CN110190774B - 一种压电粘滑直线电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压电粘滑直线电机，包括支架，支架包括互相平行的第一立柱和第二立柱，第一立柱和第二立柱架设有轴体，轴体上间隔设有第一限位体和第二限位体，轴体在第一限位体和第二限位体之间套设有管状的压电执行器和柔性套筒；柔性套筒包括顶设于压电执行器的第一刚性体，顶设于第二限位体的第二刚性体，以及连接第一刚性体和第二刚性体的柔性折叠梁；第一刚性体的外部套设有运动套筒；第一刚性体的外径分别大于第二刚性体、第二限位体、柔性折叠梁、压电执行器。本发明的优点是电机整体结构简单、紧凑；柔性套筒为一体化结构，避免了装配及调节过程；能调节运动套筒与柔性套筒之间的摩擦力；运动套筒能产生严格的直线运动。
Description
技术领域
本发明属于纳米定位技术领域，涉及大行程、高分辨率精密位移驱动器，特别涉及一种压电粘滑直线电机。
背景技术
压电粘滑直线电机是一种既能实现毫米及厘米级大行程、又能实现纳米级高分辨率的精密位移驱动器。它基于压电执行器在锯齿波电压作用下的不对称振动所造成的动子与定子间动静摩擦力之差，将压电执行器的微小位移不断累加，从而成为连续的大行程位移。相对于电磁式直线电机，压电粘滑直线电机具有无磁场、易于控制、不存在端部效应及推力波动等优点；相对于超声谐振式、尺蠖驱动式等压电直线电机，具有易于微小化、驱动控制简单、快速运动时可忽略压电执行器迟滞非线性的影响等优点。因此，在需要微型化、轻量化、无磁场的微纳操作技术领域，如MEMS组装、细胞操作等，压电粘滑直线电机展现出独特优势。但目前的压电粘滑直线电机还存在以下不足：
1)电机整体结构复杂、不紧凑；
2)动子和定子的装配及调节过程复杂；
3)动子与定子之间的静摩擦力不易调节；
4)动子在运动过程中无导向，运动精度低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的现状，提供结构简单紧凑、动子和定子装配及调节简单、动子与定子间静摩擦力易于调节、动子运动精度高的一种压电粘滑直线电机。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种压电粘滑直线电机，包括支架，支架包括互相平行的第一立柱和第二立柱，第一立柱和第二立柱架设有轴体，轴体上间隔设有第一限位体和第二限位体，轴体在第一限位体和第二限位体之间套设有管状的压电执行器和柔性套筒；柔性套筒包括顶设于压电执行器的第一刚性体，顶设于第二限位体的第二刚性体，以及连接第一刚性体和第二刚性体的柔性折叠梁；第一刚性体的外部套设有运动套筒；第一刚性体的外径分别大于第二刚性体、第二限位体、柔性折叠梁、压电执行器。
为优化上述技术方案，采取的措施还包括：
上述的第一刚性体包括设于自身正上方的导向条，导向条平行于轴体，运动套筒设有与所述的导向条相匹配的导向槽。
上述的第一立柱设有套置于轴体的第一轴孔，第二立柱设有套置于轴体的第二轴孔；轴体包括套设于第一轴孔中的第一螺纹段，以及套设于第二轴孔中的第二螺纹段；
轴体螺纹配装有第一螺母和第二螺母，第一螺母顶设于第一轴孔的外端，第二螺母顶设于第二轴孔的外端。
上述的第二限位体是配装于第二螺纹段的螺母，轴体还包括设于第一限位体与第二螺纹段之间的光轴段，光轴段在位于第二螺纹段的一端设有卡凸，卡凸轴向设于光轴段的外周，第二刚性体设有与卡凸相匹配的卡槽。
上述的运动套筒包括连通运动套筒内外壁的窄缝，窄缝连通于运动套筒的两端，窄缝的两个边缘分别设有第一瓣体和第二瓣体，第一瓣体和第二瓣体连接有调节螺钉，窄缝位于所述的柔性套筒的正下方。
上述的运动套筒的长度大于导向条的长度。
上述的第一刚性体、第二刚性体和柔性折叠梁为一体成型件，第一限位体和轴体为一体成型件。
与现有技术相比，本发明的一种压电粘滑直线电机，包括支架，支架包括互相平行的第一立柱和第二立柱，第一立柱和第二立柱架设有轴体，轴体上间隔设有第一限位体和第二限位体，轴体在第一限位体和第二限位体之间套设有管状的压电执行器和柔性套筒；柔性套筒包括顶设于压电执行器的第一刚性体，顶设于第二限位体的第二刚性体，以及连接第一刚性体和第二刚性体的柔性折叠梁；第一刚性体的外部套设有运动套筒；第一刚性体的外径分别大于第二刚性体、第二限位体、柔性折叠梁、压电执行器。设从第一限位体到第二限位体的方向为正向，从第二限位体到第一限位体的方向为反向，给压电执行器缓慢施加电压，则伸长的压电执行器推动第一刚性体正向移动，与此同时第一刚性体带着运动套筒正向移动，给压电执行器突然断电，则压电执行器迅速复原，柔性折叠梁迅速推动第一刚性体反向移动，由于惯性作用，运动套筒不会与第一刚性体一同沿反向移动，以此实现运动套筒的正向移动。本发明的优点是：
1)电机整体结构简单、紧凑；
2)柔性套筒为一体化结构，避免了装配及调节过程；
3)运动套筒能通过调节螺钉产生弹性变形，从而能调节运动套筒与柔性套筒之间的摩擦力；
4)柔性套筒上的导向条能使运动套筒产生严格的直线运动，进而能提高运动套筒的精度。
附图说明
图1是本发明的立体结构示意图；
图2是图1的分解示意图；
图3是图2中去掉运动套筒和调节螺钉后的进一步分解示意图；
图4是图1中运动套筒内部的结构示意图；
图5是图4的分解示意图；
图6是本发明运动套筒沿正向移动时压电执行器的工作时序图；
图7是本发明运动套筒沿反向移动时压电执行器的工作时序图；
图8是在一个运动周期T内运动套筒沿着正向移动的实现过程示意图：
图9是在一个运动周期T内运动套筒沿着反向移动的实现过程示意图；
图10是本发明卡凸和卡槽配合的横截面示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
图1至图5，以及图10为本发明的结构示意图，其中的附图标记为：轴体1、第一螺纹段11、第二螺纹段12、第一限位体13、光轴段14、卡凸141、压电执行器2、支架3、第一立柱31、第一轴孔311、第二立柱32、第二轴孔321、柔性套筒4、第一刚性体41、导向条411、柔性折叠梁42、第二刚性体43、卡槽431、第二限位体5、第一螺母61、第二螺母62、运动套筒7、第一瓣体71、第二瓣体72、窄缝73、调节螺钉8。
图1至5为本发明的结构示意图，如图所示，一种压电粘滑直线电机，包括支架3，支架3包括互相平行的第一立柱31和第二立柱32，第一立柱31和第二立柱32架设有轴体1，轴体1上间隔设有第一限位体13和第二限位体5，轴体1在第一限位体13和第二限位体5之间套设有管状的压电执行器2和柔性套筒4；柔性套筒4包括顶设于压电执行器2的第一刚性体41，顶设于第二限位体5的第二刚性体43，以及连接第一刚性体41和第二刚性体43的柔性折叠梁42；第一刚性体41的外部套设有运动套筒7；第一刚性体41的外径分别大于第二刚性体43、第二限位体5、柔性折叠梁42、压电执行器2。柔性折叠梁42能在压电执行器2的作用下，由第一刚性体41带动发生弹性变形。设从第一限位体13到第二限位体5的方向为正向，从第二限位体5到第一限位体13的方向为反向，给压电执行器2缓慢施加电压，则伸长的压电执行器2推动第一刚性体41沿正向移动，与此同时第一刚性体41带着运动套筒7正向移动，给压电执行器2突然断电，则压电执行器2迅速复原，柔性折叠梁42迅速推动第一刚性体41反向移动，由于惯性作用，运动套筒7不会与第一刚性体41一同沿反向移动，最终实现运动套筒7的正向移动。给压电执行器2快速施加足量的电压，则伸长的压电执行器2快速推动第一刚性体41沿正向移动，由于惯性作用，运动套筒7不会与第一刚性体41一同同沿正向移动；给压电执行器2缓慢断电，则伸长的压电执行器2缓慢复原，柔性折叠梁42缓慢推动第一刚性体41反向移动，与此同时，第一刚性体41带着运动套筒7沿反向移动，最终实现运动套筒7的反向移动。
实施例中，第一刚性体41包括设于自身正上方的导向条411，导向条411平行于轴体1，运动套筒7设有与所述的导向条411相匹配的导向槽74。导向条411与导向槽74的凸凹滑动配合能够防止运动套筒7的转动，从而使运动套筒7产生严格的直线位移。
实施例中，第一立柱31设有套置于轴体1的第一轴孔311，第二立柱32设有套置于轴体1的第二轴孔321；轴体1包括套设于第一轴孔311中的第一螺纹段11，以及套设于第二轴孔321中的第二螺纹段12。轴体1螺纹配装有第一螺母61和第二螺母62，第一螺母61顶设于第一轴孔311的外端，第二螺母62顶设于第二轴孔321的外端。第一螺母61和第二螺母62能将轴体1固定在支架3上。
实施例中，第二限位体5是配装于第二螺纹段12的螺母，轴体1还包括设于第一限位体13与第二螺纹段12之间的光轴段14，光轴段14在位于第二螺纹段12的一端设有卡凸141，卡凸141轴向设于光轴段14的外周，第二刚性体43设有与卡凸141相匹配的卡槽431，如图10所示。装配时，柔性套筒4从第二螺纹段12的一端套入轴体1，第二刚性体43通过卡槽431卡置在卡凸141内，从而防止第二刚性体43在轴体1上转动。第二限位体5能够限位柔性套筒4，并且能对压电执行器2起到预紧的作用。
实施例中，运动套筒7包括连通运动套筒7内外壁的窄缝73，窄缝73连通于运动套筒7的两端，窄缝73的两个边缘分别设有第一瓣体71和第二瓣体72，第一瓣体71和第二瓣体72连接有调节螺钉8，窄缝73位于所述的柔性套筒4的正下方。运动套筒7能通过调节螺钉8产生弹性变形，从而能调节运动套筒7与柔性套筒4之间的静摩擦力，以及调节导向槽74对导向条411夹持的松紧程度。
实施例中，运动套筒7的长度大于导向条411的长度。
实施例中，第一刚性体41、第二刚性体43和柔性折叠梁42为一体成型件，第一限位体13和轴体1为一体成型件。一体成型件能避免装配调节过程，使电机装配方便，运行稳定。
本发明的工作原理如下：
将支架3固定在平台上，设从第一限位体13到第二限位体5的方向为正向，从第二限位体5到第一限位体13的方向为反向。
如图8所示，在一个运动周期T内运动套筒7沿着正向移动的实现过程如下：第一步，使第一刚性体41带着运动套筒7沿正向移动。具体步骤如图6所示，给压电执行器2缓慢施加电压u(t)，缓慢伸长的压电执行器2会推动第一刚性体41沿正向移动，与此同时，第一刚性体41带着运动套筒7沿正向移动。
第二步，使压电执行器2和第一刚性体41迅速复原，而运动套筒7不动。具体步骤如图6所示，在压电执行器2的伸长达到最大值的t1时刻，给压电执行器2快速断电，直至在t2时刻电压u(t)为0，则压电执行器2迅速复原，柔性折叠梁42推动第一刚性体41迅速复原，由于惯性作用，运动套筒7不会跟着第一刚性向反向移动，最终实现运动套筒7的正向移动。
在一个运动周期T内运动套筒7沿着反向移动的实现过程如下：如图9所示，第一步，使第一刚性体41沿正向移动，而运动套筒7不动。具体步骤如图7所示，给压电执行器2快速施加电压u(t)，压电执行器2推动第一刚性体41沿正向快速移动，由于惯性作用，运动套筒7不会跟着第一刚性向正向移动。
第二步，使压电执行器2和第一刚性体41缓慢复原，带动运动套筒7反向移动。具体步骤如图7所示，在压电执行器2的伸长达到最大值的t1时刻，给压电执行器2缓慢断电，直至在t2时刻电压u(t)为0，则压电执行器2缓慢复原，柔性折叠梁42推动第一刚性体41缓慢复原，第一刚性体41带着运动套筒7反向移动，最终实现运动套筒7的反向移动。
本发明的最佳实施例已阐明，由本领域普通技术人员做出的各种变化或改型都不会脱离本发明的范围。
Claims (7)
1.一种压电粘滑直线电机，包括支架(3)，其特征是：所述的支架(3)包括互相平行的第一立柱(31)和第二立柱(32)，所述的第一立柱(31)和所述的第二立柱(32)架设有轴体(1)，所述的轴体(1)上间隔设有第一限位体(13)和第二限位体(5)，所述的轴体(1)在所述的第一限位体(13)和第二限位体(5)之间套设有管状的压电执行器(2)和柔性套筒(4)；所述的柔性套筒(4)包括顶设于所述的压电执行器(2)的第一刚性体(41)，顶设于第二限位体(5)的第二刚性体(43)，以及连接第一刚性体(41)和第二刚性体(43)的柔性折叠梁(42)；所述的第一刚性体(41)的外部套设有运动套筒(7)；所述的第一刚性体(41)的外径分别大于第二刚性体(43)、第二限位体(5)、柔性折叠梁(42)、压电执行器(2)。
2.根据权利要求1所述的一种压电粘滑直线电机，其特征是：所述的第一刚性体(41)包括设于自身正上方的导向条(411)，所述的导向条(411)平行于所述的轴体(1)，所述的运动套筒(7)设有与所述的导向条(411)相匹配的导向槽(74)。
3.根据权利要求2所述的一种压电粘滑直线电机，其特征是：所述的第二立柱(32)设有套置于所述的轴体(1)的第一轴孔(311)，所述的第一立柱(31)设有套置于所述的轴体(1)的第二轴孔(321)；所述的轴体(1)包括套设于所述的第一轴孔(311)中的第一螺纹段(11)，以及套设于所述的第二轴孔(321)中的第二螺纹段(12)；所述的轴体(1)螺纹配装有第一螺母(61)和第二螺母(62)，所述的第一螺母(61)顶设于所述的第一轴孔(311)的外端，所述的第二螺母(62)顶设于所述的第二轴孔(321)的外端。
4.根据权利要求3所述的一种压电粘滑直线电机，其特征是：所述的第二限位体(5)是配装于所述的第二螺纹段(12)的螺母，所述的轴体(1)还包括设于所述的第一限位体(13)与所述的第二螺纹段(12)之间的光轴段(14)，所述的光轴段(14)在位于第二螺纹段(12)的一端设有卡凸(141)，所述的卡凸(141)轴向设于所述的光轴段(14)的外周，所述的第二刚性体(43)设有与所述的卡凸(141)相匹配的卡槽(431)。
5.根据权利要求4所述的一种压电粘滑直线电机，其特征是：所述的运动套筒(7)包括连通所述的运动套筒(7)内外壁的窄缝(73)，所述的窄缝(73)连通于所述的运动套筒(7)的两端，所述的窄缝(73)的两个边缘分别设有第一瓣体(71)和第二瓣体(72)，所述的第一瓣体(71)和第二瓣体(72)连接有调节螺钉(8)，所述的窄缝(73)位于所述的柔性套筒(4)的正下方。
6.根据权利要求5所述的一种压电粘滑直线电机，其特征是：所述的运动套筒(7)的长度大于所述的导向条(411)的长度。
7.根据权利要求1至6任一权利要求所述的一种压电粘滑直线电机，其特征是：所述的第一刚性体(41)、第二刚性体(43)和柔性折叠梁(42)为一体成型件，所述的第一限位体(13)和轴体(1)为一体成型件。
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