本實用新型涉及一種具有菱形鉸鏈撥片式運動轉換器的壓電粘滑直線驅動裝置，屬于微納精密驅動與定位技術領域。

背景技術：

壓電粘滑直線驅動裝置是一種基于壓電元件的逆壓電效應，在非對稱電信號作用下激發(fā)振子（或稱定子）產生微幅振動，通過振子與動子間的摩擦耦合實現(xiàn)機械能輸出的精密微納驅動機構。壓電粘滑直線驅動裝置因具有結構簡單緊湊、控制方便、行程大以及定位精度高等特點，被廣泛應用于微操作機器人、半導體加工等微納精密驅動與定位技術領域。

壓電粘滑直線驅動裝置主要是將鋸齒激勵電信號施加于壓電元件，激發(fā)振子產生快慢交替的運動變形，控制振子與動子在“粘”和“滑”兩種運動狀態(tài)之間相互轉換，利用振子與動子間的摩擦力驅動動子實現(xiàn)機械運動輸出。然而，由于壓電粘滑驅動在緩慢與快速變形驅動階段，振子與動子間摩擦力分別發(fā)揮著不同作用。具體為緩慢變形驅動階段時表現(xiàn)為摩擦驅動力，快速變形驅動階段時表現(xiàn)為摩擦阻力。已有公開技術表明，當前的壓電粘滑直線驅動裝置無法實現(xiàn)對整個驅動過程的摩擦力進行綜合調控，導致其輸出機械性能受限，限制壓電粘滑直線驅動裝置的應用與發(fā)展。

技術實現(xiàn)要素：

為解決已有壓電粘滑直線驅動裝置由于振子與動子間摩擦綜合調控困難，所導致的機械輸出特性受限，產生類鋸齒狀不平穩(wěn)運動輸出，劣化輸出性能等技術問題，本實用新型公開一種具有菱形鉸鏈撥片式運動轉換器的壓電粘滑直線驅動裝置。

本實用新型所采用的技術方案是：

所述一種具有菱形鉸鏈撥片式運動轉換器的壓電粘滑直線驅動裝置由固定支座、預加載機構、撥片式定子、動子組件和上滑臺組成。

所述固定支座由支座沉頭孔、燕尾滑槽、加載機構螺孔、動子安裝孔、限位臺、動子安裝臺面和支座緩沖臺組成。所述固定支座設置有支座沉頭孔，通過支座沉頭孔與外圍裝置固定；所述固定支座設置有燕尾滑槽，通過燕尾滑槽使撥片式定子定向移動；所述固定支座設置有加載機構螺孔，通過加載機構螺孔將預加載機構固定在固定支座上；所述固定支座設置有動子安裝孔、限位臺和動子安裝臺面，通過動子安裝孔和限位臺將動子組件固定在固定支座的動子安裝臺面上。

所述預加載機構由手動螺桿、加載機構固定架和加載機構螺紋孔組成。所述加載機構固定架通過加載機構螺紋孔安裝在固定支座上；所述手動螺桿與加載機構固定架采用螺紋連接，緊固定撥片式定子。

所述撥片式定子由撥片式運動轉換機構、疊堆型壓電陶瓷、調整墊片和預緊螺釘組成。所述撥片式運動轉換機構采用一種基于撥片式運動轉換的菱形放大機構；所述撥片式運動轉換機構設置有燕尾凸臺，通過燕尾凸臺可使撥片式定子沿燕尾滑槽定向移動；所述撥片式運動轉換機構設置有端部直圓形柔性鉸鏈和中部直圓形柔性鉸鏈，可改變撥片式運動轉換機構的軸向剛度分布。所述撥片式運動轉換機構設置有撥片式菱形鉸鏈，可改變撥片式運動轉換機構的偏轉剛度。所述撥片式運動轉換機構設置有J形運動足，J形運動足可將疊堆型壓電陶瓷振動產生的軸向位移化為側向位移輸出。所述撥片式運動轉換機構設置有預緊螺釘安裝孔，預緊螺釘安裝孔與預緊螺釘采用螺紋連接，所述疊堆型壓電陶瓷的后端面與預緊螺釘之間設置有調整墊片，疊堆型壓電陶瓷的前端面與撥片式運動轉換機構之間設置有調整墊片，目的是為了保護疊堆型壓電陶瓷，防止其產生切應變或局部受力不均，通過調整預緊螺釘?shù)男M量，可實現(xiàn)對疊堆型壓電陶瓷的軸向預緊。

所述動子組件為雙列交叉滾柱導軌，包括固定滑軌、移動滑軌、滾柱保持架組件和端部限位螺釘。所述固定滑軌通過動子安裝孔安裝在固定支座的動子安裝臺面上；所述移動滑軌端面涂有陶瓷類或玻璃纖維類摩擦材料；所述滾柱保持架組件用于連接固定滑軌和移動滑軌；所述端部限位螺釘，用于避免移動滑軌運動過程中脫離固定滑軌。

所述上滑臺由滑臺螺紋孔、滑臺沉頭孔和滑臺支撐塊組成；所述上滑臺設置有4n個滑臺螺紋孔，用于與外圍結構連接；所述上滑臺設置有滑臺沉頭孔，上滑臺通過滑臺沉頭孔與動子組件固定；所述上滑臺設置有滑臺支撐塊，通過滑臺支撐塊使所述上滑臺與動子組件間接接觸，同時減小其相互的接觸面積，實現(xiàn)上滑臺平穩(wěn)運動輸出。

本實用新型的有益效果是：

本實用新型采用具有摩擦力綜合調控功能的撥片式定子結構，可增大緩慢變形驅動階段撥片式定子與動子組件間的摩擦驅動力，降低快速變形驅動階段撥片式定子與動子組件間的摩擦阻力，實現(xiàn)對壓電粘滑直線驅動裝置整個驅動過程的摩擦力進行綜合調控，可顯著提升其機械輸出特性，開環(huán)條件下定位精度可達納米級。與當前已有技術相比，具有結構簡單緊湊、控制方便以及易于裝配等特點，同時其輸出力提升10%以上，輸出速度提升50%以上，輸出效率提升60%以上。

附圖說明

圖1所示為本實用新型提出的一種具有菱形鉸鏈撥片式運動轉換器的壓電粘滑直線驅動裝置的結構示意圖；

圖2所示為本實用新型提出的一種具有菱形鉸鏈撥片式運動轉換器的壓電粘滑直線驅動裝置的固定支座結構示意圖；

圖3所示為本實用新型提出的一種具有菱形鉸鏈撥片式運動轉換器的壓電粘滑直線驅動裝置的預加載機構結構示意圖；

圖4所示為本實用新型提出的一種具有菱形鉸鏈撥片式運動轉換器的壓電粘滑直線驅動裝置的撥片式定子結構示意圖；

圖5所示為本實用新型提出的一種具有菱形鉸鏈撥片式運動轉換器的壓電粘滑直線驅動裝置的撥片式運動轉換機構結構示意圖；

圖6所示為本實用新型提出的一種具有菱形鉸鏈撥片式運動轉換器的壓電粘滑直線驅動裝置的動子組件結構示意圖；

圖7所示為本實用新型提出的一種具有菱形鉸鏈撥片式運動轉換器的壓電粘滑直線驅動裝置的上滑臺俯視結構示意圖；

圖8所示為本實用新型提出的一種具有菱形鉸鏈撥片式運動轉換器的壓電粘滑直線驅動裝置的上滑臺仰視結構示意圖。

具體實施方式

具體實施方式一：結合圖1~圖8說明本實施方式。本實施方式提供一種具有菱形鉸鏈撥片式運動轉換器的壓電粘滑直線驅動裝置的具體實施方案。所述一種具有菱形鉸鏈撥片式運動轉換器的壓電粘滑直線驅動裝置由固定支座1、預加載機構2、撥片式定子3、動子組件4和上滑臺5組成。

所述固定支座1由支座沉頭孔1-1、燕尾滑槽1-2、加載機構螺孔1-3、動子安裝孔1-4、限位臺1-5、動子安裝臺面1-6和支座緩沖臺1-7組成。所述固定支座1設置有支座沉頭孔1-1，通過支座沉頭孔1-1與外圍裝置固定；所述固定支座1設置有燕尾滑槽1-2，通過燕尾滑槽1-2使撥片式定子3定向移動；所述固定支座1設置有加載機構螺孔1-3，通過加載機構螺孔1-3將預加載機構2固定在固定支座1上；所述固定支座1設置有動子安裝孔1-4、限位臺1-5和動子安裝臺面1-6，通過動子安裝孔1-4和限位臺1-5將動子組件4固定在固定支座1的動子安裝臺面1-6上。

所述預加載機構2由手動螺桿2-1、加載機構固定架2-2和加載機構螺紋孔2-3組成。所述加載機構固定架2-2通過加載機構螺紋孔2-3安裝在固定支座1上；所述手動螺桿2-1與加載機構固定架2-2采用螺紋連接預緊固定撥片式定子3。

所述撥片式定子3由撥片式運動轉換機構3-1、疊堆型壓電陶瓷3-2、調整墊片3-3和預緊螺釘3-4組成。所述撥片式運動轉換機構3-1采用一種基于撥片式運動轉換的菱形放大機構；所述撥片式運動轉換機構3-1設置有燕尾凸臺3-1-1，通過燕尾凸臺3-1-1可使撥片式定子3沿燕尾滑槽1-2定向移動；所述撥片式運動轉換機構3-1設置有端部直圓形柔性鉸鏈3-1-2和中部直圓形柔性鉸鏈3-1-5，端部直圓形柔性鉸鏈3-1-2具有的圓角半徑為R₁，中部直圓形柔性鉸鏈3-1-5具有的圓角半徑R₂，端部直圓形柔性鉸鏈3-1-2與中部直圓形柔性鉸鏈3-1-5圓角半徑的比值K=R₁/R₂，其圓角半徑的比值K的取值為0.2~0.6，通過調節(jié)圓角半徑的比值K，可改變撥片式運動轉換機構3-1的軸向剛度分布，本實施方式端部直圓形柔性鉸鏈3-1-2與中部直圓形柔性鉸鏈3-1-5具有的圓角半徑的比值為0.5。所述撥片式運動轉換機構3-1設置有撥片式菱形鉸鏈3-1-3，撥片式菱形鉸鏈3-1-3的壁厚為b，R₁與b的比值R₁/b取值為0.2~0.8，調整壁厚值b與圓角半徑R₁的比值，可改變撥片式運動轉換機構3-1的偏轉剛度，本實施方式中選取的壁厚比值R₁/b為0.3。所述撥片式運動轉換機構3-1設置有J形運動足3-1-4，J形運動足3-1-4可將疊堆型壓電陶瓷3-2產生的軸向位移轉化為側向位移輸出，J形運動足3-1-4的內弧圓角半徑為R₃，外弧圓角半徑R₄，其中內、外弧圓角半徑的比值E=R₃/R₄取值為0.2~0.5，通過調節(jié)E值，可以改變撥片式定子3的軸向剛度，實現(xiàn)摩擦力的綜合調控，本實施方式中選取的圓弧半徑的比值E=0.3。所述J形運動足3-1-4底端壁厚為a，所述撥片式菱形鉸鏈3-1-3的鉸鏈端部設置的平面的寬度為Z，通過調節(jié)二者的比值M=a/Z，可以改變J形運動足3-1-4的剛度，其比值M的取值為0.3~0.6，本實施方式中選取的比值M=0.4。所述J形運動足3-1-4端面摩擦陶瓷材料，用于驅動動子組件4運動；所述撥片式運動轉換機構3-1設置有預緊螺釘安裝孔3-1-6，預緊螺釘安裝孔3-1-6與預緊螺釘3-4采用螺紋連接，所述疊堆型壓電陶瓷3-2采用PI或NEC公司的產品，所述疊堆型壓電陶瓷3-2的后端面與預緊螺釘3-4之間設置有調整墊片3-3，疊堆型壓電陶瓷3-2的前端面與撥片式運動轉換機構3-1之間設置有調整墊片3-3，目的是為了保護疊堆型壓電陶瓷3-2，防止其產生切應變或局部受力不均，通過調整預緊螺釘3-4的旋進量，可實現(xiàn)對疊堆型壓電陶瓷3-2的軸向預緊。

所述動子組件4為雙列交叉滾柱導軌，包括固定滑軌4-1、移動滑軌4-2、滾柱保持架組件4-3和端部限位螺釘4-4，其中固定滑軌4-1和移動滑軌4-2采用高碳鋼材料。所述固定滑軌4-1通過動子安裝孔1-4安裝在固定支座1的動子安裝臺面1-6上；所述移動滑軌4-2端面涂有陶瓷類或玻璃纖維類摩擦材料；所述滾柱保持架組件4-3用于連接固定滑軌4-1和移動滑軌4-2；所述端部限位螺釘4-4，用于避免移動滑軌4-2運動過程中脫離固定滑軌4-1。

所述上滑臺5由滑臺螺紋孔5-1、滑臺沉頭孔5-2和滑臺支撐塊5-3組成；所述上滑臺5設置有4n個滑臺螺紋孔5-1，其中n為大于等于1的整數(shù)，用于與外圍結構連接；所述上滑臺5設置有滑臺沉頭孔5-2，上滑臺5通過滑臺沉頭孔5-2與動子組件4固定；所述上滑臺5設置有滑臺支撐塊5-3，通過滑臺支撐塊5-3使所述上滑臺5與動子組件4間接接觸，同時減小其相互的接觸面積，實現(xiàn)上滑臺5的平穩(wěn)運動輸出。

工作原理：一種具有非對稱菱形放大轉換功能的壓電粘滑直線驅動裝置可綜合調控撥片式定子與動子組件間的摩擦力，進而提升壓電粘滑直線驅動裝置的機械輸出特性。在撥片式定子的緩慢變形驅動階段，動子組件在靜摩擦力作用下隨著撥片式定子發(fā)生緩慢的“粘”運動，此時靜摩擦力提供驅動力，增大撥片式定子與動子組件間摩擦力可提升驅動裝置的輸出性能。在撥片式定子的快速變形驅動階段，撥片式定子與動子組件間產生的滑動摩擦力為摩擦阻力，降低撥片式定子與動子組件滑動摩擦阻力，可改善壓電粘滑直線驅動裝置的綜合輸出特性。本實用新型的撥片式定子由于采用撥片式運動轉換機構，使得撥片式定子沿軸向剛度分布不均勻，激發(fā)撥片式定子的J形運動足產生側向位移，調整撥片式定子與動子組件間接觸的正壓力，即在撥片式定子的緩慢變形驅動階段，可以增大撥片式定子與動子組件間接觸的正壓力，進而增大撥片式定子與動子組件間的摩擦驅動力；在撥片式定子的快速變形驅動階段，減小撥片式定子與動子組件間接觸的正壓力，進而減小撥片式定子與動子組件間的摩擦阻力，實現(xiàn)對緩慢變形驅動階段的摩擦驅動力與快速變形驅動階段的摩擦阻力進行綜合調控，提升壓電粘滑直線驅動裝置的輸出性能。

綜合以上所述內容，本實用新型提供一種具有菱形鉸鏈撥片式運動轉換器的壓電粘滑直線驅動裝置，以解決當前壓電粘滑直線驅動裝置由于摩擦力綜合調控困難所導致的輸出機械性能受限等問題。所提出的一種具有菱形鉸鏈撥片式運動轉換器的壓電粘滑直線驅動裝置具有結構簡單緊湊、定位精度高及行程大等特點，在微操作機器人、半導體加工等微納精密驅動與定位技術領域能夠得到廣泛應用。