一种双足驱动非共振压电直线电机的制作方法

本实用新型属于压电精密致动技术领域，涉及一种双足驱动非共振压电直线电机。

背景技术：

压电直线电机是一种利用压电陶瓷的逆压电效应，将电能转化为机械能，实现微观振动转换为宏观运动的精密致动装置，其发展至今，已定义了多种类型，包括行波型、驻波型、多模态振动型、惯性驱动型和尺蠖型等。其中，利用叠层压电陶瓷在低电压低频率下就能输出大位移的压电电机被称为非共振压电直线电机。

现有的非共振压电直线电机的核心机构——定子的构型普遍较为复杂且松散，易导致电机的整体输出特性受到影响：一方面，复杂的结构在加工中容易产生精度误差，导致结构整体装配后的误差累积，影响电机输出运动的精度；另一方面，松散的构型对装配人员提出了更高的要求，如若装配不当，易使得定子与动子无法充分接触，会大大降低电机输出推力，同时在运动过程中各部件较难保持原有位置持续稳定工作。

另外，现有的非共振压电直线电机在预紧力施加与定子调节机构的配合设计中存在无法持续的输出定量预紧力的问题。

技术实现要素：

本实用新型提出一种定子结构紧凑、易加工，并能提供大行程、大推力及高精度作动的双足驱动非共振压电直线电机。本实用新型还提出该压电直线电机的电激励方法。

本实用新型所采用的技术方案为：

一种双足驱动非共振压电直线电机，包括定子、直线导轨、滚珠滑台、预压力机构和底座，所述底座水平设置，所述直线导轨横向安装在所述底座上端面后侧；所述滚珠滑台和所述预压力机构均安装在所述底座上端面前侧，所述滚珠滑台垂直于所述直线导轨；所述定子固定安装在所述滚珠滑台上，且所述定子位于所述直线导轨和所述预压力机构之间，所述定子在所述预压力机构的预压力作用下与所述直线导轨的上滑块前端面保持接触并使得压电直线电机断电自锁；

所述定子包括第一叠层压电陶瓷组、第二叠层压电陶瓷组、第三叠层压电陶瓷组、第四叠层压电陶瓷组，以及自上而下依次均匀间隔设置的第一菱形柔性框、第二菱形柔性框、第三菱形柔性框和第四菱形柔性框，每一叠层压电陶瓷组的右端均安装有端盖；每一菱形柔性框的四角位置均一体设有定位凸块，第一、第二菱形柔性框各自的右定位凸块通过第二连接体一体连接，第三、第四菱形柔性框各自的右定位凸块通过第三连接体一体连接；第一、第四菱形柔性框各自的左定位凸块通过第一连接体一体连接，第二、第三菱形柔性框各自的左定位凸块与所述第一连接体间均留有间隙，每一菱形柔性框的前定位凸块和右定位凸块均开设有贯通的第一螺孔；所述第一连接体垂直固定在所述滚珠滑台上，并垂直于所述直线导轨；所述第一叠层压电陶瓷组、所述第二叠层压电陶瓷组、所述第三叠层压电陶瓷组和所述第四叠层压电陶瓷组均通过一端抵在定位凸块上，一端由预紧螺钉顶住对应的叠层压电陶瓷组端部的端盖的方式，分别一一对应地安装在所述第一菱形柔性框、所述第二菱形柔性框、所述第三菱形柔性框和所述第四菱形柔性框内，第一和第四叠层压电陶瓷组的方向与所述直线导轨保持平行，第二和第三叠层压电陶瓷组的方向与所述直线导轨保持垂直。

一种双足驱动非共振压电直线电机，包括定子、直线导轨、滚珠滑台、预压力机构和底座，所述底座水平设置，所述直线导轨横向安装在所述底座上端面后侧；所述滚珠滑台和所述预压力机构均安装在所述底座上端面前侧，所述滚珠滑台垂直于所述直线导轨；所述定子固定安装在所述滚珠滑台上，且所述定子位于所述直线导轨和所述预压力机构之间，所述定子在所述预压力机构的预压力作用下与所述直线导轨的上滑块前端面保持接触并使得压电直线电机断电自锁；

所述定子包括第一叠层压电陶瓷组、第二叠层压电陶瓷组、第三叠层压电陶瓷组、第四叠层压电陶瓷组，以及自上而下依次均匀间隔设置的第一菱形柔性框、第二菱形柔性框、第三菱形柔性框和第四菱形柔性框，每一叠层压电陶瓷组的右端均安装有端盖；每一菱形柔性框的四角位置均一体设有定位凸块，第一、第二菱形柔性框各自的右定位凸块通过第二连接体一体连接，第三、第四菱形柔性框各自的右定位凸块通过第三连接体一体连接；第一、第四菱形柔性框各自的左定位凸块通过第一连接体一体连接，第二、第三菱形柔性框各自的左定位凸块与所述第一连接体间均留有间隙，每一菱形柔性框的前定位凸块和右定位凸块均开设有贯通的第一螺孔；所述第一连接体垂直固定在所述滚珠滑台上，并垂直于所述直线导轨；所述第一叠层压电陶瓷组、所述第二叠层压电陶瓷组、所述第三叠层压电陶瓷组和所述第四叠层压电陶瓷组均通过一端抵在定位凸块上，一端由预紧螺钉顶住对应的叠层压电陶瓷组端部的端盖的方式，分别一一对应地安装在所述第一菱形柔性框、所述第二菱形柔性框、所述第三菱形柔性框和所述第四菱形柔性框内，第一、第二、第三和第四叠层压电陶瓷组的方向均与所述直线导轨保持平行。

进一步地，所述预压力机构包括螺杆、调节块和锁紧螺钉，所述调节块呈l形，所述调节块短段固定在所述底座上，所述调节块长段中心开设有与所述螺杆相匹配的第一通孔，所述调节块长段上端面右侧开设有第二螺孔，所述调节块长段右半部分横向断开，所述第二螺孔亦断开；所述螺杆可沿所述第一通孔作轴向移动，所述螺杆端部压住所述第一连接体，通过所述锁紧螺钉将所述螺杆固定在所述调节块上。

进一步地，所述直线导轨的上滑块前端面黏贴有用于增大所述定子与所述直线导轨间接触摩擦力的氧化铝陶瓷条，所述第二菱形柔性框和所述第三菱形柔性框与所述氧化铝陶瓷条接触，所述第一菱形柔性框和所述第四菱形柔性框与所述氧化铝陶瓷条不接触。

进一步地，每一菱形柔性框内侧，位于每一定位凸块两侧的位置均设置有用于增大柔性的半圆形割缝。

进一步地，所述直线导轨的型号为thk，vru3-80。

进一步地，所述滚珠滑台的型号为iko，bsp1035sl。

一种双足驱动非共振压电直线电机的电激励方法，第一和第四叠层压电陶瓷组的方向与所述直线导轨保持平行，第二和第三叠层压电陶瓷组的方向与所述直线导轨保持垂直，对四组叠层压电陶瓷组所采用激励方式为：所述第一叠层压电陶瓷组施加初相位为0的三角波电压信号，所述第三叠层压电陶瓷组施加与所述第一叠层压电陶瓷组同频率同初相位的方波电压信号，所述第二叠层压电陶瓷组施加与所述第三叠层压电陶瓷组同频率且相位差为t/4的方波电压信号，所述第四叠层压电陶瓷组施加与所述第一叠层压电陶瓷组同频率且相位差为t/4的三角波电压信号，t为一个周期。

一种双足驱动非共振压电直线电机的电激励方法，第一、第二、第三和第四叠层压电陶瓷组的方向均与所述直线导轨保持平行，对四组叠层压电陶瓷组所采用激励方式为：所述第四叠层压电陶瓷组施加初相位为0的三角波电压信号，所述第三叠层压电陶瓷组施加与所述第四叠层压电陶瓷组同频率同初相位的方波电压信号，所述第二叠层压电陶瓷组施加与所述第三叠层压电陶瓷组同频率且相位差为t/4的方波电压信号，所述第一叠层压电陶瓷组施加与所述第四叠层压电陶瓷组同频率且相位差为t/4的三角波电压信号，t为一个周期。

进一步地，将施加在所述第二叠层压电陶瓷组和所述第三叠层压电陶瓷组上的激励电压信号对调，使得电机反向运动。

本实用新型的有益效果在于：

(1)本实用新型的压电直线电机中，定子为一体式对称结构，结构上较为紧凑，方便进行一体化加工且易于装配，定子的加工误差对于压电直线电机的精度影响小，从而能够较好地保证定子的双驱动足(第一、第二菱形柔性框及内部的叠层压电陶瓷组构成一驱动足，第三、第四菱形柔性框及内部的叠层压电陶瓷组构成另一驱动足)与直线导轨间保持良好的接触状态，在实现高精度、大推力的同时，提供大行程的作动。

(2)本实用新型通过预压力机构和滚珠滑台的配合，可实现定子与动子(即直线导轨)间预紧力的定量调节，保证压电直线电机持续定量的位移输出。

附图说明

图1为本实用新型的压电直线电机的结构示意图；

图2为定子的结构示意图；

图3为定子的正视图；

图4为定子的俯视图；

图5为预压力机构的结构示意图；

图6为直线导轨的结构示意图；

图7为滚珠滑台的结构示意图；

图8为压电陶瓷两两垂直布置时，四组压电陶瓷两端施加的电激励信号时序图；

图9为压电陶瓷两两垂直布置时，压电直线电机在一个周期内的运动机理图；

图10为压电陶瓷平行布置时，四组压电陶瓷两端施加的电激励信号时序图；

图11为压电陶瓷平行布置时，压电直线电机在一个周期内的运动机理图；

附图标记：a-定子，a11-第一叠层压电陶瓷组，a12-第二叠层压电陶瓷组，a13-第三叠层压电陶瓷组，a14-第四叠层压电陶瓷组，a2-端盖，a31-第一菱形柔性框，a32-第二菱形柔性框，a33-第三菱形柔性框，a34-第四菱形柔性框，a35-第一连接体，a36–第二连接体，a37-第三连接体，a38-凸台，a39-半圆形割缝，a4-预紧螺钉，b-直线导轨，b1-氧化铝陶瓷条，c-滚珠滑台，d-预压力机构，d1-螺杆，d2-调节块，d3-锁紧螺钉，e-底座。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本实用新型的双足驱动非共振压电直线电机及电激励方法作进一步地详细说明。

实施例一

如图1所示的双足驱动非共振压电直线电机，包括定子a、直线导轨b、滚珠滑台c、预压力机构d和底座e。底座e水平设置，直线导轨b横向安装在底座e上端面后侧。滚珠滑台c和预压力机构d均安装在底座e上端面前侧，滚珠滑台c垂直于直线导轨b设置。定子a固定安装在滚珠滑台c上，且定子a位于直线导轨b和预压力机构d之间，定子a在预压力机构d的预压力作用下与直线导轨b的上滑块前端面保持接触并使得压电直线电机断电自锁。

具体地，如图2至4所示，定子a包括第一叠层压电陶瓷组a11、第二叠层压电陶瓷组a12、第三叠层压电陶瓷组a13、第四叠层压电陶瓷组a14，以及自上而下依次均匀间隔设置的第一菱形柔性框a31、第二菱形柔性框a32、第三菱形柔性框a33和第四菱形柔性框a34，每一叠层压电陶瓷组的右端均安装有端盖a2。每一菱形柔性框的四角位置均一体设有定位凸块a38，定位凸块a38用于叠层压电陶瓷组安装时的对准。第一、第二菱形柔性框各自的右定位凸块通过第二连接体a36一体连接，第三、第四菱形柔性框各自的右定位凸块通过第三连接体a37一体连接。第一、第四菱形柔性框各自的左定位凸块通过第一连接体a35一体连接，第二、第三菱形柔性框各自的左定位凸块与第一连接体a35间均留有间隙，每一菱形柔性框的前定位凸块和右定位凸块均开设有贯通的第一螺孔。第一连接体a35垂直固定在滚珠滑台c上，并垂直于直线导轨b。第一叠层压电陶瓷组a11、第二叠层压电陶瓷组a12、第三叠层压电陶瓷组a13和第四叠层压电陶瓷组a14均通过一端抵在定位凸块a38上，一端由预紧螺钉a4顶住对应的叠层压电陶瓷组端部的端盖a2的方式，分别一一对应地安装在第一菱形柔性框a31、第二菱形柔性框a32、第三菱形柔性框a33和第四菱形柔性框a34内，第一和第四叠层压电陶瓷组的方向与直线导轨b保持平行，第二和第三叠层压电陶瓷组的方向与直线导轨b保持垂直。

如图5所示，预压力机构d包括螺杆d1、调节块d2和锁紧螺钉d3，调节块d2呈l形，调节块d2短段固定在底座e上，调节块d2长段中心开设有与螺杆d1相匹配的第一通孔，调节块d2长段上端面右侧开设有第二螺孔，调节块d2长段右半部分横向断开，第二螺孔亦断开。螺杆d1可沿第一通孔作轴向移动，螺杆d1端部压住第一连接体a35，通过锁紧螺钉d3将螺杆d1固定在调节块d2上。

本实施例中，直线导轨b的上滑块前端面黏贴有用于增大定子a与直线导轨b间接触摩擦力的氧化铝陶瓷条b1，参见图6，第二菱形柔性框a32和第三菱形柔性框a33与氧化铝陶瓷条b1接触，第一菱形柔性框a31和第四菱形柔性框a34与氧化铝陶瓷条b1不接触。每一菱形柔性框内侧，位于每一定位凸块两侧的位置均设置有用于增大柔性的半圆形割缝a39，以提高菱形结构产生的位移。

直线导轨b和滚珠滑台c均为现有技术，滚珠滑台c的结构参见图7，本实施例中，滚珠滑台c的型号为iko，bsp1035sl，直线导轨b的型号为thk，vru3-80。

压电直线电机断电自锁功能的实现：一方面，叠层压电陶瓷本身具有断电自锁的性质，在切断电信号的瞬间，不会因为惯性再进行多余的运动。另一方面，预压力机构d提供预压力使定子a顶紧直线导轨b，防止直线导轨b在断电情况下发生移动。

一种双足驱动非共振压电直线电机的电激励方法，第一和第四叠层压电陶瓷组的方向与直线导轨b保持平行，第二和第三叠层压电陶瓷组的方向与直线导轨b保持垂直，参见图8，对四组叠层压电陶瓷组所采用激励方式为：第一叠层压电陶瓷组a11施加初相位为0的三角波电压信号u11，第三叠层压电陶瓷组a13施加与第一叠层压电陶瓷组a11同频率同初相位的方波电压信号u13，第二叠层压电陶瓷组a12施加与第三叠层压电陶瓷组a13同频率且相位差为t/4的方波电压信号u12，第四叠层压电陶瓷组a14施加与第一叠层压电陶瓷组a11同频率且相位差为t/4的三角波电压信号u14，t为一个周期，u11的最大值等于u14的最大值，u12的最大值等于u13的最大值。

参见图9，压电直线电机在一个周期内的工作机理为：

a过程，第一和第二菱形柔性框(a31、a32)中，第一叠层压电陶瓷组a11上施加的电压处于三角波信号的电压最低点，从而使得对应的叠层压电陶瓷保持原长状态，第二叠层压电陶瓷组a12在从低电平突变到高电平的方波电压信号作用下迅速增长到最长状态，带动第二菱形柔性框a32顶住直线导轨b。第三和第四菱形柔性框(a33、a34)中，第四叠层压电陶瓷组a14上施加的电压处于三角波信号的电压最大点，从而使得对应的叠层压电陶瓷保持在最长状态，第三叠层压电陶瓷组a13在从高电平急速下降到低电平的方波电压信号作用下迅速恢复到原长状态，带动第三菱形柔性框a33远离直线导轨b。

b过程，第一和第二菱形柔性框(a31、a32)中，第一叠层压电陶瓷组a11在处于缓慢上升段的三角波电压信号作用下慢速伸长，带动第一菱形柔性框a31以及相连的第二菱形柔性框a32向右侧运动，从而依靠摩擦力带动直线导轨b向右运动一小段距离。第三和第四菱形柔性框(a33、a34)中，第四叠层压电陶瓷组a14在处于缓慢下降段的三角波电压信号作用下慢速缩短，带动第四菱形柔性框a34以及相连的第三菱形柔性框a33恢复到初始状态。

c过程，第一和第二菱形柔性框(a31、a32)中，第一叠层压电陶瓷组a11上施加的电压处于三角波信号的电压最大点，从而使得对应的叠层压电陶瓷保持最长状态，第二叠层压电陶瓷组a12在从高电平急速下降到低电平的方波电压信号作用下迅速恢复到原长状态，带动第二菱形柔性框a32远离直线导轨b。第三和第四菱形柔性框(a33、a34)中，第四叠层压电陶瓷组a14上施加的电压处于三角波信号的电压最低点，从而使得对应的叠层压电陶瓷保持在原长状态，第三叠层压电陶瓷组a13在从低电平突变到高电平的方波电压信号用下迅速增长到最长状态，带动第三菱形柔性框a33顶住直线导轨b。

d过程，第一和第二菱形柔性框(a31、a32)中，第一叠层压电陶瓷组a11在处于缓慢下降段的三角波电压信号作用下慢速缩短，带动第一菱形柔性框a31以及相连的第二菱形柔性框a32恢复到初始状态。第三和第四菱形柔性框(a33、a34)中，第四叠层压电陶瓷组a14在处于缓慢上升段的三角波电压信号作用下慢速伸长，带动第四菱形柔性框a34以及相连的第三菱形柔性框a33向右侧运动，从而依靠摩擦力带动直线导轨b向右运动一小段距离。

循环a到d过程，可以实现直线导轨b的宏观直线运动，改变输入电压信号的时序，即将施加在第二叠层压电陶瓷组a12和第三叠层压电陶瓷组a13上的激励电压信号对调，施加在第一叠层压电陶瓷组a11和第四叠层压电陶瓷组a14上的激励电压信号保持不变，可实现直线导轨b另一方向的运动。

实施例二

本实施例二与实施例一基本相同，不同之处在于：第一、第二、第三和第四叠层压电陶瓷组的方向均与直线导轨b保持平行。

一种双足驱动非共振压电直线电机的电激励方法，参见图10，对四组叠层压电陶瓷组所采用激励方式为：第四叠层压电陶瓷组a14施加初相位为0的三角波电压信号u14'，第三叠层压电陶瓷组a13施加与第四叠层压电陶瓷组a14同频率同初相位的方波电压信号u13'，第二叠层压电陶瓷组a12施加与第三叠层压电陶瓷组a13同频率且相位差为t/4的方波电压信号u12'，第一叠层压电陶瓷组a11施加与第四叠层压电陶瓷组a14同频率且相位差为t/4的三角波电压信号u11'，t为一个周期，u11'的最大值等于u14'的最大值，u12'的最大值等于u13'的最大值。

参见图11，压电直线电机在一个周期内的工作机理为：

a＇过程，第一和第二菱形柔性框(a31、a32)中，第一叠层压电陶瓷组a11上施加的电压处于三角波信号的电压最高点，从而使得对应的叠层压电陶瓷保持最长状态，第二叠层压电陶瓷组a12在从低电平突变到高电平的方波电压信号用下迅速增长到最长状态，带动第二菱形柔性框a32顶住直线导轨b。第三和第四菱形柔性框(a33、a34)中，第四叠层压电陶瓷组a14上施加的电压处于三角波信号的电压最低点，从而使得对应的叠层压电陶瓷保持在原长状态，第三叠层压电陶瓷组a13在从高电平急速下降到低电平的方波电压信号作用下迅速恢复到原长状态，带动第三菱形柔性框a33远离直线导轨b。

b＇过程，第一和第二菱形柔性框(a31、a32)中，第一叠层压电陶瓷组a11在处于缓慢下降段的三角波电压信号作用下慢速缩短，使第一菱形柔性框a31在水平方向产生向右的放大的位移，带动与第一菱形柔性框a31相连的第二菱形柔性框a32向右侧运动，从而依靠摩擦力带动直线导轨b向右运动一小段距离。第三和第四菱形柔性框(a33、a34)中，第四叠层压电陶瓷组a14在处于缓慢上升段的三角波电压信号作用下慢速增长，带动第四菱形柔性框a34以及相连的第三菱形柔性框a33恢复到初始状态。

c＇过程，第一和第二菱形柔性框(a31、a32)中，第一叠层压电陶瓷组a11上施加的电压处于三角波信号的电压最低点，从而使得对应的叠层压电陶瓷保持原长状态，第二叠层压电陶瓷组a12在从高电平急速下降到低电平的方波电压信号作用下迅速恢复到原长状态，带动第二菱形柔性框a32远离直线导轨b。第三和第四菱形柔性框(a33、a34)中，第四叠层压电陶瓷组a14上施加的电压处于三角波信号的电压最高点，从而使得对应的叠层压电陶瓷保持在最长状态，第三叠层压电陶瓷组a13在从低电平突变到高电平的方波电压信号用下迅速增长到最长状态，带动第三菱形柔性框a33顶住直线导轨b。

d＇过程，第一和第二菱形柔性框(a31、a32)中，第一叠层压电陶瓷组a11在处于缓慢上升段的三角波电压信号作用下慢速伸长，使得第一菱形柔性框a31在水平方向获得放大的向左的位移，带动与第一菱形柔性框a31相连的第二菱形柔性框a32恢复到初始状态。第三和第四菱形柔性框(a33、a34)中，第四叠层压电陶瓷组a14在在处于缓慢下降段的三角波电压信号作用下慢速缩短，使第四菱形柔性框a34在水平方向产生向右的放大的位移，带动与第四菱形柔性框a34相连的第三菱形柔性框a33向右侧运动，从而依靠摩擦力带动直线导轨b向右运动一小段距离。

循环a＇到d＇过程，可以实现直线导轨b的宏观直线运动，改变输入电压信号的时序，即将施加在第二叠层压电陶瓷组a12和第三叠层压电陶瓷组a13上的激励电压信号对调，施加在第一叠层压电陶瓷组a11和第四叠层压电陶瓷组a14上的激励电压信号保持不变，可以实现直线导轨b另一方向的运动。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本实用新型的保护范围。