拓展惯性力以提高压电驱动器性能的装置及方法

本发明涉及精密机械领域，特别涉及一种拓展惯性力以提高压电驱动器性能的装置及方法。本发明将磁场引入到冲击惯性驱动器上，磁场将簧片的弹性变形能增加到惯性力上，增加惯性冲击力，以此改善驱动器的输出性能。在精密机械与仪器、精密光学、生物医学工程等需要大行程、高精密输出的领域具有较为广阔的应用前景。

背景技术：

压电驱动装置因其输出精度高、体积小、响应快、抗电磁干扰等显著优势，被广泛应用于显微操作、微机电系统、精密和超精密加工、精密光学等领域。压电驱动装置利用压电材料的逆压电效应，将电能转化成机械能，通过利用压电材料的机械变形实现驱动装置的旋转或者线性运动。冲击惯性压电驱动器是利用不对称的激励电信号，例如锯齿波波形，使压电叠堆在伸展和收缩过程中产生不同的惯性力，即相对静止过程中惯性力小于最大静摩擦力，相对运动过程中的惯性力大于最大静摩擦力。利用冲击惯性原理的压电驱动器具有结构简单、加工装配方便、控制灵活、理论行程无限远等优点，但是在实际实验中由于倾覆力矩等影响驱动器输出性能，出现单步位移不稳定、驱动速度低等现象。本发明提出一种方法，将冲击惯性的总惯性力分配到惯性质量块和惯性力拓展单元中，进而既增大了惯性力又避免倾覆力矩的问题出现，达到提高冲击惯性驱动器速度等输出性能的目的。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种拓展惯性力以提高压电驱动器性能的装置及方法，通过将惯性力分配到惯性质量块和惯性力拓展单元来改善目前冲击惯性压电驱动器驱动速度低的问题。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种拓展惯性力以提高压电驱动器性能的装置，包括螺旋测微头1、底座2、导轨3、运动单元和惯性力拓展单元；其中导轨3的滑轨用螺钉4紧固在底座2上，螺旋测微头1采用过盈配合的方式安装在底座2上，通过旋转螺旋测微头1的旋转手柄调整其与导轨3滑块之间的正压力，进而调节滑块受到的摩擦力，运动单元通过螺钉4与导轨3滑块相连，惯性力拓展单元固定在运动单元的右端。

所述的运动单元由l形支撑架5、柔性铰链6、压电叠堆7、楔形块8、惯性质量块9组成；所述的楔形块5将压电叠堆7预载安装在柔性铰链6的凹槽内；惯性质量块9用螺钉4紧固在柔性铰链的自由端；柔性铰链6通过螺钉4安装在l形支撑架5上。

所述的惯性力拓展单元包括永磁铁10、永磁铁对11、簧片14、固定块a12和固定块b13；其中永磁铁10吸附在运动单元的惯性质量块9上，永磁铁对11吸附在簧片14两侧，永磁铁10与永磁铁对11同磁极相对，形成互斥磁场；簧片14通过固定块a12和固定块b13夹持并用螺钉4进行固定。

一种拓展惯性力以提高压电驱动器性能的方法，包括以下步骤：

a)微调螺旋测微头(1)的旋转手柄，调节其与导轨(3)之间的正压力；

b)给压电叠堆7施加锯齿波形的驱动电压，在驱动电压缓慢上升过程中，逆压电效应使压电叠堆7缓慢伸展，柔性铰链6中的柔性关节发生弹性变形，自由端线性伸长带动惯性质量块9产生水平线性位移，永磁铁10和永磁铁对11之间的距离减小，在磁场力的作用下，永磁铁对11产生向右的位移，簧片14发生弹性变形并存储弹性变形能；

c)当驱动电压迅速下降时，压电叠堆7快速失电，迅速恢复原长，柔性铰链6和惯性质量块9变形快速恢复，永磁铁10和永磁铁对11之间距离增大，簧片14释放弹性变形能，恢复变形，集中形成为总惯性力；由于惯性力大于导轨3滑块受到的摩擦力，故运动单元在总惯性力作用下向前运动一个步长；到此完成一个完整的步进周期，在周期性锯齿波驱动电压下，可实现驱动器的连续步进运动。

调节施加在压电叠堆7上的驱动电压的幅值和频率即可实现对驱动器的步进大小和速度大小的调节；当给压电叠堆7施加反向的周期性锯齿波驱动电压时，可实现驱动器的反向运动。

通过改变惯性力拓展单元中的磁场的大小以及簧片14的尺寸即可实现输出性能的调节。

本发明的有益效果在于：在冲击惯性压电驱动器中，提高惯性质量可以增加驱动器的惯性力，从而提高驱动器的输出性能，在需要大行程高精密输出的领域具有重要价值。本发明提供的方法是在保证惯性质量块的质量与主惯性质量块的比值基本不变的基础上利用磁场拓展惯性力来提高惯性冲击力，即在结构上拓展的惯性质量与惯性质量块分离，不会增加相应柔性铰链的负载，提高了柔性铰链的使用寿命。相较于传统的直接增加惯性质量来提高输出性能的驱动器，本发明通过磁场来拓展惯性力减少了能量的损耗和柔性铰链的疲劳破坏。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的高效能的冲击惯性压电驱动器的立体结构示意图；

图2为本发明的高效能的冲击惯性压电驱动器的运动单元立体结构示意图；

图3为本发明的高效能的冲击惯性压电驱动器的惯性力拓展单元立体结构示意图；

图4为本发明的高效能的冲击惯性压电驱动器的有惯性力拓展单元工作原理图和无惯性力拓展单元的工作原理图；

图5为本发明的高效能的冲击惯性压电驱动器的实验测试得到的步进特性对比图。

图中：1、螺旋测微头；2、底座；3、导轨；4、螺钉；5、l形支撑架；6、柔性铰链；7、压电叠堆；8、楔形块；9、惯性质量快；10、永磁铁；11、永磁铁对；12、固定块a；13、固定块b；14、簧片。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及具体实施方式。附图和实施例仅作为实例性描述，不作为对本专利的实际限制。

参见图1至图3所示，一种拓展惯性力以提高压电驱动器性能的装置，包括螺旋测微头1、底座2、导轨3、运动单元和惯性力拓展单元；其中导轨3的滑轨用螺钉4紧固在底座2上，螺旋测微头1采用过盈配合的方式安装在底座2上，通过旋转螺旋测微头1的旋转手柄调整其与导轨3滑块之间的正压力，进而调节滑块受到的摩擦力，运动单元通过螺钉4与导轨3滑块相连，惯性力拓展单元固定在运动单元的右端。

所述的运动单元由l形支撑架5、柔性铰链6、压电叠堆7、楔形块8、惯性质量块9组成；所述的楔形块5将压电叠堆7预载安装在柔性铰链6的凹槽内；惯性质量块9用螺钉4紧固在柔性铰链的自由端；柔性铰链6通过螺钉4安装在l形支撑架5上。

所述的惯性力拓展单元包括永磁铁10、永磁铁对11、簧片14、固定块a12和固定块b13；其中永磁铁10吸附在运动单元的惯性质量块9上，永磁铁对11吸附在簧片14两侧，永磁铁10与永磁铁对11同磁极相对，形成互斥磁场；簧片14通过固定块a12和固定块b13夹持并用螺钉4进行固定。

本发明中的提高输出性能的方法在于提高惯性冲击力；在冲击惯性压电驱动器中，提高惯性质量与主惯性质量块的比值会提高驱动器的输出性能。但在以往的设计中，简单增加惯性质量会增大其与主惯性质量块的比值，存在能量的损耗和柔性铰链的疲劳破坏等问题。本发明提供的方法在保证惯性质量块的质量与主惯性质量块的比值基本不变的基础上，利用磁场来拓展惯性力来提高惯性冲击力，从而提高驱动器的输出性能。

参见图4所示，一种拓展惯性力以提高压电驱动器性能的方法，包括以下步骤：

a)微调螺旋测微头(1)的旋转手柄，调节其与导轨(3)之间的正压力；

b)给压电叠堆7施加锯齿波形的驱动电压，在驱动电压缓慢上升过程中，逆压电效应使压电叠堆7缓慢伸展，柔性铰链6中的柔性关节发生弹性变形，自由端线性伸长带动惯性质量块9产生水平线性位移，永磁铁10和永磁铁对11之间的距离减小，在磁场力的作用下，永磁铁对11产生向右的位移，簧片14发生弹性变形并存储弹性变形能；

c)当驱动电压迅速下降时，压电叠堆7快速失电，迅速恢复原长，柔性铰链6和惯性质量块9变形快速恢复，永磁铁10和永磁铁对11之间距离增大，簧片14释放弹性变形能，恢复变形，集中形成为总惯性力；由于惯性力大于导轨3滑块受到的摩擦力，故运动单元在总惯性力作用下向前运动一个步长；到此完成一个完整的步进周期，在周期性锯齿波驱动电压下，可实现驱动器的连续步进运动。

调节施加在压电叠堆7上的驱动电压的幅值和频率即可实现对驱动器的步进大小和速度大小的调节；当给压电叠堆7施加反向的周期性锯齿波驱动电压时，可实现驱动器的反向运动。

通过改变惯性力拓展单元中的磁场的大小以及簧片14的尺寸即可实现输出性能的调节。

参见图4所示的有惯性力拓展单元工作原理图和无惯性力拓展单元的工作原理图，在相同的驱动条件下，惯性质量块发生相同的位移δx1；压电叠堆失电，驱动器向前步进，无惯性力拓展单元的驱动器步进δs1，有惯性力拓展单元的驱动器步进δs2，因为在弹性变形能的作用下δs2>δs1，因此增加惯性力拓展单元将会提高驱动器的输出性能。

实施例1

如图2所示组装驱动器运动单元，步骤如下：

将压电叠堆7用楔形块8预紧安装在柔性铰链6的凹槽内；

惯性质量块9用螺钉4紧固在柔性铰链的自由端；

柔性铰链用螺钉4安装在l形支撑架5上。

如图3所示组装惯性力拓展单元，步骤如下：

永磁铁对11吸附在簧片14的两侧；这里要求永磁铁10和永磁铁对11同磁极相对形成互斥的磁场；

簧片14通过固定块a12和固定块b13夹持，并用螺钉4进行紧固。

实施例2

按照实施例1中的实施方式将运动单元安装好；

将螺旋测微头1采用过盈配合的方式安装在底座2上；

用螺钉4将导轨3的滑轨安装在底座上；

将运动单元用螺钉4固定在导轨3的滑块上；

旋转螺旋测微头1的旋转手柄调整其与导轨3的正压力，进而调节导轨3滑块受到的摩擦力。合理的预紧力大小和接触条件是压电驱动器能正常工作的保障。

实施例3

按照实施例1中的实施方式将惯性力拓展单元安装好；

按照实施例2中的实施方式将无惯性力拓展单元的驱动器安装好；

将永磁铁10吸附在驱动器的惯性质量块9上；

将惯性力拓展单元用螺钉4固定在运动单元的l型支撑架5上；要求保证永磁铁10和永磁铁对11的高度一致，避免产生扭转力。

实施例4

按照实施例2中的实施方式将无惯性力拓展单元的驱动器安装好；

按照实施例3中的实施方式将有惯性力拓展单元的驱动器安装好；

在相同的60v和500hz的驱动条件下，对无惯性力拓展单元的驱动器和有惯性力拓展单元的驱动器分别输入对称性为100％和0的锯齿波形驱动电压，在惯性冲击的作用下，驱动器实现步进；

参见图5所示，为本发明驱动器在电压为60v和频率为500hz的条件下，测得的实际位移输出曲线。通过对比可以明显看出：正向运动和反向运动均是有惯性力拓展单元的驱动器的步进位移明显大于没有惯性力拓展单元的驱动器，运动速度明显更高。可见增加惯性力拓展单元可显著提高冲击惯性驱动器的运动速度。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围内。