斜拉式菱形放大机构压电粘滑直线电机及其激励方法
【专利摘要】一种斜拉式菱形放大机构压电粘滑直线电机及其激励方法，以解决当前压电粘滑直线电机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。本发明由预压力装置、斜拉式定子和动子组成；所述定子的斜拉式菱形运动转换机构具有微位移放大功能，由于其轴向刚度分布不均既产生了侧向位移，又增大了摩擦驱动力，并减小了摩擦阻力；同时将摩擦调控波耦合叠加于斜拉式定子快速变形驱动阶段的锯齿驱动波中，从而降低快速变形驱动阶段定、动子间摩擦阻力，实现对摩擦力的综合调控，提升了压电粘滑直线电机的机械输出特性。本发明因具有结构紧凑、装配方便、定位精度高以及行程不受限等优点可广泛应用于精密光学仪器等微纳精密驱动与定位技术领域。
【专利说明】
斜拉式菱形放大机构压电粘滑直线电机及其激励方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种斜拉式菱形放大机构压电粘滑直线电机及其激励方法，属于微纳精密驱动与定位技术领域。
【背景技术】
[0002]压电粘滑直线电机是一种基于压电元件的逆压电效应，在非对称电信号激励下激发定子(或称振子)产生微幅高频振动，利用定子与动子间的摩擦耦合实现机械能输出的微纳精密压电粘滑直线电机。按照驱动原理的不同，压电粘滑直线电机主要分为共振型压电电机(也称超声波电机)与非共振型压电电机(也称压电粘滑电机)两大类。与共振型压电电机相比，压电粘滑直线电机具有结构简单紧凑、容易装配、控制方便、定位精度高等特点，被广泛应用于半导体加工、精密光学仪器等微纳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驱动阶段，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电机无法实现对整个粘滑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电机快速变形驱动阶段的摩擦力进行调控，进一步限制压电粘滑直线电机的应用与发展。
【发明内容】
[0004]为解决已有压电粘滑直线电机由于定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，本发明公开一种斜拉式菱形放大机构压电粘滑直线电机及其激励方法。
[0005]本发明所采用的技术方案是:
所述斜拉式菱形放大机构压电粘滑直线电机由预压力装置、斜拉式定子和动子组成。
[0006]所述预压力装置由下滑台、上滑台和手动调节螺杆组成;所述下滑台设置有动子安装孔和动子安装基面，用于安装固定动子;所述下滑台底部设置有沉头孔，用于与外围装置固定连接;所述下滑台内部设置有内侧固定导轨，用于辅助上滑台沿内侧固定导轨做直线运动，内侧固定导轨设置有下导轨安装螺钉，用于避免上滑台滑出内侧固定导轨。所述下滑台设置有滚珠保持架组件，用于实现上滑台的运动传递;所述下滑台设置有下弹簧固定螺钉和预压弹簧，用于实现上滑台的回程运动;所述下滑台设置有固定螺钉、固定保持架和锁紧螺杆，用于对上滑台的锁紧固定;所述下滑台设置有手动调节螺杆安装孔，用于斜拉式定子的预紧力调节。所述上滑台设置有铰链安装孔，用于斜拉式定子的安装固定;所述上滑台设置有上导轨安装螺钉，用来限制上滑台的运动范围；所述上滑台设置有上弹簧固定螺钉，用于固定预压弹簧的另一端，并可以实现上滑台的单自由度往复直线运动。所述上滑台侧面设置有固定螺纹孔，用于与锁紧螺杆进行螺纹连接，实现上滑台的固定;所述上滑台设置有外侧移动导轨，用于带动上滑台移动。所述手动调节螺杆与手动调节螺杆安装孔进行螺纹连接，实现预压装置对斜拉式定子的预紧力调节。
[0007]所述斜拉式定子由斜拉式菱形运动转换机构、调整垫片、压电堆叠和预紧螺钉组成。所述斜拉式菱形运动转换机构设置有铰链固定孔，使其与上滑台紧固连接;所述斜拉式菱形运动转换机构设置有斜拉式菱形铰链，可将在锯齿波激励下压电堆叠产生的微位移放大。所述斜拉式菱形铰链设置有铰链短轴和铰链长轴，用于调节菱形柔性铰链的微位移放大倍数。所述斜拉式菱形铰链设置有柔性梁和刚性梁，可进一步将斜拉式定子振动产生的微位移放大;所述斜拉式菱形运动转换机构设置有运动足，用于驱动动子实现运动输出；所述斜拉式菱形运动转换机构设置有斜拉式运动转换器，可将压电堆叠轴向振动产生的微位移转换为运动足的侧向位移。由于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，实现对摩擦力的综合调控。所述斜拉式菱形运动转换机构设置有预紧螺钉安装孔，用于压电堆叠预紧。所述压电堆叠的前后端面与预紧螺钉之间设置有调整垫片，目的是保护压电堆叠，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，可实现对压电堆叠的轴向预紧力调节。
[0008]所述动子为双列交叉滚柱导轨，包括固定滑轨、运动滑轨、滚柱保持架和端部限位螺钉。所述固定导轨借助动子安装孔固定于动子安装基面上，所述运动导轨端面涂有玻璃纤维类摩擦材料;所述滚柱保持架为运动滑轨的滑动提供滑动支撑;所述端部限位螺钉用于限制运动滑轨的运动范围。
[0009]所述激励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斜拉式定子快速变形阶段的锯齿驱动波中，所述摩擦调控波为正弦波;所述激励方法可减小快速变形阶段斜拉式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IVT2=1?100000，激励电压幅值比为WV2大于2。
[0010]本发明的有益效果是:
本发明采用具有摩擦力综合调控功能的斜拉式定子结构，并通过耦合激励电信号进行激励，增大斜拉式定子缓慢变形驱动阶段斜拉式定子与动子间摩擦驱动力，降低斜拉式定子快速变形阶段斜拉式定子与动子间摩擦阻力，实现对压电粘滑直线电机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电机的机械输出特性，降低位移回退率，开环条件下定位精度可达纳米级。与当前已有技术相比，具有结构紧凑与控制方便等优点，输出力提升20%以上，输出速度提升50%以上，输出效率提升70%以上。
【附图说明】
[0011]图1所示为本发明提出的斜拉式菱形放大机构压电粘滑直线电机的结构示意图；
图2所示为本发明提出的斜拉式菱形放大机构压电粘滑直线电机的预压力装置结构示意图；
图3所示为本发明提出的斜拉式菱形放大机构压电粘滑直线电机的下滑台结构示意图；
图4所示为本发明提出的斜拉式菱形放大机构压电粘滑直线电机的上滑台俯视结构示意图；
图5所示为本发明提出的斜拉式菱形放大机构压电粘滑直线电机的上滑台仰视结构示意图；
图6所示为本发明提出的斜拉式菱形放大机构压电粘滑直线电机的斜拉式定子结构示意图；
图7所示为本发明提出的斜拉式菱形放大机构压电粘滑直线电机的斜拉式菱形运动转换机构结构示意图；
图8所示为本发明提出的斜拉式菱形放大机构压电粘滑直线电机的斜拉式菱形运动转换机构局部俯视结构示意图；
图9所示为本发明提出的斜拉式菱形放大机构压电粘滑直线电机的斜拉式菱形运动转换机构局部侧视结构示意图；
图10所示为本发明提出的斜拉式菱形放大机构压电粘滑直线电机的动子结构示意图；图11所示为本发明提出的斜拉式菱形放大机构压电粘滑直线电机的耦合激励电信号波形示意图。
【具体实施方式】
[0012]【具体实施方式】一:结合图1?图10说明本实施方式。本实施方式提供一种斜拉式菱形放大机构压电粘滑直线电机的具体实施方案。所述一种斜拉式菱形放大机构压电粘滑直线电机由预压力装置1、斜拉式定子2和动子3组成。
[0013]所述预压力装置I由下滑台1-1、上滑台1-2和手动调节螺杆1-3组成。所述下滑台1-1设置有动子安装孔1-1-1和动子安装基面1-1-12，用于安装固定动子3;所述下滑台1-1底部设置有沉头孔1-1-2，用于与外围装置固定连接。所述下滑台1-1内部设置有内侧固定导轨1-1-11，用于辅助上滑台1-2沿内侧固定导轨1-1-11做直线运动，内侧固定导轨1-1-11设置有4η个下导轨安装螺钉1-1-3，其中η为大于等于I的整数，用于避免上滑台1-2滑出内侧固定导轨1-1-11。所述下滑台1-1设置有滚珠保持架组件1-1-4，用于实现上滑台1-2的运动传递;所述下滑台1-1设置有下弹簧固定螺钉1-1-9和预压弹簧1-1-10，用于实现上滑台1-2的回程运动;所述下滑台1-1设置有固定螺钉1-1-5、固定保持架1-1-6和锁紧螺杆1-1-7，通过调节锁紧螺杆1-1-7，可以实现对上滑台1-2的锁紧固定，防止电机工作中上滑台1-2发生窜动。所述下滑台1-1设置有手动调节螺杆安装孔1-1-8，通过与手动调节螺杆1-3采用螺纹连接，实现斜拉式定子2的预紧力调节。所述上滑台1-2设置有铰链安装孔1-2-1，用于斜拉式定子2的安装固定，所述上滑台1-2设置有4η个上导轨安装螺钉1-2-2，用于限制上滑台1-2的运动范围；所述上滑台1-2设置有上弹簧固定螺钉1-2-3，用于固定预压弹簧1-1-10的另一端，并可以实现上滑台1-2的单自由度往复直线运动;所述上滑台1-2侧面设置有固定螺纹孔1-2-4，用于与锁紧螺杆1-1-7进行螺纹连接，实现上滑台1-2的固定;所述上滑台1-2设置有外侧移动导轨1-2-5，用于带动上滑台1-2移动。所述手动调节螺杆1-3与手动调节螺杆安装孔1-1-8进行螺纹连接，通过改变手动调节螺杆1-3的旋进量，可以调节上滑台
1-2的位置，实现预压力装置I对斜拉式定子2的预紧力调节。
[0014]所述斜拉式定子2由斜拉式菱形运动转换机构2-1、调整垫片2-2、压电堆叠2-3和预紧螺钉2-4组成。所述斜拉式菱形运动转换机构2-1采用6061铝合金材料作为加工材料；所述斜拉式菱形运动转换机构2-1设置有铰链固定孔2-1-1，使其与上滑台1-2紧固连接;所述斜拉式菱形运动转换机构2-1设置有斜拉式菱形铰链2-1-2，可将压电堆叠2-3的微位移放大;所述斜拉式菱形铰链2-1-2设置有铰链短轴和铰链长轴，具体地，铰链短轴的长度为A，铰链长轴的长度为B，其长短轴的比值K=B/A为斜拉式菱形铰链2-1-2在垂直于驱动方向的微位移放大倍数，其微位移放大倍数K取值为I?10，通过调整长短轴的比值K，可以改变微位移放大倍数，本实施方式中微位移放大倍数K=8.5。所述斜拉式菱形铰链2-1-2设置有柔性梁2-1-6和刚性梁2-1-7。具体地，柔性梁2-1-6的壁厚为E，刚性梁2-1-7的壁厚均为F，其比值z=F/E取值为1.1?1.5，通过调节ζ值，进一步将压电堆叠2-3振动产生的微位移通过斜拉式菱形运动转换机构2-1放大，本实施方式中选取刚性梁与柔性梁的比值为1.5。所述斜拉式菱形运动转换机构2-1设置有运动足2-1-4，其端面涂有陶瓷类摩擦材料，用于驱动动子3运动。具体地，运动足2-1-4的厚度为M，调节运动足2-1-4厚度M可改变其自身的刚度，其厚度M小于动子接触面厚度3~5 _。所述斜拉式菱形运动转换机构2-1设置有斜拉式运动转换器2-1-3，斜拉式运动转换器2-1-3与运动足2-1-4形成一定夹角值Θ，其中Θ取值为20°?65°，可将压电堆叠2-3轴向振动产生的微位移转换为运动足2-1-4的侧向位移。由于斜拉式定子2的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;本实施方式中夹角θ=25°。所述斜拉式运动转换器2-1-3呈现直梁结构和斜拉梁结构，为实现斜拉式运动转换器更好的实现微位移运动转换，本发明合理的匹配直梁结构和斜拉梁结构的尺寸参数。具体地，直梁结构的长度为L，宽度为N，斜梁结构的长度为Q，宽度为P，其中L=I?1.25Q，N=1?1.1Ρ。所述斜拉式菱形运动转换机构2-1设置有预紧螺钉安装孔2-1-5，用于压电堆叠2-3预紧。所述压电堆叠2-3采用NEC等公司的产品，压电堆叠2-3的前后端面与预紧螺钉2-4之间设置有调整垫片
2-2，所述调整垫片2-2采用不锈钢材料，其厚度在I?2 mm范围时效果最佳，本实施方式中调整垫片2-2厚度为2 mm。所述调整垫片2-2的目的是保护压电堆叠2-3，防止其产生切应变或局部受力不均，通过调整预紧螺钉2-4的旋进量，可实现对压电堆叠2-3的轴向预紧力调节。
[0015]所述动子3为双列交叉滚柱导轨，包括固定滑轨3-1、运动滑轨3-2、滚柱保持架3-3和端部限位螺钉3-4。所述固定导轨3-1借助动子安装孔1-1-1固定在动子安装基面1-1-12上，所述运动导轨3-2端面涂有玻璃纤维类摩擦材料，所述滚柱保持架3-3为运动滑轨3-2的滑动提供支撑，所述端部限位螺钉3-4用于限制运动滑轨3-2的运动范围。
[0016]【具体实施方式】二:结合图11图说明本实施方式。本实施方式提供一种斜拉式菱形放大机构压电粘滑直线电机激励方法的具体实施方案。所述一种斜拉式菱形放大机构压电粘滑直线电机的激励方法如下所示。
[0017]所述激励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斜拉式定子快速变形阶段的锯齿驱动波中，所述摩擦调控波可为正弦波。其中，锯齿驱动波周期为Ti，激励电压幅值为％，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IVT2=1?100000，激励电压幅值比为V1ZiV2大于2。
[0018]工作原理:斜拉式菱形放大机构压电粘滑直线电机及其激励方法主要是在耦合电信号激励下，综合调控斜拉式定子与动子间的摩擦力，进而提升压电粘滑直线电机的机械输出特性。其中，在斜拉式定子缓慢变形驱动阶段，动子在静摩擦力作用下随着定子一起发生缓慢的“粘”运动，此时静摩擦力提供驱动力，增大斜拉式定子与动子间摩擦力可提升电机输出性能;在斜拉式定子快速变形驱动阶段，斜拉式定子与动子间产生的滑动摩擦力为摩擦阻力，特别是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，微观上表现为类锯齿状的不平稳运动，劣化输出性能，影响定位精度，此时设法降低斜拉式定子与动子滑动摩擦阻力，可改善电机综合输出特性。本发明的斜拉式定子由于采用斜拉式菱形运动转换机构，使得斜拉式定子轴向刚度分布不均匀，激发斜拉式定子驱动端产生侧向位移，调整斜拉式定子与动子间接触的正压力，即在斜拉式定子缓慢变形驱动阶段，增大斜拉式定子与动子间接触的正压力，进而增加斜拉式定子与动子间的摩擦驱动力，在斜拉式定子快速变形驱动阶段，减小斜拉式定子与动子间接触的正压力，进而减小斜拉式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耦合叠加于斜拉式定子快速变形阶段的锯齿驱动波中，激发斜拉式定子处于微幅高频振动状态，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电机的机械输出特性。
[0019]综合以上所述内容，本发明提供一种斜拉式菱形放大机构压电粘滑直线电机及其激励方法，以解决当前压电粘滑直线电机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。所提出的斜拉式菱形放大机构压电粘滑直线电机，具有结构紧凑、装配方便、定位精度高及行程不受限等特点。所提出的激励方法可明显降低压电粘滑直线电机的位移回带率，提升其机械输出特性，在精密光学仪器、半导体加工等微纳精密驱动与定位技术领域具有很好的应用前景。
【主权项】
1.一种斜拉式菱形放大机构压电粘滑直线电机，其特征在于该斜拉式菱形放大机构压电粘滑直线电机由预压力装置(I)、斜拉式定子(2)和动子(3)组成;所述斜拉式定子(2)安装固定在预压力装置(I)上，动子(3)安装固定在预压力装置(I)上。2.根据权利要求1所述的一种斜拉式菱形放大机构压电粘滑直线电机，其特征在于预压力装置(I)由下滑台(1-1)、上滑台(1-2)和手动调节螺杆(1-3)组成;所述下滑台(1-1)设置固定动子安装孔(1-1-1)和动子安装基面(1-1-12)，通过动子安装孔(1-1-1)将动子(3)固定在动子安装基面(1-1-12)上;下滑台(1-1)设置有沉头孔(1-1-2)，下滑台(1-1)内部设置有内侧固定导轨(1-1-11)，内侧固定导轨(1-1-11)安装有下导轨安装螺钉(1-1-3);下滑台(1-1)设置有下弹簧固定螺钉(1-1-9)和预压弹簧(1-1-10);下滑台(1-1)设置有固定螺钉(1-1-5)、固定保持架(1-1-6)和锁紧螺杆(1-1-7)，通过锁紧螺杆(1-1-7)与固定保持架(1-1-6)的螺纹连接将上滑台(1-2)与固定保持架(1-1-6)锁紧固定;下滑台(1-1)设置有手动调节螺杆安装孔(1-1-8);所述上滑台(1-2)设置有铰链安装孔(1-2-1 )，通过铰链安装孔(1-2-1)将斜拉式定子(2)与上滑台(1-2)固定；上滑台(1-2)端部设置有上导轨安装螺钉(1-2-2)和上弹簧固定螺钉(1-2-3)，上滑台(1-2)侧面设置有固定螺纹孔(1-2-4)，通过与锁紧螺杆(1-1-7)采用螺纹连接固定上滑台(1-2)，上滑台(1-2)设置有外侧移动导轨(1-2-5);所述手动调节螺杆(1-3)与手动调节螺杆安装孔(1-1-8)采用螺纹连接预紧斜拉式定子(2)。3.根据权利要求1所述的一种斜拉式菱形放大机构压电粘滑直线电机，其特征在于斜拉式定子(2)由斜拉式菱形运动转换机构(2-1)、调整垫片(2-2)、压电堆叠(2-3)和预紧螺钉(2-4)组成;所述斜拉式菱形运动转换机构(2-1)采用斜拉梁式菱形柔性铰链结构;斜拉式菱形运动转换机构(2-1)设置有铰链固定孔(2-1-1)和斜拉式菱形铰链(2-1-2);斜拉式菱形运动转换机构(2-1)设置有运动足(2-1-4)和斜拉式运动转换器(2-1-3);斜拉式菱形运动转换机构(2-1)设置有预紧螺钉安装孔(2-1-5)，通过预紧螺钉安装孔(2-1-5)与预紧螺钉(2-4)采用螺纹连接将压电堆叠(2-3)固定;所述压电堆叠(2-3)的前后端面与预紧螺钉(2-4)之间设置有调整垫片(2-2)。4.根据权利要求1所述的一种斜拉式菱形放大机构压电粘滑直线电机，其特征在于动子(3)为双列交叉滚柱导轨，包括固定滑轨(3-1)、运动滑轨(3-2)、滚柱保持架(3-3)和端部限位螺钉(3-4);固定导轨(3-1)通过动子安装孔(1-1-1)固定在动子安装基面(1-1-12)上，所述固定滑轨(3-1)和运动滑轨(3-2)端部安装有端部限位螺钉(3-4)，固定滑轨(3-1)通过滚柱保持架(3-3 )与运动滑轨(3-2 )间接接触。5.根据权利要求1所述的一种斜楔式菱形放大机构压电粘滑直线电机，其特征在于斜拉式定子(2)的斜拉式菱形运动转换机构(2-1)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;所述预压力调节装置(I)的下滑台(1-1)和下滑台(1-2)均采用不锈钢材料;所述动子(3)的固定导轨(3-1)和运动滑轨(3-2)均采用45号钢材料。6.根据权利要求3所述的一种斜拉式菱形放大机构压电粘滑直线电机，其特征在于斜拉式定子(2)的斜拉式菱形铰链(2-1-2)设置有铰链短轴和铰链长轴，铰链短轴的长度为A，铰链长轴的长度为B，其长轴与短轴的比值K=B/A为斜拉式菱形铰链(2-1-2)在垂直于驱动方向的微位移放大倍数，其微位移的放大倍数K取值为I?10。7.根据权利要求3所述的一种斜拉式菱形放大机构压电粘滑直线电机，其特征在于斜拉式定子(2)的斜拉式菱形运动转换机构(2-1)设置有斜拉式运动转换器(2-1-3)，斜拉式运动转换器(2-1-3)与运动足(2-1-4)形成夹角值Θ，其中Θ取值为20° ~65°。8.根据权利要求3所述的一种斜拉式菱形放大机构压电粘滑直线电机，其特征在于斜拉式定子(2)的运动足(2-1-4)端面涂有陶瓷类或玻璃纤维类摩擦材料。9.一种斜拉式菱形放大机构压电粘滑直线电机激励方法，该激励方法基于权利要求1所述的斜拉式菱形放大机构压电粘滑直线电机实现;所述激励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IVT2=1?100000，激励电压幅值比为WV2大于2。
【文档编号】H02N2/06GK105915109SQ201610386938
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年6月6日
【发明人】程廷海, 赵宏伟, 张邦成, 柳虹亮, 宋兆阳, 秦峰
【申请人】长春工业大学