專利名稱：多足箝位式壓電電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種多足箝位式壓電電機，屬于壓電精密致動電機的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來，隨著微/納米技術(shù)的高速發(fā)展，眾多工程和技術(shù)領(lǐng)域的研究都迫切的需 要亞微米級、微/納米級的超精密驅(qū)動。傳統(tǒng)的步進電機功率一重量比低，而且電機高速運 轉(zhuǎn)后需要減速裝置變速，致使傳動系統(tǒng)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)累贅。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們研制出 各種功能材料，其中，壓電陶瓷(PZT)以其相對優(yōu)越的性能使得壓電精密作動器的研究得到 了廣泛關(guān)注，并在許多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。壓電精密作動器主要分為兩類超聲電機和蠕動式精密驅(qū)動器。超聲電機是利用 壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)激發(fā)彈性體的共振，并將彈性體的微變形通過摩擦耦合轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子 或動子的宏觀運動。由于引入了共振，從而使超聲電機的性能受環(huán)境影響較大，輸出不穩(wěn) 定，而且其輸出性能隨頻率的影響很大，不能進行頻率控制。蠕動式精密驅(qū)動器采用的是一種仿生型的工作原理，利用“箝位-驅(qū)動-箝位”的 方式運動，類似于生物體的步行運動。蠕動式精密驅(qū)動器避免了由共振所引起的輸出性能 的強烈非線性，其工作狀態(tài)受環(huán)境影響較小，此外，它具有更高的位移分辨率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷提供一種穩(wěn)定性好、輸出力大、效率高、壽 命長、分辨率高、加工要求相對較低，具有自鎖功能，應(yīng)用范圍更廣的多足箝位式壓電電機。本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案
本發(fā)明多足箝位式壓電電機，所述電機由上至下依次設(shè)置第一箝位單元、第一隨動彈 簧、第二箝位單元、驅(qū)動單元、第三箝位單元、第二隨動彈簧和第四箝位單元，其中四個箝位 單元被由預(yù)壓導(dǎo)軌和預(yù)壓彈簧組成的預(yù)壓機構(gòu)壓緊于固定導(dǎo)軌上，四個箝位單元輸出垂直 于固定導(dǎo)軌方向的位移，驅(qū)動單元輸出平行于固定導(dǎo)軌方向的位移，第二、第三箝位單元與 驅(qū)動單元固定連接成一個整體；第一、第四箝位單元通過隨動彈簧分別與第二、第三箝位單 元連接。優(yōu)選地，固定導(dǎo)軌和預(yù)壓導(dǎo)軌由預(yù)壓彈簧預(yù)緊，始終保持與箝位單元接觸，使電機 具有自鎖功能。優(yōu)選地，第一、第三箝位單元沿導(dǎo)軌方向移動時，第二、第四箝位單元保持推開導(dǎo) 軌狀態(tài)；第二、第四箝位單元沿導(dǎo)軌方向移動時，第一、第三箝位單元保持推開導(dǎo)軌狀態(tài)。本發(fā)明多足箝位式壓電電機具有同種類型電機的特點外，在兩端安裝了輔助箝位 機構(gòu)，目的在于解決導(dǎo)軌加工和裝配誤差引起的導(dǎo)軌不平行和導(dǎo)軌面的局部不平等引起的 電機卡死，或行走不暢。傳統(tǒng)的壓電步進式精密驅(qū)動器利用“箝位-驅(qū)動-箝位”的方式運 動，但是這種傳統(tǒng)的精密直線驅(qū)動器對加工和裝配的要求非常高，裝配誤差大概在IT3，在 裝配過程中，導(dǎo)軌兩端的距離肯定是有誤差的，當(dāng)導(dǎo)軌的這種不平行度大到致使導(dǎo)軌距離
3變化Δ L大于動子和導(dǎo)軌的間隙，動子就會出現(xiàn)卡住，或行走不暢，因為疊層壓電堆在導(dǎo)軌 內(nèi)伸長有限的，只有幾個微米，所以間隙是必須小于疊層壓電堆的伸長量，要保證這么小的 安裝間隙很困難；同時導(dǎo)軌的加工誤差也會導(dǎo)致導(dǎo)軌表面不平，即表面有起伏或凸起，當(dāng)這 種起伏大于疊層壓電堆的伸縮量時，也會導(dǎo)致電機卡住，所以傳統(tǒng)的步進式精密驅(qū)動器要 求導(dǎo)軌的平面度要求非常高，這是很難加工的。綜上所述，傳統(tǒng)的壓電步進式精密驅(qū)動器的 加工、裝配要求較高，而且調(diào)試也比較困難，運行平穩(wěn)性差。而改進后的多足箝位式壓電電 機，對以上狀況均有所改進。


圖1多足箝位式壓電電機結(jié)構(gòu)原理圖。圖2電機驅(qū)動所用的電源信號時序，并對電機的運行過程中不同狀態(tài)標(biāo)定了時刻。圖3為了方便表達電機的運行過程，把電機順時針旋轉(zhuǎn)了 90度，圖中a是電機的 未加電狀態(tài)，b是電機tl時刻電機狀態(tài)，c是電機是t2時刻狀態(tài)，d是電機t3時刻狀態(tài)，e 是電機t4時刻狀態(tài)，f是電機t5時刻狀態(tài)，g是電機t6時刻狀態(tài)，h是電機下一周期對應(yīng) 的tl時刻狀態(tài)。圖中涂黑的單元為加電狀態(tài)；未涂黑的為未加電狀態(tài)。
具體實施例方式本發(fā)明的多足箝位式壓電電機，包括箝位單元11、21、12、22、驅(qū)動單元3，隨動彈 簧41，42，固定導(dǎo)軌51，預(yù)壓導(dǎo)軌52和預(yù)壓彈簧6，其特點是具有四個箝位機構(gòu)，其中兩個 箝位單元是輔助作用。這兩個輔助箝位單元11、22分別位于動子的上端和下端。下面以直 線動子在導(dǎo)軌內(nèi)向上運動為例，介紹該驅(qū)動器的運動原理初始時動子處于被預(yù)壓導(dǎo)軌壓 緊狀態(tài)一第一箝位單元11和第三箝位單元12伸長一推開移動導(dǎo)軌，同時第二箝位單元21 和第四箝位單元22脫離接觸導(dǎo)軌一驅(qū)動單元3推動第二箝位單元21向上移動一個微位移 δ —第二箝位單元21和第四箝位單元22伸長一第一箝位單元11和第三箝位單元12回 縮、脫離導(dǎo)軌一箝位單元3回縮帶動第三箝位單元12向上移動一個微位移δ —第一箝位
單元11和第三箝位單元12伸長一......如此循環(huán)，這樣每一個循環(huán)向上移動一步
S。這樣動子就可以一步一步向右沿導(dǎo)軌行走。從電機的運行過程來看，始終有兩個以上 箝位單元接觸導(dǎo)軌，在電機不通電時，四個箝位單元同時接觸導(dǎo)軌，并都有一定的壓力，所 以電機具有自鎖功能。多足箝位式壓電電機，其特點動子是由四個箝位單元和一個驅(qū)動單元組成，每個 箝位單元都有一個箝位體、一組疊堆、一個調(diào)節(jié)塊，兩個調(diào)整塊，每個箝位體上都有柔性鉸 鏈結(jié)構(gòu)，使得箝位體的懸臂部分可以微角度的轉(zhuǎn)動，并有V形槽和兩個螺紋孔，分別用于調(diào) 整塊的定位和連接板連接。動子共用了 5組疊層壓電堆，其中在驅(qū)動單元內(nèi)部的疊堆，是縱 向(圖1電機放置狀態(tài))伸縮，其余疊堆在箝位單元內(nèi)部，是橫向伸縮。一般疊層壓電堆直接 輸出的位移非常小，是微/納米級，所以箝位單元中都采用了位移放大結(jié)構(gòu)，利用箝位體懸 臂部分的杠桿的作用，讓疊層壓電堆的變形得到了放大，從而使得電機箝位單元的驅(qū)動足 部分能夠比較理想的實現(xiàn)推開導(dǎo)軌和脫離導(dǎo)軌的交替進行。由于疊層壓電堆只能承受軸向 的壓縮，不能承受彎轉(zhuǎn)等載荷，于是在疊堆的兩端和放大結(jié)構(gòu)接觸的地方使用了調(diào)整塊，減小了疊堆承受的彎矩。疊堆的預(yù)緊力是由彈性的放大結(jié)構(gòu)的回復(fù)力和移動導(dǎo)軌對放大結(jié)構(gòu) 的預(yù)壓力共同施加。驅(qū)動機構(gòu)沒有采用放大結(jié)構(gòu)，疊堆直接輸出位移即可，疊堆的預(yù)緊是使 用楔塊預(yù)緊。第一箝位單元U、第四箝位單元22和第二箝位單元12、第三箝位單元21通 過連接板螺栓連接。連接板之間有彈性元件，使得第一箝位單元11和第二箝位單元12、第 三箝位單元21和第四箝位單元22可以有微小的相對移動。在相應(yīng)的疊層壓電堆上施加有一定時序關(guān)系的矩形信號，如圖2。.箝位單元11、 箝位單元22、驅(qū)動單元3、箝位單元21、箝位單元22對應(yīng)圖2中信號1、信號2、信號3、信號 4、信號5，圖中給出了兩個周期的信號，t0到T是信號的一個周期，圖3所示是圖2中標(biāo)定 的時刻對應(yīng)的電機狀態(tài)。信號經(jīng)過放大后可激勵疊層壓電堆的伸縮，從而使得箝位單元和 驅(qū)動單元以一定的時序差運動，從而形成動子沿導(dǎo)軌方向的伸縮行走。圖中c、d右側(cè)彈簧 處于受壓狀態(tài)，當(dāng)箝位單元11失電時，隨動彈簧推動箝位單元11向右移動；圖中f、g左側(cè) 彈簧為受拉狀態(tài)，當(dāng)箝位單元22失電時，隨動彈簧拉動箝位單元22向右移動。結(jié)構(gòu)設(shè)計原則1、箝位單元11和箝位單元21、箝位單元12和箝位單元22距離較 小。2、當(dāng)導(dǎo)軌的粗糙度為Rz，箝位單元與導(dǎo)軌接觸部分的粗糙度也為Rz時，箝位單元和導(dǎo) 軌的間隙達到2Rz才能保證箝位單元和導(dǎo)軌脫離。3、隨動彈簧41和隨動彈簧42在變形量 為(電機單步步長)時，所產(chǎn)生的力應(yīng)大于輔助箝位單元的最大靜摩擦力，且小于驅(qū)動單元 對隨動彈簧的最大驅(qū)動力。
權(quán)利要求
1.一種多足箝位式壓電電機，其特征在于所述電機由上至下依次設(shè)置第一箝位單元 (11)、第一隨動彈簧(41)、第二箝位單元(21)、驅(qū)動單元(3)、第三箝位單元(12)、第二隨動 彈簧(42)和第四箝位單元(22)，其中四個箝位單元(11、21、12、22)被由預(yù)壓導(dǎo)軌(52)和 預(yù)壓彈簧(6)組成的預(yù)壓機構(gòu)壓緊于固定導(dǎo)軌(51)上，四個箝位單元(11、21、12、22)輸出 垂直于固定導(dǎo)軌(51)方向的位移，驅(qū)動單元(3)輸出平行于固定導(dǎo)軌(51)方向的位移，第 二、第三箝位單元(21、12)與驅(qū)動單元(3)固定連接成一個整體；第一、第四箝位單元(11、 22)通過隨動彈簧(41，42)分別與第二、第三箝位單元(21、12)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多足箝位式壓電電機，其特征在于固定導(dǎo)軌(51)和預(yù)壓導(dǎo) 軌(52)由預(yù)壓彈簧(6)預(yù)緊，始終保持與箝位單元接觸，使電機具有自鎖功能。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述多足箝位式壓電電機，其特征在于第一、第三箝位單元 (11、12)沿導(dǎo)軌方向移動時，第二、第四箝位單元(21、22)保持推開導(dǎo)軌狀態(tài)；第二、第四箝 位單元(21、22)沿導(dǎo)軌方向移動時，第一、第三箝位單元(11、12)保持推開導(dǎo)軌狀態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種多足箝位式壓電電機，所述電機由上至下依次設(shè)置第一箝位單元、第一隨動彈簧、第二箝位單元、驅(qū)動單元、第三箝位單元、第二隨動彈簧和第四箝位單元，其中四個箝位單元被由預(yù)壓導(dǎo)軌和預(yù)壓彈簧組成的預(yù)壓機構(gòu)壓緊于固定導(dǎo)軌上，四個箝位單元輸出垂直于固定導(dǎo)軌方向的位移，驅(qū)動單元輸出平行于固定導(dǎo)軌方向的位移。本發(fā)明的一個導(dǎo)軌改為活動導(dǎo)軌使之能夠在預(yù)壓彈簧的作用下保持電機的自鎖狀態(tài)，因此，該電機在功能上除具有一般壓電步進精密驅(qū)動器的特點外，還具有自鎖功能，且降低了對電機的加工精度和裝配精度的要求，同時增加了運行的平穩(wěn)性。
文檔編號H02N2/06GK102136811SQ201110058690
公開日2011年7月27日 申請日期2011年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月11日
發(fā)明者潘雷, 王寅, 黃衛(wèi)清 申請人:南京航空航天大學(xué)