一种单旋转永磁箝位直线步进式压电驱动器及该驱动器的驱动方法与流程

本发明属于精密仪器设备技术领域，尤其涉及一种直线步进式压电驱动器。

背景技术：

为满足航空航天/生物医学/微机电系统/精密制造等领域的精密定位要求，基于电磁/静电/热变形/磁致伸缩/形状记忆合金/电致变形/压电等原理的精密驱动器(或称电机/马达/致动器/促动器等)的研究已成为国内外热点。每类驱动器都有自身优势和适用领域，压电驱动器具有分辨率高、定位精确、结构简单、控制方便、无电磁干扰等特点，故应用范围更广，已被用于生物细胞操作、微机电系统、微纳米压痕、航空摄像等系统中，展示了较好的应用效果和光明的前景。

近年来，随着压电材料性能的日益提高，新原理、新功能的压电驱动器不断涌现，各国学者高度重视具有微纳米精度的压电驱动技术研究。根据驱动机理的不同，压电驱动器一般可分为：超声波驱动器、直动驱动器、步进驱动器和惯性驱动器等；从广义上讲，压电泵、压电液压马达和压电超声电机也属于压电驱动器。步进式的工作原理是根据自然界某些爬行类动物行走的方法而提出的，称为步进式驱动机构，种运动方式又称为蠕动式。在时序控制电压信号的作用下，驱动装置可实现定向运动。

现有的步进式压电直线驱动器大多采用压电陶瓷材料的驱动力，通过箝位机构产生箝位的摩擦力实现箝位过程，无论如何，是利用箝位面与接触面之间接触产生的静摩擦力提供箝位力，箝位力的大小和箝位力的稳定性直接影响驱动器的承载能力、运动分辨率和运动稳定性。由于驱动器箝位面与接触面之间的接触属于小间隙接触只有几微米，使得驱动器的性能容易受到外界因素如时效、温度、磨损、加工装配误差等因素的影响。鉴于该箝位原理的局限性，该种驱动器本身不可能有较大的输出力，并且由于磨损的存在，行一段时间之后，于间隙变大普遍出现输出负载下降，线度不稳定的现象，最终影响步进式压电直线驱动器的使用寿命。

通过检索相关文献，总结出目前步进式压电直线驱动器亟待解决的一些问题：

1、电控部分结构复杂；

2、机械部分结构复杂、操作困难；

3、难于兼顾大行程和高精度；

4、摩擦磨损严重。

技术实现要素：

本发明是为了解决现有的驱动器电控和机械结构部分复杂、分辨率低且寿命短的问题，提供一种单旋转永磁箝位直线步进式压电驱动器及该驱动器的驱动方法。

一种单旋转永磁箝位直线步进式压电驱动器，特征在于，它包括：底座、直流电机支架、直流电机、旋转磁铁固定盘、磁铁、质量块、支撑板a、支撑板b、工作表面板、压电叠堆、滑动导磁块、固定导磁块、预紧螺钉、运动钢条；

运动部分为运动钢条，放置在滑动导磁块和固定导磁块上；

驱动部分由工作表面板、压电叠堆、滑动导磁块、固定导磁块、预紧螺钉组成，固定导磁块底部设计有螺纹孔，通过螺钉固定在工作表面板上，压电叠堆的两端分别是滑动导磁块和固定导磁块，分别通过预紧螺钉固定；

分时箝位磁场部分由直流电机、旋转磁铁固定盘、磁铁、质量块组成，磁铁与质量块对称固定连接在旋转磁铁固定盘上形成磁盘，磁盘固定安装在直流电机的输出轴上；

基座部分由底座、支撑板a、支撑板b、直流电机支架组成，均用螺钉连接；

运动部分直接放置在滑动导磁块和固定导磁块上，驱动部分通过螺钉固定在基座部分上，分时箝位磁场部分固定安装在直流电机支架上。

上述压电叠堆的两侧分别设置滑动导磁块与固定导磁块，且两端的滑动导磁块与固定导磁块与分时箝位磁场部分中的磁铁与质量块存在相同的中心线。

上述分时箝位磁场部分，磁铁与质量块位置关于直流电机轴心线对称分布，直流电机旋转，分时箝位磁场产生箝位磁力，进而实现分时箝位摩擦力。

上述运动钢条上存在凹槽，滑动导磁块与固定导磁块顶部存在凸缘，两者配合实现对运动钢条的限位。

上述一种单旋转永磁箝位直线步进式压电驱动器的驱动方法，方法为：

当分时箝位磁场中的磁铁旋转至固定导磁块下方时，不对压电叠堆进行通电，当磁铁旋转至滑动导磁块下方时对压电叠堆持续通电，此时压电叠堆会跟左侧滑动导磁块同时伸长，由于磁力作用，将带动上端运动钢条向左侧滑动一步；

随着分时箝位磁场部分中直流电机输出轴的转动磁铁渐渐远离滑动导磁块，当磁铁运动到固定导磁块正下方时，停止对压电叠堆通电，此时压电叠堆会收缩，但由于固定导磁块受到磁力的影响，将运动钢条吸住，运动钢条不发生运动，按照上述过程形成一个运动周期，完成压电直线驱动器的一次运动。

本发明所述的一种双旋转永磁箝位直线步进式压电驱动器，用匀速旋转永磁铁的方式实现稳定箝位的磁场，磁场通过导磁块将传递至运动钢条，产生箝位的摩擦力，以将永磁体产生的磁力实现分时箝位，通过机械结构的优化，简化了电控系统；使用永磁体进行箝位，将压电叠堆由逆压电效应产生的绝大部分作用力转化为驱动器的有效驱动力，有较大的承载能力；产生箝位磁场的磁铁固定盘与工作表面板之间没有直接接触，避免了箝位机构因接触产生的摩擦磨损，同时避免了造成箝位作用力的下降甚至驱动器失效的情况，使用寿命长；换能效率高，分辨率高，行程大，可被广泛应用于各类精密超精密加工与运动、材料试件纳米力学性能检测、微机电系统、机器人等高尖端的科学技术领域。

本发明所述的一种双旋转永磁箝位直线步进式压电驱动器的驱动方法，步骤简单，方式新颖，适用于超精密加工机床、精密超精密微细加工与测量技术、材料试件纳米力学性能检测、微机电系统、精密光学、半导体制造、现代医学与生物遗传工程、航空航天、机器人、军事技术等高尖端的科学技术领域。

附图说明

图1为一种单旋转永磁箝位直线步进式压电驱动器的立体结构示意图；

图2为一种单旋转永磁箝位直线步进式压电驱动器中旋转磁铁固定盘主视图；

图3为一种单旋转永磁箝位直线步进式压电驱动器中运动钢条三视图；

图4为一种单旋转永磁箝位直线步进式压电驱动器中使用的压电叠堆主视图；

图5为一种单旋转永磁箝位直线步进式压电驱动器的简化结构示意图；

图6为采用具体实施方式二所述的一种单旋转永磁箝位直线步进式压电驱动器的驱动方法时，动器的运动过程应激励信号示意图；

图7为采用具体实施方式二所述的一种单旋转永磁箝位直线步进式压电驱动器的驱动方法时，动器的运动过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

具体实施方式一：参照图1至图4具体说明本实施方式，实施方式所述的一种单旋转永磁箝位直线步进式压电驱动器，它包括：底座1、直流电机支架2、直流电机14、旋转磁铁固定盘10、磁铁4、质量块13、支撑板a3、支撑板b15、工作表面板5、压电叠堆9、滑动导磁块7、固定导磁块11、预紧螺钉6、预紧螺钉12、运动钢条8；

运动部分为运动钢条8，放置在滑动导磁块7和固定导磁块11上；

驱动部分由工作表面板5、压电叠堆9、滑动导磁块7、固定导磁块11、预紧螺钉6、预紧螺钉12组成，固定导磁块11底部设计有螺纹孔，通过螺钉固定在工作表面板5上，压电叠堆9的两端分别是滑动导磁块7和固定导磁块11，分别通过预紧螺钉6、预紧螺钉12固定；

分时箝位磁场部分由直流电机14、旋转磁铁固定盘10、磁铁4、质量块13组成，磁铁4与质量块13对称固定连接在旋转磁铁固定盘10上形成磁盘，磁盘固定安装在直流电机的输出轴上；

基座部分由底座1、支撑板a3、支撑板b15、直流电机支架2组成，均用螺钉连接；

运动部分直接放置在滑动导磁块7和固定导磁块11上，驱动部分通过螺钉固定在基座部分上，分时箝位磁场部分固定安装在直流电机支架2上。

本实施方式中，压电叠堆9的两侧分别设置滑动导磁块7与固定导磁块11，且两端的滑动导磁块7与固定导磁块11与分时箝位磁场部分中的磁铁4与质量块13存在相同的中心线。

本实施方式中，分时箝位磁场部分，磁铁与质量块位置关于直流电机14轴心线对称分布，直流电机14旋转，分时箝位磁场产生箝位磁力，进而实现分时箝位摩擦力。

本实施方式中，运动钢条8上存在凹槽，滑动导磁块7与固定导磁块11顶部存在凸缘，两者配合实现对运动钢条8的限位。

具体实施方式二：参照图5、图6、图7具体说明本实施方式，具体实施方式所述的一种单旋转永磁箝位直线步进式压电驱动器的驱动方法，该方法为：

当分时箝位磁场中的磁铁4旋转至固定导磁块11下方时如图7(1)所示，此时不对压电叠堆9进行通电，压电叠堆9激励信号为图6中a-b段，当磁铁4旋转至滑动导磁块7下方时，对压电叠堆9持续通电如图6中c-d段，此时压电叠堆9会跟左侧滑动导磁块7同时伸长，由于磁力作用，将带动上端运动钢条8向左侧滑动一步如图7(2)所示；

随着分时箝位磁场部分中直流电机14输出轴的转动，磁铁4渐渐远离滑动导磁块7，当磁铁4运动到固定导磁块11正下方时，停止对压电叠堆9通电如图6中e-f段，此时压电叠堆9会收缩，但由于固定导磁块11受到磁力的影响，将运动钢条8吸住，运动钢条8不发生运动如图7(3)所示，按照上述过程形成一个运动周期，完成压电直线驱动器的一次运动。

当该驱动器运动完成需要恢复原位时，需手动将运动钢条8推至原位。