一种压电双作动板驱动的宏微直线移动装置及运行方法

1.本发明涉及压电作动器技术领域，具体涉及一种压电双作动板驱动的宏微直线移动装置及运行方法。


背景技术：

2.随着现代科技信息化、智能化、自动化的蓬勃发展，一种新型作动器—压电作动器，逐渐出现在人们生活的方方面面。压电作动器是一种集机械振动学、摩擦学、压电材料理论、电子电力、工程控制论等诸多学科于一身的新型机电产品。压电作动器有着利用压电材料的逆压电效应实现将电能转化为机械能的独特驱动原理，很好的满足了在航空航天、生物科技、先进制造、高端高精密制造装备等场合对动力件提出的轻量化、结构简单且小型化、无电磁干扰、狭窄空间稳定工作等要求。自1948年由美国人willianms和brown申请的第一个压电作动器发明专利公布以来，经过全世界技术人员的不懈努力，根据各行业需求研制出了各式各样的压电作动器，这些作动器的结构多种多样。1998年，日本学者黑泽实等率先提出一种v型直线压电作动器，作动器中的两个兰杰文振子成v形结构设计，此换能器的最大速度为3.5m/s，最大推力可达51n。2008年，李玉宝等人设计了一种基于对称模态和反对称模态下的高速大推力直线压电作动器；2013年，刘英想等人设计提出了一种弯曲振动的夹芯式压电直线作动器；贺红林提出一种基于u型变截面薄板面内复合模态驱动的压电直线作动器。当驱动电压峰值为240v，且驱动频率为78.1khz，作动器无负载最大速度达125.6mm/s；2017年，张强等人设计了一种蛙型结构单模态驱动的压电直线作动器、张阳阳提出了一种利用弯振模态驱动的板式惯性压电直线作动器；同年，杨模尖等人设计了一端铰链的v型压电直线作动器。此外，尚有满足特定使用要求的其它新构型压电直线作动器也在近年来陆续提出和开发，例如，高速高精数控作动器需要实现微秒级响应速度和大力矩输出，用于测量细、窄孔直径的环形直线压电作动器。总体上，为推进直线作动器发展，人们已做了不少工作并取得了大量成果。
3.尽管如此，目前的压电直线作动器还远谈不上成熟，其性能离广泛工程应用需求尚存较大差距。一方面，它还普遍存在动力小、效率低、工作欠稳定等问题，另一方面，目前比较有限的直线作动器结构形式使其还无法满足应用领域对其提出的多样需求，故更多地发明直线作动器新原理及其动力学结构仍是压电作动器研究的重要方面。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的问题是：提供一种压电双作动板驱动的宏微直线移动装置及运行方法，能够克服原直线作动器振子定位复杂、运动位置分辨率低、运行速度慢和输出推力小的缺点。
5.本发明为解决上述问题所提供的技术方案为：一种压电双作动板驱动的宏微直线移动装置，包括振子组件1、定位平台2和支座组件3，所述振子组件1安装在所述支座组件3上，所述支座组件3设置于所述定位平台2上；
6.所述振子组件1包括振子基体121、压电陶瓷片一11、压电陶瓷片二12、驱动足一13和驱动足二14，所述振子基体121包括上层矩形板111、下层矩形板112和凸台块15，所述凸台块15与上层矩形板111和下层矩形板112为一体式结构，所述上层矩形板111和下层矩形板112两面均设有沟槽，所述压电陶瓷片一11为一阶纵向伸缩振动模态激励陶瓷且粘贴在上层矩形板111和下层矩形板112靠近中间的位置，所述压电陶瓷片二12为二阶弯曲振动模态激励陶瓷且粘贴在上层矩形板111和下层矩形板112靠近两端位置；所述驱动足一13、驱动足二14呈长方体状，配置在上层矩形板111和下层矩形板112上、下表面的杆端位置。
7.优选的，所述上层矩形板111和下层矩形板112的中心处设置有通孔，以供振子基体121采用螺钉穿过该孔安装在支座组件3上。
8.优选的，所述压电陶瓷片一11和压电陶瓷片二12均为矩形薄板状。
9.优选的，所述定位平台2包括盖板24、动子板4和底座36，所述盖板24底部四周配置有用于与底座装配的螺栓孔22，在盖板侧面开有供动子板4运动的方形孔23，所述盖板24通过螺栓固定在底座36上，在盖板24与底座36连接处压入了弹性垫片一21。
10.优选的，所述支座组件3包括导轨条32、支撑台331、支撑板31，所述支撑台331，在底座36的中心位置安装支撑台331，在支撑台331中心处配置螺纹孔用于固定；在支撑板31上配有两道导轨条32，两导轨条32均通过螺钉紧固在支撑板31上，且导轨条32与支撑板31连接处设有导轨弹性垫片321，两个导轨条32相互平行且导轨条32的导轨中放置滚珠33与动子板4形成滚动副。
11.优选的，所述振子组件1上的四个驱动足一13接触动子板4的表面；所述定位平台2与振子组件1之间设置有整弹性垫片二8，通过调整弹性垫片二8的压紧程度可调节定位平台2与振子组件1之间的预压力。
12.优选的，所述作动器工作模态包括振子组件的一阶纵向伸缩振动模态和二阶弯曲振动模态振动模态，所述的一阶纵向伸缩振动模态指发生在上层矩形板111和下层矩形板112所处平面内的长度方向的伸缩振动，二阶弯曲振动模态振动模态是指发生在上层矩形板111和下层矩形板112所处平面内的厚度方向的弯曲振动；其中二阶弯曲振动模态振动模态用以实现驱动足一13与动子的接触与分离，一阶纵向伸缩振动模态用于实现驱动足一13交替的推动动子板4移动。
13.本发明还公开了一种如上述任意一项所述的压电双作动板驱动的宏微直线移动装置的运行方法，所述运行方法包括，
14.基于压电陶瓷片一11、压电陶瓷片二12的逆压电效应激发出振子组件1特定的一阶纵向伸缩振动模态和二阶面内弯曲振动模态，进而利用振子组件1特定的一阶纵向伸缩振动模态和二阶面内弯曲振动模态推动动子板4运行；当分别对一阶纵向伸缩振动激励陶瓷片组、二阶面内弯曲振动激励陶瓷片组施加等幅、同频并且时间相位差相差90
°
的两相交流电功率信号对两相工作模态进行激励时，将在振子组件1上同时激发出一阶纵向伸缩振动和二阶面内弯曲振动两相弹性振动，两相弹性振动的线性叠加使上层矩形板111和下层矩形板112端部的驱动足一13、驱动足二14上的质点产生椭圆运动轨迹，压电双作动板型振子利用该椭圆运动，并借助驱动足一13、驱动足二14与动子板4之间的摩擦耦合过程，推动动子板4作直线运动；当施加在一阶纵向伸缩振动激励陶瓷片组、二阶面内弯曲振动激励陶瓷片组上的电功率信号之间的相位差变为-90
°
时，驱动足一13、驱动足二14的质点椭圆运
动轨迹方向发生改变，从而使动子板4作反方向的直线运动。
15.与现有技术相比，本发明的优点是：本发明提出的压电双作动板驱动的宏微直线移动装置定位方式简单，选定无振动位移的矩形块中心位置作为振子夹持点并将振子悬浮固定，既保证了定位的可靠性又避免了因为夹持和固定可能带来的工作模态异形化以及其模态频率大幅飘移等问题；本发明的压电双作动板驱动的宏微直线移动装置通过调节螺钉和弹性垫片来调节振子组件与定位平台之间的预压力，方便用户操作，也使得作动器结构更加紧凑和稳定；本发明的压电双作动板驱动的宏微直线移动装置采用压电双作动板型振子的多个驱动足直接推动定位平台运动，这种众多驱动足合力驱动的方式能成倍增大定位平台的输出推力和速度并使其平台的运行更稳定，保证作动器响应速度快，定位精度高的同时又能输出较大推力和速度。
附图说明
16.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施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。
17.图1为本发明的结构示意图；
18.图2为图1的侧视结构示意图；
19.图3为本发明中盖板的结构示意图；
20.图4为本发明中支座组件的结构示意图；
21.图5为本发明中振子组件的结构示意图；
22.图6为本发明中振子组件的二阶面内弯曲振动模态示意图；
23.图7为本发明中振子组件的一阶纵向伸缩振动模态示意图；
24.图8为本发明中上层矩形板的压电陶瓷位置布置及其压电极化与供电配置平面示意图；
25.图9为本发明中下层矩形板的压电陶瓷位置布置及其压电极化与供电配置平面示意图；
26.图10为本发明振子组件推动定位平台作直线运动的平面示意图。
具体实施方式
27.以下将配合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
28.在本发明的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“中心”，“横向”、“纵向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围。
29.此外，如有术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”特征可以明示或者隐含包括一个或者多个该特征，在本发明描述中，“数个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
30.在本发明中，除另有明确规定和限定，如有术语“组装”、“相连”、“连接”术语应作广义去理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；也可以是机械连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介相连，可以是两个元件内部相连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述的术语在本发明中的具体含义。
31.本发明的具体实施例如图1-10所示，一种压电双作动板驱动的宏微直线移动装置，包括振子组件1、定位平台2和支座组件3，所述振子组件1安装在所述支座组件3上，所述支座组件3设置于所述定位平台2上；
32.所述振子组件1包括振子基体121、压电陶瓷片一11、压电陶瓷片二12、驱动足一13和驱动足二14，所述振子基体121包括上层矩形板111、下层矩形板112和凸台块15，所述凸台块15与上层矩形板111和下层矩形板112为一体式结构，所述上层矩形板111和下层矩形板112两面均设有沟槽，所述压电陶瓷片一11为一阶纵向伸缩振动模态激励陶瓷且粘贴在上层矩形板111和下层矩形板112靠近中间的位置，所述压电陶瓷片二12为二阶弯曲振动模态激励陶瓷且粘贴在上层矩形板111和下层矩形板112靠近两端位置；所述驱动足一13、驱动足二14呈长方体状，配置在上层矩形板111和下层矩形板112上、下表面的杆端位置。
33.在本实施例中，所述上层矩形板111和下层矩形板112的中心处设置有通孔，以供振子基体121采用螺钉穿过该孔安装在支座组件3上。
34.在本实施例中，所述压电陶瓷片一11和压电陶瓷片二12均为矩形薄板状。
35.在本实施例中，所述定位平台2包括盖板24、动子板4和底座36，所述盖板24底部四周配置有用于与底座装配的螺栓孔22，在盖板侧面开有供动子板4运动的方形孔23，所述盖板24通过螺栓固定在底座36上，在盖板24与底座36连接处压入了弹性垫片一21。
36.在本实施例中，所述支座组件3包括导轨条32、支撑台331、支撑板31，所述支撑台331，在底座36的中心位置安装支撑台331，在支撑台331中心处配置螺纹孔用于固定；在支撑板31上配有两道导轨条32，两导轨条32均通过螺钉紧固在支撑板31上，且导轨条32与支撑板31连接处设有导轨弹性垫片321，两个导轨条32相互平行且导轨条32的导轨中放置滚珠33与动子板4形成滚动副。
37.在本实施例中，所述振子组件1上的四个驱动足一13接触动子板4的表面；所述定位平台2与振子组件1之间设置有整弹性垫片二8，通过调整弹性垫片二8的压紧程度可调节定位平台2与振子组件1之间的预压力。
38.在本实施例中，所述作动器工作模态包括振子组件的一阶纵向伸缩振动模态和二阶弯曲振动模态振动模态，所述的一阶纵向伸缩振动模态指发生在上层矩形板111和下层矩形板112所处平面内的长度方向的伸缩振动，二阶弯曲振动模态振动模态是指发生在上层矩形板111和下层矩形板112所处平面内的厚度方向的弯曲振动；其中二阶弯曲振动模态振动模态用以实现驱动足一13与动子的接触与分离，一阶纵向伸缩振动模态用于实现驱动足一13交替的推动动子板4移动。
39.本发明还公开了一种如上述任意一项所述的压电双作动板驱动的宏微直线移动装置的运行方法，所述运行方法包括，
40.基于压电陶瓷片一11、压电陶瓷片二12的逆压电效应激发出振子组件1特定的一阶纵向伸缩振动模态和二阶面内弯曲振动模态，进而利用振子组件1特定的一阶纵向伸缩振动模态和二阶面内弯曲振动模态推动动子板4运行；当分别对一阶纵向伸缩振动激励陶
瓷片组、二阶面内弯曲振动激励陶瓷片组施加等幅、同频并且时间相位差相差90
°
的两相交流电功率信号对两相工作模态进行激励时，将在振子组件1上同时激发出一阶纵向伸缩振动和二阶面内弯曲振动两相弹性振动，两相弹性振动的线性叠加使上层矩形板111和下层矩形板112端部的驱动足一13、驱动足二14上的质点产生椭圆运动轨迹，压电双作动板型振子利用该椭圆运动，并借助驱动足一13、驱动足二14与动子板4之间的摩擦耦合过程，推动动子板4作直线运动；当施加在一阶纵向伸缩振动激励陶瓷片组、二阶面内弯曲振动激励陶瓷片组上的电功率信号之间的相位差变为-90
°
时，驱动足一13、驱动足二14的质点椭圆运动轨迹方向发生改变，从而使动子板4作反方向的直线运动。
41.如图8、图9所示，为了有效、正确地激发出一阶纵向伸缩振动模态和二阶面内弯曲振动模态，需对一阶纵向伸缩振动模态激励陶瓷进行合理极化与供电配置，以“+”表示压电极化方向垂直于粘贴表面且与法线方向相反指向矩形板111和矩形板112，以
“‑”
表示压电极化方向垂直于粘贴表面且与法线方向相同背离矩形板111和矩形板112；为此要求：粘贴在矩形板111和矩形板112厚度方向的左表面的八片陶瓷片极化方向与法线相反指向矩形板；粘贴在矩形板111和矩形板112厚度方向的右表面且靠近的四片陶瓷片极化方向与法线相相同背离矩形板；粘贴在矩形板111和矩形板112厚度方向的右表面且两端的四片陶瓷片极化方向与法线相反指向矩形板。对所有一阶纵向伸缩振动模态激励陶瓷11的表面均通入同频余弦激励电压ucosωt；对所有二阶面内弯曲振动模态激励陶瓷12的表面均通入同频正弦激励电压usinωt。同时要求激励陶瓷与矩形板111和矩形板112的粘贴面均接地接入零激励电压；
42.如图10所示，利用一阶纵向伸缩振动模态激励陶瓷、二阶面内弯曲振动模态激励陶瓷的逆压电效应，进而通过对一阶纵向伸缩振动模态激励陶瓷、二阶面内弯曲振动模态激励陶瓷施加等幅、同频并且时间相位差相差90
°
的两相交流电功率信号对两相工作模态进行激励，将在定子组件1上同时激发出一阶纵向伸缩振动模态、二阶面内弯曲振动模态两相弹性振动，两相工作模态的共振或近共振驱使置于矩形板111和矩形板112端部的驱动足上的质点发生谐振作椭圆运动；叠层板型压电定子利用该椭圆运动并借助驱动足与定位平台之间的摩擦耦合作用，推动动子板作直线运动；通过改变两路激励信号的相位差为-90
°
时，可改变驱动足上的质点椭圆运动方向，从而使动子板作反向直线运动。
43.以上仅就本发明的最佳实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本发明不仅局限于以上实施例，其具体结构允许有变化。凡在本发明独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本发明保护范围内。