，会产生收缩或拉伸，如图9（b）所示；当在陶瓷片轴线方向上下各四面接相反的电压，接正极的方向陶瓷片膨胀，接负极方向陶瓷片收缩，两者共同作用产生弯曲，如图9（c）所示；扭转振动模态的压电陶瓷片要想激发出扭转振动，需要在压电陶瓷片上进行切向极化，将圆环形陶瓷片切片切成若干扇形，然后在切开的两个断面通电极化，如图9（d）所示，激发出扭转模态。激振频率2×10⁴～3×10⁴hz,电压10～80v。

压电陶瓷材料可以选择为pzt-4的压电陶瓷，因其有较高的居里点和相变点，能保证大范围稳定，且介电损耗都相对较小，机电耦合系数较高，输出特性良好。

相关参数如表1、表2所示: