CN113258825A - 一种基于粘滑与冲击原理耦合的压电驱动器及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于粘滑与冲击原理耦合的压电驱动器及其控制方法，属于精密机械领域。该驱动器包括冲击动子、粘滑定子、导轨滑块、微调平台和底座。所述的冲击动子直接通过冲击惯性原理对滑块输出间歇性的冲击位移；所述的粘滑定子通过柔性机构的圆弧状头部在侧面与滑块相接触，从而推动滑块运动；通过粘滑定子和冲击动子的耦合作用，使滑块产生无回退的线性运动。本发明的优点在于：在同一个信号的驱动下，通过粘滑和冲击耦合作用，抑制了压电驱动器的回退，提高了驱动器整体的输出性能。本发明可用于微/纳米机械测试、光学仪器、精密加工、集成电路封装、生物工程和航空航天技术等领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于粘滑与冲击原理耦合的压电驱动器及其控制方法，属于精密机械领域。本发明解决了粘滑式压电驱动器的回退问题，提升了压电驱动器的输出性能。可以用于微/纳米机械测试、光学仪器、精密加工、集成电路封装、生物工程和航空航天技术等领域。
背景技术
随着人类的生活水平不断提升，几次工业革命的出现极大的推进了世界范围的科技浪潮，目前，航空航天航海、光学精密仪器、生物机械交叉学科中对精密器件的要求越来越高，所以能够直接输出精密驱动的驱动技术进入了人们的研究视野。目前匹配精密输出操作的驱动装置，是无法被传动的驱动器所带动的，因为传统驱动器都是宏观大尺寸的驱动装置，但对于精密器件而言，一方面无需过大的行程范围，另一方面需要更小的加工精度以减小精密器件误差。所以研究出一种性能优异，输出精度为微纳米级的驱动装置，一直是微型驱动领域的热点问题。微纳驱动技术便为这一研究领域，所谓微纳米级驱动是通过一类精密驱动器的装置实现的，该类装置通过不同的输出结构产生旋转、直线等不同的运动形式，用以满足不同加工方式的要求，同时由于其结构尺寸的高精度，输出的高运动精度，以及细致的操控方式，减小装配误差、加工误差以及原理误差，在需要微/纳米级的输出精度时可以替代那些诸如电动机、液压马达、气压马达等体积相对较大、驱动精度较低的常规动力装置，以满足更多的驱动需求。
精密驱动器的研制早在上个世纪就有学者开始研究，经过几十年来诸多研究学者的不断积累，已经相继出现了多种形式的精密驱动器。这些驱动器多是基于各种微观物理效应背景而诞生的，都具备各自的特点和适宜应用场合。相比之下，压电驱动器是一种基于逆压电效应的新型驱动方式，以其高抗磁干扰性、响应频率宽、输出力大和定位精度优良等特点，一直是精密驱动器研究的热门方向，目前已经被广泛应用在原位测试、细胞穿透、光纤对接与拉伸和显微聚焦等领域。逆压电效应能够实现电能与机械能的转换，压电驱动器基于此特性,完成运动的输出与控制。
摩擦惯性式压电驱动装置具有优良的综合性能。但惯性驱动过程中的有位移回退这一缺点，极大的限制了此类驱动器在精密驱动领域的发展，因此对压电驱动器进行结构的创新设计仍是很有必要的。
为了解决粘滑式压电驱动器的回退问题，提高输出性能，研制了一种基于粘滑与冲击原理耦合的压电驱动器。将冲击原理的压电驱动器与粘滑式压电驱动器耦合，利用冲击动子的间歇惯性冲击位移补偿粘滑定子的回退位移，从而有效地抑制了粘滑式压电驱动器的回退，提高了驱动器整体的输出性能。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种基于粘滑与冲击原理耦合的压电驱动器及其控制方法，能够有效地抑制粘滑式压电驱动器的回退，具有输出性能高的优点，在实际应用中更具价值。
本发明为实现上述目的采用的技术方案如下：
一种基于粘滑与冲击原理耦合的压电驱动器，其特征在于：驱动器由冲击动子(1)、导轨滑块(2)、粘滑定子(3)、底座(4)和微调平台(5)组成；所述的导轨滑块(2)和微调平台(5)通过螺钉固定在底座(4)两侧。所述冲击动子(1)通过螺钉固定在导轨滑块(2)上；所述粘滑定子(3)通过螺钉固定在微调平台(5)上；所述的冲击动子(1)由柔性铰链Ⅰ(1.1)和压电叠堆Ⅰ(1.2)组成；所述的粘滑定子(3)由柔性铰链Ⅱ(3.1)和压电叠堆Ⅱ(3.2)组成。
所述的柔性铰链Ⅰ(1.1)主要由输入块(1.1.1)、输入铰链(1.1.2)、转动铰链(1.1.3)、惯性质量块(1.1.4)、安装孔(1.1.5)组成；所述的压电叠堆Ⅰ(1.2)以过盈配合方式嵌入柔性铰链Ⅰ(1.1)内。
所述的柔性铰链Ⅱ(3.1)主要由圆弧状头部(3.1.1)、动子(3.1.2)、输出铰链(3.1.3)、刚性连接块(3.1.4)、输入铰链(3.1.5)、安装孔(3.1.6)组成；所述的圆弧状头部(3.1.1)与动子(3.1.2)相连；所述的输出铰链(3.1.3)与输入铰链(3.1.5)通过刚性连接块(3.1.4)相连接；所述的压电叠堆Ⅱ(3.2)以过盈配合方式内嵌于柔性铰链Ⅱ(3.1)中；所述的粘滑定子(3)通过柔性机构的圆弧状头部(3.1.1)在侧面与滑块相接触，通过摩擦力使导轨滑块(2)产生位移。
本发明的另一目的在于提供一种基于粘滑与冲击原理耦合的压电驱动器的控制方法，包括以下步骤：
①将压电叠堆Ⅰ(1.2)以紧配合的方式内嵌于柔性铰链Ⅰ(1.1)中；将压电叠堆Ⅱ(3.2)以紧配合的方式内嵌于柔性铰链Ⅱ(3.1)中；工作前，通过调节微调平台(5)上的旋钮，调整粘滑定子(3)与导轨滑块(2)之间的距离，使导轨滑块(2)受到合适的摩擦力；
②给压电叠堆Ⅰ(1.2)、压电叠堆Ⅱ(3.2)输入对称性为60％-100％的锯齿形的电信号；压电叠堆Ⅰ(1.2)和压电叠堆Ⅱ(3.2)同时得电缓慢伸长，柔性铰链Ⅱ(3.1)产生x向位移，在摩擦力作用下，推动导轨滑块(2)产生一个x向位移x1；压电叠堆Ⅰ(1.2)和压电叠堆Ⅱ(3.2)同时失电快速收缩，在冲击力作用下，柔性铰链Ⅰ(1.1)使导轨滑块(2)产生一个x向位移x2；
③调节压电叠堆Ⅰ(1.2)、压电叠堆Ⅱ(3.2)输入电信号的电压幅值及驱动频率，可实现驱动器运动速度的改变。
④给压电叠堆Ⅰ(1.2)、压电叠堆Ⅱ(3.2)施加对称性为0％-40％的锯齿形电信号，导轨滑块(2)会产生反向运动。
本发明的有益效果在于：在同一个信号的驱动下，通过耦合冲击原理，抑制了粘滑式压电驱动器的回退，提高了驱动器整体的输出性能。
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是本发明的结构示意图；
图2是本发明的冲击动子单元示意图；
图3是本发明的粘滑定子单元示意图；
图4是冲击惯性驱动装置的原理示意图；
图5是粘滑惯性驱动装置的原理示意图；
图6是本发明冲击动子与粘滑定子耦合作用位移-时间关系图；
图中：1、冲击动子；1.1、柔性铰链Ⅰ；1.1.1、输入块；1.1.2、输入铰链；1.1.3、转动铰链；1.1.4、惯性质量块；1.1.5、安装孔；1.2、压电叠堆Ⅰ；2、导轨滑块；3、粘滑定子；3.1、柔性铰链Ⅱ；3.1.1、圆弧状头部；3.1.2动子；3.1.3、输出铰链；3.1.4、刚性连接块；3.1.5、输入铰链；3.1.6、安装孔；3.2、压电叠堆Ⅱ；4、底座；5、微调平台。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明进一步说明。
参见图1至图3，一种基于粘滑与冲击原理耦合的压电驱动器，其特征在于：驱动器由冲击动子(1)、导轨滑块(2)、粘滑定子(3)、底座(4)和微调平台(5)组成；所述的导轨滑块(2)和微调平台(5)通过螺钉固定在底座(4)两侧。所述冲击动子(1)通过螺钉固定在导轨滑块(2)上；所述粘滑定子(3)通过螺钉固定在微调平台(5)上；所述的冲击动子(1)由柔性铰链Ⅰ(1.1)和压电叠堆Ⅰ(1.2)组成；所述的粘滑定子(3)由柔性铰链Ⅱ(3.1)和压电叠堆Ⅱ(3.2)组成。
所述的柔性铰链Ⅰ(1.1)主要由输入块(1.1.1)、输入铰链(1.1.2)、转动铰链(1.1.3)、惯性质量块(1.1.4)、安装孔(1.1.5)组成；所述的压电叠堆Ⅰ(1.2)以过盈配合方式嵌入柔性铰链Ⅰ(1.1)内。
所述的柔性铰链Ⅱ(3.1)主要由圆弧状头部(3.1.1)、动子(3.1.2)、输出铰链(3.1.3)、刚性连接块(3.1.4)、输入铰链(3.1.5)、安装孔(3.1.6)组成；所述的圆弧状头部(3.1.1)与动子(3.1.2)相连；所述的输出铰链(3.1.3)与输入铰链(3.1.5)通过刚性连接块(3.1.4)相连接；所述的压电叠堆Ⅱ(3.2)以过盈配合方式内嵌于柔性铰链Ⅱ(3.1)中；所述的粘滑定子(3)通过柔性机构的圆弧状头部(3.1.1)在侧面与滑块相接触，通过摩擦力使导轨滑块(2)产生位移。
一种基于粘滑与冲击原理耦合的压电驱动器的驱动方法，包括以下步骤：
①将压电叠堆Ⅰ(1.2)以紧配合的方式内嵌于柔性铰链Ⅰ(1.1)中；将压电叠堆Ⅱ(3.2)以紧配合的方式内嵌于柔性铰链Ⅱ(3.1)中；工作前，通过调节微调平台(5)上的旋钮，调整粘滑定子(3)与导轨滑块(2)之间的距离，使导轨滑块(2)受到合适的摩擦力；
②给压电叠堆Ⅰ(1.2)、压电叠堆Ⅱ(3.2)输入对称性为60％-100％的锯齿形的电信号；压电叠堆Ⅰ(1.2)和压电叠堆Ⅱ(3.2)同时得电缓慢伸长，柔性铰链Ⅱ(3.1)产生x向位移，在摩擦力作用下，推动导轨滑块(2)产生一个x向位移x1；压电叠堆Ⅰ(1.2)和压电叠堆Ⅱ(3.2)同时失电快速收缩，在冲击力作用下，柔性铰链Ⅰ(1.1)使导轨滑块(2)产生一个x向位移x2；
③调节压电叠堆Ⅰ(1.2)、压电叠堆Ⅱ(3.2)输入电信号的电压幅值及驱动频率，可实现驱动器运动速度的改变。
④给压电叠堆Ⅰ(1.2)、压电叠堆Ⅱ(3.2)施加对称性为0％-40％的锯齿形电信号，导轨滑块(2)会产生反向运动。
参见图4、图5和图6，图4为冲击惯性驱动装置单独作用时的原理图，分为“冲”和“静”两个阶段，图5为粘滑惯性驱动装置单独作用时的原理图，分为“粘”和“滑”两个阶段，当二者耦合作用时，时间位移关系如图6，当冲击惯性驱动装置向前“冲”输出的位移，大于粘滑惯性驱动装置回退的位移时，位移时间关系如图6所示。
Claims (4)
1.一种基于粘滑与冲击原理耦合的压电驱动器，其特征在于：驱动器由冲击动子(1)、导轨滑块(2)、粘滑定子(3)、底座(4)和微调平台(5)组成；所述的导轨滑块(2)和微调平台(5)通过螺钉固定在底座(4)两侧；所述冲击动子(1)通过螺钉固定在导轨滑块(2)上；所述粘滑定子(3)通过螺钉固定在微调平台(5)上；所述的冲击动子(1)由柔性铰链Ⅰ(1.1)和压电叠堆Ⅰ(1.2)组成；所述的粘滑定子(3)由柔性铰链Ⅱ(3.1)和压电叠堆Ⅱ(3.2)组成。
2.根据权利要求1所述的一种基于粘滑与冲击原理耦合的压电驱动器，其特征在于：所述的柔性铰链Ⅰ(1.1)主要由输入块(1.1.1)、输入铰链(1.1.2)、转动铰链(1.1.3)、惯性质量块(1.1.4)、安装孔(1.1.5)组成；所述的压电叠堆Ⅰ(1.2)以过盈配合方式嵌入柔性铰链Ⅰ(1.1)内。
3.根据权利要求1所述的一种基于粘滑与冲击原理耦合的压电驱动器，其特征在于：所述的柔性铰链Ⅱ(3.1)主要由圆弧状头部(3.1.1)、动子(3.1.2)、输出铰链(3.1.3)、刚性连接块(3.1.4)、输入铰链(3.1.5)、安装孔(3.1.6)组成；所述的圆弧状头部(3.1.1)与动子(3.1.2)相连；所述的输出铰链(3.1.3)与输入铰链(3.1.5)通过刚性连接块(3.1.4)相连接；所述的压电叠堆Ⅱ(3.2)以过盈配合方式内嵌于柔性铰链Ⅱ(3.1)中；所述的粘滑定子(3)通过柔性机构的圆弧状头部(3.1.1)在侧面与滑块相接触，通过摩擦力使导轨滑块(2)产生位移。
4.一种基于粘滑与冲击原理耦合的压电驱动器的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
①将压电叠堆Ⅰ(1.2)以紧配合的方式内嵌于柔性铰链Ⅰ(1.1)中；将压电叠堆Ⅱ(3.2)以紧配合的方式内嵌于柔性铰链Ⅱ(3.1)中；工作前，通过调节微调平台(5)上的旋钮，调整粘滑定子(3)与导轨滑块(2)之间的距离，使导轨滑块(2)受到合适的摩擦力；
②给压电叠堆Ⅰ(1.2)、压电叠堆Ⅱ(3.2)输入对称性为60％-100％的锯齿形的电信号；压电叠堆Ⅰ(1.2)和压电叠堆Ⅱ(3.2)同时得电缓慢伸长，柔性铰链Ⅱ(3.1)产生x向位移，在摩擦力作用下，推动导轨滑块(2)产生一个x向位移x1；压电叠堆Ⅰ(1.2)和压电叠堆Ⅱ(3.2)同时失电快速收缩，在冲击力作用下，柔性铰链Ⅰ(1.1)使导轨滑块(2)产生一个x向位移x2；
③调节压电叠堆Ⅰ(1.2)、压电叠堆Ⅱ(3.2)输入电信号的电压幅值及驱动频率，可实现驱动器运动速度的改变；
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