斜槽式菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)及其激勵方法
【專利摘要】一種斜槽式菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)及其激勵方法，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)械性能受限等問題。本發(fā)明包括預(yù)加載機(jī)構(gòu)、斜槽式定子和動子；斜槽式定子設(shè)置的斜槽式菱形運(yùn)動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)位移放大，由于其軸向剛度分布不均產(chǎn)生側(cè)向位移，并可增大摩擦驅(qū)動力和減小摩擦阻力；同時將摩擦調(diào)控波耦合疊加于斜槽式定子快速變形驅(qū)動階段的鋸齒驅(qū)動波中，從而降低快速變形驅(qū)動階段定、動子間摩擦阻力，實(shí)現(xiàn)對摩擦力的綜合調(diào)控，顯著提升壓電粘滑直線電機(jī)的機(jī)械輸出特性。本發(fā)明因具有結(jié)構(gòu)緊湊、控制方便、定位精度高以及行程不受限等優(yōu)點(diǎn)可很好應(yīng)用于精密光學(xué)儀器等微納精密驅(qū)動與定位技術(shù)領(lǐng)域。
【專利說明】
斜槽式菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)及其激勵方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種斜槽式菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)及其激勵方法，屬于微納精密驅(qū)動與定位技術(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)，在非對稱電信號激勵下激發(fā)定子(或稱振子)產(chǎn)生微幅高頻振動，利用定子與動子間的摩擦耦合實(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。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)簡單緊湊、控制方便、定位精度高以及行程大等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于精密光學(xué)儀器、半導(dǎo)體加工等微納精密驅(qū)動與定位技術(shù)領(lǐng)域。
[0003]壓電粘滑驅(qū)動主要是將鋸齒激勵電信號施加于壓電元件，激發(fā)定子產(chǎn)生快慢交替的運(yùn)動變形，控制定子與動子在“粘”和“滑”兩種運(yùn)動狀態(tài)之間相互轉(zhuǎn)換，利用摩擦力驅(qū)動動子實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動輸出。然而，由于壓電粘滑驅(qū)動緩慢與快速變形驅(qū)動階段，定子與動子間摩擦力起到不同作用，具體為緩慢變形驅(qū)動階段時表現(xiàn)為摩擦驅(qū)動力，而快速變形驅(qū)動階段時表現(xiàn)為摩擦阻力。已有公開技術(shù)表明當(dāng)前壓電粘滑直線電機(jī)無法實(shí)現(xiàn)對整個粘滑驅(qū)動過程的摩擦力進(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)動階段，由于動子所受摩擦力與其運(yùn)動方向相反，當(dāng)動子慣性力不足以克服該摩擦阻力時，將會導(dǎo)致動子產(chǎn)生回退運(yùn)動，表現(xiàn)為類鋸齒狀的不平穩(wěn)運(yùn)動輸出，劣化輸出性能，已有鋸齒激勵電信號無法實(shí)現(xiàn)對壓電粘滑直線電機(jī)快速變形驅(qū)動階段的摩擦力進(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)生類鋸齒狀不平穩(wěn)運(yùn)動輸出，劣化輸出性能等技術(shù)問題，本發(fā)明公開一種斜槽式菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)及其激勵方法。
[0005]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
所述斜槽式菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)由預(yù)加載機(jī)構(gòu)、斜槽式定子和動子組成。
[0006]所述預(yù)加載機(jī)構(gòu)由固定底座、上移動板和手動調(diào)節(jié)螺釘組成。所述固定底座設(shè)置有動子安裝基面和動子螺紋安裝孔，通過螺紋連接安裝固定動子;所述固定底座底部設(shè)置有錐形孔，用于與外圍裝置連接固定。所述固定底座設(shè)置有內(nèi)側(cè)固定導(dǎo)軌;所述內(nèi)側(cè)固定導(dǎo)軌設(shè)置有下導(dǎo)軌限位螺釘，避免上移動板滑出內(nèi)側(cè)固定導(dǎo)軌;所述固定底座設(shè)置有滾珠保持架組件，用于配合內(nèi)側(cè)固定導(dǎo)軌進(jìn)行直線運(yùn)動傳遞;所述固定底座端部設(shè)置有固定螺釘、鎖緊保持架和鎖緊螺栓，用于上移動板的固定，防止上移動板在電機(jī)工作時發(fā)生軸向竄動；所述固定底座設(shè)置有手動調(diào)節(jié)螺釘安裝孔，通過與手動調(diào)節(jié)螺釘螺紋連接配合，實(shí)現(xiàn)斜槽式定子的預(yù)緊力調(diào)節(jié);所述固定底座設(shè)置有安裝彈簧和下彈簧固定銷，用于實(shí)現(xiàn)上移動板的回程移動。所述上移動板設(shè)置有定子安裝孔，用于安裝斜槽式定子;所述上移動板設(shè)置有上導(dǎo)軌限位螺釘，用于限制上移動板的運(yùn)動范圍；所述上移動板設(shè)置有上彈簧固定銷，用于固定安裝彈簧的另一端;所述上移動板側(cè)面設(shè)置有鎖緊螺紋孔，通過與鎖緊螺栓進(jìn)行螺紋連接固定上移動板，上移動板設(shè)置有外側(cè)移動導(dǎo)軌，用于帶動上移動板運(yùn)動。所述手動調(diào)節(jié)螺釘與手動調(diào)節(jié)螺紋孔進(jìn)行螺紋連接，通過調(diào)整進(jìn)給螺釘?shù)男M(jìn)量可以調(diào)節(jié)上移動板的位置，實(shí)現(xiàn)預(yù)加載機(jī)構(gòu)對斜槽式定子預(yù)緊力的調(diào)節(jié)。
[0007]所述斜槽式定子包括斜槽式菱形運(yùn)動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、墊塊、壓電疊堆和預(yù)緊調(diào)整螺栓。所述斜槽式菱形運(yùn)動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)設(shè)置有定子固定孔，用于與上移動板的連接固定;所述斜槽式菱形運(yùn)動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)設(shè)置有斜槽式菱形鉸鏈，可將鋸齒波電信號激勵下壓電堆疊的微位移放大。所述斜槽式菱形鉸鏈設(shè)置有鉸鏈短軸和鉸鏈長軸，可改變斜槽式菱形鉸鏈微位移放大倍數(shù);所述斜槽式菱形鉸鏈設(shè)置有剛性梁和柔性梁，可以進(jìn)一步調(diào)節(jié)斜槽式柔性鉸鏈的微位移放大倍數(shù);所述斜槽式菱形運(yùn)動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)設(shè)置有斜槽式運(yùn)動轉(zhuǎn)換器和驅(qū)動足，斜槽式運(yùn)動轉(zhuǎn)換器可將壓電疊堆的振動時產(chǎn)生微位移轉(zhuǎn)換為驅(qū)動足的側(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)動階段時摩擦驅(qū)動力，減小快速變形驅(qū)動階段時摩擦阻力，實(shí)現(xiàn)對動子摩擦力的綜合調(diào)控。所述驅(qū)動足端面涂有摩擦材料，通過驅(qū)動足實(shí)現(xiàn)動子運(yùn)動輸出；所述斜槽式菱形運(yùn)動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)設(shè)置有預(yù)緊螺栓安裝孔，用于壓電疊堆預(yù)緊固定。所述壓電疊堆的前后端面與預(yù)緊調(diào)整螺栓之間設(shè)置有墊塊，目的是保護(hù)壓電疊堆，防止其產(chǎn)生切應(yīng)變或局部受力不均，通過預(yù)緊調(diào)整螺栓的旋進(jìn)量，用于壓電疊堆的軸向預(yù)緊力調(diào)節(jié)。
[0008]所述動子包括固定滑軌、滾柱保持架、雙列交叉滾柱導(dǎo)軌安裝螺栓、運(yùn)動滑軌和端部限位螺釘。所述固定滑軌通過動子安裝螺紋孔固定于動子安裝基面上，所述運(yùn)動滑軌端面涂有陶瓷類摩擦材料，所述滾柱保持架為運(yùn)動滑軌的滑動提供支撐;所述雙列交叉滾柱導(dǎo)軌安裝螺栓用于安裝固定滑軌，所述端部限位螺釘用于限制運(yùn)動滑軌運(yùn)動范圍，避免運(yùn)動滑軌脫離固定滑軌。
[0009]所述激勵方法中所采用的復(fù)合激勵電信號由摩擦調(diào)控波復(fù)合疊加于斜槽式定子快速變形階段的鋸齒驅(qū)動波中，所述摩擦調(diào)控波為正弦波;所述激勵方法可減小快速變形階段定子與動子之間的摩擦阻力，抑制回退運(yùn)動產(chǎn)生，其中鋸齒驅(qū)動波周期為T1，激勵電壓幅值為V1，對稱性為D，微幅摩擦正弦調(diào)控波周期為T2，激勵電壓幅值為％，鋸齒驅(qū)動波與微幅摩擦正弦調(diào)控波的周期比為IVT2=1?100000，激勵電壓幅值比為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)控功能的斜槽式定子結(jié)構(gòu)，并通過耦合激勵電信號進(jìn)行激勵，增大斜槽式定子緩慢變形驅(qū)動階段斜槽式定子與動子間摩擦驅(qū)動力，降低斜槽式定子快速變形階段斜槽式定子與動子間摩擦阻力，實(shí)現(xiàn)對壓電粘滑直線電機(jī)整個驅(qū)動過程的摩擦力進(jìn)行綜合調(diào)控，可顯著提升壓電粘滑直線電機(jī)的機(jī)械輸出特性，降低位移回退率，開環(huán)條件下定位精度可達(dá)納米級。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。
【附圖說明】
[0011]圖1所示為本發(fā)明提出的斜槽式菱形放大機(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)明提出的斜槽式菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)的預(yù)加載機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3所示為本發(fā)明提出的斜槽式菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)的固定底座結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4所示為本發(fā)明提出的斜槽式菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)的上移動板俯視結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5所示為本發(fā)明提出的斜槽式菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)的上移動板仰視結(jié)構(gòu)示意圖；
圖6所示為本發(fā)明提出的斜槽式菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)的斜槽式定子結(jié)構(gòu)示意圖；
圖7所示為本發(fā)明提出的斜槽式菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)的斜槽式菱形運(yùn)動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖；
圖8所示為本發(fā)明提出的斜槽式菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)的斜槽式菱形運(yùn)動轉(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)明提出的斜槽式菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)的斜槽式菱形運(yùn)動轉(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)明提出的斜槽式菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)的動子結(jié)構(gòu)示意圖；圖11所示為本發(fā)明提出的斜槽式菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)的耦合激勵電信號波形示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012]【具體實(shí)施方式】一:結(jié)合圖1?圖10說明本實(shí)施方式。本實(shí)施方式提供一種斜槽式菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)的具體實(shí)施方案。所述一種斜槽式菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)包括預(yù)加載機(jī)構(gòu)1、斜槽式定子2和動子3。
[0013]所述預(yù)加載機(jī)構(gòu)I由固定底座1-1、上移動板1-2和手動調(diào)節(jié)螺釘1-3組成，其中固定底座1-1和上移動板1-2采用45號鋼材料。所述固定底座1-1設(shè)置有動子安裝基面1-1-1和動子螺紋安裝孔1-1-2，通過動子螺紋安裝孔1-1-2將動子3固定在動子安裝基面1-1-1上；所述固定底座1-1底部設(shè)置有錐形孔1-1-3，用于與外圍裝置連接固定。所述固定底座1-1設(shè)置有內(nèi)側(cè)固定導(dǎo)軌1-1-12，內(nèi)側(cè)固定導(dǎo)軌1-1-12設(shè)置有4η個下導(dǎo)軌限位螺釘1-1-4，其中η為大于等于I的整數(shù)，避免上移動板1-2脫離內(nèi)側(cè)固定導(dǎo)軌1-1-12。所述固定底座1-1設(shè)置有滾珠保持架組件1-1-5，通過與內(nèi)側(cè)固定導(dǎo)軌1-1-12配合進(jìn)行直線運(yùn)動傳遞。所述固定底座1-1端部設(shè)置有固定螺釘1-1-6、鎖緊保持架1-1-7和鎖緊螺栓1-1-8，通過鎖緊保持架1-1-7與鎖緊螺栓1-1-8采用螺紋連接將上移動板1-2固定，防止上移動板1-2在電機(jī)工作時發(fā)生軸向滑移。所述固定底座1-1設(shè)置有手動調(diào)節(jié)螺釘安裝孔1-1-9，通過其與手動調(diào)節(jié)螺釘1-3的螺紋連接配合，實(shí)現(xiàn)斜槽式定子2的預(yù)緊力調(diào)節(jié);所述固定底座1-1設(shè)置有安裝彈簧1-1-11和下彈簧固定銷1-1-10，用于實(shí)現(xiàn)上移動板1-2的回程移動。所述上移動板1-2設(shè)置有定子安裝孔1-2-1，通過定子安裝孔1-2-1將斜槽式定子2安裝到上移動板1-2上;所述上移動板1-2設(shè)置有4η個上導(dǎo)軌限位螺釘1-2-2，用于限制上移動板1-2的運(yùn)動范圍；所述上移動板1-2設(shè)置有上彈簧固定銷1-2-3，用于與安裝彈簧1-1-11的另一端固定;所述上移動板1-2側(cè)面設(shè)置有鎖緊螺紋孔1-2-4，通過與鎖緊螺栓1-1-8進(jìn)行螺紋連接固定上移動板1-2;所述上移動板1-2設(shè)置有外側(cè)移動導(dǎo)軌1-2-5，用于帶動上移動板1-2運(yùn)動。所述手動調(diào)節(jié)螺釘1-3與手動調(diào)節(jié)螺紋孔1-1-8進(jìn)行螺紋連接，通過改變手動調(diào)節(jié)螺釘1-3相對于手動調(diào)節(jié)螺釘安裝孔1-1-8的旋進(jìn)量可以調(diào)節(jié)上移動板1-2的位置，實(shí)現(xiàn)預(yù)加載機(jī)構(gòu)I對斜槽式定子2預(yù)緊力的調(diào)節(jié)。
[0014]所述斜槽式定子2包括斜槽式菱形運(yùn)動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)2-1、墊塊2-2、壓電疊堆2-3和預(yù)緊調(diào)整螺栓2-4。所述斜槽式菱形運(yùn)動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)2-1采用7075鋁合金材料;所述斜槽式菱形運(yùn)動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)2-1設(shè)置有定子固定孔2-1-1，用于將斜槽式菱形運(yùn)動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)2-1與上移動板1-2固定。所述斜槽式菱形運(yùn)動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)2-1設(shè)置有斜槽式菱形鉸鏈2-1-2，可以將壓電堆疊2-3的微位移放大，所述斜槽式菱形鉸鏈2-1-2設(shè)置有鉸鏈短軸和鉸鏈長軸。具體地，鉸鏈短軸的長度為M，鉸鏈長軸的長度為N，其鉸鏈長軸與短軸的比值S=N/M為斜槽式菱形鉸鏈2-1-2在垂直于驅(qū)動方向的微位移放大倍數(shù)，微位移放大倍數(shù)S取值為I?10，調(diào)整長軸與短軸比值S，可改變斜槽式菱形鉸鏈2-1-2的微位移放大倍數(shù)，實(shí)現(xiàn)斜槽式菱形鉸鏈2-1-2微位移放大;本實(shí)施方式中微位移放大倍數(shù)S=8。所述斜槽式菱形鉸鏈2-1-2設(shè)置有剛性梁2-1-6和柔性梁2-1-7。具體地，剛性梁2-1-6的壁厚為E，柔性梁2-1-7的壁厚為F，剛性梁2-1-6與柔性梁2-1-7的比值為U=E/F，U的取值為1.15?1.5，通過調(diào)節(jié)U值的大小，可以進(jìn)一步調(diào)節(jié)斜槽式菱形鉸鏈2-1-2的微位移的放大倍數(shù);本實(shí)施方式中壁厚U取值為1.2。所述斜槽式菱形運(yùn)動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)2-1設(shè)置有斜槽式運(yùn)動轉(zhuǎn)換器2-1-3和驅(qū)動足2-1-4，所述斜槽式運(yùn)動轉(zhuǎn)換器2-1-3可將壓電疊堆2-3振動時產(chǎn)生的微位移轉(zhuǎn)換為驅(qū)動足2-1-4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)動階段時摩擦驅(qū)動力，減小快速變形驅(qū)動階段時摩擦阻力，可實(shí)現(xiàn)對動子3摩擦力的綜合調(diào)控。具體地，斜槽式運(yùn)動轉(zhuǎn)換器2-1-3的長度為B，寬度為A，其長寬比為H=B/A取值為3.5?5，本實(shí)施方式中長寬比H=4。所述斜槽式運(yùn)動轉(zhuǎn)換器2-1-3與驅(qū)動足2-1-4形成一定夾角值Θ，其夾角Θ取值為30°?75°，通過改變夾角Θ的值，可調(diào)節(jié)斜槽式定子2的側(cè)向位移值，本實(shí)施方式中選取Θ值為30°。所述驅(qū)動足2-1-4的厚度為K，通過調(diào)節(jié)其厚度K，可改變足部的接觸剛度，斜槽式定子的驅(qū)動足2-1-4的厚度一般小于其與動子接觸表面寬度的I?2 mm。所述驅(qū)動足2-1-4端面涂有摩擦材料，有助于驅(qū)動動子3運(yùn)動，本實(shí)施方式中驅(qū)動足的厚度K取值為6 mm。所述斜槽式菱形運(yùn)動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)2-1設(shè)置有預(yù)緊螺栓安裝孔2-1-5，用于壓電疊堆2-3預(yù)緊固定。所述壓電疊堆2-3采用NEC公司的產(chǎn)品，壓電疊堆2-3的前后端面與預(yù)緊調(diào)整螺栓2-4之間設(shè)置有墊塊2-2，所述墊塊2-2采用不銹鋼材料，其厚度在2?3 mm范圍時效果最佳，本實(shí)施方式中選取墊片2-2的厚度為1.5 mm。所述墊塊2-2的目的是保護(hù)壓電疊堆2-3，防止其產(chǎn)生切應(yīng)變或局部受力不均，通過預(yù)緊調(diào)整螺栓2-4的旋進(jìn)量，用于壓電疊堆2-3的軸向預(yù)緊力調(diào)節(jié)。
[0015]所述動子3包括固定滑軌3-1、滾柱保持架3-2、雙列交叉滾柱導(dǎo)軌安裝螺栓3-3、運(yùn)動滑軌3-4和端部限位螺釘3-5;所述動子3的固定滑軌3-1和運(yùn)動滑軌3-4均采用高碳鋼材料;所述固定滑軌3-1通過動子螺紋安裝孔1-1-2固定于動子安裝基面1-1-1上，所述運(yùn)動滑軌3-4端面涂有陶瓷類摩擦材料，所述滾柱保持架3-2為運(yùn)動滑軌3-4的滑動提供支撐，所述雙列交叉滾柱導(dǎo)軌安裝螺栓3-3用于安裝固定滑軌3-1，所述端部限位螺釘3-5用于限制運(yùn)動滑軌3-4運(yùn)動范圍，避免其脫離固定滑軌3-1。
[0016]【具體實(shí)施方式】二:結(jié)合圖11圖說明本實(shí)施方式。本實(shí)施方式提供一種斜槽式菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)激勵方法的具體實(shí)施方案。所述一種斜槽式菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)的激勵方法如下所示。
[0017]所述激勵方法中所采用的復(fù)合激勵電信號由摩擦調(diào)控波復(fù)合疊加于定子快速變形階段的鋸齒驅(qū)動波中，所述摩擦調(diào)控波可為正弦波。其中，鋸齒驅(qū)動波周期為T1，激勵電壓幅值Sv1，對稱性為D，微幅摩擦正弦調(diào)控波周期為T2，激勵電壓幅值為％，鋸齒驅(qū)動波與微幅摩擦正弦調(diào)控波的周期比為IVT2=1?100000，激勵電壓幅值比為WV2大于2。
[0018]工作原理:斜槽式菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)及其激勵方法主要是在耦合電信號激勵下，綜合調(diào)控斜槽式定子與動子間的摩擦力，進(jìn)而提升壓電粘滑直線電機(jī)的機(jī)械輸出特性。其中，在斜槽式定子緩慢變形驅(qū)動階段，動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，此時靜摩擦力提供驅(qū)動力，增大斜槽式定子與動子間摩擦力可提升電機(jī)輸出性能;在斜槽式定子快速變形驅(qū)動階段，斜槽式定子與動子間產(chǎn)生的滑動摩擦力為摩擦阻力，特別是當(dāng)動子慣性力不足以克服該摩擦阻力時，將會導(dǎo)致動子產(chǎn)生回退運(yùn)動，微觀上表現(xiàn)為類鋸齒狀的不平穩(wěn)運(yùn)動，劣化輸出性能，影響定位精度，此時設(shè)法降低斜槽式定子與動子滑動摩擦阻力，可改善電機(jī)綜合輸出特性。本發(fā)明的斜槽式定子由于采用斜槽式菱形運(yùn)動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，使得斜槽式定子軸向剛度分布不均勻，激發(fā)斜槽式定子驅(qū)動端產(chǎn)生側(cè)向位移，調(diào)整斜槽式定子與動子間接觸的正壓力，即在斜槽式定子緩慢變形驅(qū)動階段，增大斜槽式定子與動子間接觸的正壓力，進(jìn)而增加斜槽式定子與動子間的摩擦驅(qū)動力，在斜槽式定子快速變形驅(qū)動階段，減小定子與動子間接觸的正壓力，進(jìn)而減小定子與動子間的摩擦阻力，實(shí)現(xiàn)對緩慢變形驅(qū)動階段摩擦驅(qū)動力與快速變形驅(qū)動階段摩擦阻力的綜合調(diào)控，提升整機(jī)輸出性能。同時，本發(fā)明通過將摩擦調(diào)控波耦合疊加于定子快速變形階段的鋸齒驅(qū)動波中，激發(fā)斜槽式定子處于微幅高頻振動狀態(tài)，從而降低快速變形驅(qū)動階段定、動子間摩擦阻力，抑制回退運(yùn)動產(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)明一種斜槽式菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)及其激勵方法，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)械性能受限等問題。斜槽式定子利用斜槽式菱形運(yùn)動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)具有微位移放大功能，并利用其軸向剛度分布不均產(chǎn)生側(cè)向位移的同時又可增大摩擦驅(qū)動力和減小摩擦阻力；同時將摩擦調(diào)控波耦合疊加于斜槽式定子快速變形階段的鋸齒驅(qū)動波中，從而降低快速變形階段定、動子間摩擦阻力，實(shí)現(xiàn)對摩擦力的綜合調(diào)控，顯著提升壓電粘滑直線電機(jī)的機(jī)械輸出特性。本發(fā)明因具有結(jié)構(gòu)緊湊、控制方便、定位精度高以及行程不受限等優(yōu)點(diǎn)可廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體加工等微納精密驅(qū)動與定位技術(shù)領(lǐng)域。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種斜槽式菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)，其特征在于該斜槽式菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)包括預(yù)加載機(jī)構(gòu)(I)、斜槽式定子(2)和動子(3);所述斜槽式定子(2)和動子(3)分別安裝固定在預(yù)加載機(jī)構(gòu)(I)上。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的斜槽式菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)，其特征在于預(yù)加載機(jī)構(gòu)(I)由固定底座(1-1)、上移動板(1-2)和手動調(diào)節(jié)螺釘(1-3)組成;所述固定底座(1-1)設(shè)置有動子安裝基面(1-1-1)和動子螺紋安裝孔(1-1-2)，通過動子螺紋安裝孔(1-1-2)將動子(3)固定在動子安裝基面(1-1-1)上；固定底座(1-1)設(shè)置有錐形孔(1-1-3)和內(nèi)側(cè)固定導(dǎo)軌(1-1-12)，內(nèi)側(cè)固定導(dǎo)軌(1-1-12)安裝有下導(dǎo)軌限位螺釘(1-1-4);固定底座(1-1)設(shè)置有滾珠保持架組件(1-1-5);固定底座(1-1)端部設(shè)置有固定螺釘(1-1-6)、鎖緊保持架(1-1-7)和鎖緊螺栓(1-1-8)，通過將鎖緊保持架(1-1-7)和鎖緊螺栓(1-1-8)采用螺紋連接方式固定上移動板(1-2);固定底座(1-1)設(shè)置有手動調(diào)節(jié)螺釘安裝孔(1-1-9);固定底座(1-1)設(shè)置有下彈簧固定銷(1-1-10)和安裝彈簧(1-1-11);所述上移動板(1-2)設(shè)置有定子安裝孔(1-2-1)，通過定子安裝孔(1-2-1)將斜槽式定子(2)固定在上移動板(1-2)上;上移動板(1-2)設(shè)置有上導(dǎo)軌限位螺釘(1-2-2);上移動板(1-2)設(shè)置有上彈簧固定銷(1-2-3);上移動板(1-2)側(cè)面設(shè)置有鎖緊螺紋孔(1-2-4)，通過與鎖緊螺栓(1-1-8)采用螺紋連接方式固定上移動板(1-2)，上移動板(1-2)設(shè)置有外側(cè)移動導(dǎo)軌(1-2-5);所述手動調(diào)節(jié)螺釘(1-3)與手動調(diào)節(jié)螺釘安裝孔(1-1-9)采用螺紋連接的方式預(yù)緊斜槽式定子(2)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的斜槽式菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)，其特征在于斜槽式定子(2)包括斜槽式菱形運(yùn)動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)(2-1)、墊塊(2-2)、壓電疊堆(2-3)和預(yù)緊調(diào)整螺栓(2-4);所述斜槽式菱形運(yùn)動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)(2-1)設(shè)置有定子固定孔(2-1-1)，通過定子固定孔(2-1-1)將斜槽式定子(2)和上移動板(1-2)固定連接;斜槽式菱形運(yùn)動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)(2-1)設(shè)置有斜槽式菱形鉸鏈(2-1-2);斜槽式菱形運(yùn)動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)(2-1)設(shè)置有斜槽式運(yùn)動轉(zhuǎn)換器(2-1-3)和驅(qū)動足(2-1-4);所述斜槽式菱形運(yùn)動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)(2-1)設(shè)置有預(yù)緊螺栓安裝孔(2-1-5)，通過預(yù)緊螺栓安裝孔(2-1-5)與預(yù)緊調(diào)整螺栓(2-4)采用螺紋連接方式將壓電疊堆(2-3)固定安裝;所述壓電疊堆(2-3)的前后端面分別與預(yù)緊調(diào)整螺栓(2-4)之間設(shè)置有墊塊(2-2)04.根據(jù)權(quán)利要求1所述的斜槽式菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)，其特征在于動子(3)包括固定滑軌(3-1)、滾柱保持架(3-2)、雙列交叉滾柱導(dǎo)軌安裝螺栓(3-3)、運(yùn)動滑軌(3-4)和端部限位螺釘(3-5);所述固定滑軌(3-1)通過雙列交叉滾柱導(dǎo)軌安裝螺栓(3-3)與動子安裝基面(1-1-1)的動子螺紋安裝孔(1-1-2)剛性連接，固定滑軌(3-1)與運(yùn)動滑軌(3-4)通過滾柱保持架(3-2 )間接接觸。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種斜槽式菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)，其特征在于斜槽式定子(2)的斜槽式菱形運(yùn)動轉(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)加載機(jī)構(gòu)(I)的固定底座(1-1)和上移動板(1-2)均采用45號鋼材料;所述動子(3)固定滑軌(3-1)和運(yùn)動滑軌(3-4)均采用高碳鋼材料。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種斜槽式菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)，其特征在于斜槽式定子(2)的驅(qū)動足(2-1-4)端面涂有陶瓷類或玻璃纖維類摩擦材料;所述動子(3)的運(yùn)動滑軌(3-4 )端面涂有陶瓷類摩擦材料。7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種斜槽式菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)，其特征在于斜槽式定子(2)的斜槽式菱形鉸鏈(2-1-2)設(shè)置有鉸鏈短軸和鉸鏈長軸，鉸鏈短軸長度為M，鉸鏈長軸長度為N，其長短軸的比值S=N/M為斜槽式菱形鉸鏈(2-1-2)在垂直于驅(qū)動方向的微位移放大倍數(shù)，微位移的放大倍數(shù)S取值為I?10。8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的斜槽式菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)，其特征在于斜槽式定子(2)的斜槽式運(yùn)動轉(zhuǎn)換器(2-1-3)與驅(qū)動足(2-1-4)形成一定夾角值Θ，其中Θ取值為30°?75。。9.一種斜槽式菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)激勵方法，該激勵方法基于權(quán)利要求1所述的斜槽式菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)實(shí)現(xiàn);所述驅(qū)動波為鋸齒波，摩擦調(diào)控波為正弦波，其中鋸齒驅(qū)動波周期為T1，激勵電壓幅值為V1，對稱性為D，微幅摩擦正弦調(diào)控波周期為T2，激勵電壓幅值SV2，鋸齒驅(qū)動波與微幅摩擦正弦調(diào)控波的周期比為T1ZiT2 = 1?.100000，激勵電壓幅值比為Wv2大于2。
【文檔編號】H02N2/06GK105932901SQ201610386934
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年6月6日
【發(fā)明人】程廷海, 李恒禹, 張邦成, 柳虹亮, 殷夢飛, 何璞
【申請人】長春工業(yè)大學(xué)