四足压电步进运动台及集成直线电机的制作方法

本实用新型涉及压电精密致动领域，具体是指一种四足压电步进运动台及集成直线电机。

背景技术：

目前实现大行程精密步进驱动的方式主要有尺蠖式精密驱动和惯性摩擦驱动两种方式。尺蠖式精密驱动能够提供较大的精度和推力，但是由于它的结构复杂导致驱动频率较小，从而导致驱动速度小，结构的复杂还导致控制难度加大，安装精度难以控制。另外，尺蠖型精密驱动的配合磨损严重，最终导致接触不良，性能弱化；惯性摩擦压电驱动装置的结构较简单、控制较容易、驱动速度较大，但是由于摩擦惯性压电驱动装置缺少钳位机构而导致预紧力不足，推力小。

叠层压电陶瓷因性能较优越，近年来制造工艺的提升，大规模生产的实现，越来越多的被应用在精密驱动上。利用叠层压电陶瓷的逆压电效应制成的压电直线电机有很多优点：位移分辨力高、承载力大、响应速度快、输出刚度高、输出位移重复性好、控制简单易操作、能够克服电磁干扰、高温、低温等问题。但目前的非共振式压电电机主要问题在于叠层压电陶瓷的迟滞效应影响，导致压电直线电机的回程误差积累而增大其定位误差，能解决该问题的双足驱动压电直线电机也存在大行程、大推力与高精度难以兼顾的问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种四足压电步进运动台及集成直线电机，可适用于极端环境、对响应速度要求高的环境，还能解决大行程、大推力与高精度难以兼顾的问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种四足压电步进运动台，包括第一驱动足、第二驱动足、第三驱动足、第四驱动足、第一支撑机构、第二支撑机构、第三支撑机构、第四支撑机构、预紧机构、动子和基座；所述第一驱动足、第二驱动足、第三驱动足和第四驱动足相对于所述动子呈对称分布，且所述第一驱动足和所述第二驱动足分别与所述第三驱动足和所述第四驱动足分别沿所述动子径向对称分布，所述第一驱动足和所述第三驱动足分别与所述第二驱动足和所述第四驱动足分别沿所述动子轴向对称分布；

所述第一驱动足的一端通过所述第一支撑机构与所述基座固定连接，另一端通过所述预紧机构紧抱所述动子；所述第二驱动足的一端通过所述第二支撑机构与所述基座固定连接，另一端通过所述预紧机构紧抱所述动子；所述第三驱动足的一端通过所述第三支撑机构与所述基座固定连接，另一端通过所述预紧机构紧抱所述动子；所述第四驱动足的一端通过所述第四支撑机构与所述基座固定连接，另一端通过所述预紧机构紧抱所述动子。

在一较佳的实施例中：所述预紧机构为一组X型的杠杆机构，所述杠杆机构包括第一预紧杆、第二预紧杆、第三预紧杆、第四预紧杆、第一支撑杆、第二支撑杆、第三支撑杆、第四支撑杆、弹簧；

所述第一预紧杆、第二预紧杆、第三预紧杆和第四预紧杆相对于所述动子呈对称分布，且所述第一预紧杆和所述第二预紧杆分别与所述第三预紧杆和所述第四预紧杆沿所述动子径向对称分布，所述第一预紧杆和所述第三预紧杆分别与所述第二预紧杆和所述第四预紧杆沿所述动子轴向对称分布；所述第一预紧杆、第二预紧杆、第三预紧杆、第四预紧杆的外侧端分别与所述第一驱动足、第二驱动足、第三驱动足、第四驱动足相接触，分别为所述第一驱动足、第二驱动足、第三驱动足、第四驱动足提供预紧力使其抱紧动子。

在一较佳的实施例中：所述第一支撑杆和第二支撑杆设置于所述第一预紧杆与第三预紧杆之间；所述第一支撑杆长于第二支撑杆并位于第二支撑杆外侧；所述第三支撑杆和第四支撑杆设置于于第二预紧杆与第三预紧杆之间；所述第三支撑杆长于第四支撑杆并位于第四支撑杆外侧；所述第一支撑杆和第三支撑杆分别与第二支撑杆和第四支撑杆沿所述动子径向对称分布。

在一较佳的实施例中：所述弹簧沿所述动子轴向连接所述第一支撑杆中点与第三支撑杆的中点；所述弹簧将所述第一支撑杆、第二支撑杆、第三支撑杆、第四支撑杆向中心拉紧，使第一预紧杆和第三预紧杆与第二预紧杆和第四预紧杆之间夹角变大。

在一较佳的实施例中：所述第一驱动足包括第一柔性万向节、第二柔性万向节、叠层压电陶瓷、位移转换机构、金属预压机构和金属摩擦球；所述金属预压机构即为一个套在所述叠层压电陶瓷外的一个弹性金属套；

所述第一柔性万向节的一端与所述第一支撑机构相连，另一端与所述金属预压机构一端相连；所述第二柔性万向节的一端与所述金属预压机构的另一端相连，另一端与所述位移转换机构相连；所述位移转换机构通过所述金属摩擦球与所述动子相连；所述第二驱动足、第三驱动足、第四驱动足的结构均与所述第一驱动足的结构相同。

在一较佳的实施例中：所述金属摩擦球分别与所述第一驱动足、第二驱动足、第三驱动足、第四驱动足的接触面形状为V型，所述第一驱动足、第二驱动足、第三驱动足、第四驱动足分别与所述金属摩擦球的接触面的形状为O型。

在一较佳的实施例中：所述第一支撑机构包括底座和支座，所述底座与所述基座固定连接；所述支座与所述第一驱动足固定连接，用于支撑所述第一驱动足；所述第二支撑机构、第三支撑机构、第四支撑机构的结构与所述第一支撑机构的结构相同，并分别支撑所述第二驱动足、第三驱动足、第四驱动足。

本实用新型还提供了一种四足压电步进集成直线电机，采用了上述的四足压电步进运动台；还包括直线电机，所述直线电机包括一转接板；所述动子通过所述转接板与所述基座固定连接。

相较于现有技术，本实用新型的技术方案具备以下有益效果：

1.本实用新型提供的四足压电步进运动台及集成直线电机，采用四驱动足设计，四个驱动足相对动子呈对称分布，四驱动足通过预紧机构直接紧抱动子，四驱动足的伸缩作用通过位移转换机构传递到动子，输出位移的方向与四驱动足伸缩的方向平行；当给四驱动足输入四相电压控制信号后，能够实现差动作动，从而实现大行程、大推力与高精度兼顾。

2.本实用新型提供的四足压电步进运动台及集成直线电机，改进了驱动足中金属摩擦球与动子的接触面的形状，采用V型与O型的配合方式，并采用软性材料与硬性材料搭配的方式以增大摩擦力进而增大推力。

3.本实用新型提供的四足压电步进运动台及集成直线电机，四个驱动足中的预压机构是套在叠层压电陶瓷外的一个弹性金属套，当电信号使叠层压电陶瓷伸长时，该金属套会被拉长，在金属套内将储存有弹性势能；当电信号使叠层压电陶瓷收缩时，金属套也同时收缩，分担了叠层压电陶瓷所受的沿轴向的摩擦力或拉力，可以延长叠层压电陶瓷使用寿命。

4.本实用新型提供的四足压电步进运动台及集成直线电机，四个驱动足始终由预紧机构压紧在动子上，这使得电机具有断电自锁的能力；本实用新型的四个驱动足的端部采用高硬度高耐磨性的陶瓷球，这将大大提高电机的使用寿命。

5.本实用新型提供的四足压电步进运动台及集成直线电机，整体结构简单，提高了电机的装配效率，且易于实现批量化生产；

附图说明

图1为本实用新型优选实施例中四足压电步进运动台的结构原理图；

图2为本实用新型优选实施例中四足压电步进运动台的动子所在位置的示意图；

图3为本实用新型优选实施例中四足压电步进运动台的四个驱动足的电压信号时序图(一)；

图4为本实用新型优选实施例中四足压电步进运动台在图3所示的激励信号的驱动下四驱动足及动子在一个周期内的运动过程图；

图5为本实用新型优选实施例中四足压电步进运动台的四个驱动足的电压信号时序图(二)；

图6为本实用新型优选实施例中四足压电步进运动台在图4所示的激励信号的驱动下四驱动足及动子在一个周期内的运动过程图。

具体实施方式

下文结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步说明。

参见图1所示，一种四足压电步进集成直线电机，包括四足压电步进运动台及一直线电机；所述四足压电步进运动台包括第一驱动足100、第二驱动足 200、第三驱动足300、第四驱动足400、第一支撑机构、第二支撑机构、第三支撑机构、第四支撑机构、预紧机构、动子33和基座；所述第一驱动足100、第二驱动足200、第三驱动足300和第四驱动足400相对于所述动子33呈对称分布，且所述第一驱动足100和所述第二驱动足200分别与所述第三驱动足300 和所述第四驱动足400沿所述动子33径向对称分布，所述第一驱动足100和所述第三驱动足300分别与所述第二驱动足200和所述第四驱动足400沿所述动子33轴向对称分布；所述第一驱动足100的一端通过所述第一支撑机构与所述基座固定连接，另一端通过所述预紧机构紧抱所述动子33；所述第二驱动足200的一端通过所述第二支撑机构与所述基座固定连接，另一端通过所述预紧机构紧抱所述动子33；所述第三驱动足300的一端通过所述第三支撑机构与所述基座固定连接，另一端通过所述预紧机构紧抱所述动子33；所述第四驱动足400的一端通过所述第四支撑机构与所述基座固定连接，另一端通过所述预紧机构紧抱所述动子33。

具体的，所述预紧机构为一组X型杠杆机构，该杠杆机构包括第一预紧杆 21、第二预紧杆22、第三预紧杆23、第四预紧杆24、第一支撑杆25、第二支撑杆26、第三支撑杆27、第四支撑杆28、弹簧29。所述第一预紧杆21、第二预紧杆22、第三预紧杆23、第四预紧杆24相对于所述动子33呈对称分布，且所述第一预紧杆21和所述第二预紧杆22分别与所述第三预紧杆23和所述第四预紧杆24沿所述动子33径向对称分布，所述第一预紧杆21和所述第三预紧杆23分别与所述第二预紧杆22和所述第四预紧杆24沿所述动子33轴向对称分布，所述第一预紧杆21、第二预紧杆22、第三预紧杆23、第四预紧杆 24的外侧端分别与第一驱动足100、第二驱动足200、第三驱动足300、第四驱动足400相接触为其提供预紧力使其抱紧动子33。其中所述第一支撑杆25 和第二支撑杆26设置于第一预紧杆21与第三预紧杆23之间起支撑作用，且第一支撑杆25长于第二支撑杆26并设置于第二支撑杆26外侧；所述第三支撑杆27和第四支撑杆28设置于第二预紧杆22与第四预紧杆24之间起支撑作用，且第三支撑杆27长于第四支撑杆28并位于第四支撑杆28外侧。

具体地，上述第一支撑杆25和第三支撑杆27、第二支撑杆26和第四支撑杆28分别沿所述动子33径向对称分布。所述弹簧29沿所述动子33轴向连接第一支撑杆25中点与第三支撑杆27中点；所述弹簧29工作时，第一支撑杆 25、第二支撑杆26、第三支撑杆27、第四支撑杆28均被向中心拉紧，使第一预紧杆21和第三预紧杆23分别与第二预紧杆22和第四预紧杆24之间夹角变大，所述第一预紧杆21、第二预紧杆22、第三预紧杆23、第四预紧杆24的外端向对应的第一驱动足100、第二驱动足200、第三驱动足300、第四驱动足 400输出等大压力使所述第一驱动足100、第二驱动足200、第三驱动足300、第四驱动足400抱紧动子33，所述第一驱动足100、第二驱动足200、第三驱动足300、第四驱动足400的伸缩作用通过所述位移转换机构传递到动子33，输出位移的方向分别与第一驱动足100、第二驱动足200、第三驱动足300、第四驱动足400伸缩的方向平行。

具体的，所述第一驱动足100包括第一柔性万向节11、第二柔性万向节 12、叠层压电陶瓷13、位移转换机构、金属预压机构15和金属摩擦球14；所述金属预压机构15即为一个套在叠层压电陶瓷13外的一个弹性金属套。其连接方式为：所述第一柔性万向节11的一端与所述第一支撑机构相连，另一端与所述金属预压机构15一端相连；所述第二柔性万向节12的一端与所述金属预压机构15的另一端相连，另一端与所述位移转换机构相连；所述位移转换机构通过所述金属摩擦球14与所述动子33相连；所述第二驱动足200、第三驱动足300、第四驱动足400的结构和所述第一驱动足100的结构相同。

具体的，所述金属预压机构15为套在叠层压电陶瓷13外的一个弹性金属套，其在压电陶瓷伸长时发弹性形变储存弹性势能，直接表现为；为叠层压电陶瓷13沿轴向提供一个预压力，此预压力在叠层压电陶瓷13收缩时分担了叠层压电陶瓷13所受的沿轴向的摩擦力或拉力。

具体的，所述金属摩擦球14分别与第一驱动足100、第二驱动足200、第三驱动足300、第四驱动足400的接触面形状为V型，所述第一驱动足100、第二驱动足200、第三驱动足300、第四驱动足400分别与金属摩擦球14的接触面的形状为O型，此两种相互配合的形状可在两接触面之间产生较大摩擦力，可以输出更大的力。

具体的，所述第一支撑机构包括固定连接的底座31和支座32，所述底座 31与所述基座固定连接，所述支座32与所述第一驱动足100固定连接用于支撑所述第一驱动足100；所述第二支撑机构、第三支撑机构、第四支撑机构的结构与所述第一支撑机构的结构相同，并分别支撑所述第二驱动足200、第三驱动足300、第四驱动足400。

具体的，所述直线电机还包括转接板34；所述动子33通过所述转接板34 与所述基座固定连接。

本实用新型提供的实施例利用叠层压电陶瓷13的逆压电效应，给叠层压电陶瓷13施加的电压增大，叠层压电陶瓷13伸长；电压减小，叠层压电陶瓷 13回缩。因此，给定一个电压信号可以实现叠层压电陶瓷13的伸缩运动，可以实现轴向位移变化，将位移变化通过摩擦运动转移到动子33即可实现动子 33的直线运动。单个叠层压电陶瓷13的运动范围很小，只有几十微米，摩擦力也很小，将多个叠层压电陶瓷13机械上并联，电路上串联，给定一个差动作动的驱动信号控制，实现步进驱动的行程累积，即可以实现大范围驱动；单个驱动足的摩擦力很有限，多个驱动足的联合使用可以增大摩擦力，即可实现大推力的输出驱动。

进一步的，本实用新型专利使用四个驱动足来实现差动驱动控制。差动作动正常工作的要求：四只驱动足分别和动子33接触，接触材料、接触面积、接触方式和预紧力完全相同，且单个驱动足的驱动摩擦力小于动子33的静摩擦力，四驱动足的驱动摩擦力之和大于动子33的静摩擦力；四个驱动足依次作动，动子33在这个过程中静止不动；待四驱动足全部伸长后同时回缩，此时的总驱动力大于动子33的静摩擦力，动子33跟随驱动足前进一个步距，四个驱动足再依次恢复到原长，这时候动子33在惯性作用下保持不动，重复上述运动，可以使动子33的不断向前步进运动。

本实用新型专利实施例还采用如下技术方案：一种四足压电步进直线电机的电激励方式：

施加电压激励电机第一驱动足100的叠层压电陶瓷13、第二驱动足200的叠层压电陶瓷13、第三驱动足300的叠层压电陶瓷13和第四驱动足400的叠层压电陶瓷13，使四个驱动足共同作用驱动动子33。如图2所示，具体采用如下激励方式使得动子33向左移动一个步进：

在原始阶段，输入电压信号为零，四个驱动足都是原始长度，动子33静止不动；

第一阶段，给第一驱动足100一个电压信号，第一驱动足100伸长而其他的驱动足先不动，伸长后保持电压不变。一个驱动足的摩擦力不足以拖动动子 33的运动，动子33保持静止；

第二阶段，给第三驱动足300一个电压信号，第三驱动足300伸长而其他驱动足保持原状，第三驱动足300伸长后保持电压不变，动子33静止；

第三阶段，第一驱动足100、第三驱动足300电压下降同时第二驱动足200、第四驱动足400电压升高，第一驱动足100、第三驱动足300回缩的同时第二驱动足200、第四驱动足400伸长。四个驱动足同时运动给动子33一个向左的驱动摩擦力导致其克服静止摩擦力向左移动一个步进；

第四阶段，将伸长的第三驱动足300电压降到零，使其伸长回缩到原来位置，动子33保持不动；

第五阶段，将伸长的第四驱动足400电压降到零，使其伸长回缩到原来位置，动子33保持不动。

至此，叠层压电陶瓷13完成一次驱动过程，动子33向左移动一个叠层压电陶瓷13的伸长单位，四个驱动足及动子33在0-T时间一个周期内的运动变化如图3所示，细实线画的驱动足代表叠层压电陶瓷13伸长一个步进，粗实线画的驱动足代表它们回缩到原始长度。从T到2T是另一个电压循环，动子 33继续执行下一个驱动过程。按此激励信号重复，就可以实现动子33的持续单向步进移动。

如图4所示，采用如下激励方式使得动子33向右移动一个步进：

对第四驱动足400的叠层压电陶瓷13施加上升的第四电压信号，第四驱动足400伸长后所述第四电压信号保持不变；

对第二驱动足200的叠层压电陶瓷13施加上升的第二电压信号，第二驱动足200伸长后所述第二电压信号保持不变；

将所述第二电压信号和所述第四电压信号实施下降，同时对第一驱动足 100的叠层压电陶瓷13施加上升的第一电压信号，对第三驱动足300的叠层压电陶瓷13施加上升的第三电压信号，所述第四驱动足400和所述第二驱动足 200回缩的同时所述第一驱动足100和所述第三驱动足300伸长使得动子33向右移动一个步进；

将所述第三电压信号实施下降到零，使其回缩到原始位置；

将所述第一电压信号实施下降到零，使其回缩到原始位置。

至此，叠层压电陶瓷13完成一次驱动过程，动子33向右移动一个叠层压电陶瓷13的伸长单位，即实现反向移动；四个驱动足及动子33在0-T时间一个周期内的运动变化如图5所示，细实线画的驱动足代表叠层压电陶瓷13伸长一个步进，粗实线画的驱动足代表它们回缩到原始长度。参考图6，从T到 2T是另一个电压循环，动子33继续执行下一个驱动过程。按此激励信号重复，就可以实现动子33的持续单向步进移动。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的设计构思并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，利用此构思对本实用新型进行非实质性的改动，均属于侵犯本实用新型保护范围的行为。