专利名称：多足箝位式压电电机的制作方法
技术领域：
本发明是一种多足箝位式压电电机，属于压电精密致动电机的技术领域。
背景技术：
近年来，随着微/纳米技术的高速发展，众多工程和技术领域的研究都迫切的需 要亚微米级、微/纳米级的超精密驱动。传统的步进电机功率一重量比低，而且电机高速运 转后需要减速装置变速，致使传动系统复杂，结构累赘。随着科学技术的发展，人们研制出 各种功能材料，其中，压电陶瓷(PZT)以其相对优越的性能使得压电精密作动器的研究得到 了广泛关注，并在许多领域得到了应用。压电精密作动器主要分为两类超声电机和蠕动式精密驱动器。超声电机是利用 压电陶瓷的逆压电效应激发弹性体的共振，并将弹性体的微变形通过摩擦耦合转换成转子 或动子的宏观运动。由于引入了共振，从而使超声电机的性能受环境影响较大，输出不稳 定，而且其输出性能随频率的影响很大，不能进行频率控制。蠕动式精密驱动器采用的是一种仿生型的工作原理，利用“箝位-驱动-箝位”的 方式运动，类似于生物体的步行运动。蠕动式精密驱动器避免了由共振所引起的输出性能 的强烈非线性，其工作状态受环境影响较小，此外，它具有更高的位移分辨率。
发明内容
本发明目的是针对现有技术存在的缺陷提供一种稳定性好、输出力大、效率高、寿 命长、分辨率高、加工要求相对较低，具有自锁功能，应用范围更广的多足箝位式压电电机。本发明为实现上述目的，采用如下技术方案
本发明多足箝位式压电电机，所述电机由上至下依次设置第一箝位单元、第一随动弹 簧、第二箝位单元、驱动单元、第三箝位单元、第二随动弹簧和第四箝位单元，其中四个箝位 单元被由预压导轨和预压弹簧组成的预压机构压紧于固定导轨上，四个箝位单元输出垂直 于固定导轨方向的位移，驱动单元输出平行于固定导轨方向的位移，第二、第三箝位单元与 驱动单元固定连接成一个整体；第一、第四箝位单元通过随动弹簧分别与第二、第三箝位单 元连接。优选地，固定导轨和预压导轨由预压弹簧预紧，始终保持与箝位单元接触，使电机 具有自锁功能。优选地，第一、第三箝位单元沿导轨方向移动时，第二、第四箝位单元保持推开导 轨状态；第二、第四箝位单元沿导轨方向移动时，第一、第三箝位单元保持推开导轨状态。本发明多足箝位式压电电机具有同种类型电机的特点外，在两端安装了辅助箝位 机构，目的在于解决导轨加工和装配误差引起的导轨不平行和导轨面的局部不平等引起的 电机卡死，或行走不畅。传统的压电步进式精密驱动器利用“箝位-驱动-箝位”的方式运 动，但是这种传统的精密直线驱动器对加工和装配的要求非常高，装配误差大概在IT3，在 装配过程中，导轨两端的距离肯定是有误差的，当导轨的这种不平行度大到致使导轨距离
3变化Δ L大于动子和导轨的间隙，动子就会出现卡住，或行走不畅，因为叠层压电堆在导轨 内伸长有限的，只有几个微米，所以间隙是必须小于叠层压电堆的伸长量，要保证这么小的 安装间隙很困难；同时导轨的加工误差也会导致导轨表面不平，即表面有起伏或凸起，当这 种起伏大于叠层压电堆的伸缩量时，也会导致电机卡住，所以传统的步进式精密驱动器要 求导轨的平面度要求非常高，这是很难加工的。综上所述，传统的压电步进式精密驱动器的 加工、装配要求较高，而且调试也比较困难，运行平稳性差。而改进后的多足箝位式压电电 机，对以上状况均有所改进。
图1多足箝位式压电电机结构原理图。图2电机驱动所用的电源信号时序，并对电机的运行过程中不同状态标定了时刻。图3为了方便表达电机的运行过程，把电机顺时针旋转了 90度，图中a是电机的 未加电状态，b是电机tl时刻电机状态，c是电机是t2时刻状态，d是电机t3时刻状态，e 是电机t4时刻状态，f是电机t5时刻状态，g是电机t6时刻状态，h是电机下一周期对应 的tl时刻状态。图中涂黑的单元为加电状态；未涂黑的为未加电状态。
具体实施例方式本发明的多足箝位式压电电机，包括箝位单元11、21、12、22、驱动单元3，随动弹 簧41，42，固定导轨51，预压导轨52和预压弹簧6，其特点是具有四个箝位机构，其中两个 箝位单元是辅助作用。这两个辅助箝位单元11、22分别位于动子的上端和下端。下面以直 线动子在导轨内向上运动为例，介绍该驱动器的运动原理初始时动子处于被预压导轨压 紧状态一第一箝位单元11和第三箝位单元12伸长一推开移动导轨，同时第二箝位单元21 和第四箝位单元22脱离接触导轨一驱动单元3推动第二箝位单元21向上移动一个微位移 δ —第二箝位单元21和第四箝位单元22伸长一第一箝位单元11和第三箝位单元12回 缩、脱离导轨一箝位单元3回缩带动第三箝位单元12向上移动一个微位移δ —第一箝位
单元11和第三箝位单元12伸长一......如此循环，这样每一个循环向上移动一步
S。这样动子就可以一步一步向右沿导轨行走。从电机的运行过程来看，始终有两个以上 箝位单元接触导轨，在电机不通电时，四个箝位单元同时接触导轨，并都有一定的压力，所 以电机具有自锁功能。多足箝位式压电电机，其特点动子是由四个箝位单元和一个驱动单元组成，每个 箝位单元都有一个箝位体、一组叠堆、一个调节块，两个调整块，每个箝位体上都有柔性铰 链结构，使得箝位体的悬臂部分可以微角度的转动，并有V形槽和两个螺纹孔，分别用于调 整块的定位和连接板连接。动子共用了 5组叠层压电堆，其中在驱动单元内部的叠堆，是纵 向(图1电机放置状态)伸缩，其余叠堆在箝位单元内部，是横向伸缩。一般叠层压电堆直接 输出的位移非常小，是微/纳米级，所以箝位单元中都采用了位移放大结构，利用箝位体悬 臂部分的杠杆的作用，让叠层压电堆的变形得到了放大，从而使得电机箝位单元的驱动足 部分能够比较理想的实现推开导轨和脱离导轨的交替进行。由于叠层压电堆只能承受轴向 的压缩，不能承受弯转等载荷，于是在叠堆的两端和放大结构接触的地方使用了调整块，减小了叠堆承受的弯矩。叠堆的预紧力是由弹性的放大结构的回复力和移动导轨对放大结构 的预压力共同施加。驱动机构没有采用放大结构，叠堆直接输出位移即可，叠堆的预紧是使 用楔块预紧。第一箝位单元U、第四箝位单元22和第二箝位单元12、第三箝位单元21通 过连接板螺栓连接。连接板之间有弹性元件，使得第一箝位单元11和第二箝位单元12、第 三箝位单元21和第四箝位单元22可以有微小的相对移动。在相应的叠层压电堆上施加有一定时序关系的矩形信号，如图2。.箝位单元11、 箝位单元22、驱动单元3、箝位单元21、箝位单元22对应图2中信号1、信号2、信号3、信号 4、信号5，图中给出了两个周期的信号，t0到T是信号的一个周期，图3所示是图2中标定 的时刻对应的电机状态。信号经过放大后可激励叠层压电堆的伸缩，从而使得箝位单元和 驱动单元以一定的时序差运动，从而形成动子沿导轨方向的伸缩行走。图中c、d右侧弹簧 处于受压状态，当箝位单元11失电时，随动弹簧推动箝位单元11向右移动；图中f、g左侧 弹簧为受拉状态，当箝位单元22失电时，随动弹簧拉动箝位单元22向右移动。结构设计原则1、箝位单元11和箝位单元21、箝位单元12和箝位单元22距离较 小。2、当导轨的粗糙度为Rz，箝位单元与导轨接触部分的粗糙度也为Rz时，箝位单元和导 轨的间隙达到2Rz才能保证箝位单元和导轨脱离。3、随动弹簧41和随动弹簧42在变形量 为(电机单步步长)时，所产生的力应大于辅助箝位单元的最大静摩擦力，且小于驱动单元 对随动弹簧的最大驱动力。
权利要求
1.一种多足箝位式压电电机，其特征在于所述电机由上至下依次设置第一箝位单元 (11)、第一随动弹簧(41)、第二箝位单元(21)、驱动单元(3)、第三箝位单元(12)、第二随动 弹簧(42)和第四箝位单元(22)，其中四个箝位单元(11、21、12、22)被由预压导轨(52)和 预压弹簧(6)组成的预压机构压紧于固定导轨(51)上，四个箝位单元(11、21、12、22)输出 垂直于固定导轨(51)方向的位移，驱动单元(3)输出平行于固定导轨(51)方向的位移，第 二、第三箝位单元(21、12)与驱动单元(3)固定连接成一个整体；第一、第四箝位单元(11、 22)通过随动弹簧(41，42)分别与第二、第三箝位单元(21、12)连接。
2.根据权利要求1所述的多足箝位式压电电机，其特征在于固定导轨(51)和预压导 轨(52)由预压弹簧(6)预紧，始终保持与箝位单元接触，使电机具有自锁功能。
3.根据权利要求1或2所述多足箝位式压电电机，其特征在于第一、第三箝位单元 (11、12)沿导轨方向移动时，第二、第四箝位单元(21、22)保持推开导轨状态；第二、第四箝 位单元(21、22)沿导轨方向移动时，第一、第三箝位单元(11、12)保持推开导轨状态。
全文摘要
本发明公布了一种多足箝位式压电电机，所述电机由上至下依次设置第一箝位单元、第一随动弹簧、第二箝位单元、驱动单元、第三箝位单元、第二随动弹簧和第四箝位单元，其中四个箝位单元被由预压导轨和预压弹簧组成的预压机构压紧于固定导轨上，四个箝位单元输出垂直于固定导轨方向的位移，驱动单元输出平行于固定导轨方向的位移。本发明的一个导轨改为活动导轨使之能够在预压弹簧的作用下保持电机的自锁状态，因此，该电机在功能上除具有一般压电步进精密驱动器的特点外，还具有自锁功能，且降低了对电机的加工精度和装配精度的要求，同时增加了运行的平稳性。
文档编号H02N2/06GK102136811SQ201110058690
公开日2011年7月27日 申请日期2011年3月11日 优先权日2011年3月11日
发明者潘雷, 王寅, 黄卫清 申请人:南京航空航天大学