斜槽式精密壓電粘滑直線馬達(dá)及其驅(qū)動(dòng)方法
【專利摘要】一種斜槽式精密壓電粘滑直線馬達(dá)及其驅(qū)動(dòng)方法，以解決當(dāng)前壓電粘滑直線馬達(dá)由于摩擦力綜合調(diào)控困難所導(dǎo)致的輸出機(jī)械性能受限等問題。本發(fā)明由底座、預(yù)壓力調(diào)整機(jī)構(gòu)、斜槽式定子和動(dòng)子四部分組成，所述定子采用對(duì)稱的柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)來產(chǎn)生位移放大，利用斜槽與半圓形驅(qū)動(dòng)足沿軸向剛度分布不均而產(chǎn)生側(cè)向位移，增大摩擦驅(qū)動(dòng)力，減小摩擦阻力；同時(shí)將摩擦調(diào)控波復(fù)合疊加于定子快速變形階段的鋸齒驅(qū)動(dòng)波中，從而降低快速變形階段定、動(dòng)子間摩擦阻力，實(shí)現(xiàn)對(duì)摩擦力的綜合調(diào)控，顯著提升壓電粘滑直線馬達(dá)機(jī)械輸出特性。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、行程大等特點(diǎn)，在航空航天、光學(xué)精密儀器和半導(dǎo)體加工等微納精密驅(qū)動(dòng)與定位領(lǐng)域中具有很好的應(yīng)用前景。
【專利說明】
斜槽式精密壓電粘滑直線馬達(dá)及其驅(qū)動(dòng)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種斜槽式精密壓電粘滑直線馬達(dá)及其驅(qū)動(dòng)方法，屬于微納精密驅(qū)動(dòng)與定位技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]壓電粘滑直線馬達(dá)是一種利用壓電元件的逆壓電效應(yīng)，在非對(duì)稱電信號(hào)激勵(lì)下激發(fā)振子(或稱定子)產(chǎn)生微幅振動(dòng)，通過振子與動(dòng)子間的摩擦耦合實(shí)現(xiàn)機(jī)械能輸出的精密微納驅(qū)動(dòng)器。按照驅(qū)動(dòng)工作原理的不同，壓電粘滑直線馬達(dá)主要分為共振型壓電馬達(dá)(也稱超聲波電機(jī))與非共振型壓電馬達(dá)(也稱壓電粘滑馬達(dá))兩大類。與共振型壓電馬達(dá)相比，壓電粘滑直線馬達(dá)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、定位精度高和控制方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于精密驅(qū)動(dòng)與定位的技術(shù)領(lǐng)域。
[0003]壓電粘滑驅(qū)動(dòng)主要是將鋸齒激勵(lì)電信號(hào)施加于壓電元件，激發(fā)定子產(chǎn)生快慢交替的運(yùn)動(dòng)變形，控制定子與動(dòng)子在“粘”和“滑”兩種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)之間相互轉(zhuǎn)換，利用摩擦力驅(qū)動(dòng)動(dòng)子實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)輸出。然而，由于壓電粘滑驅(qū)動(dòng)緩慢與快速變形階段，定子與動(dòng)子間摩擦力起到不同作用，具體為緩慢變形驅(qū)動(dòng)階段時(shí)表現(xiàn)為摩擦驅(qū)動(dòng)力，而快速變形驅(qū)動(dòng)階段時(shí)表現(xiàn)為摩擦阻力。已有公開技術(shù)表明當(dāng)前壓電粘滑直線馬達(dá)無法實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)驅(qū)動(dòng)過程的摩擦力進(jìn)行綜合調(diào)控，導(dǎo)致其輸出機(jī)械性能受限。特別在定子的快速變形驅(qū)動(dòng)階段，由于動(dòng)子所受摩擦力與其運(yùn)動(dòng)方向相反，當(dāng)動(dòng)子慣性力不足以克服該摩擦阻力時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致動(dòng)子產(chǎn)生回退運(yùn)動(dòng)，表現(xiàn)為類鋸齒狀的不平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)輸出，劣化輸出性能，已有鋸齒激勵(lì)電信號(hào)無法實(shí)現(xiàn)對(duì)壓電粘滑直線馬達(dá)快速變形驅(qū)動(dòng)階段摩擦力的調(diào)控，進(jìn)一步限制了壓電粘滑直線馬達(dá)的應(yīng)用與發(fā)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為解決已有壓電粘滑直線馬達(dá)由于定子與動(dòng)子間摩擦力綜合調(diào)控困難，所導(dǎo)致的輸出機(jī)械性能受限，產(chǎn)生類鋸齒狀不平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)輸出，劣化輸出性能等技術(shù)問題，本發(fā)明公開了一種斜槽式精密壓電粘滑直線馬達(dá)及其驅(qū)動(dòng)方法。
[0005]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
所述一種斜槽式精密壓電粘滑直線馬達(dá)由底座、預(yù)壓力調(diào)整機(jī)構(gòu)、斜槽式定子和動(dòng)子組成。
[0006]所述底座包括底座安裝孔、預(yù)壓力調(diào)整機(jī)構(gòu)安裝孔、導(dǎo)軌固定安裝接觸平面和導(dǎo)軌螺紋安裝孔，所述底座安裝孔為沉頭孔可將底座與其它外圍裝置進(jìn)行固定，預(yù)壓力調(diào)整機(jī)構(gòu)安裝孔用于預(yù)壓力調(diào)整機(jī)構(gòu)的固定，所述導(dǎo)軌固定安裝接觸平面和導(dǎo)軌螺紋安裝孔用于固定安裝動(dòng)子。
[0007]所述預(yù)壓力調(diào)整機(jī)構(gòu)包括下固定滑臺(tái)、上移動(dòng)滑臺(tái)、螺桿和平臺(tái)鎖緊螺釘。所述下固定滑臺(tái)設(shè)置有螺紋孔用于與螺桿進(jìn)行螺紋連接，所述下固定滑臺(tái)設(shè)置有短圓柱銷用于安裝預(yù)壓力調(diào)整彈簧，所述下固定滑臺(tái)設(shè)置有平移導(dǎo)向?qū)к売糜谏弦苿?dòng)滑臺(tái)的平移加載，所述平移導(dǎo)向?qū)к壴O(shè)置有限位螺釘可限制上移動(dòng)滑臺(tái)的運(yùn)動(dòng)行程。所述下固定滑臺(tái)底部設(shè)置有沉頭孔，通過螺釘可實(shí)現(xiàn)與底座之間的固定安裝，所述下固定滑臺(tái)設(shè)置有鎖緊支撐架和螺釘，通過旋合平臺(tái)鎖緊螺釘可以實(shí)現(xiàn)對(duì)上移動(dòng)滑臺(tái)的鎖緊。所述上移動(dòng)滑臺(tái)上端面設(shè)置有螺紋孔用于固定安裝斜槽式定子，所述上移動(dòng)滑臺(tái)的側(cè)面設(shè)置有平臺(tái)鎖緊螺釘安裝孔，所述螺紋安裝孔與螺釘進(jìn)行螺紋連接。
[0008]所述斜槽式定子包括斜槽式框形結(jié)構(gòu)鉸鏈、壓電堆疊、預(yù)緊調(diào)整螺栓和墊片。所述斜槽式框形結(jié)構(gòu)鉸鏈采用對(duì)稱矩形結(jié)構(gòu)的柔性鉸鏈，所述斜槽式框形結(jié)構(gòu)鉸鏈設(shè)置有緊固螺栓安裝通孔，通過螺栓將斜槽式框形結(jié)構(gòu)鉸鏈與上移動(dòng)滑臺(tái)上的螺紋孔進(jìn)行螺紋緊固連接。所述斜槽式框形結(jié)構(gòu)鉸鏈兩側(cè)設(shè)置有直圓型柔性鉸鏈，所述的直圓型柔性鉸鏈通過剛性梁進(jìn)行連接，所述斜槽式框形結(jié)構(gòu)鉸鏈設(shè)置有斜槽，所述斜槽式框形結(jié)構(gòu)鉸鏈設(shè)置有半圓形驅(qū)動(dòng)足，鋸齒波電信號(hào)激勵(lì)壓電堆疊產(chǎn)生輸出力，通過斜槽傳遞到半圓形驅(qū)動(dòng)足上。所述斜槽式定子采用對(duì)稱矩形結(jié)構(gòu)的柔性鉸鏈進(jìn)行位移放大，斜槽與半圓形驅(qū)動(dòng)足沿軸向剛度分布不均而產(chǎn)生側(cè)向位移。增大緩慢變形驅(qū)動(dòng)階段時(shí)摩擦驅(qū)動(dòng)力，減小快速變形驅(qū)動(dòng)階段時(shí)摩擦阻力，可實(shí)現(xiàn)對(duì)摩擦力的綜合調(diào)控。所述半圓形驅(qū)動(dòng)足端面相應(yīng)涂有摩擦材料，所述半圓形驅(qū)動(dòng)足驅(qū)動(dòng)動(dòng)子運(yùn)動(dòng)，所述預(yù)緊螺釘安裝孔與預(yù)緊調(diào)整螺栓進(jìn)行螺紋連接，所述壓電堆疊的后端面與預(yù)緊螺釘之間設(shè)置有墊片，所述壓電堆疊的前端面與斜槽式框形結(jié)構(gòu)鉸鏈之間設(shè)置有墊片，防止其產(chǎn)生切應(yīng)變或局部受力不均。通過調(diào)節(jié)預(yù)緊調(diào)整螺栓的旋合長(zhǎng)度，可實(shí)現(xiàn)對(duì)壓電堆疊的預(yù)緊調(diào)節(jié)。
[0009]所述動(dòng)子為雙列交叉滾柱導(dǎo)軌，包括固定導(dǎo)軌、活動(dòng)導(dǎo)軌、雙列交叉滾柱導(dǎo)軌保持架和導(dǎo)軌限位螺釘。所述固定導(dǎo)軌通過導(dǎo)軌螺紋安裝孔固定于導(dǎo)軌固定安裝接觸平面上，所述活動(dòng)導(dǎo)軌端面相應(yīng)涂有摩擦材料，所述固定導(dǎo)軌設(shè)置有雙列交叉滾柱導(dǎo)軌保持架和滾柱，雙列交叉滾柱導(dǎo)軌保持架和滾柱為動(dòng)子的滑動(dòng)提供支撐。為了避免雙列交叉滾柱導(dǎo)軌保持架和滾柱滑出導(dǎo)軌，同時(shí)限制動(dòng)子的運(yùn)動(dòng)范圍，分別在動(dòng)子的固定導(dǎo)軌兩端設(shè)置導(dǎo)軌安裝螺釘進(jìn)行限位。
[0010]所述驅(qū)動(dòng)方法中所采用的復(fù)合激勵(lì)電信號(hào)由摩擦調(diào)控波復(fù)合疊加于定子快速變形階段的鋸齒驅(qū)動(dòng)波中，所述驅(qū)動(dòng)波為鋸齒波，所述摩擦調(diào)控波為正弦波;所述驅(qū)動(dòng)方法可減小快速變形階段定子與動(dòng)子之間的摩擦阻力，抑制回退運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生，其中鋸齒驅(qū)動(dòng)波周期St1，激勵(lì)電壓幅值為V1，對(duì)稱性為D，微幅摩擦正弦調(diào)控波周期為τ2，激勵(lì)電壓幅值為％，鋸齒驅(qū)動(dòng)波與微幅摩擦正弦調(diào)控波的周期比St1A2=1?100000，激勵(lì)電壓幅值比為^…大于2。
[0011]本發(fā)明的有益效果是:
本發(fā)明由于采用具有摩擦力綜合調(diào)控功能的斜槽式定子結(jié)構(gòu)，同時(shí)通過復(fù)合激勵(lì)電信號(hào)進(jìn)行激勵(lì)，增大了定子緩慢變形驅(qū)動(dòng)階段定子與動(dòng)子間摩擦驅(qū)動(dòng)力，降低了定子快速變形驅(qū)動(dòng)階段定子與動(dòng)子間摩擦阻力，實(shí)現(xiàn)了對(duì)壓電粘滑直線馬達(dá)整個(gè)驅(qū)動(dòng)過程的摩擦力進(jìn)行綜合調(diào)控，可顯著提升壓電粘滑直線馬達(dá)機(jī)械輸出特性，抑制位移回退運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生。與當(dāng)前已有技術(shù)相比，輸出力提升10%以上，輸出速度提升20%以上，位移回退率降低50%以上，輸出效率提升30%以上，開環(huán)條件下定位精度可達(dá)納米級(jí)。
【附圖說明】
[0012]圖1所示為本發(fā)明提出的一種斜槽式精密壓電粘滑直線馬達(dá)的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2所示為本發(fā)明提出的一種斜槽式精密壓電粘滑直線馬達(dá)底座的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3所示為本發(fā)明提出的一種斜槽式精密壓電粘滑直線馬達(dá)預(yù)壓力調(diào)整機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4所示為本發(fā)明提出的一種斜槽式精密壓電粘滑直線馬達(dá)預(yù)壓力調(diào)整機(jī)構(gòu)的下固定滑臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5所示為本發(fā)明提出的一種斜槽式精密壓電粘滑直線馬達(dá)預(yù)壓力調(diào)整機(jī)構(gòu)的上活動(dòng)滑臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖6所示為本發(fā)明提出的一種斜槽式精密壓電粘滑直線馬達(dá)斜槽式定子的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖7所示為本發(fā)明提出的一種斜槽式精密壓電粘滑直線馬達(dá)斜槽式定子的框形結(jié)構(gòu)柔性鉸鏈的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖8所示為本發(fā)明提出的一種斜槽式精密壓電粘滑直線馬達(dá)斜槽式定子的局部放大結(jié)構(gòu)示意圖；
圖9所示為本發(fā)明提出的一種斜槽式精密壓電粘滑直線馬達(dá)動(dòng)子的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖10所示為本發(fā)明提出的一種斜槽式精密壓電粘滑直線馬達(dá)驅(qū)動(dòng)方法的電信號(hào)波形示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013]【具體實(shí)施方式】一:結(jié)合圖1?圖9說明本實(shí)施方式。本實(shí)施方式提供了一種斜槽式精密壓電粘滑直線馬達(dá)的具體實(shí)施方案。所述一種斜槽式精密壓電粘滑直線馬達(dá)由底座1、預(yù)壓力調(diào)整機(jī)構(gòu)2、斜槽式定子3和動(dòng)子4組成。
[0014]所述底座I包括底座安裝孔1-1、預(yù)壓力調(diào)整機(jī)構(gòu)安裝孔1-2、導(dǎo)軌固定安裝接觸平面1-3和導(dǎo)軌螺紋安裝孔1-4，所述底座I可采用鋁合金材料。所述底座安裝孔1-1為沉頭孔，可將底座I與其它外圍裝置進(jìn)行固定，預(yù)壓力調(diào)整機(jī)構(gòu)安裝孔1-2，用于預(yù)壓力調(diào)整機(jī)構(gòu)2的固定，所述導(dǎo)軌固定安裝接觸平面1-3和導(dǎo)軌螺紋安裝孔1-4用于固定安裝動(dòng)子4。
[0015]所述預(yù)壓力調(diào)整機(jī)構(gòu)2包括下固定滑臺(tái)2-1、上移動(dòng)滑臺(tái)2-2、螺桿2-3和平臺(tái)鎖緊螺釘2-4。所述下固定滑臺(tái)2-1設(shè)置有螺紋孔2-1-1，其用于與螺桿2-3進(jìn)行螺紋連接，所述下固定滑臺(tái)2-1設(shè)置有短圓柱銷2-1-2，用于安裝預(yù)壓力調(diào)整彈簧2-1-4，所述下固定滑臺(tái)2-1設(shè)置有平移導(dǎo)向?qū)к?-1-3，用于上移動(dòng)滑臺(tái)2-2的平移加載。所述平移導(dǎo)向?qū)к?-1-3設(shè)置有Sn個(gè)導(dǎo)軌限位螺釘2-1-5可限制上移動(dòng)滑臺(tái)2-2的運(yùn)動(dòng)行程，其中η為大于等于I的整數(shù)。所述下固定滑臺(tái)2-1底部設(shè)置有沉頭孔2-1-6，通過螺釘可實(shí)現(xiàn)與底座I之間的固定安裝，所述下固定滑臺(tái)2-1設(shè)置有鎖緊支撐架2-1-7和螺釘2-1-8，通過旋合平臺(tái)鎖緊螺釘2-4，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)上移動(dòng)滑臺(tái)2-2的鎖緊，防止加載后上移動(dòng)滑臺(tái)2-2的移動(dòng)。所述上移動(dòng)滑臺(tái)2-2上端面設(shè)置有螺紋孔2-2-1，用于固定安裝斜槽式定子3，所述上移動(dòng)滑臺(tái)2-2的側(cè)面設(shè)置有平臺(tái)鎖緊螺釘安裝孔2-2-2，所述螺紋安裝孔2-2-2與螺釘2-4進(jìn)行螺紋連接。
[0016]所述斜槽式定子3包括斜槽式框形結(jié)構(gòu)鉸鏈3-1、壓電堆疊3-2、預(yù)緊調(diào)整螺栓3-3和墊片3-4。所述斜槽式框形結(jié)構(gòu)鉸鏈3-1采用對(duì)稱矩形結(jié)構(gòu)的柔性鉸鏈，所述斜槽式框形結(jié)構(gòu)鉸鏈3-1可采用5052鋁合金、6061鋁合金、7075鋁合金、T1-35A鈦合金或T1-13鈦合金材料。所述斜槽式框形結(jié)構(gòu)鉸鏈3-1設(shè)置有緊固螺栓安裝通孔3-1-1，通過螺栓將斜槽式框形結(jié)構(gòu)鉸鏈3-1與上移動(dòng)滑臺(tái)2-2上的螺紋孔2-2-1進(jìn)行螺紋緊固連接。所述斜槽式框形結(jié)構(gòu)鉸鏈3-1—側(cè)設(shè)置有4個(gè)直圓型柔性鉸鏈3-1-2，另一側(cè)設(shè)置有4個(gè)直圓型柔性鉸鏈3-1-6，所述的直圓型柔性鉸鏈3-1-2和直圓型柔性鉸鏈3-1-6通過剛性梁3-1-3進(jìn)行連接，所述2個(gè)剛性梁3-1-3之間的距離為L(zhǎng)，剛性梁的寬度為U，厚度為B，其中L1/!取值范圍為1/6?1/2，B/L取值范圍為0.5?I可以保證直圓型柔性鉸鏈3-1-2和直圓型柔性鉸鏈3-1-6具有位移放大的能力，本實(shí)施方式中L=I3mm，Li=2.5mm，B=7mm。所述直圓型柔性鉸鏈3_1 -2和直圓型柔性鉸鏈3-1-6具有相同的圓角半徑值仏，其中R1/!取值范圍為1/60?1/12。所述斜槽式框形結(jié)構(gòu)鉸鏈3-1設(shè)置有斜槽3-1-5，所述斜槽3-1-5的個(gè)數(shù)為N，高度為L(zhǎng)2，寬度為C，與豎直方向的夾角為α，其中N 2 I，L2/C取值范圍為I?8，C/L取值范圍為0.01?0.1，夾角α的取值范圍為10°?80°，本實(shí)施方式中的夾角α為15°，斜槽3-1-5的個(gè)數(shù)N為5。所述斜槽式框形結(jié)構(gòu)鉸鏈3-1設(shè)置有半圓形驅(qū)動(dòng)足3-1-4，鋸齒波電信號(hào)激勵(lì)壓電堆疊3-2產(chǎn)生輸出力，通過斜槽3-1-5傳遞到半圓形驅(qū)動(dòng)足3-1-4上，所述斜槽式定子3采用對(duì)稱矩形結(jié)構(gòu)的柔性鉸鏈進(jìn)行位移放大，斜槽3-1-5與半圓形驅(qū)動(dòng)足3-1-4沿軸向剛度分布不均而產(chǎn)生側(cè)向位移。增大緩慢變形驅(qū)動(dòng)階段時(shí)摩擦驅(qū)動(dòng)力，減小快速變形驅(qū)動(dòng)階段時(shí)摩擦阻力，可實(shí)現(xiàn)對(duì)摩擦力的綜合調(diào)控。所述半圓形驅(qū)動(dòng)足3-1-4端面相應(yīng)涂有陶瓷類或玻璃纖維類摩擦材料，所述半圓形驅(qū)動(dòng)足3-1-4的厚度為N，活動(dòng)導(dǎo)軌4-2的厚度為M，其中N < M可以保證有效接觸面積，提高傳動(dòng)效率，其中M=(N+l)mm，本實(shí)施方式中M=8mm，N=7mm。所述半圓形驅(qū)動(dòng)足3-1-4驅(qū)動(dòng)動(dòng)子4運(yùn)動(dòng)，所述預(yù)緊螺釘安裝孔3-1-7與預(yù)緊調(diào)整螺栓3-3進(jìn)行螺紋連接，所述壓電堆疊3-2可以是PI或NEC等公司的壓電堆疊產(chǎn)品。所述壓電堆疊的后端面與預(yù)緊螺釘3-3之間設(shè)置有墊片3-4，所述壓電堆疊3-2的前端面與斜槽式框形結(jié)構(gòu)鉸鏈3-1之間設(shè)置有墊片3-4，所述壓電堆疊3-2前后端面設(shè)置墊片3-4的目的是為了保護(hù)壓電堆疊3-2，防止其產(chǎn)生切應(yīng)變或局部受力不均。通過調(diào)節(jié)預(yù)緊調(diào)整螺栓3-3的旋合長(zhǎng)度，可實(shí)現(xiàn)對(duì)壓電堆疊3-2的軸向預(yù)緊調(diào)節(jié)。
[0017]所述動(dòng)子4為雙列交叉滾柱導(dǎo)軌，包括固定導(dǎo)軌4-1、活動(dòng)導(dǎo)軌4-2、雙列交叉滾柱導(dǎo)軌保持架4-3和導(dǎo)軌限位螺釘4-4。所述固定導(dǎo)軌4-1，通過導(dǎo)軌螺紋安裝孔1-4固定于導(dǎo)軌固定安裝接觸平面1-3上，所述活動(dòng)導(dǎo)軌4-2端面相應(yīng)涂有陶瓷類或玻璃纖維類摩擦材料，所述固定導(dǎo)軌4-1設(shè)置有雙列交叉滾柱導(dǎo)軌保持架4-3和滾柱，雙列交叉滾柱導(dǎo)軌保持架4-3和滾柱為動(dòng)子4的滑動(dòng)提供支撐。為了避免雙列交叉滾柱導(dǎo)軌保持架4-3和滾柱滑出導(dǎo)軌，同時(shí)限制動(dòng)子4的運(yùn)動(dòng)范圍，分別在動(dòng)子4的固定導(dǎo)軌4-1和活動(dòng)導(dǎo)軌4-2的兩端設(shè)置導(dǎo)軌限位螺釘4-4進(jìn)行限位。
[0018]【具體實(shí)施方式】二:結(jié)合圖10圖說明本實(shí)施方式。本實(shí)施方式提供了一種斜槽式精密壓電粘滑直線馬達(dá)驅(qū)動(dòng)方法的具體實(shí)施方案。所述一種斜槽式精密壓電粘滑直線馬達(dá)驅(qū)動(dòng)方法如下所示。
[0019]所述驅(qū)動(dòng)方法中所采用的復(fù)合激勵(lì)電信號(hào)由摩擦調(diào)控波復(fù)合疊加于定子快速變形階段的鋸齒驅(qū)動(dòng)波中，所述驅(qū)動(dòng)波為鋸齒波，所述摩擦調(diào)控波為正弦波。具體地，所述驅(qū)動(dòng)方法可減小快速變形階段定子與動(dòng)子之間的摩擦阻力，抑制回退運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生，優(yōu)化了輸出性能。其中鋸齒驅(qū)動(dòng)波周期為T1，激勵(lì)電壓幅值為V1，對(duì)稱性為D，微幅摩擦正弦調(diào)控波周期為T2，激勵(lì)電壓幅值Sv2，鋸齒驅(qū)動(dòng)波與微幅摩擦正弦調(diào)控波的周期比為T1Zt2=1?100000，激勵(lì)電壓幅值比為Vi/V2大于2。
[0020]工作原理:斜槽式精密壓電粘滑直線馬達(dá)及其驅(qū)動(dòng)方法主要是在復(fù)合電信號(hào)激勵(lì)下，利用半圓形驅(qū)動(dòng)足與斜槽之間沿軸向剛度分布不均而產(chǎn)生側(cè)向位移，綜合調(diào)控定子與動(dòng)子間的摩擦力，進(jìn)而提升壓電粘滑直線馬達(dá)機(jī)械輸出特性。本發(fā)明的斜槽式定子由于采用對(duì)稱柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)進(jìn)行位移放大，利用斜槽與半圓形驅(qū)動(dòng)足沿軸向剛度分布不均而產(chǎn)生側(cè)向位移，調(diào)整定子與動(dòng)子間接觸的正壓力，即在定子緩慢變形驅(qū)動(dòng)階段，增大定子與動(dòng)子間接觸的正壓力，進(jìn)而增加定子與動(dòng)子間的摩擦驅(qū)動(dòng)力，在定子快速變形驅(qū)動(dòng)階段，減小定子與動(dòng)子間接觸的正壓力，進(jìn)而減小定子與動(dòng)子間的摩擦阻力，實(shí)現(xiàn)對(duì)緩慢變形驅(qū)動(dòng)階段摩擦驅(qū)動(dòng)力與快速變形驅(qū)動(dòng)階段摩擦阻力的綜合調(diào)控，提升整機(jī)輸出性能。同時(shí)，本發(fā)明通過將摩擦調(diào)控波復(fù)合疊加于定子快速變形階段的鋸齒驅(qū)動(dòng)波中，激發(fā)定子處于微幅高頻振動(dòng)狀態(tài)，改善定子與動(dòng)子間傳動(dòng)接觸狀態(tài)，減小定子與動(dòng)子間的真實(shí)接觸面積和實(shí)際接觸時(shí)間，從而降低了快速變形驅(qū)動(dòng)階段定、動(dòng)子間摩擦阻力，抑制回退運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生，可顯著提升壓電粘滑直線馬達(dá)機(jī)械輸出特性。
[0021]綜合以上所述內(nèi)容，本發(fā)明提供一種斜槽式精密壓電粘滑直線馬達(dá)，利用半圓形驅(qū)動(dòng)足與斜槽之間沿軸向剛度分布不均而產(chǎn)生側(cè)向位移，綜合調(diào)控定子與動(dòng)子間的摩擦力；本發(fā)明提供的驅(qū)動(dòng)方法能夠抑制位移回退運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生，顯著提升壓電粘滑直線馬達(dá)機(jī)械輸出特性。斜槽式框形結(jié)構(gòu)鉸鏈與壓電堆疊裝配成一個(gè)定子，裝配簡(jiǎn)單，易于調(diào)節(jié);所設(shè)計(jì)的預(yù)壓力調(diào)整機(jī)構(gòu)可方便的調(diào)節(jié)定子與動(dòng)子之間接觸的預(yù)壓力。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高和行程大等特點(diǎn)，在航空航天、光學(xué)精密儀器和半導(dǎo)體加工等微納精密驅(qū)動(dòng)與定位領(lǐng)域中具有很好的應(yīng)用前景。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種斜槽式精密壓電粘滑直線馬達(dá)，其特征在于該斜槽式精密壓電粘滑直線馬達(dá)由底座(I)、預(yù)壓力調(diào)整機(jī)構(gòu)(2)、斜槽式定子(3)和動(dòng)子(4)組成，其中預(yù)壓力調(diào)整機(jī)構(gòu)(2)固定在底座(1)，斜槽式定子(3)安裝在預(yù)壓力調(diào)整機(jī)構(gòu)(2)上，動(dòng)子(4)安裝在底座(I)上。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種斜槽式精密壓電粘滑直線馬達(dá)，其特征在于所述底座(I)包括底座安裝孔(1-1 )、預(yù)壓力調(diào)整機(jī)構(gòu)安裝孔(1-2)、導(dǎo)軌固定安裝接觸平面(1-3)和導(dǎo)軌螺紋安裝孔(1-4);所述底座安裝孔(1-1)為沉頭孔，可將底座(I)與其它外圍裝置進(jìn)行固定，預(yù)壓力調(diào)整機(jī)構(gòu)安裝孔(1-2)，用于預(yù)壓力調(diào)整機(jī)構(gòu)(2)的固定，所述導(dǎo)軌固定安裝接觸平面(1-3)和導(dǎo)軌螺紋安裝孔(1-4)用于固定安裝動(dòng)子(4)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種斜槽式精密壓電粘滑直線馬達(dá)，其特征在于所述預(yù)壓力調(diào)整機(jī)構(gòu)(2)包括下固定滑臺(tái)(2-1)、上移動(dòng)滑臺(tái)(2-2)、螺桿(2-3)和平臺(tái)鎖緊螺釘(2-4)，下固定滑臺(tái)(2-1)與上移動(dòng)滑臺(tái)(2-2)通過平臺(tái)鎖緊螺釘(2-4)進(jìn)行鎖緊，調(diào)節(jié)螺桿(2-3)推動(dòng)上移動(dòng)滑臺(tái)(2-2)移動(dòng);所述下固定滑臺(tái)(2-1)設(shè)置有螺紋孔(2-1-1)，其用于與螺桿(2-.3)進(jìn)行螺紋連接，所述下固定滑臺(tái)(2-1)設(shè)置有短圓柱銷(2-1-2)，用于安裝預(yù)壓力調(diào)整彈簧(2-1-4)，所述下固定滑臺(tái)(2-1)設(shè)置有平移導(dǎo)向?qū)к?2-1-3)，所述平移導(dǎo)向?qū)к?2-1-.3)設(shè)置有導(dǎo)軌限位螺釘(2-1-5)，所述下固定滑臺(tái)(2-1)底部設(shè)置有沉頭孔(2-1-6)，通過螺釘可實(shí)現(xiàn)與底座(I)之間的固定安裝，所述下固定滑臺(tái)(2-1)設(shè)置有鎖緊支撐架(2-1-7)和螺釘(2-1-8)，所述上移動(dòng)滑臺(tái)(2-2)上端面設(shè)置有螺紋孔(2-2-1)，所述上移動(dòng)滑臺(tái)(2-2)的側(cè)面設(shè)置有平臺(tái)鎖緊螺釘安裝孔(2-2-2)，所述螺紋安裝孔(2-2-2)與平臺(tái)鎖緊螺釘(2-.4)進(jìn)行螺紋連接。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種斜槽式精密壓電粘滑直線馬達(dá)，其特征在于所述的所述斜槽式定子(3)包括斜槽式框形結(jié)構(gòu)鉸鏈(3-1)、壓電堆疊(3-2)、預(yù)緊調(diào)整螺栓(3-3)和墊片(3-4)，所述壓電堆疊(3-2)通過預(yù)緊調(diào)整螺栓(3-3)和墊片(3-4)固定在斜槽式框形結(jié)構(gòu)鉸鏈(3-1)內(nèi)；所述斜槽式框形結(jié)構(gòu)鉸鏈(3-1)設(shè)置有緊固螺栓安裝通孔(3-1-1 )，通過螺栓將斜槽式框形結(jié)構(gòu)鉸鏈(3-1)與上移動(dòng)滑臺(tái)(2-2)上的螺紋孔(2-2-1)進(jìn)行螺紋緊固連接，所述斜槽式框形結(jié)構(gòu)鉸鏈(3-1)—側(cè)設(shè)置有直圓型柔性鉸鏈(3-1-2)，另一側(cè)設(shè)置有直圓型柔性鉸鏈(3-1-6)，所述斜槽式框形結(jié)構(gòu)鉸鏈(3-1)設(shè)置有半圓形驅(qū)動(dòng)足(3-1-4)，壓電堆疊(3-2)通過斜槽(3-1-5)將輸出力傳遞到半圓形驅(qū)動(dòng)足(3-1-4)上，所述半圓形驅(qū)動(dòng)足(3-1-4)端面相應(yīng)涂有摩擦材料，所述半圓形驅(qū)動(dòng)足(3-1-4)驅(qū)動(dòng)動(dòng)子(4)運(yùn)動(dòng)，所述預(yù)緊螺釘安裝孔(3-1-7)與預(yù)緊調(diào)整螺栓(3-3)進(jìn)行螺紋連接，所述壓電堆疊(3-2)前后端面設(shè)置墊片(3-4)，通過調(diào)節(jié)預(yù)緊調(diào)整螺栓(3-3)的旋合長(zhǎng)度，可實(shí)現(xiàn)對(duì)壓電堆疊(3-2)的軸向預(yù)緊調(diào)-K-T O5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種斜槽式精密壓電粘滑直線馬達(dá)，其特征在于所述的直圓型柔性鉸鏈(3-1-2)和直圓型柔性鉸鏈(3-1-6)通過剛性梁(3-1-3)進(jìn)行連接，所述2個(gè)剛性梁(3-1-3)之間的距離為L(zhǎng)，所述直圓型柔性鉸鏈(3-1-2)和直圓型柔性鉸鏈(3-1-6)具有相同的圓角半徑值Ri，其中Ri/L取值范圍為1/60?1/12，所述斜槽式框形結(jié)構(gòu)鉸鏈(3-1)設(shè)置有斜槽(3-1-5)，所述斜槽(3-1-5)的高度為L(zhǎng)2,寬度為C，與豎直方向的夾角為α，其中L2/C取值范圍為I?8，C/L取值范圍為0.01?0.1，夾角α的取值范圍為10°?80°。6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種斜槽式精密壓電粘滑直線馬達(dá)，其特征在于所述斜槽式框形結(jié)構(gòu)鉸鏈(3-1)可采用5052鋁合金、6061鋁合金、7075鋁合金、T1-35A鈦合金或T1-13鈦合金材料。7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種斜槽式精密壓電粘滑直線馬達(dá)，其特征在于斜槽式定子(3)的半圓形驅(qū)動(dòng)足(3-1-4)端面相應(yīng)涂有陶瓷類或玻璃纖維類摩擦材料。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種斜槽式精密壓電粘滑直線馬達(dá)，其特征在于所述的所述動(dòng)子(4)為雙列交叉滾柱導(dǎo)軌，包括固定導(dǎo)軌(4-1)、活動(dòng)導(dǎo)軌(4-2)、雙列交叉滾柱導(dǎo)軌保持架(4-3)和導(dǎo)軌限位螺釘(4-4);所述固定導(dǎo)軌(4-1)，通過導(dǎo)軌螺紋安裝孔(1-4)固定于導(dǎo)軌固定安裝接觸平面(1-3)上，所述活動(dòng)導(dǎo)軌(4-2)端面相應(yīng)涂有陶瓷類或玻璃纖維類摩擦材料，所述固定導(dǎo)軌(4-1)設(shè)置有雙列交叉滾柱導(dǎo)軌保持架(4-3)和滾柱，動(dòng)子(4)的固定導(dǎo)軌(4-1)和活動(dòng)導(dǎo)軌(4-2)的兩端設(shè)置導(dǎo)軌限位螺釘(4-4)進(jìn)行限位。9.一種斜槽式精密壓電粘滑直線馬達(dá)驅(qū)動(dòng)方法，該驅(qū)動(dòng)方法基于權(quán)利要求1所述的斜槽式精密壓電粘滑直線馬達(dá)實(shí)現(xiàn);所述驅(qū)動(dòng)方法特征在于驅(qū)動(dòng)波為鋸齒波，摩擦調(diào)控波為正弦波，其中鋸齒驅(qū)動(dòng)波周期為T1，激勵(lì)電壓幅值為V1，對(duì)稱性為D，微幅摩擦正弦調(diào)控波周期為T2，激勵(lì)電壓幅值SV2，鋸齒驅(qū)動(dòng)波與微幅摩擦正弦調(diào)控波的周期比為T1ZiT2 = 1?.100000，激勵(lì)電壓幅值比為WV2大于2。
【文檔編號(hào)】H02N2/02GK105827140SQ201610386959
【公開日】2016年8月3日
【申請(qǐng)日】2016年6月6日
【發(fā)明人】程廷海, 林潔瓊, 何猛, 何璞, 殷夢(mèng)飛
【申請(qǐng)人】長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)