J型結(jié)構(gòu)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J型結(jié)構(gòu)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)明由固定基座、預(yù)壓力加載機(jī)構(gòu)、J型結(jié)構(gòu)定子和動(dòng)子四部分組成，所述定子采用J型鉸鏈機(jī)構(gòu)使得定子沿軸向剛度分布不均勻，激發(fā)定子驅(qū)動(dòng)端產(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】
J型結(jié)構(gòu)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J型結(jié)構(gòu)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)，在非對稱電信號激勵(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)電信號無法實(shí)現(xiàn)對壓電粘滑直線馬達(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J型結(jié)構(gòu)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J型結(jié)構(gòu)精密壓電粘滑直線馬達(dá)由固定基座、預(yù)壓力加載機(jī)構(gòu)、J型結(jié)構(gòu)定子和動(dòng)子組成。
[0006]所述固定基座包括固定基座安裝孔、預(yù)壓力加載機(jī)構(gòu)螺紋安裝孔、導(dǎo)軌安裝平面和導(dǎo)軌螺紋安裝孔。所述固定基座安裝孔可與其它外圍裝置進(jìn)行固定，預(yù)壓力加載機(jī)構(gòu)螺紋安裝孔用于預(yù)壓力加載機(jī)構(gòu)固定，所述導(dǎo)軌安裝平面和導(dǎo)軌螺紋安裝孔用于安裝動(dòng)子。
[0007]所述預(yù)壓力加載機(jī)構(gòu)為J型結(jié)構(gòu)精密壓電粘滑直線馬達(dá)的預(yù)壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，所述預(yù)壓力加載機(jī)構(gòu)包括下固定臺、上移動(dòng)臺、手動(dòng)調(diào)節(jié)螺桿和緊固螺釘。所述下固定臺設(shè)置有螺紋孔用于與手動(dòng)調(diào)節(jié)螺桿進(jìn)行螺紋連接，所述下固定臺設(shè)置有固定圓柱用于安裝預(yù)壓力調(diào)整彈簧，所述下固定臺設(shè)置有導(dǎo)向?qū)к売糜谏弦苿?dòng)臺的移動(dòng)。所述導(dǎo)向?qū)к壴O(shè)置有導(dǎo)軌限位螺釘和安裝孔，通過螺紋連接可實(shí)現(xiàn)與固定基座之間的固定，所述下固定臺設(shè)置有保持架和螺釘通過調(diào)節(jié)緊固螺釘可以實(shí)現(xiàn)對上移動(dòng)臺的鎖緊。所述上移動(dòng)臺上端面設(shè)置有螺紋孔用于固定安裝J型結(jié)構(gòu)定子，所述上移動(dòng)臺的側(cè)面設(shè)置有緊固螺紋安裝孔與緊固螺釘進(jìn)行螺紋連接。
[0008]所述J型結(jié)構(gòu)定子包括J型鉸鏈、堆疊型壓電陶瓷致動(dòng)器、預(yù)緊螺栓和調(diào)整墊片。所述J型鉸鏈設(shè)置有固定安裝孔，通過螺釘將J型鉸鏈與上移動(dòng)臺的上表面進(jìn)行螺紋緊固連接，所述J型鉸鏈設(shè)置有直圓型柔性鉸鏈和直圓型柔性鉸鏈具有相同的圓角半徑值，所述的直圓型柔性鉸鏈和直圓型柔性鉸鏈通過剛性梁進(jìn)行連接。所述堆疊型壓電陶瓷致動(dòng)器一端通過預(yù)緊螺栓固定安裝在J型鉸鏈上，另一端與橫梁接觸，所述J型結(jié)構(gòu)定子采用對稱矩形結(jié)構(gòu)的柔性鉸鏈進(jìn)行位移放大，鋸齒波電信號激勵(lì)堆疊型壓電陶瓷致動(dòng)器產(chǎn)生輸出力，通過調(diào)整墊片傳遞到橫梁上。所述預(yù)緊螺栓安裝孔與預(yù)緊螺栓進(jìn)行螺紋連接，所述堆疊型壓電陶瓷致動(dòng)器的后端面與預(yù)緊螺栓之間設(shè)置有調(diào)整墊片，通過調(diào)整預(yù)緊螺釘?shù)男祥L度，可實(shí)現(xiàn)對堆疊型壓電陶瓷致動(dòng)器的軸向預(yù)緊調(diào)節(jié)。
[0009]所述動(dòng)子為雙列交叉滾柱導(dǎo)軌，包括活動(dòng)導(dǎo)軌、導(dǎo)軌限位螺栓、固定導(dǎo)軌、雙列交叉滾柱導(dǎo)軌安裝螺栓和雙列交叉滾柱導(dǎo)軌保持架。所述固定導(dǎo)軌通過螺紋連接將雙列交叉滾柱導(dǎo)軌安裝螺栓與導(dǎo)軌螺紋安裝孔固定于導(dǎo)軌安裝平面上，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，所述雙列交叉滾柱導(dǎo)軌保持架和滾柱為動(dòng)子的滑動(dòng)提供支撐，動(dòng)子的活動(dòng)導(dǎo)軌和固定導(dǎo)軌的兩端設(shè)置導(dǎo)軌限位螺栓進(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J型定子結(jié)構(gòu)，同時(shí)通過復(fù)合激勵(lì)電信號進(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20%以上，輸出速度提升25%以上，位移回退率降低50%以上，輸出效率提升50%以上，開環(huán)條件下定位精度可達(dá)納米級。
【附圖說明】
[0012]圖1所示為本發(fā)明提出的J型結(jié)構(gòu)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J型結(jié)構(gòu)精密壓電粘滑直線馬達(dá)固定基座的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3所示為本發(fā)明提出的J型結(jié)構(gòu)精密壓電粘滑直線馬達(dá)預(yù)壓力加載機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4所示為本發(fā)明提出的J型結(jié)構(gòu)精密壓電粘滑直線馬達(dá)預(yù)壓力加載機(jī)構(gòu)的下固定臺的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5所示為本發(fā)明提出的J型結(jié)構(gòu)精密壓電粘滑直線馬達(dá)預(yù)壓力加載機(jī)構(gòu)的上移動(dòng)臺的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖6所示為本發(fā)明提出的J型結(jié)構(gòu)精密壓電粘滑直線馬達(dá)J型結(jié)構(gòu)定子的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7所示為本發(fā)明提出的J型結(jié)構(gòu)精密壓電粘滑直線馬達(dá)J型結(jié)構(gòu)定子的柔性鉸鏈的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖8所示為本發(fā)明提出的J型結(jié)構(gòu)精密壓電粘滑直線馬達(dá)J型結(jié)構(gòu)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J型結(jié)構(gòu)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J型結(jié)構(gòu)精密壓電粘滑直線馬達(dá)驅(qū)動(dòng)方法的電信號波形示意圖。
【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J型結(jié)構(gòu)精密壓電粘滑直線馬達(dá)的具體實(shí)施方案。所述一種J型結(jié)構(gòu)精密壓電粘滑直線馬達(dá)由固定基座1、預(yù)壓力加載機(jī)構(gòu)2、J型結(jié)構(gòu)定子3和動(dòng)子4組成。
[0014]所述固定基座I采用“L”字型結(jié)構(gòu)，所述固定基座I可采用高導(dǎo)磁不銹鋼材料。所述固定基座I包括固定基座安裝孔1-1、預(yù)壓力加載機(jī)構(gòu)螺紋安裝孔1-2、導(dǎo)軌安裝平面1-3和導(dǎo)軌螺紋安裝孔1-4。所述固定基座安裝孔1-1，可與其它外圍裝置進(jìn)行固定，預(yù)壓力加載機(jī)構(gòu)螺紋安裝孔1-2，用于預(yù)壓力加載機(jī)構(gòu)2的固定，所述導(dǎo)軌安裝平面1-3和導(dǎo)軌螺紋安裝孔
1-4用于安裝動(dòng)子4。
[0015]所述預(yù)壓力加載機(jī)構(gòu)2為J型結(jié)構(gòu)精密壓電粘滑直線馬達(dá)的預(yù)壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，所述預(yù)壓力加載機(jī)構(gòu)2包括下固定臺2-1、上移動(dòng)臺2-2、手動(dòng)調(diào)節(jié)螺桿2-3和緊固螺釘2-4。所述下固定臺2-1設(shè)置有螺紋孔2-1-1，其用于與手動(dòng)調(diào)節(jié)螺桿2-3進(jìn)行螺紋連接，所述下固定臺
2-1設(shè)置有固定圓柱2-1-2，用于安裝預(yù)壓力調(diào)整彈簧2-1-4，所述下固定臺2-1設(shè)置有導(dǎo)向?qū)к?-1-3，用于上移動(dòng)臺2-2的移動(dòng)。所述導(dǎo)向?qū)к?-1-3設(shè)置有4η個(gè)導(dǎo)軌限位螺釘2-1-5，其中η為大于等于2的整數(shù)。所述導(dǎo)軌限位螺釘2-1-5可限制上移動(dòng)臺2-2超出導(dǎo)向?qū)к?-1-3的行程，所述下固定臺2-1底部設(shè)置有安裝孔2-1-6，通過螺紋連接可實(shí)現(xiàn)與固定基座I之間的固定，所述下固定臺2-1設(shè)置有保持架2-1-7和螺釘2-1-8，通過調(diào)節(jié)緊固螺釘2-4，可以實(shí)現(xiàn)對上移動(dòng)臺2-2的鎖緊，防止加載完成后上移動(dòng)臺2-2的移動(dòng)。所述上移動(dòng)臺2-2上端面設(shè)置有螺紋孔2-2-1，用于固定安裝J型結(jié)構(gòu)定子3，所述上移動(dòng)臺2-2的側(cè)面設(shè)置有緊固螺紋安裝孔2-2-2，所述緊固螺紋安裝孔2-2-2與緊固螺釘2-4進(jìn)行螺紋連接。
[0016]所述J型結(jié)構(gòu)定子3包括J型鉸鏈3-1、堆疊型壓電陶瓷致動(dòng)器3-2、預(yù)緊螺栓3-3和調(diào)整墊片3-4，所述J型鉸鏈3-1可采用5052、6061或7075鋁合金材料。所述J型鉸鏈3-1設(shè)置有固定安裝孔3-1-1，通過螺釘將J型鉸鏈3-1與上移動(dòng)臺2-2的上表面進(jìn)行螺紋緊固連接，所述J型鉸鏈3-1設(shè)置有直圓型柔性鉸鏈3-1-2和直圓型柔性鉸鏈3-1-6，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。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，其中Ri/L取值范圍為1/60~1/12，本實(shí)施方式中R1=1.1mnuL=ISmmt3所述堆疊型壓電陶瓷致動(dòng)器3-2—端通過預(yù)緊螺栓3-3固定安裝在J型鉸鏈3-1上，另一端與橫梁3-1-5接觸，所述橫梁3-1-5長度為U，其中U/L取值范圍為1/6?5/6。所述J型結(jié)構(gòu)定子3采用對稱矩形結(jié)構(gòu)的柔性鉸鏈進(jìn)行位移放大，鋸齒波電信號激勵(lì)堆疊型壓電陶瓷致動(dòng)器3-2產(chǎn)生輸出力，通過調(diào)整墊片3-4傳遞到橫梁3-1-5上，所述橫梁3-1-5與J型驅(qū)動(dòng)足3-1-4之間因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)對摩擦力的綜合調(diào)控。所述J型鉸鏈3-1設(shè)置有J型驅(qū)動(dòng)足3-1-4，所述J型驅(qū)動(dòng)足(3-1-4)的厚度為N，活動(dòng)導(dǎo)軌4-1的厚度為M，其中NSM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J型驅(qū)動(dòng)足3-1-4包括小圓3-1-4-1、過渡圓3-1-4-2和大圓3-1-4-3，所述小圓3-1-4-1半徑為R2,所述大圓3-1-4-3半徑分別為R3,其中R2/ R3取值范圍為1/2?I。所述J型驅(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J型驅(qū)動(dòng)足3-1-4驅(qū)動(dòng)動(dòng)子4運(yùn)動(dòng)，所述預(yù)緊螺栓安裝孔3-1-7與預(yù)緊螺栓3-3進(jìn)行螺紋連接，所述堆疊型壓電陶瓷致動(dòng)器3-2可以是PI或NEC等公司的堆疊型壓電陶瓷致動(dòng)器。所述堆疊型壓電陶瓷致動(dòng)器3-2的后端面與預(yù)緊螺栓3-3之間設(shè)置有調(diào)整墊片3-4，所述堆疊型壓電陶瓷致動(dòng)器3-2的前端面與J型鉸鏈3-1之間設(shè)置有調(diào)整墊片3-4，所述堆疊型壓電陶瓷致動(dòng)器3-2前后端面設(shè)置墊片3-4的目的是為了保護(hù)堆疊型壓電陶瓷致動(dòng)器3-2，防止其產(chǎn)生切應(yīng)變或局部受力不均。通過調(diào)整預(yù)緊螺釘3-3的旋合長度，可實(shí)現(xiàn)對堆疊型壓電陶瓷致動(dòng)器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，包括活動(dòng)導(dǎo)軌4-1、導(dǎo)軌限位螺栓4-2、固定導(dǎo)軌4-3、雙列交叉滾柱導(dǎo)軌安裝螺栓4-4和雙列交叉滾柱導(dǎo)軌保持架4-5。所述活動(dòng)導(dǎo)軌4-1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4-3，通過螺紋連接將雙列交叉滾柱導(dǎo)軌安裝螺栓4-4與導(dǎo)軌螺紋安裝孔1-4固定于導(dǎo)軌安裝平面1-3上，所述固定導(dǎo)軌4-3設(shè)置有雙列交叉滾柱導(dǎo)軌保持架4-5和滾柱，所述雙列交叉滾柱導(dǎo)軌保持架4-5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4-5和滾柱滑出導(dǎo)軌，分別在動(dòng)子4的活動(dòng)導(dǎo)軌4-1和固定導(dǎo)軌4-3的兩端設(shè)置導(dǎo)軌限位螺栓4-2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J型結(jié)構(gòu)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J型結(jié)構(gòu)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)控波可為正弦波。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T1ZiT2=1?100000，激勵(lì)電壓幅值比為Vi/V2大于2。
[0020]工作原理:J型結(jié)構(gòu)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)合電信號激勵(lì)下，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)明的定子的橫梁與J型驅(qū)動(dòng)足之間因軸向剛度分布不均勻，激發(fā)J型驅(qū)動(dòng)足產(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J型結(jié)構(gòu)精密壓電粘滑直線馬達(dá)及其驅(qū)動(dòng)方法，利用橫梁與J型驅(qū)動(dòng)足之間因軸向剛度分布不均勻而產(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，顯著提升直線壓電馬達(dá)機(jī)械輸出特性。J型鉸鏈與堆疊型壓電陶瓷致動(dòng)器裝配成一個(gè)定子，裝配簡單，易于調(diào)節(jié);所設(shè)計(jì)的預(yù)壓力加載機(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J型結(jié)構(gòu)精密壓電粘滑直線馬達(dá)，其特征在于該J型結(jié)構(gòu)精密壓電粘滑直線馬達(dá)由固定基座(I)、預(yù)壓力加載機(jī)構(gòu)(2)、J型結(jié)構(gòu)定子(3)和動(dòng)子(4)組成，其中預(yù)壓力加載機(jī)構(gòu)(2)固定在固定基座(I)上，J型結(jié)構(gòu)定子(3)安裝在預(yù)壓力加載機(jī)構(gòu)(2)上，動(dòng)子(4)安裝在固定基座(I)上。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種J型結(jié)構(gòu)精密壓電粘滑直線馬達(dá)，其特征在于所述固定基座(I)采用“L”字型結(jié)構(gòu)，所述固定基座(I)包括固定基座安裝孔(1-1)、預(yù)壓力加載機(jī)構(gòu)螺紋安裝孔(1-2)、導(dǎo)軌安裝平面(1-3)和導(dǎo)軌螺紋安裝孔(1-4);所述固定基座安裝孔(1-1)，可與其它外圍裝置進(jìn)行固定，預(yù)壓力加載機(jī)構(gòu)螺紋安裝孔(1-2)用于預(yù)壓力加載機(jī)構(gòu)(2)的固定，所述導(dǎo)軌安裝平面(1-3)和導(dǎo)軌螺紋安裝孔(1-4)用于安裝動(dòng)子(4)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種J型結(jié)構(gòu)精密壓電粘滑直線馬達(dá)，其特征在于所述預(yù)壓力加載機(jī)構(gòu)(2)為J型結(jié)構(gòu)精密壓電粘滑直線馬達(dá)的預(yù)壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，所述預(yù)壓力加載機(jī)構(gòu)(2)包括下固定臺(2-1)、上移動(dòng)臺(2-2)、手動(dòng)調(diào)節(jié)螺桿(2-3)和緊固螺釘(2-4);所述下固定臺(2-1)設(shè)置有螺紋孔(2-1-1)，其用于與手動(dòng)調(diào)節(jié)螺桿(2-3)進(jìn)行螺紋連接，所述下固定臺(2-1)設(shè)置有固定圓柱(2-1-2)，用于安裝預(yù)壓力調(diào)整彈簧(2-1-4)，所述下固定臺(2-1)設(shè)置有導(dǎo)向?qū)к?2-1-3)，所述導(dǎo)向?qū)к?2-1-3)設(shè)置有導(dǎo)軌限位螺釘(2-1-5)，所述下固定臺(2-1)底部設(shè)置有安裝孔(2-1-6)，通過螺紋連接可實(shí)現(xiàn)與固定基座(I)之間的固定，所述下固定臺(2-1)設(shè)置有保持架(2-1-7)和螺釘(2-1-8)，所述上移動(dòng)臺(2-2)上端面設(shè)置有螺紋孔(2-2-1)，所述上移動(dòng)臺(2-2)的側(cè)面設(shè)置有緊固螺紋安裝孔(2-2-2)，所述緊固螺紋安裝孔(2-2-2)與緊固螺釘(2-4)進(jìn)行螺紋連接。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種J型結(jié)構(gòu)精密壓電粘滑直線馬達(dá)，其特征在于所述J型結(jié)構(gòu)定子(3)包括J型鉸鏈(3-1)、堆疊型壓電陶瓷致動(dòng)器(3-2)、預(yù)緊螺栓(3-3)和調(diào)整墊片(3-4)，所述堆疊型壓電陶瓷致動(dòng)器(3-2)通過預(yù)緊螺栓(3-3)和調(diào)整墊片(3-4)固定在J型鉸鏈(3-1)內(nèi)；所述J型鉸鏈(3-1)設(shè)置有固定安裝孔(3-1-1)，通過螺釘將J型鉸鏈(3-1)與上移動(dòng)臺(2-2)的上表面進(jìn)行螺紋緊固連接，所述J型鉸鏈(3-1)設(shè)置有直圓型柔性鉸鏈(3-1-2)和直圓型柔性鉸鏈(3-1-6)，所述堆疊型壓電陶瓷致動(dòng)器(3-2)通過調(diào)整墊片(3-4)將輸出力傳遞到橫梁(3-1-5)上，J型鉸鏈(3-1)設(shè)置有J型驅(qū)動(dòng)足(3-1-4)，所述J型驅(qū)動(dòng)足(3-1-4)端面相應(yīng)涂有摩擦材料，所述J型驅(qū)動(dòng)足(3-1-4)驅(qū)動(dòng)動(dòng)子(4)運(yùn)動(dòng)，所述預(yù)緊螺栓安裝孔(3-1-7)與預(yù)緊螺栓(3-3)進(jìn)行螺紋連接，所述堆疊型壓電陶瓷致動(dòng)器(3-2)的前后端面設(shè)置有調(diào)整墊片(3-4)，通過調(diào)整預(yù)緊螺釘(3-3)的旋合長度，可實(shí)現(xiàn)對堆疊型壓電陶瓷致動(dòng)器(3-2)的軸向預(yù)緊調(diào)節(jié)。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種J型結(jié)構(gòu)精密壓電粘滑直線馬達(dá)，其特征在于J型結(jié)構(gòu)定子(3)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，所述堆疊型壓電陶瓷致動(dòng)器(3-2)—端通過預(yù)緊螺栓(3-3)固定安裝在J型鉸鏈(3-1)上，另一端與橫梁(3-1-5)接觸，所述橫梁(3-1-5)長度為Li，其中U/L取值范圍為1/6?5/6。6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種J型結(jié)構(gòu)精密壓電粘滑直線馬達(dá)，其特征在于J型結(jié)構(gòu)定子(3)的J型驅(qū)動(dòng)足(3-1-4)包括小圓(3-1-4-1)、過渡圓(3-1-4-1)和大圓(3-1-4-3)，所述小圓(3-1-4-1)半徑為R2,所述大圓(3-1-4-3)半徑分別為R3,其中R2/ R3取值范圍為1/2?I。7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種J型結(jié)構(gòu)精密壓電粘滑直線馬達(dá)，其特征在于J型結(jié)構(gòu)定子(3)的J型鉸鏈(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。8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種J型結(jié)構(gòu)精密壓電粘滑直線馬達(dá)，其特征在于J型結(jié)構(gòu)定子(3)的J型驅(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。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非對稱結(jié)構(gòu)精密壓電粘滑直線馬達(dá)，其特征在于所述的動(dòng)子(4)為雙列交叉滾柱導(dǎo)軌，包括活動(dòng)導(dǎo)軌(4-1)、導(dǎo)軌限位螺栓(4-2)、固定導(dǎo)軌(4-3)、雙列交叉滾柱導(dǎo)軌安裝螺栓(4-4)和雙列交叉滾柱導(dǎo)軌保持架(4-5);所述活動(dòng)導(dǎo)軌(4-1)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(4-3)，螺紋連接將雙列交叉滾柱導(dǎo)軌安裝螺栓(4-4)與導(dǎo)軌螺紋安裝孔(1-4)固定于導(dǎo)軌安裝平面(1-3)上，，所述固定導(dǎo)軌(4-3)設(shè)置有雙列交叉滾柱導(dǎo)軌保持架(4-5)和滾柱，動(dòng)子(4)的活動(dòng)導(dǎo)軌(4-1)和固定導(dǎo)軌(4-3)的兩端設(shè)置導(dǎo)軌限位螺栓(4-2)進(jìn)行限位。10.—種J型結(jié)構(gòu)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J型結(jié)構(gòu)精密壓電粘滑直線馬達(dá);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。
【文檔編號】H02N2/06GK105932902SQ201610386966
【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, 劉文博, 張邦成, 柳虹亮, 李博文, 高琪
【申請人】長春工業(yè)大學(xué)