一種直線運動壓電驅(qū)動器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于精密驅(qū)動技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種直線驅(qū)動定位裝置，具體是一種直線運動壓電驅(qū)動器。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人類對微觀領(lǐng)域的研宄越來越深。尤其在超精密加工、微機電系統(tǒng)、微小機器人等領(lǐng)域，對裝置微型化和精密定位的要求越來越高。傳統(tǒng)的驅(qū)動器如電磁電機等宏觀大尺寸驅(qū)動裝置已不能滿足這些要求，各種新原理的驅(qū)動器應(yīng)運而生。基于壓電元件激勵的驅(qū)動器以其體積小、位移分辨率高、響應(yīng)快、不受磁場影響等優(yōu)點得到了非常廣泛的研宄和應(yīng)用。目前，壓電驅(qū)動器根據(jù)振動模式可分為共振式和非共振式。共振式壓電驅(qū)動器通過壓電元件的高頻振動激發(fā)基體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振來工作，如壓電超聲電機。這類驅(qū)動器具有許多優(yōu)點，但對電壓頻率、基體結(jié)構(gòu)尺寸非常敏感，批量化生難以保證其性能和穩(wěn)定性的一致。非共振式壓電驅(qū)動器是利用疊層壓電疊堆來激勵基體產(chǎn)生振動，如仿生式尺蠖型驅(qū)動器等。傳統(tǒng)的尺蠖型壓電驅(qū)動器的精度在很大程度上依賴于導(dǎo)向機構(gòu)的加工精度，且箝位機構(gòu)的磨損最終將導(dǎo)致機構(gòu)無法箝位從而使驅(qū)動器失效，另外此類驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)設(shè)計比較復(fù)雜，不利于構(gòu)建多自由度運動平臺。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題，是針對前述【背景技術(shù)】的缺陷和不足，設(shè)計一種新型壓電直線驅(qū)動器，實現(xiàn)大行程、高精度的定位要求。
[0004]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案:
一種直線運動壓電驅(qū)動器，包括彈性元件、驅(qū)動單元和靜平臺，所述彈性元件由一根水平梁連接若干個齒柱組成，每兩個齒柱間圍成空槽，空槽內(nèi)放置壓電疊堆和預(yù)緊裝置，形成一個驅(qū)動單元；所述預(yù)緊裝置用于調(diào)節(jié)施加于壓電疊堆的初始預(yù)緊力大小。
[0005]所述預(yù)緊裝置包括預(yù)緊楔塊和預(yù)緊螺栓，預(yù)緊楔塊包括上下兩個楔塊，上楔塊與下楔塊通過斜面配合相連，通過預(yù)緊螺栓固定連接，并且通過預(yù)緊螺栓調(diào)節(jié)二者的配合。
[0006]所述彈性單元內(nèi)設(shè)有至少一對預(yù)緊裝置，兩個預(yù)緊裝置相向?qū)ΨQ設(shè)置，相對的面上開有槽，所述槽內(nèi)卡裝有壓電疊堆。
[0007]所述預(yù)緊裝置與彈性單元相接面的對應(yīng)位置開有槽，槽內(nèi)裝夾一導(dǎo)向棒，在預(yù)緊時調(diào)整接觸面的角度。
[0008]所述驅(qū)動單元至少為3個，其分別設(shè)置在水平梁的上下兩側(cè)；上側(cè)的驅(qū)動單元比下側(cè)的驅(qū)動單元少一個，且上側(cè)驅(qū)動單元的安裝位置與下側(cè)驅(qū)動單元的安裝位置錯開一段距離。
[0009]所述彈性元件水平梁下方的齒柱作為運動足作用在靜平臺上，且齒頂與靜平臺接觸區(qū)域為一條直線。
[0010]本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果: 本發(fā)明提出的一種新型仿生式直線運動壓電驅(qū)動器，是利用壓電疊堆激勵基體結(jié)構(gòu)的非共振振動模式產(chǎn)生彈性元件運動足的有序運動來實現(xiàn)驅(qū)動器的雙向直線運動，既能保持非共振式壓電驅(qū)動器的優(yōu)點，同時相比較于傳統(tǒng)的尺蠖型壓電驅(qū)動器舍棄了箝位機構(gòu)和導(dǎo)向機構(gòu)。
[0011]所采用的預(yù)緊裝置結(jié)構(gòu)簡單，由上下楔塊通過螺栓連接而成，楔塊上開有槽，槽內(nèi)裝夾壓電疊塊，方便裝配使用；在水平梁的上下兩側(cè)均設(shè)有齒柱，下側(cè)齒柱的齒頂與靜平臺接觸區(qū)域為一條直線，避免了驅(qū)動器在運行過程中發(fā)生回程現(xiàn)象；該壓電驅(qū)動器具有結(jié)構(gòu)簡單、精度高、行程大、負(fù)載大、性能穩(wěn)定、易于構(gòu)建多自由度高精度運動平臺等優(yōu)點。
【附圖說明】
[0012]圖1是本發(fā)明所述直線運動壓電驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明所述彈性元件的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是本發(fā)明所述預(yù)緊楔塊與所述預(yù)緊螺栓的聯(lián)接示意圖；
圖4是本發(fā)明所述預(yù)緊裝置的預(yù)緊原理圖；
圖5是本發(fā)明所述直線運動壓電驅(qū)動器的信號圖；
圖6是本發(fā)明所述直線運動壓電驅(qū)動器的步進原理圖；
其中:1-彈性元件，2-導(dǎo)向棒，3-下楔塊，4-上楔塊，5-壓電疊堆，6-預(yù)緊螺栓，7-靜
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【具體實施方式】
[0013]本發(fā)明提供一種直線運動壓電驅(qū)動器，為使本發(fā)明的目的，技術(shù)方案及效果更加清楚，明確，以及參照附圖并舉實例對本發(fā)明進一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0014]下面結(jié)合附圖對發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細(xì)說明:
如圖1所示，本發(fā)明的一種直線運動壓電驅(qū)動器，包括彈性元件1、導(dǎo)向棒2、壓電疊堆5、預(yù)緊楔塊、預(yù)緊螺栓6和靜平臺7。所述彈性元件I具有五根齒柱和一根水平梁，五根齒柱形成的三個空槽各設(shè)置一個壓電疊堆5、預(yù)緊裝置及導(dǎo)向棒2，水平梁下方的三個齒柱作為運動足作用在靜平臺上；所述壓電疊堆5設(shè)置在兩組所述預(yù)緊楔塊之間，對應(yīng)的所述預(yù)緊螺栓6分別固定預(yù)緊楔塊的配合；所述靜平臺7依據(jù)驅(qū)動器的性能參數(shù)制定，作為驅(qū)動器的工作平面。
[0015]如圖2所示，所述彈性元件I具有三個槽和三個運動足，其中每個槽均開有兩個三角形槽用于裝夾導(dǎo)向棒；左右兩側(cè)兩個運動足的齒頂分別在最左側(cè)和最右側(cè)以保證齒頂位于運動足旋轉(zhuǎn)中心外側(cè)，以避免驅(qū)動器在運行過程中發(fā)生回程現(xiàn)象；類似毛蟲運動，三運動足的驅(qū)動器在運動過程中始終有兩足接觸地面作為支撐足，為保持重心在兩支撐足之內(nèi)，中間的運動足設(shè)計為倒V形，設(shè)有兩個齒頂。
[0016]圖3是本發(fā)明所述預(yù)緊楔塊與所述預(yù)緊螺栓6的聯(lián)接示意圖。所述預(yù)緊楔塊由具有螺紋孔的上楔塊4和具有槽的下楔塊3通過斜面配合組成，其中上楔塊4 一側(cè)具有矩形槽用以裝夾壓電疊堆5，下楔塊一側(cè)具有三角形槽用以裝夾導(dǎo)向棒2 ;所述預(yù)緊螺栓6聯(lián)接上楔塊4和下楔3塊固定兩者的配合，通過調(diào)整預(yù)緊螺栓6的旋轉(zhuǎn)量可以調(diào)節(jié)上楔塊4和下楔塊3的相對位置。
[0017]圖4是本發(fā)明所述預(yù)緊裝置的預(yù)緊原理圖。由于結(jié)構(gòu)的對稱性，現(xiàn)僅以一個壓電疊堆5及其預(yù)緊裝置來說明本發(fā)明預(yù)緊壓電疊堆的原理。所述壓電疊堆5裝配在兩組預(yù)緊楔塊之間，所述導(dǎo)向棒裝配在預(yù)緊楔塊和彈性元件三角形槽之間，可在預(yù)緊時自動調(diào)整接觸面的角度，避免因兩接觸面不平行而產(chǎn)生剪切力破壞壓電疊堆5 ;預(yù)緊螺栓6分別固定預(yù)緊楔塊對的配合，通過調(diào)整預(yù)緊螺栓的旋轉(zhuǎn)量調(diào)節(jié)上楔塊4和下楔塊3的相對位置，達到調(diào)整上下兩楔塊水平位移的效果，從而調(diào)整兩上楔塊水平位移量，實現(xiàn)對壓電疊堆5的預(yù)緊。
[0018]如圖5、圖6所示，是本發(fā)明所述直線運動壓電驅(qū)動器的一種可行信號圖及其步進原理圖。本發(fā)明旨在仿照毛蟲運動的特點設(shè)計一種直線運動壓電驅(qū)動器，一般毛蟲具有多對足，但其運動都具有相似性:總是有一對足作為運動足在做豎直和水平方向的運動，而其他足作為支撐足始終接觸地面，并借與地面的靜摩擦力使得自身在運動過程中不打滑從而出現(xiàn)回程現(xiàn)象。本發(fā)明正是基于毛蟲這些運動特點設(shè)計的，根據(jù)驅(qū)動器在一個周期內(nèi)的步進運動特點，設(shè)計了三個壓電疊堆的激勵信號。如圖6所示，一個信號周期T被分為5t，對應(yīng)于驅(qū)動器在一個周期內(nèi)的五個工作過程，每段時間t內(nèi)均對應(yīng)驅(qū)動器的一個工作過程?，F(xiàn)結(jié)合圖6僅以驅(qū)動器的一個步進運動周期來說明本發(fā)明的步進原理。一個完整的步進運動周期如下:在第一個t內(nèi)，激勵右側(cè)壓電疊堆處于伸長狀態(tài)，其余壓電疊堆處于不工作狀態(tài)，從而驅(qū)動彈性元件右側(cè)的運動足作豎直向上和水平向右的運動；在第二個t內(nèi)，保持右側(cè)壓電疊堆伸長狀態(tài)不變，激勵中間壓電疊堆處于伸長狀態(tài)，左側(cè)壓電疊堆處于不工作狀態(tài)，從而驅(qū)動彈性元件中間運動足作豎直向上的運動，同時通過重力作用使彈性元件右側(cè)運動足作豎直向下的運動；在第三個t內(nèi)，保持中間壓電疊堆伸長狀態(tài)不變，激勵左側(cè)壓電疊堆伸長的同時使右側(cè)壓電疊堆縮短至不工作狀態(tài)，從而驅(qū)動彈性元件中間運動足作水平向右的運動；在第四個t內(nèi)，保持左側(cè)壓電疊堆伸長狀態(tài)不變，卸載中間壓電疊堆激勵信號使中間壓電疊堆和右側(cè)壓電疊堆處于不工作狀態(tài)，從而驅(qū)動彈性元件中間運動足作豎直向下的運動，同時通過重力作用使彈性元件做側(cè)運動足做豎直向上的運動；在第五個t內(nèi)，卸載左側(cè)壓電疊堆激勵信號，使所有壓電疊堆均處于不工作狀態(tài)，從而驅(qū)動彈性元件左側(cè)運動足作豎直向下和水平向右的運動。綜合以上工作過程，彈性元件三個運動足從右到左有序的作了水平向右的運動，這段位移量即為驅(qū)動器的步距。同理可得，通過改變激勵三個壓電疊堆的時序關(guān)系，可以使得彈性元件三個運動足從左到右有序的作水平向左的運動。
[0019]在具體實施過程當(dāng)中，可以根據(jù)不同場合的需要設(shè)置不同數(shù)量的驅(qū)動單元。
[0020]可以理解的是，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，而所有這些改變或替換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護范圍。
【主權(quán)項】
1.一種直線運動壓電驅(qū)動器，其特征在于:包括彈性元件、驅(qū)動單元和靜平臺，所述彈性元件由一根水平梁連接若干個齒柱組成，每兩個齒柱間圍成空槽，空槽內(nèi)放置壓電疊堆和預(yù)緊裝置，形成一個驅(qū)動單元；所述預(yù)緊裝置用于調(diào)節(jié)施加于壓電疊堆的初始預(yù)緊力大小。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種直線運動壓電驅(qū)動器，其特征在于:所述預(yù)緊裝置包括預(yù)緊楔塊和預(yù)緊螺栓，預(yù)緊楔塊包括上下兩個楔塊，上楔塊與下楔塊通過斜面配合相連，通過預(yù)緊螺栓固定連接，并且通過預(yù)緊螺栓調(diào)節(jié)二者的配合。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種直線運動壓電驅(qū)動器，其特征在于:所述彈性單元內(nèi)設(shè)有至少一對預(yù)緊裝置，兩個預(yù)緊裝置相向?qū)ΨQ設(shè)置，相對的面上開有槽，所述槽內(nèi)卡裝有壓電疊堆。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種直線運動壓電驅(qū)動器，其特征在于:所述預(yù)緊裝置與彈性單元相接面的對應(yīng)位置開有槽，槽內(nèi)裝夾一導(dǎo)向棒，在預(yù)緊時調(diào)整接觸面的角度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4所述的任意一種直線運動壓電驅(qū)動器，其特征在于:所述驅(qū)動單元至少為3個，其分別設(shè)置在水平梁的上下兩側(cè)；上側(cè)的驅(qū)動單元比下側(cè)的驅(qū)動單元少一個，且上側(cè)驅(qū)動單元的安裝位置與下側(cè)驅(qū)動單元的安裝位置錯開一段距離。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種直線運動壓電驅(qū)動器，其特征在于:所述彈性元件水平梁下方的齒柱作為運動足作用在靜平臺上，且齒頂與靜平臺接觸區(qū)域為一條直線。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種直線運動壓電驅(qū)動器，包括彈性元件、驅(qū)動單元和靜平臺，所述彈性元件由一根水平梁連接若干個齒柱組成，每兩個齒柱間圍成空槽，空槽內(nèi)放置壓電疊堆和預(yù)緊裝置，形成一個驅(qū)動單元，水平梁下方的齒柱作為運動足作用在靜平臺上；所述預(yù)緊裝置包括預(yù)緊楔塊和預(yù)緊螺栓；所述壓電疊堆設(shè)置在預(yù)緊楔塊之間，并通過預(yù)緊螺栓調(diào)節(jié)施加在壓電疊堆上的預(yù)緊力；對壓電疊堆施加特定的激勵信號，使彈性元件的運動足產(chǎn)生類似毛蟲行走的有序運動，實現(xiàn)驅(qū)動器在靜平臺上的直線運動；通過調(diào)整激勵信號之間的相位差，以改變運動足的運動順序，可實現(xiàn)驅(qū)動器的雙向直線運動。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、精度高、行程大、負(fù)載大等優(yōu)點。
【IPC分類】H02N2-06
【公開號】CN104753392
【申請?zhí)枴緾N201510163444
【發(fā)明人】章洪軒, 王亮, 季瑞南, 舒承有, 金家楣
【申請人】南京航空航天大學(xué)
【公開日】2015年7月1日
【申請日】2015年4月9日