CN107834896A - 预摩擦力调控寄生原理压电驱动器输出性能的装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种预摩擦力调控寄生原理压电驱动器输出性能的装置与方法，属于精密机械领域。装置包括基座、驱动单元、预摩擦力调控单元，驱动单元通过抓爪垫块与基座连接，预摩擦力调控单元通过摩擦垫块与基座连接。通过调整预紧螺钉，改变动子运动时的摩擦力，从而对寄生原理压电驱动器输出性能进行调控，实现提高压电驱动器在驱动电压为零时的自锁性和抑制运动过程中的回退现象的双重效果。优点在于：结构简单、控制便捷，通过预摩擦力既可以增强压电驱动器在驱动电压为零时的自锁性，又可以有效抑制运动过程中的回退现象，从而提升压电驱动器的输出性能，增强其在超精密加工、装配、精密测量技术、精密光学、生物医学工程等领域的应用。
Description
技术领域
本发明涉及精密机械领域，特别涉及一种预摩擦力调控寄生原理压电驱动器输出性能的装置与方法。通过施加预摩擦力的方式对在精密定位、精密加工、精密夹持、显微操作等领域有广泛应用的压电驱动器的输出性能进行有效调控，减小甚至消除其回退运动并增强其自锁性，以扩展其应用领域和适用场合。
背景技术
压电驱动器由于具有定位精度高、频响快、能耗低、重量轻、体积小等优势，在精密机械与纳米技术等领域发挥越来越重要的作用，广泛应用于超精密加工、装配、精密测量技术、精密光学、生物医学工程等诸多前沿科学领域之中。
目前，尺蠖仿生驱动、粘滑驱动、惯性驱动、寄生运动驱动等几种典型的驱动原理被应用于研制具有大行程输出能力的压电驱动器。其中，粘滑、惯性、寄生原理压电驱动器相对于尺蠖式压电驱动器而言，具有结构简单、加工装配容易、控制***简单、步进速度快等优势，因此具有非常广阔的应用前景，但是其位移输出曲线往往存在非线性、回退等现象以及驱动电压为零时的自锁性较差等问题，影响了其输出性能和适用场合，并为其精密定位和控制带来了困难。如文献《粘滑式惯性压电精密驱动器设计分析与试验研究》提出了一种粘滑惯性式压电驱动器新结构，设计了闭环控制***，并通过试验证实了该驱动器可以完成较高精度的定位，但是从位移曲线图中可以发现，在驱动过程中会产生较为严重的回退运动，并且该驱动器并没有在自锁性方面有特殊设计，很难保证在驱动过程中受到外力时的运动稳定性，这两方面会对此类高精度驱动器的使用和控制产生负面影响。文献《Modeling of piezoelectric-driven stick–slip actuators》基于粘滑原理设计了一种线性驱动器，该设计可以较为精确地进行驱动，但欠缺自锁方面设计，并且从实验结果也可以看出粘滑式压电驱动器的回退运动也非常明显。文献《A novel driving principle bymeans of the parasitic motion of the microgripper and its preliminaryapplication in the design of the linear actuator》给出了一种新颖的寄生运动原理压电驱动器，实现了较高的定位分辨率，然而从其位移输出曲线亦可以看出寄生运动原理压电驱动器也存在较为显著的回退和非线性现象，并且自锁性差。综上可以看出，粘滑、惯性、寄生运动等驱动方式虽然相比于尺蠖式有着诸多优点，但是在自锁性方面存在问题，并且位移输出曲线上的回退和非线性现象普遍存在于各种原理的压电驱动器中。因此，如何减小、甚至消除压电驱动器运动过程中的回退现象、提高压电驱动器在驱动电压为零时的自锁性，依然是一个难点，也是急需解决的难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种预摩擦力调控寄生原理压电驱动器输出性能的装置与方法，解决了现有技术存在的上述问题，通过施加预摩擦力的方式对在精密定位、精密加工、精密夹持、显微操作等领域有广泛应用的压电驱动器的输出性能进行有效调控，减小甚至消除其回退运动并增强其自锁性，以扩大压电驱动器的应用范围和领域。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
预摩擦力调控寄生原理压电驱动器输出性能的装置，包括基座、驱动单元、预摩擦力调控单元，所述驱动单元通过抓爪垫块9及螺钉与基座1连接，预摩擦力调控单元通过摩擦垫块2与基座1连接。
所述的驱动单元包括柔性铰链抓爪7、压电叠堆8、抓爪垫块9、导轨10、滑块11、动子12，所述柔性铰链抓爪7通过抓爪垫块9与基座1相连接，抓爪垫块9通过螺钉安装在基座1上，压电叠堆8采用紧配合方式安装在柔性铰链抓爪7的凹槽内，导轨10通过沉头螺钉连接在基座1上，动子12通过螺钉连接在滑块11的上端，通过滑块11在导轨10上做x轴方向的移动。
所述的预摩擦力调控单元分为左、右两部分组成，两部分构成完全相同，包括摩擦垫块2、柔性铰链压杆3、定位杆4、预紧螺钉5、应变片组6、左应变片信号调理模块13、右应变片信号调理模块14、数据采集卡15、工控机及显示器16，所述柔性铰链压杆3、定位杆4通过螺钉安装在摩擦垫块2上并与基座1相连接，柔性铰链压杆3与定位杆4间隙为3mm；预紧螺钉5安装在定位杆4上，尾部与柔性铰链压杆3相接触，通过拧转预紧螺钉5改变柔性铰链压杆3对驱动单元的动子12的压力，进而改变动子12运动时的摩擦力；应变片组6粘贴在柔性铰链压杆3的前端凹槽薄弱环节处，数据采集卡15与左应变片信号调理模块13和右应变片信号调理模块14通过导线连接，将其输出的模拟信号转换成数字信号采集至工控机及显示器16。
本发明的另一目的在于提供一种预摩擦力调控寄生原理压电驱动器输出性能的方法，包括以下步骤：
a）将压电叠堆8采用紧配合方式安装在柔性铰链抓爪7的凹槽内，在柔性铰链抓爪7与动子12夹头配合好之后，将柔性铰链抓爪7通过螺钉安装在抓爪垫块9的上端，将数据采集卡15与左应变片信号调理模块13和右应变片信号调理模块14以及工控机及显示器16通过导线连接好；
b）调整预紧螺钉5，观察工控机及显示器16的示数，使左右两侧的柔性铰链压杆3对动子12施加压力，从而在柔性铰链抓爪7拉动动子12运动时，左右两侧的柔性铰链压杆3与动子12间会产生阻碍动子12运动的摩擦力；
c）给压电叠堆8施加驱动电压，由于逆压电效应，此时压电叠堆8伸长，驱动柔性铰链抓爪7产生变形，使得柔性铰链抓爪7爪部与动子12的夹头接触，在寄生运动原理下，拉动动子12沿着导轨10进行移动；在拉动过程中，由于摩擦力的存在，使动子12在压电叠堆8驱动电压为零时的自锁性有了极大的增强，并且对寄生原理压电驱动器固有的回退运动产生大幅度的抑制，从而实现提高寄生原理压电驱动器的自锁性和运动精度的双重效果；
d）通过调整预紧螺钉5，改变左右两侧的柔性铰链压杆3对动子12施加的压力，即改变动子运动时的摩擦力，从而通过摩擦力来对寄生原理压电驱动器输出性能进行调控。
本发明的有益效果在于：结构简单、控制便捷，通过本发明提供的预摩擦力加载、调控装置与方法，可以增强压电驱动器在驱动电压为零时的自锁性，并且极大地减小甚至消除寄生原理压电驱动器固有的回退运动，实现提高压电驱动器自锁性和运动精度的双重效果，进而扩展其在超精密加工、装配、精密测量技术、精密光学、生物医学工程等诸多前沿科学领域中的应用。本发明提供的装置和方法可扩展应用到其他原理的压电驱动器，适用范围广，实用性强。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的预摩擦力调控寄生原理压电驱动器输出性能的装置结构示意图；
图2为本发明的柔性铰链抓爪俯视示意图；
图3为本发明的柔性铰链抓爪变形原理图；
图4为本发明的预摩擦力调控单元的工作原理图；
图5为本发明的数据采集、处理与显示示意图。
图中：1、基座；2、摩擦垫块；3、柔性铰链压杆；4、定位杆；5、预紧螺钉；6、应变片组；7、柔性铰链抓爪；8、压电叠堆；9、抓爪垫块；10、导轨；11、滑块；12、动子；13、左应变片信号调理模块；14、右应变片信号调理模块；15、数据采集卡；16、工控机及显示器。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1至图5所示，本发明的预摩擦力调控寄生原理压电驱动器输出性能的装置及方法，通过预摩擦力来解决寄生原理压电驱动器在回退和自锁性方面的问题，以提高其输出性能，扩展其应用范围和领域。结构简单、控制便捷，通过预摩擦力既可以增强压电驱动器在驱动电压为零时的自锁性，又可以有效抑制运动过程中的回退现象，从而提升压电驱动器的输出性能，增强其在超精密加工、装配、精密测量技术、精密光学、生物医学工程等领域的应用。所述预摩擦力调控寄生原理压电驱动器输出性能的装置，包括基座、驱动单元、预摩擦力调控单元，所述驱动单元通过抓爪垫块9及螺钉与基座1连接，预摩擦力调控单元通过摩擦垫块2与基座1连接。
所述的驱动单元主要包括柔性铰链抓爪7、压电叠堆8、抓爪垫块9、导轨10、滑块11、动子12，所述柔性铰链抓爪7通过抓爪垫块9与基座1相连接，抓爪垫块9通过螺钉安装在基座1上，压电叠堆8采用紧配合方式安装在柔性铰链抓爪7的凹槽内，导轨10通过沉头螺钉连接在基座1上，动子12通过螺钉连接在滑块11的上端，可通过滑块11在导轨10上做x轴方向的移动。
所述的预摩擦力调控单元分为左、右两部分组成，两部分构成完全相同，主要包括摩擦垫块2、柔性铰链压杆3、定位杆4、预紧螺钉5、应变片组6、左应变片信号调理模块13、右应变片信号调理模块14、数据采集卡15、工控机及显示器16，所述柔性铰链压杆3、定位杆4通过螺钉安装在摩擦垫块2上并与基座1相连接，柔性铰链压杆3与定位杆4间隙为3mm，预紧螺钉5安装在定位杆4上，尾部与柔性铰链压杆3相接触，从而可以通过拧转预紧螺钉5来改变柔性铰链压杆3对动子12的压力，进而改变动子12运动时的摩擦力，应变片组6通过502胶粘贴在柔性铰链压杆3的前端凹槽薄弱环节处，数据采集卡15与左应变片信号调理模块13和右应变片信号调理模块14通过导线连接，将其输出的模拟信号转换成数字信号采集至工控机及显示器16。
参见图 3 至图 5 所示，本发明的预摩擦力调控寄生原理压电驱动器输出性能的方法，通过调整预紧螺钉，改变左右柔性铰链压杆对动子施加的压力，即改变动子运动时的摩擦力，从而通过摩擦力来对寄生原理压电驱动器输出性能进行调控，实现提高压电驱动器在驱动电压为零时的自锁性和抑制运动过程中的回退现象的双重效果。具体步骤如下：
a）将压电叠堆8采用紧配合方式安装在柔性铰链抓爪7的凹槽内，在柔性铰链抓爪7与动子12夹头配合好之后，将柔性铰链抓爪7通过螺钉安装在抓爪垫块9的上端，将数据采集卡15与左应变片信号调理模块13和右应变片信号调理模块14以及工控机及显示器16通过导线连接好；
b）调整预紧螺钉5，使左右两侧的柔性铰链压杆3受到压力FLD，观察工控机及显示器16的示数，使左右两侧的柔性铰链压杆3对动子12施加适当的压力FN（如2N），从而在柔性铰链抓爪7拉动动子12运动时，左右两侧的柔性铰链压杆3与动子12间会产生阻碍动子12运动的摩擦力f N；
c）给压电叠堆8施加驱动电压，由于逆压电效应，此时压电叠堆8伸长产生位移x pzt，驱动柔性铰链抓爪7产生变形，经过两级结构放大使得柔性铰链抓爪7爪部A产生x方向位移x a和y方向位移y a，从而使柔性铰链抓爪7爪部与动子12的夹头接触，在寄生运动原理下，拉动动子12沿着导轨10进行移动。在拉动过程中，由于摩擦力的存在，使动子12在压电叠堆8驱动电压为零时的自锁性有了极大的增强，并且对寄生原理压电驱动器固有的回退运动产生大幅度的抑制，从而实现提高寄生原理压电驱动器的自锁性和运动精度的双重效果。
d）通过调整预紧螺钉5，改变左右两侧的柔性铰链压杆3对动子12施加的压力，即改变动子运动时的摩擦力，从而通过摩擦力来对寄生原理压电驱动器输出性能进行调控。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种预摩擦力调控寄生原理压电驱动器输出性能的装置，其特征在于：包括基座、驱动单元、预摩擦力调控单元，所述驱动单元通过抓爪垫块（9）及螺钉与基座（1）连接，预摩擦力调控单元通过摩擦垫块（2）与基座（1）连接。
2.根据权利要求1所述的预摩擦力调控寄生原理压电驱动器输出性能的装置，其特征在于：所述的驱动单元包括柔性铰链抓爪（7）、压电叠堆（8）、抓爪垫块（9）、导轨（10）、滑块（11）、动子（12），所述柔性铰链抓爪（7）通过抓爪垫块（9）与基座（1）相连接，抓爪垫块（9）通过螺钉安装在基座（1）上，压电叠堆（8）采用紧配合方式安装在柔性铰链抓爪（7）的凹槽内，导轨（10）通过沉头螺钉连接在基座（1）上，动子（12）通过螺钉连接在滑块（11）的上端，通过滑块（11）在导轨（10）上做x轴方向的移动。
3.根据权利要求1所述的预摩擦力调控寄生原理压电驱动器输出性能的装置，其特征在于：所述的预摩擦力调控单元分为左、右两部分组成，两部分构成完全相同，包括摩擦垫块（2）、柔性铰链压杆（3）、定位杆（4）、预紧螺钉（5）、应变片组（6）、左应变片信号调理模块（13）、右应变片信号调理模块（14）、数据采集卡（15）、工控机及显示器（16），所述柔性铰链压杆（3）、定位杆（4）通过螺钉安装在摩擦垫块（2）上并与基座（1）相连接，柔性铰链压杆（3）与定位杆（4）间隙为3mm；预紧螺钉（5）安装在定位杆（4）上，尾部与柔性铰链压杆（3）相接触，通过拧转预紧螺钉（5）改变柔性铰链压杆（3）对驱动单元的动子（12）的压力，进而改变动子（12）运动时的摩擦力；应变片组（6）粘贴在柔性铰链压杆（3）的前端凹槽薄弱环节处，数据采集卡（15）与左应变片信号调理模块（13）和右应变片信号调理模块（14）通过导线连接，将其输出的模拟信号转换成数字信号采集至工控机及显示器（16）。
4.一种预摩擦力调控寄生原理压电驱动器输出性能的方法，其特征在于：包括以下步骤：
a）将压电叠堆（8）采用紧配合方式安装在柔性铰链抓爪（7）的凹槽内，在柔性铰链抓爪（7）与动子（12）夹头配合好之后，将柔性铰链抓爪（7）通过螺钉安装在抓爪垫块（9）的上端，将数据采集卡（15）与左应变片信号调理模块（13）和右应变片信号调理模块（14）以及工控机及显示器（16）通过导线连接好；
b）调整预紧螺钉（5），观察工控机及显示器（16）的示数，使左右两侧的柔性铰链压杆（3）对动子（12）施加压力，从而在柔性铰链抓爪（7）拉动动子（12）运动时，左右两侧的柔性铰链压杆（3）与动子（12）间会产生阻碍动子（12）运动的摩擦力；
c）给压电叠堆（8）施加驱动电压，由于逆压电效应，此时压电叠堆（8）伸长，驱动柔性铰链抓爪（7）产生变形，使得柔性铰链抓爪（7）爪部与动子（12）的夹头接触，在寄生运动原理下，拉动动子（12）沿着导轨（10）进行移动；在拉动过程中，由于摩擦力的存在，使动子（12）在压电叠堆（8）驱动电压为零时的自锁性有了极大的增强，并且对寄生原理压电驱动器固有的回退运动产生大幅度的抑制，从而实现提高寄生原理压电驱动器的自锁性和运动精度的双重效果；
d）通过调整预紧螺钉（5），改变左右两侧的柔性铰链压杆（3）对动子（12）施加的压力，即改变动子运动时的摩擦力，从而通过摩擦力来对寄生原理压电驱动器输出性能进行调控。
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