斜拉式菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)及其激勵(lì)方法
【專(zhuān)利摘要】一種斜拉式菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)及其激勵(lì)方法，以解決當(dāng)前壓電粘滑直線電機(jī)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(wèn)題。本發(fā)明由預(yù)壓力裝置、斜拉式定子和動(dòng)子組成；所述定子的斜拉式菱形運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)具有微位移放大功能，由于其軸向剛度分布不均既產(chǎn)生了側(cè)向位移，又增大了摩擦驅(qū)動(dòng)力，并減小了摩擦阻力；同時(shí)將摩擦調(diào)控波耦合疊加于斜拉式定子快速變形驅(qū)動(dòng)階段的鋸齒驅(qū)動(dòng)波中，從而降低快速變形驅(qū)動(dòng)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，提升了壓電粘滑直線電機(jī)的機(jī)械輸出特性。本發(fā)明因具有結(jié)構(gòu)緊湊、裝配方便、定位精度高以及行程不受限等優(yōu)點(diǎn)可廣泛應(yīng)用于精密光學(xué)儀器等微納精密驅(qū)動(dòng)與定位技術(shù)領(lǐng)域。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
斜拉式菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)及其激勵(lì)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種斜拉式菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)及其激勵(lì)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]壓電粘滑直線電機(jī)是一種基于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)定子(或稱振子)產(chǎn)生微幅高頻振動(dòng)，利用定子與動(dòng)子間的摩擦耦合實(shí)現(xiàn)機(jī)械能輸出的微納精密壓電粘滑直線電機(jī)。按照驅(qū)動(dòng)原理的不同，壓電粘滑直線電機(jī)主要分為共振型壓電電機(jī)(也稱超聲波電機(jī))與非共振型壓電電機(jī)(也稱壓電粘滑電機(jī))兩大類(lèi)。與共振型壓電電機(jī)相比，壓電粘滑直線電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、容易裝配、控制方便、定位精度高等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體加工、精密光學(xué)儀器等微納精密驅(qū)動(dòng)與定位技術(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)緩慢與快速變形驅(qū)動(dòng)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(kāi)技術(shù)表明當(dāng)前壓電粘滑直線電機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)粘滑驅(qū)動(dòng)過(guò)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(lèi)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(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)壓電粘滑直線電機(jī)快速變形驅(qū)動(dòng)階段的摩擦力進(jìn)行調(diào)控，進(jìn)一步限制壓電粘滑直線電機(jī)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電機(jī)由于定子與動(dòng)子間摩擦綜合調(diào)控困難，所導(dǎo)致的機(jī)械輸出特性受限，產(chǎn)生類(lèi)鋸齒狀不平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)輸出，劣化輸出性能等技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明公開(kāi)一種斜拉式菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)及其激勵(lì)方法。
[0005]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
所述斜拉式菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)由預(yù)壓力裝置、斜拉式定子和動(dòng)子組成。
[0006]所述預(yù)壓力裝置由下滑臺(tái)、上滑臺(tái)和手動(dòng)調(diào)節(jié)螺桿組成;所述下滑臺(tái)設(shè)置有動(dòng)子安裝孔和動(dòng)子安裝基面，用于安裝固定動(dòng)子;所述下滑臺(tái)底部設(shè)置有沉頭孔，用于與外圍裝置固定連接;所述下滑臺(tái)內(nèi)部設(shè)置有內(nèi)側(cè)固定導(dǎo)軌，用于輔助上滑臺(tái)沿內(nèi)側(cè)固定導(dǎo)軌做直線運(yùn)動(dòng)，內(nèi)側(cè)固定導(dǎo)軌設(shè)置有下導(dǎo)軌安裝螺釘，用于避免上滑臺(tái)滑出內(nèi)側(cè)固定導(dǎo)軌。所述下滑臺(tái)設(shè)置有滾珠保持架組件，用于實(shí)現(xiàn)上滑臺(tái)的運(yùn)動(dòng)傳遞;所述下滑臺(tái)設(shè)置有下彈簧固定螺釘和預(yù)壓彈簧，用于實(shí)現(xiàn)上滑臺(tái)的回程運(yùn)動(dòng);所述下滑臺(tái)設(shè)置有固定螺釘、固定保持架和鎖緊螺桿，用于對(duì)上滑臺(tái)的鎖緊固定;所述下滑臺(tái)設(shè)置有手動(dòng)調(diào)節(jié)螺桿安裝孔，用于斜拉式定子的預(yù)緊力調(diào)節(jié)。所述上滑臺(tái)設(shè)置有鉸鏈安裝孔，用于斜拉式定子的安裝固定;所述上滑臺(tái)設(shè)置有上導(dǎo)軌安裝螺釘，用來(lái)限制上滑臺(tái)的運(yùn)動(dòng)范圍；所述上滑臺(tái)設(shè)置有上彈簧固定螺釘，用于固定預(yù)壓彈簧的另一端，并可以實(shí)現(xiàn)上滑臺(tái)的單自由度往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。所述上滑臺(tái)側(cè)面設(shè)置有固定螺紋孔，用于與鎖緊螺桿進(jìn)行螺紋連接，實(shí)現(xiàn)上滑臺(tái)的固定;所述上滑臺(tái)設(shè)置有外側(cè)移動(dòng)導(dǎo)軌，用于帶動(dòng)上滑臺(tái)移動(dòng)。所述手動(dòng)調(diào)節(jié)螺桿與手動(dòng)調(diào)節(jié)螺桿安裝孔進(jìn)行螺紋連接，實(shí)現(xiàn)預(yù)壓裝置對(duì)斜拉式定子的預(yù)緊力調(diào)節(jié)。
[0007]所述斜拉式定子由斜拉式菱形運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、調(diào)整墊片、壓電堆疊和預(yù)緊螺釘組成。所述斜拉式菱形運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)設(shè)置有鉸鏈固定孔，使其與上滑臺(tái)緊固連接;所述斜拉式菱形運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)設(shè)置有斜拉式菱形鉸鏈，可將在鋸齒波激勵(lì)下壓電堆疊產(chǎn)生的微位移放大。所述斜拉式菱形鉸鏈設(shè)置有鉸鏈短軸和鉸鏈長(zhǎng)軸，用于調(diào)節(jié)菱形柔性鉸鏈的微位移放大倍數(shù)。所述斜拉式菱形鉸鏈設(shè)置有柔性梁和剛性梁，可進(jìn)一步將斜拉式定子振動(dòng)產(chǎn)生的微位移放大;所述斜拉式菱形運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)設(shè)置有運(yùn)動(dòng)足，用于驅(qū)動(dòng)動(dòng)子實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)輸出；所述斜拉式菱形運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)設(shè)置有斜拉式運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換器，可將壓電堆疊軸向振動(dòng)產(chǎn)生的微位移轉(zhuǎn)換為運(yùn)動(dòng)足的側(cè)向位移。由于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，實(shí)現(xiàn)對(duì)摩擦力的綜合調(diào)控。所述斜拉式菱形運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)設(shè)置有預(yù)緊螺釘安裝孔，用于壓電堆疊預(yù)緊。所述壓電堆疊的前后端面與預(yù)緊螺釘之間設(shè)置有調(diào)整墊片，目的是保護(hù)壓電堆疊，防止其產(chǎn)生切應(yīng)變或局部受力不均，通過(guò)調(diào)整預(yù)緊螺釘?shù)男M(jìn)量，可實(shí)現(xiàn)對(duì)壓電堆疊的軸向預(yù)緊力調(diào)節(jié)。
[0008]所述動(dòng)子為雙列交叉滾柱導(dǎo)軌，包括固定滑軌、運(yùn)動(dòng)滑軌、滾柱保持架和端部限位螺釘。所述固定導(dǎo)軌借助動(dòng)子安裝孔固定于動(dòng)子安裝基面上，所述運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌端面涂有玻璃纖維類(lèi)摩擦材料;所述滾柱保持架為運(yùn)動(dòng)滑軌的滑動(dòng)提供滑動(dòng)支撐;所述端部限位螺釘用于限制運(yùn)動(dòng)滑軌的運(yùn)動(dòng)范圍。
[0009]所述激勵(lì)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)合疊加于斜拉式定子快速變形階段的鋸齒驅(qū)動(dòng)波中，所述摩擦調(diào)控波為正弦波;所述激勵(lì)方法可減小快速變形階段斜拉式定子與動(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)波周期為T(mén)1，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T(mén)2，激勵(lì)電壓幅值為％，鋸齒驅(qū)動(dòng)波與微幅摩擦正弦調(diào)控波的周期比為IVT2=1?100000，激勵(lì)電壓幅值比為WV2大于2。
[0010]本發(fā)明的有益效果是:
本發(fā)明采用具有摩擦力綜合調(diào)控功能的斜拉式定子結(jié)構(gòu)，并通過(guò)耦合激勵(lì)電信號(hào)進(jìn)行激勵(lì)，增大斜拉式定子緩慢變形驅(qū)動(dòng)階段斜拉式定子與動(dòng)子間摩擦驅(qū)動(dòng)力，降低斜拉式定子快速變形階段斜拉式定子與動(dòng)子間摩擦阻力，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓電粘滑直線電機(jī)整個(gè)驅(qū)動(dòng)過(guò)程的摩擦力進(jìn)行綜合調(diào)控，可顯著提升壓電粘滑直線電機(jī)的機(jī)械輸出特性，降低位移回退率，開(kāi)環(huán)條件下定位精度可達(dá)納米級(jí)。與當(dāng)前已有技術(shù)相比，具有結(jié)構(gòu)緊湊與控制方便等優(yōu)點(diǎn)，輸出力提升20%以上，輸出速度提升50%以上，輸出效率提升70%以上。
【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1所示為本發(fā)明提出的斜拉式菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2所示為本發(fā)明提出的斜拉式菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)的預(yù)壓力裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3所示為本發(fā)明提出的斜拉式菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)的下滑臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4所示為本發(fā)明提出的斜拉式菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)的上滑臺(tái)俯視結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5所示為本發(fā)明提出的斜拉式菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)的上滑臺(tái)仰視結(jié)構(gòu)示意圖；
圖6所示為本發(fā)明提出的斜拉式菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)的斜拉式定子結(jié)構(gòu)示意圖；
圖7所示為本發(fā)明提出的斜拉式菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)的斜拉式菱形運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖；
圖8所示為本發(fā)明提出的斜拉式菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)的斜拉式菱形運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)局部俯視結(jié)構(gòu)示意圖；
圖9所示為本發(fā)明提出的斜拉式菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)的斜拉式菱形運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)局部側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖；
圖10所示為本發(fā)明提出的斜拉式菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)的動(dòng)子結(jié)構(gòu)示意圖；圖11所示為本發(fā)明提出的斜拉式菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)的耦合激勵(lì)電信號(hào)波形示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012]【具體實(shí)施方式】一:結(jié)合圖1?圖10說(shuō)明本實(shí)施方式。本實(shí)施方式提供一種斜拉式菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)的具體實(shí)施方案。所述一種斜拉式菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)由預(yù)壓力裝置1、斜拉式定子2和動(dòng)子3組成。
[0013]所述預(yù)壓力裝置I由下滑臺(tái)1-1、上滑臺(tái)1-2和手動(dòng)調(diào)節(jié)螺桿1-3組成。所述下滑臺(tái)1-1設(shè)置有動(dòng)子安裝孔1-1-1和動(dòng)子安裝基面1-1-12，用于安裝固定動(dòng)子3;所述下滑臺(tái)1-1底部設(shè)置有沉頭孔1-1-2，用于與外圍裝置固定連接。所述下滑臺(tái)1-1內(nèi)部設(shè)置有內(nèi)側(cè)固定導(dǎo)軌1-1-11，用于輔助上滑臺(tái)1-2沿內(nèi)側(cè)固定導(dǎo)軌1-1-11做直線運(yùn)動(dòng)，內(nèi)側(cè)固定導(dǎo)軌1-1-11設(shè)置有4η個(gè)下導(dǎo)軌安裝螺釘1-1-3，其中η為大于等于I的整數(shù)，用于避免上滑臺(tái)1-2滑出內(nèi)側(cè)固定導(dǎo)軌1-1-11。所述下滑臺(tái)1-1設(shè)置有滾珠保持架組件1-1-4，用于實(shí)現(xiàn)上滑臺(tái)1-2的運(yùn)動(dòng)傳遞;所述下滑臺(tái)1-1設(shè)置有下彈簧固定螺釘1-1-9和預(yù)壓彈簧1-1-10，用于實(shí)現(xiàn)上滑臺(tái)1-2的回程運(yùn)動(dòng);所述下滑臺(tái)1-1設(shè)置有固定螺釘1-1-5、固定保持架1-1-6和鎖緊螺桿1-1-7，通過(guò)調(diào)節(jié)鎖緊螺桿1-1-7，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)上滑臺(tái)1-2的鎖緊固定，防止電機(jī)工作中上滑臺(tái)1-2發(fā)生竄動(dòng)。所述下滑臺(tái)1-1設(shè)置有手動(dòng)調(diào)節(jié)螺桿安裝孔1-1-8，通過(guò)與手動(dòng)調(diào)節(jié)螺桿1-3采用螺紋連接，實(shí)現(xiàn)斜拉式定子2的預(yù)緊力調(diào)節(jié)。所述上滑臺(tái)1-2設(shè)置有鉸鏈安裝孔1-2-1，用于斜拉式定子2的安裝固定，所述上滑臺(tái)1-2設(shè)置有4η個(gè)上導(dǎo)軌安裝螺釘1-2-2，用于限制上滑臺(tái)1-2的運(yùn)動(dòng)范圍；所述上滑臺(tái)1-2設(shè)置有上彈簧固定螺釘1-2-3，用于固定預(yù)壓彈簧1-1-10的另一端，并可以實(shí)現(xiàn)上滑臺(tái)1-2的單自由度往復(fù)直線運(yùn)動(dòng);所述上滑臺(tái)1-2側(cè)面設(shè)置有固定螺紋孔1-2-4，用于與鎖緊螺桿1-1-7進(jìn)行螺紋連接，實(shí)現(xiàn)上滑臺(tái)1-2的固定;所述上滑臺(tái)1-2設(shè)置有外側(cè)移動(dòng)導(dǎo)軌1-2-5，用于帶動(dòng)上滑臺(tái)1-2移動(dòng)。所述手動(dòng)調(diào)節(jié)螺桿1-3與手動(dòng)調(diào)節(jié)螺桿安裝孔1-1-8進(jìn)行螺紋連接，通過(guò)改變手動(dòng)調(diào)節(jié)螺桿1-3的旋進(jìn)量，可以調(diào)節(jié)上滑臺(tái)
1-2的位置，實(shí)現(xiàn)預(yù)壓力裝置I對(duì)斜拉式定子2的預(yù)緊力調(diào)節(jié)。
[0014]所述斜拉式定子2由斜拉式菱形運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)2-1、調(diào)整墊片2-2、壓電堆疊2-3和預(yù)緊螺釘2-4組成。所述斜拉式菱形運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)2-1采用6061鋁合金材料作為加工材料；所述斜拉式菱形運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)2-1設(shè)置有鉸鏈固定孔2-1-1，使其與上滑臺(tái)1-2緊固連接;所述斜拉式菱形運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)2-1設(shè)置有斜拉式菱形鉸鏈2-1-2，可將壓電堆疊2-3的微位移放大;所述斜拉式菱形鉸鏈2-1-2設(shè)置有鉸鏈短軸和鉸鏈長(zhǎng)軸，具體地，鉸鏈短軸的長(zhǎng)度為A，鉸鏈長(zhǎng)軸的長(zhǎng)度為B，其長(zhǎng)短軸的比值K=B/A為斜拉式菱形鉸鏈2-1-2在垂直于驅(qū)動(dòng)方向的微位移放大倍數(shù)，其微位移放大倍數(shù)K取值為I?10，通過(guò)調(diào)整長(zhǎng)短軸的比值K，可以改變微位移放大倍數(shù)，本實(shí)施方式中微位移放大倍數(shù)K=8.5。所述斜拉式菱形鉸鏈2-1-2設(shè)置有柔性梁2-1-6和剛性梁2-1-7。具體地，柔性梁2-1-6的壁厚為E，剛性梁2-1-7的壁厚均為F，其比值z(mì)=F/E取值為1.1?1.5，通過(guò)調(diào)節(jié)ζ值，進(jìn)一步將壓電堆疊2-3振動(dòng)產(chǎn)生的微位移通過(guò)斜拉式菱形運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)2-1放大，本實(shí)施方式中選取剛性梁與柔性梁的比值為1.5。所述斜拉式菱形運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)2-1設(shè)置有運(yùn)動(dòng)足2-1-4，其端面涂有陶瓷類(lèi)摩擦材料，用于驅(qū)動(dòng)動(dòng)子3運(yùn)動(dòng)。具體地，運(yùn)動(dòng)足2-1-4的厚度為M，調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)足2-1-4厚度M可改變其自身的剛度，其厚度M小于動(dòng)子接觸面厚度3~5 _。所述斜拉式菱形運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)2-1設(shè)置有斜拉式運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換器2-1-3，斜拉式運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換器2-1-3與運(yùn)動(dòng)足2-1-4形成一定夾角值Θ，其中Θ取值為20°?65°，可將壓電堆疊2-3軸向振動(dòng)產(chǎn)生的微位移轉(zhuǎn)換為運(yùn)動(dòng)足2-1-4的側(cè)向位移。由于斜拉式定子2的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;本實(shí)施方式中夾角θ=25°。所述斜拉式運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換器2-1-3呈現(xiàn)直梁結(jié)構(gòu)和斜拉梁結(jié)構(gòu)，為實(shí)現(xiàn)斜拉式運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換器更好的實(shí)現(xiàn)微位移運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換，本發(fā)明合理的匹配直梁結(jié)構(gòu)和斜拉梁結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)。具體地，直梁結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，寬度為N，斜梁結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度為Q，寬度為P，其中L=I?1.25Q，N=1?1.1Ρ。所述斜拉式菱形運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)2-1設(shè)置有預(yù)緊螺釘安裝孔2-1-5，用于壓電堆疊2-3預(yù)緊。所述壓電堆疊2-3采用NEC等公司的產(chǎn)品，壓電堆疊2-3的前后端面與預(yù)緊螺釘2-4之間設(shè)置有調(diào)整墊片
2-2，所述調(diào)整墊片2-2采用不銹鋼材料，其厚度在I?2 mm范圍時(shí)效果最佳，本實(shí)施方式中調(diào)整墊片2-2厚度為2 mm。所述調(diào)整墊片2-2的目的是保護(hù)壓電堆疊2-3，防止其產(chǎn)生切應(yīng)變或局部受力不均，通過(guò)調(diào)整預(yù)緊螺釘2-4的旋進(jìn)量，可實(shí)現(xiàn)對(duì)壓電堆疊2-3的軸向預(yù)緊力調(diào)節(jié)。
[0015]所述動(dòng)子3為雙列交叉滾柱導(dǎo)軌，包括固定滑軌3-1、運(yùn)動(dòng)滑軌3-2、滾柱保持架3-3和端部限位螺釘3-4。所述固定導(dǎo)軌3-1借助動(dòng)子安裝孔1-1-1固定在動(dòng)子安裝基面1-1-12上，所述運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌3-2端面涂有玻璃纖維類(lèi)摩擦材料，所述滾柱保持架3-3為運(yùn)動(dòng)滑軌3-2的滑動(dòng)提供支撐，所述端部限位螺釘3-4用于限制運(yùn)動(dòng)滑軌3-2的運(yùn)動(dòng)范圍。
[0016]【具體實(shí)施方式】二:結(jié)合圖11圖說(shuō)明本實(shí)施方式。本實(shí)施方式提供一種斜拉式菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)激勵(lì)方法的具體實(shí)施方案。所述一種斜拉式菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)的激勵(lì)方法如下所示。
[0017]所述激勵(lì)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)合疊加于斜拉式定子快速變形階段的鋸齒驅(qū)動(dòng)波中，所述摩擦調(diào)控波可為正弦波。其中，鋸齒驅(qū)動(dòng)波周期為T(mén)i，激勵(lì)電壓幅值為％，對(duì)稱性為D，微幅摩擦正弦調(diào)控波周期為T(mén)2，激勵(lì)電壓幅值為V2，鋸齒驅(qū)動(dòng)波與微幅摩擦正弦調(diào)控波的周期比為IVT2=1?100000，激勵(lì)電壓幅值比為V1ZiV2大于2。
[0018]工作原理:斜拉式菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)及其激勵(lì)方法主要是在耦合電信號(hào)激勵(lì)下，綜合調(diào)控斜拉式定子與動(dòng)子間的摩擦力，進(jìn)而提升壓電粘滑直線電機(jī)的機(jī)械輸出特性。其中，在斜拉式定子緩慢變形驅(qū)動(dòng)階段，動(dòng)子在靜摩擦力作用下隨著定子一起發(fā)生緩慢的“粘”運(yùn)動(dòng)，此時(shí)靜摩擦力提供驅(qū)動(dòng)力，增大斜拉式定子與動(dòng)子間摩擦力可提升電機(jī)輸出性能;在斜拉式定子快速變形驅(qū)動(dòng)階段，斜拉式定子與動(dòng)子間產(chǎn)生的滑動(dòng)摩擦力為摩擦阻力，特別是當(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)，微觀上表現(xiàn)為類(lèi)鋸齒狀的不平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，劣化輸出性能，影響定位精度，此時(shí)設(shè)法降低斜拉式定子與動(dòng)子滑動(dòng)摩擦阻力，可改善電機(jī)綜合輸出特性。本發(fā)明的斜拉式定子由于采用斜拉式菱形運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，使得斜拉式定子軸向剛度分布不均勻，激發(fā)斜拉式定子驅(qū)動(dòng)端產(chǎn)生側(cè)向位移，調(diào)整斜拉式定子與動(dòng)子間接觸的正壓力，即在斜拉式定子緩慢變形驅(qū)動(dòng)階段，增大斜拉式定子與動(dòng)子間接觸的正壓力，進(jìn)而增加斜拉式定子與動(dòng)子間的摩擦驅(qū)動(dòng)力，在斜拉式定子快速變形驅(qū)動(dòng)階段，減小斜拉式定子與動(dòng)子間接觸的正壓力，進(jìn)而減小斜拉式定子與動(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(guò)將摩擦調(diào)控波耦合疊加于斜拉式定子快速變形階段的鋸齒驅(qū)動(dòng)波中，激發(fā)斜拉式定子處于微幅高頻振動(dòng)狀態(tài)，從而降低快速變形驅(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電機(jī)的機(jī)械輸出特性。
[0019]綜合以上所述內(nèi)容，本發(fā)明提供一種斜拉式菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)及其激勵(lì)方法，以解決當(dāng)前壓電粘滑直線電機(jī)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(wèn)題。所提出的斜拉式菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、裝配方便、定位精度高及行程不受限等特點(diǎn)。所提出的激勵(lì)方法可明顯降低壓電粘滑直線電機(jī)的位移回帶率，提升其機(jī)械輸出特性，在精密光學(xué)儀器、半導(dǎo)體加工等微納精密驅(qū)動(dòng)與定位技術(shù)領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種斜拉式菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)，其特征在于該斜拉式菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)由預(yù)壓力裝置(I)、斜拉式定子(2)和動(dòng)子(3)組成;所述斜拉式定子(2)安裝固定在預(yù)壓力裝置(I)上，動(dòng)子(3)安裝固定在預(yù)壓力裝置(I)上。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種斜拉式菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)，其特征在于預(yù)壓力裝置(I)由下滑臺(tái)(1-1)、上滑臺(tái)(1-2)和手動(dòng)調(diào)節(jié)螺桿(1-3)組成;所述下滑臺(tái)(1-1)設(shè)置固定動(dòng)子安裝孔(1-1-1)和動(dòng)子安裝基面(1-1-12)，通過(guò)動(dòng)子安裝孔(1-1-1)將動(dòng)子(3)固定在動(dòng)子安裝基面(1-1-12)上;下滑臺(tái)(1-1)設(shè)置有沉頭孔(1-1-2)，下滑臺(tái)(1-1)內(nèi)部設(shè)置有內(nèi)側(cè)固定導(dǎo)軌(1-1-11)，內(nèi)側(cè)固定導(dǎo)軌(1-1-11)安裝有下導(dǎo)軌安裝螺釘(1-1-3);下滑臺(tái)(1-1)設(shè)置有下彈簧固定螺釘(1-1-9)和預(yù)壓彈簧(1-1-10);下滑臺(tái)(1-1)設(shè)置有固定螺釘(1-1-5)、固定保持架(1-1-6)和鎖緊螺桿(1-1-7)，通過(guò)鎖緊螺桿(1-1-7)與固定保持架(1-1-6)的螺紋連接將上滑臺(tái)(1-2)與固定保持架(1-1-6)鎖緊固定;下滑臺(tái)(1-1)設(shè)置有手動(dòng)調(diào)節(jié)螺桿安裝孔(1-1-8);所述上滑臺(tái)(1-2)設(shè)置有鉸鏈安裝孔(1-2-1 )，通過(guò)鉸鏈安裝孔(1-2-1)將斜拉式定子(2)與上滑臺(tái)(1-2)固定；上滑臺(tái)(1-2)端部設(shè)置有上導(dǎo)軌安裝螺釘(1-2-2)和上彈簧固定螺釘(1-2-3)，上滑臺(tái)(1-2)側(cè)面設(shè)置有固定螺紋孔(1-2-4)，通過(guò)與鎖緊螺桿(1-1-7)采用螺紋連接固定上滑臺(tái)(1-2)，上滑臺(tái)(1-2)設(shè)置有外側(cè)移動(dòng)導(dǎo)軌(1-2-5);所述手動(dòng)調(diào)節(jié)螺桿(1-3)與手動(dòng)調(diào)節(jié)螺桿安裝孔(1-1-8)采用螺紋連接預(yù)緊斜拉式定子(2)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種斜拉式菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)，其特征在于斜拉式定子(2)由斜拉式菱形運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)(2-1)、調(diào)整墊片(2-2)、壓電堆疊(2-3)和預(yù)緊螺釘(2-4)組成;所述斜拉式菱形運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)(2-1)采用斜拉梁式菱形柔性鉸鏈結(jié)構(gòu);斜拉式菱形運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)(2-1)設(shè)置有鉸鏈固定孔(2-1-1)和斜拉式菱形鉸鏈(2-1-2);斜拉式菱形運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)(2-1)設(shè)置有運(yùn)動(dòng)足(2-1-4)和斜拉式運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換器(2-1-3);斜拉式菱形運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)(2-1)設(shè)置有預(yù)緊螺釘安裝孔(2-1-5)，通過(guò)預(yù)緊螺釘安裝孔(2-1-5)與預(yù)緊螺釘(2-4)采用螺紋連接將壓電堆疊(2-3)固定;所述壓電堆疊(2-3)的前后端面與預(yù)緊螺釘(2-4)之間設(shè)置有調(diào)整墊片(2-2)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種斜拉式菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)，其特征在于動(dòng)子(3)為雙列交叉滾柱導(dǎo)軌，包括固定滑軌(3-1)、運(yùn)動(dòng)滑軌(3-2)、滾柱保持架(3-3)和端部限位螺釘(3-4);固定導(dǎo)軌(3-1)通過(guò)動(dòng)子安裝孔(1-1-1)固定在動(dòng)子安裝基面(1-1-12)上，所述固定滑軌(3-1)和運(yùn)動(dòng)滑軌(3-2)端部安裝有端部限位螺釘(3-4)，固定滑軌(3-1)通過(guò)滾柱保持架(3-3 )與運(yùn)動(dòng)滑軌(3-2 )間接接觸。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種斜楔式菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)，其特征在于斜拉式定子(2)的斜拉式菱形運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)(2-1)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;所述預(yù)壓力調(diào)節(jié)裝置(I)的下滑臺(tái)(1-1)和下滑臺(tái)(1-2)均采用不銹鋼材料;所述動(dòng)子(3)的固定導(dǎo)軌(3-1)和運(yùn)動(dòng)滑軌(3-2)均采用45號(hào)鋼材料。6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種斜拉式菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)，其特征在于斜拉式定子(2)的斜拉式菱形鉸鏈(2-1-2)設(shè)置有鉸鏈短軸和鉸鏈長(zhǎng)軸，鉸鏈短軸的長(zhǎng)度為A，鉸鏈長(zhǎng)軸的長(zhǎng)度為B，其長(zhǎng)軸與短軸的比值K=B/A為斜拉式菱形鉸鏈(2-1-2)在垂直于驅(qū)動(dòng)方向的微位移放大倍數(shù)，其微位移的放大倍數(shù)K取值為I?10。7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種斜拉式菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)，其特征在于斜拉式定子(2)的斜拉式菱形運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)(2-1)設(shè)置有斜拉式運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換器(2-1-3)，斜拉式運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換器(2-1-3)與運(yùn)動(dòng)足(2-1-4)形成夾角值Θ，其中Θ取值為20° ~65°。8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種斜拉式菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)，其特征在于斜拉式定子(2)的運(yùn)動(dòng)足(2-1-4)端面涂有陶瓷類(lèi)或玻璃纖維類(lèi)摩擦材料。9.一種斜拉式菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)激勵(lì)方法，該激勵(lì)方法基于權(quán)利要求1所述的斜拉式菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)實(shí)現(xiàn);所述激勵(lì)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T(mén)1，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T(mén)2，激勵(lì)電壓幅值為％，鋸齒驅(qū)動(dòng)波與微幅摩擦正弦調(diào)控波的周期比為IVT2=1?100000，激勵(lì)電壓幅值比為WV2大于2。
【文檔編號(hào)】H02N2/06GK105915109SQ201610386938
【公開(kāi)日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2016年6月6日
【發(fā)明人】程廷海, 趙宏偉, 張邦成, 柳虹亮, 宋兆陽(yáng), 秦峰
【申請(qǐng)人】長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)