非对称结构精密压电粘滑直线马达及其驱动方法
【专利摘要】一种非对称结构精密压电粘滑直线马达及其驱动方法，以解决当前压电粘滑直线马达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。本发明由固定支架、加载机构、定子和动子四部分组成，所述定子利用非对称的柔性铰链结构来产生侧向位移，增大摩擦驱动力，减小摩擦阻力；同时将摩擦调控波复合叠加于定子快速变形阶段的锯齿驱动波中，从而降低快速变形阶段定、动子间摩擦阻力，实现对摩擦力的综合调控，显著提升压电粘滑直线马达机械输出特性。本发明具有结构简单、精度高、行程大等特点，在航空航天、光学精密仪器和半导体加工等微纳精密驱动与定位领域中具有很好的应用前景。
【专利说明】
非对称结构精密压电粘滑直线马达及其驱动方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种非对称结构精密压电粘滑直线马达及其驱动方法，属于微纳精密驱动与定位技术领域。
【背景技术】
[0002]压电粘滑直线马达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器。按照驱动工作原理的不同，压电粘滑直线马达主要分为共振型压电马达(也称超声波电机)与非共振型压电马达(也称压电粘滑马达)两大类。与共振型压电马达相比，压电粘滑直线马达具有结构简单紧凑、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。
[0003]压电粘滑驱动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电粘滑直线马达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。特别在定子的快速变形驱动阶段，由于动子所受摩擦力与其运动方向相反，当动子惯性力不足以克服该摩擦阻力时，将会导致动子产生回退运动，表现为类锯齿状的不平稳运动输出，劣化输出性能，已有锯齿激励电信号无法实现对压电粘滑直线马达快速变形驱动阶段摩擦力的调控，进一步限制了压电粘滑直线马达的应用与发展。
【发明内容】
[0004]为解决已有压电粘滑直线马达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，本发明公开了一种非对称结构精密压电粘滑直线马达及其驱动方法。
[0005]本发明所采用的技术方案是:
所述的非对称结构精密压电粘滑直线马达由固定支架、加载机构、定子和动子组成。
[0006]固定支架采用“L”字型结构，具体包括固定支架安装孔、加载机构螺纹安装孔、导轨安装平面和导轨螺纹安装孔。所述固定支架安装孔可与其它平台装置进行固定，加载机构螺纹安装孔用于加载机构的固定，所述导轨安装平面和导轨螺纹安装孔用于安装动子。
[0007]所述加载机构为非对称结构精密压电粘滑直线马达的锁紧力调节机构，所述加载机构包括下固定平台、上活动平台、手动调节螺杆和紧固螺钉。所述下固定平台设置有螺纹孔，其用于与手动调节螺杆进行螺纹连接，所述下固定平台设置有弹簧固定柱，用于安装弹簧，所述下固定平台设置有导轨，用于上活动平台的移动，所述导轨设置有导轨安装螺钉，所述下固定平台底部设置有安装孔，通过螺纹连接可实现与固定支架之间的固定安装，所述下固定平台设置有锁紧保持架和锁紧保持架固定螺钉，通过调节紧固螺钉，可以实现对上活动平台的锁紧，防止加载完成后上活动平台的移动。所述上活动平台上端面设置有螺纹孔，用于安装定子，所述上活动平台的侧面设置有螺纹安装孔，所述螺纹安装孔与紧固螺钉进行螺纹连接。
[0008]所述定子包括切口型铰链、压电堆叠、预紧螺钉和调整垫片。所述切口型铰链采用非对称平行四边形结构的柔性铰链，通过螺钉将切口型铰链与上活动平台的上表面进行螺纹紧固连接。所述定子为采用非对称平行四边形结构的柔性铰链，使其轴向刚度分布不均而产生侧向位移。所述切口型铰链设置有定子驱动足，所述定子驱动足端面相应涂有摩擦陶瓷，所述定子驱动足驱动动子运动，所述预紧螺钉安装孔与预紧螺钉进行螺纹连接，所述压电堆叠的后端面与预紧螺钉之间设置有调整垫片，所述压电堆叠的前端面与切口型铰链之间设置有调整垫片。
[0009]所述动子为双列交叉滚柱导轨，包括固定导轨、活动导轨、保持架和导轨安装螺栓。所述固定导轨，通过螺钉固定于导轨安装平面上，所述活动导轨端面相应涂有摩擦陶瓷，所述固定导轨设置有保持架和滚柱，保持架和滚柱为导轨的滑动提供支撑，导轨两端设置安装螺栓进行限位。
[0010]所述驱动方法中所采用的复合激励电信号由摩擦调控波复合叠加于定子快速变形阶段的锯齿驱动波中，所述驱动波为锯齿波，所述摩擦调控波为正弦波。所述驱动方法可减小快速变形阶段定子与动子之间的摩擦阻力，抑制回退运动产生，其中锯齿驱动波周期St1，激励电压幅值为V1，对称性为D，微幅摩擦正弦调控波周期为τ2，激励电压幅值为％，锯齿驱动波与微幅摩擦正弦调控波的周期比St1A2=1?100000，激励电压幅值比为^…大于2。
[0011]本发明的有益效果是:
本发明由于采用具有摩擦力综合调控功能的定子结构，同时通过复合激励电信号进行激励，增大了定子缓慢变形驱动阶段定子与动子间摩擦驱动力，降低了定子快速变形驱动阶段定子与动子间摩擦阻力，实现了对压电粘滑直线马达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马达机械输出特性，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30%以上，输出效率提升50%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】
[0012]图1所示为本发明提出的非对称结构精密压电粘滑直线马达的结构示意图；
图2所示为本发明提出的非对称结构精密压电粘滑直线马达固定支架的结构示意图；图3所示为本发明提出的非对称结构精密压电粘滑直线马达加载机构的结构示意图；图4所示为本发明提出的非对称结构精密压电粘滑直线马达加载机构的下固定平台的结构示意图；
图5所示为本发明提出的非对称结构精密压电粘滑直线马达加载机构的上活动平台的结构示意图；
图6所示为本发明提出的非对称结构精密压电粘滑直线马达定子的结构示意图；
图7所示为本发明提出的非对称结构精密压电粘滑直线马达定子的柔性铰链的结构示意图；
图8所示为本发明提出的非对称结构精密压电粘滑直线马达动子的结构示意图；
图9所示为本发明提出的非对称结构精密压电粘滑直线马达驱动方法的电信号波形示意图。
【具体实施方式】
[0013]【具体实施方式】一:结合图1?图8说明本实施方式。本实施方式提供了一种非对称结构精密压电粘滑直线马达的具体实施方案。所述一种非对称结构精密压电粘滑直线马达由固定支架1、加载机构2、定子3和动子4组成。
[0014]所述固定支架I采用“L”字型结构，所述固定支架I可采用不锈钢材料，所述固定支架I包括固定支架安装孔1-1、加载机构螺纹安装孔1-2、导轨安装平面1-3和导轨螺纹安装孔1-4。所述固定支架安装孔1-1，可与其它平台装置进行固定，加载机构螺纹安装孔1-2，用于加载机构2的固定，所述导轨安装平面1-3和导轨螺纹安装孔1-4用于安装动子4。
[0015]所述加载机构2为非对称结构精密压电粘滑直线马达的锁紧力调节机构，所述加载机构2包括下固定平台2-1、上活动平台2-2、手动调节螺杆2-3和紧固螺钉2-4。所述下固定平台2-1设置有螺纹孔2-1-1，其用于与手动调节螺杆2-3进行螺纹连接，所述下固定平台
2-1设置有弹簧固定柱2-1-2，用于安装弹簧2-1-4，所述下固定平台2-1设置有导轨2-1-3，用于上活动平台2-2的移动。所述导轨2-1-3设置有4η个导轨安装螺钉2-1-5，其中η为大于等于I的整数。为避免上活动平台2-2滑出导轨2-1-3，所述下固定平台2-1底部设置有安装孔2-1-6，通过螺纹连接可实现与固定支架I之间的固定安装，所述下固定平台2-1设置有锁紧保持架2-1-7和锁紧保持架固定螺钉2-1-8，通过调节紧固螺钉2-4，可以实现对上活动平台2-2的锁紧，防止加载完成后上活动平台2-2的移动。所述上活动平台2-2上端面设置有螺纹孔2-2-1，用于固定安装定子3，所述上活动平台2-2的侧面设置有螺纹安装孔2-2-2，所述螺纹安装孔2-2-2与紧固螺钉2-4进行螺纹连接。
[0016]所述定子3包括切口型铰链3-1、压电堆叠3-2、预紧螺钉3-3和调整垫片3-4。所述切口型铰链3-1采用非对称平行四边形结构的柔性铰链，所述切口型铰链3-1可采用5052、6061或7075铝合金材料，所述切口型铰链3-1设置有固定安装孔3-1-1，通过螺钉将切口型铰链3-1与上活动平台2-2的上表面进行螺纹紧固连接，所述切口型铰链3-1设置有半圆形柔性铰链3-1-2、半圆形柔性铰链3-1 -3、半圆形柔性铰链3-1 -5和半圆形柔性铰链3_1 -6。半圆形柔性铰链3-1-2和半圆形柔性铰链3-1-3具有相同的圆角半径值办，半圆形柔性铰链3-1-5和半圆形柔性铰链3-1-6具有相同的圆角半径值他，通过调整圆角半径办与他的比值，可改变定子3的轴向刚度分布，其中,RAR2的比值范围为0.1?I ,R1与切口型铰链3-1壁厚的比值范围为0.02?0.9。定子3采用非对称平行四边形结构的柔性铰链，使其沿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。所述切口型铰链3-1设置有定子驱动足3-1-4，所述定子驱动足3-1-4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+l)mm，本实施方式中M=8mm，N=7mm。所述定子驱动足3-1-4端面相应涂有陶瓷类或玻璃纤维类摩擦材料，所述定子驱动足3-1-4驱动动子4运动。所述预紧螺钉安装孔3-1-7与预紧螺钉3-3进行螺纹连接，所述压电堆叠3-2可以是PI或NEC等公司的压电堆叠产品。所述压电堆叠3-2的后端面与预紧螺钉3-3之间设置有调整垫片3-4，所述压电堆叠3-2的前端面与切口型铰链3-1之间设置有调整垫片3-4，所述压电堆叠3-2前后端面设置垫片
3-4的目的是为了保护压电堆叠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3-3的旋合长度，可实现对压电堆叠3-2的轴向预紧调节。
[0017]所述动子4为双列交叉滚柱导轨，包括固定导轨4-1、活动导轨4-2、保持架4-3和导轨安装螺栓4-4。所述固定导轨4-1，通过导轨螺纹安装孔1-4固定于导轨安装平面1-3上，所述活动导轨4-2端面相应涂有陶瓷类或玻璃纤维类摩擦材料，所述固定导轨4-1设置有保持架4-3和滚柱，保持架4-3和滚柱为动子4的滑动提供支撑。为了避免保持架4-3和滚柱滑出导轨，同时限制动子4的运动范围，分别在动子4的固定导轨4-1和活动导轨4-2的两端设置导轨安装螺栓4-4，所述导轨安装螺栓4-4进行限位。
[0018]【具体实施方式】二:结合图9图说明本实施方式。本实施方式提供了一种非对称结构精密压电粘滑直线马达驱动方法的具体实施方案。所述一种非对称结构精密压电粘滑直线马达驱动方法如下所示。
[0019]所述驱动方法中所采用的复合激励电信号由摩擦调控波复合叠加于定子快速变形阶段的锯齿驱动波中，所述驱动波为锯齿波，所述摩擦调控波可为正弦波。其中，锯齿驱动波周期为T1，激励电压幅值为V1，对称性为D，微幅摩擦正弦调控波周期为T2，激励电压幅值为V2，锯齿驱动波与微幅摩擦正弦调控波的周期比为T1ZiT2=1?100000，激励电压幅值比为Vi/V2大于2。
[0020]工作原理:非对称结构精密压电粘滑直线马达及其驱动方法主要是在复合电信号激励下，综合调控定子与动子间的摩擦力，进而提升压电粘滑直线马达机械输出特性。本发明的定子由于采用非对称柔性铰链机构，使得定子沿轴向刚度分布不均匀，激发定子驱动端产生侧向位移，调整定子与动子间接触的正压力，即在定子缓慢变形驱动阶段，增大定子与动子间接触的正压力，进而增加定子与动子间的摩擦驱动力，在定子快速变形驱动阶段，减小定子与动子间接触的正压力，进而减小定子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，提升整机输出性能。同时，本发明通过将摩擦调控波复合叠加于定子快速变形阶段的锯齿驱动波中，激发定子处于微幅高频振动状态，改善定子与动子间传动接触状态，减小定子与动子间的真实接触面积和实际接触时间，从而降低快速变形驱动阶段定、动子间摩擦阻力，抑制回退运动产生，可显著提升压电粘滑直线马达机械输出特性。
[0021]综合以上所述内容，本发明提供一种非对称结构精密压电粘滑直线马达，采用非对称柔性铰链机构，使得定子沿轴向刚度分布不均匀而产生侧向位移，综合调控定子与动子间的摩擦力；本发明提供的驱动方法能够抑制位移回退运动的产生，显著提升压电粘滑直线马达机械输出特性。切口型铰链与压电堆叠装配成一个定子，装配简单，易于调节;所设计的加载机构，可方便的调节定子与动子之间接触的预紧力。本发明具有结构简单、精度高和行程大等特点，在航空航天、光学精密仪器和半导体加工等微纳精密驱动与定位领域中具有很好的应用前景。
【主权项】
1.一种非对称结构精密压电粘滑直线马达，其特征在于该非对称结构精密压电粘滑直线马达由固定支架(I)、加载机构(2)、定子(3)和动子(4)组成，其中加载机构(2)固定在固定支架(I)上，定子(3)安装在加载机构(2)上，动子(4)安装在固定支架(I)上。2.根据权利要求1所述的一种非对称结构精密压电粘滑直线马达，其特征在于所述固定支架(I)采用“L”字型结构，固定支架(I)包括固定支架安装孔(1-1)，加载机构螺纹安装孔(1-2)，导轨安装平面(1-3)和导轨螺纹安装孔(1-4);固定支架安装孔(1-1)可与其它外围装置进行固定，加载机构螺纹安装孔(1-2)用于加载机构(2)的固定，导轨安装平面(1-3)和导轨螺纹安装孔(1-4)用于安装动子(4)。3.根据权利要求1所述的一种非对称结构精密压电粘滑直线马达，其特征在于所述的加载机构(2)为非对称结构精密压电粘滑直线马达的锁紧力调节机构，加载机构(2)包括下固定平台(2-1)、上活动平台(2-2)、手动调节螺杆(2-3)和紧固螺钉(2-4);下固定平台(2-1)和上活动平台(2-2)通过紧固螺钉(2-4)进行锁紧，调节手动调节螺杆(2-3)驱使上活动平台(2-2)移动，所述下固定平台(2-1)设置有螺纹孔(2-1-1)用于与手动调节螺杆(2-3)进行螺纹连接，下固定平台(2-1)设置有弹簧固定柱(2-1-2)用于安装弹簧(2-1-4)，下固定平台(2-1)设置有导轨(2-1-3)用于上活动平台(2-2)的移动，导轨(2-1-3)设置有导轨安装螺钉(2-1-5)，下固定平台(2-1)底部设置有安装孔(2-1-6)通过螺纹连接可实现与固定支架(I)之间的固定安装，下固定平台(2-1)设置有锁紧保持架(2-1-7)和锁紧保持架固定螺钉(2-1-8)，上活动平台(2-2)上端面设置有螺纹孔(2-2-1)用于固定安装定子(3)，上活动平台(2-2)与紧固螺钉(2-4)通过其侧面设置的螺纹安装孔(2-2-2)进行连接。4.根据权利要求1所述的一种非对称结构精密压电粘滑直线马达，其特征在于所述的定子(3)包括切口型铰链(3-1)、压电堆叠(3-2)、预紧螺钉(3-3)和调整垫片(3-4);所述压电堆叠(3-2)通过预紧螺钉(3-3)和调整垫片(3-4)固定在切口型铰链(3-1)内，所述切口型铰链(3-1)的固定安装孔(3-1-1)与上活动平台(2-2)通过螺钉进行连接，切口型铰链(3-1)设置有半圆形柔性铰链(3-1-2)，半圆形柔性铰链(3-1-3)，半圆形柔性铰链(3-1-5)和半圆形柔性铰链(3-1-6)，定子驱动足(3-1-4)驱动动子(4)运动，预紧螺钉安装孔(3-1-7)与预紧螺钉(3-3)进行螺纹连接，压电堆叠(3-2)的后端面与预紧螺钉(3-3)之间设置有调整垫片(3-4)，压电堆叠(3-2)的前后端面与切口型铰链(3-1)之间设置有调整垫片(3-4)，通过调整预紧螺钉(3-3)的旋合长度，可实现对压电堆叠(3-2)的轴向预紧调节。5.根据权利要求4所述的一种非对称结构精密压电粘滑直线马达，其特征在于定子(3)的半圆形柔性铰链(3-1-2)和半圆形柔性铰链(3-1-3)具有相同的圆角半径值仏，半圆形柔性铰链(3-1-5)和半圆形柔性铰链(3-1-6)具有相同的圆角半径值R2,仏与1?2的比值范围为0.1?I ,R1与切口型铰链(3-1)壁厚的比值范围为0.02?0.9。6.根据权利要求4所述的一种非对称结构精密压电粘滑直线马达，其特征在于定子(3)的切口型铰链(3-1)可采用5052铝合金、6061铝合金、7075铝合金、T1-35A钛合金或T1-13钛合金材料。7.根据权利要求4所述的一种非对称结构精密压电粘滑直线马达，其特征在于定子(3)的定子驱动足(3-1-4)端面相应涂有陶瓷类或玻璃纤维类摩擦材料。8.根据权利要求1所述的非对称结构精密压电粘滑直线马达，其特征在于所述的动子(4)为双列交叉滚柱导轨，包括固定导轨(4-1)、活动导轨(4-2)、保持架(4-3)和导轨安装螺栓(4-4);所述固定导轨(4-1)通过导轨螺纹安装孔(1-4)固定于导轨安装平面(1-3)上，活动导轨(4-2)端面相应涂有摩擦陶瓷，固定导轨(4-1)设置有保持架(4-3)和滚柱，动子(4)的固定导轨(4-1)和活动导轨(4-2)的两端设置导轨安装螺栓(4-4)。9.一种非对称结构精密压电粘滑直线马达驱动方法，该驱动方法基于权利要求1所述的非对称结构精密压电粘滑直线马达实现;所述驱动方法特征在于驱动波为锯齿波，摩擦调控波为正弦波，其中锯齿驱动波周期为T1，激励电压幅值为V1，对称性为D，微幅摩擦正弦调控波周期为T2，激励电压幅值为％，锯齿驱动波与微幅摩擦正弦调控波的周期比为T1Zt2=10?100000，激励电压幅值比为WV2大于2。
【文档编号】H02N2/06GK105827142SQ201610386968
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年6月6日
【发明人】程廷海, 何猛, 张邦成, 卢晓晖, 何璞, 殷梦飞
【申请人】长春工业大学