非對(duì)稱菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)及其激勵(lì)方法
【專利摘要】一種非對(duì)稱菱形放大機(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)明包括預(yù)壓力調(diào)節(jié)裝置、定子和動(dòng)子三部分，所述定子的非對(duì)稱菱形位移放大轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)具有微位移放大功能，利用其非對(duì)稱結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生側(cè)向位移，同時(shí)增大摩擦驅(qū)動(dòng)力和減小摩擦阻力。通過(guò)將摩擦調(diào)控波耦合疊加于定子快速變形驅(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，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)簡(jiǎn)單緊湊、易裝配、精度高以及行程大等特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于精密光學(xué)儀器、半導(dǎo)體加工等微納精密驅(qū)動(dòng)與定位技術(shù)領(lǐng)域。
【專利說(shuō)明】
非對(duì)稱菱形放大機(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)明涉及一種非對(duì)稱菱形放大機(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。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、易裝配、控制方便、定位精度高以及行程不受限等特點(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)一種非對(duì)稱菱形放大機(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:
所述一種使用非對(duì)稱菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)由預(yù)壓力調(diào)節(jié)裝置、定子和動(dòng)子三部分組成。
[0006]所述預(yù)壓力調(diào)節(jié)裝置由下支撐臺(tái)、預(yù)壓滑臺(tái)和手動(dòng)調(diào)節(jié)螺栓組成。所述下支撐臺(tái)設(shè)置有固定螺釘、固定保持架和鎖緊螺桿，通過(guò)調(diào)節(jié)鎖緊螺桿，可實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)壓滑臺(tái)的固定；所述下支撐臺(tái)設(shè)置有手動(dòng)調(diào)節(jié)螺栓安裝孔，通過(guò)與手動(dòng)調(diào)節(jié)螺栓采用螺紋連接實(shí)現(xiàn)對(duì)定子的預(yù)緊力調(diào)節(jié);所述下支撐臺(tái)設(shè)置有下彈簧固定螺釘和安裝彈簧，用于實(shí)現(xiàn)預(yù)壓滑臺(tái)的回程運(yùn)動(dòng)。所述下支撐臺(tái)設(shè)置有內(nèi)側(cè)固定導(dǎo)軌，用于實(shí)現(xiàn)預(yù)壓滑臺(tái)的移動(dòng)，內(nèi)側(cè)固定導(dǎo)軌設(shè)置有下導(dǎo)軌安裝螺釘，避免預(yù)壓滑臺(tái)滑動(dòng)過(guò)程中脫離下支撐臺(tái)；所述內(nèi)側(cè)固定導(dǎo)軌設(shè)置有滾珠保持架組件，可實(shí)現(xiàn)預(yù)壓滑臺(tái)的單自由度往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。所述下支撐臺(tái)設(shè)置有動(dòng)子安裝基面和動(dòng)子安裝螺紋孔，用于安裝固定動(dòng)子;所述下支撐臺(tái)設(shè)置有錐形孔，用于與外圍裝置固連。所述預(yù)壓滑臺(tái)設(shè)置有橫向鉸鏈安裝孔和縱向鉸鏈安裝孔，用于安裝固定定子;所述預(yù)壓滑臺(tái)設(shè)置有頂點(diǎn)固定孔和呈垂直對(duì)稱分布的內(nèi)安裝孔。所述預(yù)壓滑臺(tái)設(shè)置有上導(dǎo)軌安裝螺釘，用于避免預(yù)壓滑臺(tái)滑出下支撐臺(tái)。所述預(yù)壓滑臺(tái)設(shè)置有上彈簧固定螺釘，用于固定安裝彈簧的另一端;所述預(yù)壓滑臺(tái)側(cè)面設(shè)置有鎖緊螺桿安裝孔，通過(guò)與鎖緊螺桿的螺紋連接實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)壓滑臺(tái)鎖緊固定。所述預(yù)壓滑臺(tái)設(shè)置有外側(cè)移動(dòng)導(dǎo)軌，用于帶動(dòng)預(yù)壓滑臺(tái)移動(dòng)。所述手動(dòng)調(diào)節(jié)螺栓與手動(dòng)調(diào)節(jié)螺栓安裝孔螺紋連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)定子的預(yù)緊力調(diào)節(jié)。
[0007]所述定子包括非對(duì)稱菱形位移放大轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、疊堆型壓電陶瓷致動(dòng)器、預(yù)緊調(diào)整螺釘和楔形墊塊;所述非對(duì)稱菱形位移放大轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)設(shè)置有鉸鏈固定孔，用于與預(yù)壓滑臺(tái)緊固連接;所述非對(duì)稱菱形位移放大轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)設(shè)置有單棱邊弧形缺口式菱形鉸鏈，用于將受到鋸齒波電信號(hào)激勵(lì)下的疊堆型壓電陶瓷致動(dòng)器產(chǎn)生的微位移放大;所述有單棱邊弧形缺口式菱形鉸鏈設(shè)置有鉸鏈短軸和鉸鏈長(zhǎng)軸，調(diào)整長(zhǎng)短軸比值，可以改變的微位移放大倍數(shù)。所述非對(duì)稱菱形位移放大轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)設(shè)置有剛性梁和柔性梁，可以進(jìn)一步對(duì)疊堆型壓電陶瓷致動(dòng)器產(chǎn)生的微位移放大。所述非對(duì)稱菱形位移放大轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)設(shè)置有運(yùn)動(dòng)足，用于驅(qū)動(dòng)動(dòng)子移動(dòng)。所述非對(duì)稱菱形位移放大轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)設(shè)置有直圓型柔性鉸鏈運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換器，可以改變其軸向偏轉(zhuǎn)剛度，并將疊堆型壓電陶瓷致動(dòng)器的軸向振動(dòng)產(chǎn)生微位移轉(zhuǎn)換為運(yùn)動(dòng)足的側(cè)向位移。所述非對(duì)稱菱形位移放大轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)設(shè)置有預(yù)緊調(diào)整螺釘安裝孔，用于疊堆型壓電陶瓷致動(dòng)器的預(yù)緊固定;所述疊堆型壓電陶瓷致動(dòng)器的前后端面與預(yù)緊調(diào)整螺釘之間設(shè)置有楔形墊塊，其目的是保護(hù)疊堆型壓電陶瓷致動(dòng)器，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)緊調(diào)整螺釘?shù)男M(jìn)量，可以通過(guò)楔形墊塊間接的對(duì)疊堆型壓電陶瓷致動(dòng)器的軸向預(yù)緊力調(diào)節(jié)。
[0008]所述動(dòng)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(dòng)滑軌和端部限位螺釘;所述固定滑軌通過(guò)動(dòng)子安裝螺紋孔固定于動(dòng)子安裝基面上;所述運(yùn)動(dòng)滑軌端面涂有陶瓷類摩擦材料，所述滾柱保持架為運(yùn)動(dòng)滑軌的滑動(dòng)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(dòng)滑軌運(yùn)動(dòng)范圍，避免運(yùn)動(dòng)滑軌移出固定滑軌。
[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)合疊加于定子快速變形驅(qū)動(dòng)階段的驅(qū)動(dòng)波中，所述摩擦調(diào)控波為正弦波，驅(qū)動(dòng)波為鋸齒波;所述激勵(lì)方法可減小快速變形驅(qū)動(dòng)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(duì)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％，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。
[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)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10%以上，輸出速度提升30%以上，輸出效率提升40%以上。
【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1所示為本發(fā)明提出的非對(duì)稱菱形放大機(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)明提出的非對(duì)稱菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)的預(yù)壓力調(diào)節(jié)裝置示意圖；
圖3所示為本發(fā)明提出的非對(duì)稱菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)的下支撐臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4所示為本發(fā)明提出的非對(duì)稱菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)的預(yù)壓滑臺(tái)俯視結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5所示為本發(fā)明提出的非對(duì)稱菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)的預(yù)壓滑臺(tái)仰視結(jié)構(gòu)示意圖；
圖6所示為本發(fā)明提出的非對(duì)稱菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)示意圖；圖7所示為本發(fā)明提出的非對(duì)稱菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)的非對(duì)稱菱形位移放大機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖；
圖8所示為本發(fā)明提出的非對(duì)稱菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)的非對(duì)稱菱形位移放大機(jī)構(gòu)局部俯視結(jié)構(gòu)示意圖；
圖9所示為本發(fā)明提出的非對(duì)稱菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)的非對(duì)稱菱形位移放大機(jī)構(gòu)局部側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖；
圖10所示為本發(fā)明提出的非對(duì)稱菱形放大機(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)明提出的非對(duì)稱菱形放大機(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)施方式提供一種非對(duì)稱菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)的具體實(shí)施方案。所述一種非對(duì)稱菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)包括預(yù)壓力調(diào)節(jié)裝置1、定子2和動(dòng)子3。
[0013]所述預(yù)壓力調(diào)節(jié)裝置I由下支撐臺(tái)1-1、預(yù)壓滑臺(tái)1-2和手動(dòng)調(diào)節(jié)螺栓1-3組成，預(yù)壓力調(diào)節(jié)裝置I的下支撐臺(tái)1-1和預(yù)壓滑臺(tái)1-2均可以采用45號(hào)鋼材料。所述下支撐臺(tái)1-1設(shè)置有固定螺釘1-1-1、固定保持架1-1-2和鎖緊螺桿1-1-3，通過(guò)調(diào)節(jié)鎖緊螺桿1-1-3，可實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)壓滑臺(tái)1-2的固定，防止加載后預(yù)壓滑臺(tái)1-2發(fā)生移動(dòng)。所述下支撐臺(tái)1-1設(shè)置有手動(dòng)調(diào)節(jié)螺栓安裝孔1-1-4，通過(guò)與手動(dòng)調(diào)節(jié)螺栓1-3采用螺紋連接實(shí)現(xiàn)對(duì)定子2的預(yù)緊力調(diào)節(jié);所述下支撐臺(tái)1-1設(shè)置有下彈簧固定螺釘1-1-5和安裝彈簧1-1-6，用于實(shí)現(xiàn)預(yù)壓滑臺(tái)1-2的回程運(yùn)動(dòng)。所述下支撐臺(tái)1-1設(shè)置有內(nèi)側(cè)固定導(dǎo)軌1-1-7，用于預(yù)壓滑臺(tái)1-2的滑動(dòng)，內(nèi)側(cè)固定導(dǎo)軌1-1-7設(shè)置有下導(dǎo)軌安裝螺釘1-1-11，避免預(yù)壓滑臺(tái)1-2滑動(dòng)過(guò)程中脫離下支撐臺(tái)1-1;所述內(nèi)側(cè)固定導(dǎo)軌1-1-7設(shè)置有滾珠保持架組件1-1-12，用于支撐預(yù)壓滑臺(tái)1-2的單自由度往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。所述下支撐臺(tái)設(shè)置有動(dòng)子安裝基面1-1-8和動(dòng)子安裝螺紋孔1-1-9，用于安裝固定動(dòng)子3;所述下支撐臺(tái)1-1設(shè)置有錐形孔1-1-10，用于與外圍裝置固連。所述預(yù)壓滑臺(tái)1-2設(shè)置有橫向鉸鏈安裝孔1-2-1和縱向鉸鏈安裝孔1-2-3;所述預(yù)壓滑臺(tái)1-2設(shè)置有4η個(gè)頂點(diǎn)固定孔1-2-5和呈垂直對(duì)稱分布的內(nèi)安裝孔1-2-2，其中η是大于等于I的整數(shù)。所述預(yù)壓滑臺(tái)1-2設(shè)置有上導(dǎo)軌安裝螺釘1-2-4，用于限制預(yù)壓滑臺(tái)1-2的運(yùn)動(dòng)范圍，避免預(yù)壓滑臺(tái)1-2滑出下支撐臺(tái)1-1。所述預(yù)壓滑臺(tái)1-2設(shè)置有上彈簧固定螺釘1-2-6，用于固定安裝彈簧1-
1-6的另一端;所述預(yù)壓滑臺(tái)1-2側(cè)面設(shè)置有鎖緊螺桿安裝孔1-2-7，通過(guò)與鎖緊螺桿1-1-3螺紋連接固定預(yù)壓滑臺(tái)1-2;所述預(yù)壓滑臺(tái)1-2設(shè)置有外側(cè)移動(dòng)導(dǎo)軌1-2-8，用于帶動(dòng)預(yù)壓滑臺(tái)1-2的移動(dòng)。所述手動(dòng)調(diào)節(jié)螺栓1-3與手動(dòng)調(diào)節(jié)螺栓安裝孔1-1-4螺紋連接，改變手動(dòng)調(diào)節(jié)螺栓1-3的旋進(jìn)量可調(diào)節(jié)預(yù)壓滑臺(tái)1-2的位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)定子2的預(yù)緊力調(diào)節(jié)。
[0014]所述定子2包括非對(duì)稱菱形位移放大轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)2-1、疊堆型壓電陶瓷致動(dòng)器2-2、預(yù)緊調(diào)整螺釘2-3和楔形墊塊2-4。所述非對(duì)稱菱形位移放大轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)2-1采用7075鋁合金材料;所述非對(duì)稱菱形位移放大轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)2-1設(shè)置有鉸鏈固定孔2-1-1，用于與預(yù)壓滑臺(tái)1-2緊固連接。所述非對(duì)稱菱形位移放大轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)2-1設(shè)置有單棱邊弧形缺口式菱形鉸鏈2-1-2，用于將疊堆型壓電陶瓷致動(dòng)器2-2的微位移放大;所述單棱邊弧形缺口式菱形鉸鏈2-1-2設(shè)置有鉸鏈短軸和鉸鏈長(zhǎng)軸。具體地，鉸鏈短軸長(zhǎng)度為M，長(zhǎng)軸的長(zhǎng)度為N，其長(zhǎng)短軸的比值K=N/M為單棱邊弧形缺口式菱形鉸鏈(2-1-2)在垂直于驅(qū)動(dòng)方向的微位移放大倍數(shù)，其中位移放大倍數(shù)K取值為I?8，調(diào)整長(zhǎng)軸與短軸比值K，可改變定子的微位移放大倍數(shù)，本實(shí)施方式中位移放大倍數(shù)K取值為6。所述非對(duì)稱菱形位移放大轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)2-1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的壁厚均為C，柔性梁2-1-7的壁厚為D，其壁厚的比值為W=D/C，w取值為0.75-0.95，可進(jìn)一步對(duì)疊堆型壓電陶瓷致動(dòng)器2_2產(chǎn)生的微位移放大，本實(shí)施方式中選取壁厚比值w為0.8。所述非對(duì)稱菱形位移放大轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)2-1設(shè)置有運(yùn)動(dòng)足2-1-3，其端面涂有摩擦材料，用于驅(qū)動(dòng)動(dòng)子3運(yùn)動(dòng)。具體地，所述運(yùn)動(dòng)足2-1-3的厚度為H，其厚度H小于動(dòng)子3接觸面寬度b的I?2.5 mm，可通過(guò)改變其厚度H來(lái)改變運(yùn)動(dòng)足2-1-3的剛度，本實(shí)施方式中運(yùn)動(dòng)足的厚度H=b — 1.5。運(yùn)動(dòng)足2-1-3的圓角半徑為r與直圓型柔性鉸鏈運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換器2-1-4的圓角半徑R比值Y=r/R取值為0.2-0.8，本實(shí)施方式中該圓角半徑的比值為0.5。所述非對(duì)稱菱形位移放大轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)2-1設(shè)置有直圓型柔性鉸鏈運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換器2-1-4。具體地，直圓型柔性鉸鏈運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換器2-1-4具有圓角半徑R，其中圓角半徑R取值為5?10 _，調(diào)整弧形圓角半徑R值，可改變非對(duì)稱菱形位移放大轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)2-1的軸向偏轉(zhuǎn)剛度，并將疊堆型壓電陶瓷致動(dòng)器2-2的軸向振動(dòng)產(chǎn)生微位移轉(zhuǎn)換為運(yùn)動(dòng)足2-1-3的側(cè)向位移。由于定子軸向剛度分布不均而產(chǎn)生側(cè)向位移，同時(shí)增大緩慢變形驅(qū)動(dòng)階段時(shí)的摩擦驅(qū)動(dòng)力，減小快速變形驅(qū)動(dòng)階段時(shí)的摩擦阻力，可實(shí)現(xiàn)對(duì)摩擦力的綜合調(diào)控，本實(shí)施方式中選取圓角半徑R的值為7.5 mm。所述非對(duì)稱菱形位移放大轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)2-1設(shè)置有預(yù)緊調(diào)整螺釘安裝孔2-1-5，用于疊堆型壓電陶瓷致動(dòng)器2-2的預(yù)緊固定。所述疊堆型壓電陶瓷致動(dòng)器2-2采用PI公司的產(chǎn)品，所述疊堆型壓電陶瓷致動(dòng)器2-2的前后端面與預(yù)緊調(diào)整螺釘2-3之間設(shè)置有楔形墊塊2-4;所述楔形墊塊2-4采用45鋼材料，楔形墊塊2-4的厚度為I?2 mm，本實(shí)施方式中選取楔形墊塊2-4的厚度值為1.5 mm。其目的是保護(hù)疊堆型壓電陶瓷致動(dòng)器2-2，防止其受到剪切應(yīng)力和彎曲應(yīng)力。通過(guò)改變預(yù)緊調(diào)整螺釘2-3的旋進(jìn)量，可通過(guò)楔形墊塊2-4間接的實(shí)現(xiàn)對(duì)疊堆型壓電陶瓷致動(dòng)器2-2的軸向預(yù)緊力調(diào)節(jié)。
[0015]所述動(dòng)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(dòng)滑軌3-4和端部限位螺釘3-5，動(dòng)子3的固定滑軌3-1和運(yùn)動(dòng)滑軌3-4均采用不銹鋼材料;所述固定滑軌3-1通過(guò)動(dòng)子安裝螺紋孔1-1-9固定于動(dòng)子安裝基面1-1-8上;所述運(yùn)動(dòng)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(dòng)滑軌3-4的滑動(dòng)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(dòng)滑軌3-4運(yùn)動(dòng)范圍，避免其滑出固定滑軌3-1。
[0016]【具體實(shí)施方式】二:結(jié)合圖11說(shuō)明本實(shí)施方式。本實(shí)施方式提供一種非對(duì)稱菱形放大機(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。所述一種非對(duì)稱菱形放大機(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)合疊加于定子快速變形驅(qū)動(dòng)階段的鋸齒波中，所述摩擦調(diào)控波可為正弦波，驅(qū)動(dòng)波可為鋸齒波。其中，鋸齒驅(qū)動(dòng)波周期ST1，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T2，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V1/V2 大于 2。
[0018]工作原理:非對(duì)稱菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)的激勵(lì)方法主要是在復(fù)合電信號(hào)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電機(jī)的機(jī)械輸出特性。其中，在定子緩慢變形驅(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，增大定子與動(dòng)子間摩擦力可提升電機(jī)輸出性能;在定子快速變形驅(qū)動(dòng)階段，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)法降低定子與動(dòng)子滑動(dòng)摩擦阻力，可改善電機(jī)的綜合輸出特性。本發(fā)明的定子由于采用非對(duì)稱菱形位移放大轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)使得定子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，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(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)控波復(fù)合疊加于定子快速變形驅(qū)動(dòng)階段的鋸齒驅(qū)動(dòng)波中，激發(fā)定子處于振動(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)明提供一種非對(duì)稱菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)及其激勵(lì)方法，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。通過(guò)定子的非對(duì)稱菱形位移放大轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)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)控波耦合疊加于定子快速變形驅(qū)動(dòng)階段的鋸齒驅(qū)動(dòng)波中，降低快速變形驅(qū)動(dòng)階段定、動(dòng)子間摩擦阻力，降低位移回帶率，實(shí)現(xiàn)對(duì)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、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。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種非對(duì)稱菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)，其特征在于該非對(duì)稱菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)由預(yù)壓力調(diào)節(jié)裝置(I)、定子(2)和動(dòng)子(3)組成;所述定子(2)固定安裝在預(yù)壓力調(diào)節(jié)裝置(I)上，動(dòng)子(3)固定安裝在預(yù)壓力調(diào)節(jié)裝置(I)上。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非對(duì)稱菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)，其特征在于所述預(yù)壓力調(diào)節(jié)裝置(I)由下支撐臺(tái)(1-1)、預(yù)壓滑臺(tái)(1-2)和手動(dòng)調(diào)節(jié)螺栓(1-3)組成;所述下支撐臺(tái)(1-1)設(shè)置有固定螺釘(1-1-1)、固定保持架(1-1-2)和鎖緊螺桿(1-1-3)，通過(guò)固定保持架(1-1-2)和鎖緊螺桿(1-1-3)采用螺紋連接方式固定預(yù)壓滑臺(tái)(1-2);下支撐臺(tái)(1-1)設(shè)置有手動(dòng)調(diào)節(jié)螺栓安裝孔(1-1-4)，通過(guò)與手動(dòng)調(diào)節(jié)螺栓的螺紋連接預(yù)緊定子(2);下支撐臺(tái)(1-1)設(shè)置有下彈簧固定螺釘(1-1-5)和安裝彈簧(1-1-6);下支撐臺(tái)(1-1)設(shè)置有內(nèi)側(cè)固定導(dǎo)軌(1-1-7)，內(nèi)側(cè)固定導(dǎo)軌(1-1-7)安裝有下導(dǎo)軌安裝螺釘(1-1-11)和滾珠保持架組件(1-1-12);下支撐臺(tái)(1-1)設(shè)置有動(dòng)子安裝基面(1-1-8)和動(dòng)子安裝螺紋孔(1-1-9)，通過(guò)動(dòng)子安裝螺紋孔(1-1-9)將動(dòng)子(3)安裝在動(dòng)子安裝基面(1-1-8)上，下支撐臺(tái)(1-1)設(shè)置有錐形孔(1-1-10);所述預(yù)壓滑臺(tái)(1-2)設(shè)置有橫向鉸鏈安裝孔(1-2-1)和縱向鉸鏈安裝孔(1-2-3)，預(yù)壓滑臺(tái)(1-2)設(shè)置頂點(diǎn)固定孔(1-2-5)和呈垂直對(duì)稱分布的內(nèi)安裝孔(1-2-2)，預(yù)壓滑臺(tái)(1-2)端部設(shè)置有上導(dǎo)軌安裝螺釘(1-2-4)，預(yù)壓滑臺(tái)(1-2)設(shè)置有上彈簧固定螺釘(1-2-6)，上彈簧固定螺釘(1-2-6)和下彈簧固定螺釘(1-1-5)分別與安裝彈簧(1-1-6)的兩端固連;預(yù)壓滑臺(tái)(1-2)側(cè)面設(shè)置有鎖緊螺桿安裝孔(1-2-7)，通過(guò)與鎖緊螺桿(1-1-3)的螺紋連接對(duì)預(yù)壓滑臺(tái)(1-2)鎖緊固定，預(yù)壓滑臺(tái)(1-2)設(shè)置有外側(cè)移動(dòng)導(dǎo)軌(1-2-8);所述手動(dòng)調(diào)節(jié)螺栓(1-3)和手動(dòng)調(diào)節(jié)螺栓安裝孔(1-1-4)采用螺紋連接固定定子(2)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非對(duì)稱菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)，其特征在于所述定子(2)包括非對(duì)稱菱形位移放大轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)(2-1)、疊堆型壓電陶瓷致動(dòng)器(2-2)、預(yù)緊調(diào)整螺釘(2-3)和楔形墊塊(2-4);所述非對(duì)稱菱形位移放大轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)(2-1)設(shè)置有鉸鏈固定孔(2-1-1)，通過(guò)鉸鏈固定孔(2-1-1)將定子(2)安裝在預(yù)壓滑臺(tái)(1-2)上;非對(duì)稱菱形位移放大轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)(2-1)設(shè)置有單棱邊弧形缺口式菱形鉸鏈(2-1-2);非對(duì)稱菱形位移放大轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)(2-1)設(shè)置有運(yùn)動(dòng)足(2-1-3)，其運(yùn)動(dòng)足(2-1-3)與動(dòng)子(3)之間采用線接觸方式;非對(duì)稱菱形位移放大轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)(2-1)設(shè)置有直圓型柔性鉸鏈運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換器(2-1-4);所述非對(duì)稱菱形位移放大轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)(2-1)設(shè)置有預(yù)緊調(diào)整螺釘安裝孔(2-1-5)，通過(guò)與預(yù)緊調(diào)整螺釘(2-3)采用螺紋配合方式固定疊堆型壓電陶瓷致動(dòng)器(2-2);所述疊堆型壓電陶瓷致動(dòng)器(2-2)的前后端面與預(yù)緊調(diào)整螺釘(2-3)之間設(shè)置有楔形墊塊(2-4)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非對(duì)稱菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)，其特征在于所述動(dòng)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(dòng)滑軌(3-4)和端部限位螺釘(3-5);所述固定滑軌(3-1)通過(guò)動(dòng)子安裝螺紋孔(1-1-9)和雙列交叉滾柱導(dǎo)軌安裝螺栓(3-3)將動(dòng)子(3)固定在動(dòng)子安裝基面(1-1-8)上。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非對(duì)稱菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)，其特征在于所述定子(2)的非對(duì)稱菱形位移放大轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)(2-1)可以采用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;所述定子(2)的楔形墊快(2-4)采用45號(hào)鋼材料;所述動(dòng)子(3)的固定滑軌(3-1)和運(yùn)動(dòng)滑軌(3-4)均采用不銹鋼材料。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非對(duì)稱菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)，其特征在于所述定子(2)的運(yùn)動(dòng)足(2-1-3)端面涂有陶瓷類或玻璃纖維類摩擦材料;所述動(dòng)子(3)的運(yùn)動(dòng)滑軌(3-4)端面涂有陶瓷類或玻璃纖維類摩擦材料。7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種非對(duì)稱菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)，其特征在于所述定子(2 )的單棱邊弧形缺口式菱形鉸鏈(2-1-2 )設(shè)置有鉸鏈短軸和鉸鏈長(zhǎng)軸，鉸鏈短軸長(zhǎng)度為M，鉸鏈長(zhǎng)軸長(zhǎng)度為N，其長(zhǎng)短軸的比值K=N/M為單棱邊弧形缺口式菱形鉸鏈(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?8。8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種非對(duì)稱菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)，其特征在于所述定子(2)的非對(duì)稱菱形位移放大轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)(2-1)設(shè)置有運(yùn)動(dòng)足(2-1-3)和直圓型柔性鉸鏈運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換器(2-1-4)，運(yùn)動(dòng)足(2-1-3)與直圓型柔性鉸鏈運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換器(2-1-4)具有圓角半徑分別為I^Pr，其圓角半徑比值Y=r/R取值為0.2?0.8。9.一種非對(duì)稱菱形放大機(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所述的非對(duì)稱菱形放大機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)實(shí)現(xiàn);所述激勵(lì)方法特征在于所述驅(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(duì)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IVT2=1?100000，激勵(lì)電壓幅值比為Wv2大于2。
【文檔編號(hào)】H02N2/06GK106026765SQ201610386933
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年6月6日
【發(fā)明人】程廷海, 林潔瓊, 李恒禹, 王拓, 田麗雅
【申請(qǐng)人】長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)