CN117060775A - 电磁辅助式压电片型精密惯性执行器及驱动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电磁辅助式压电片型精密惯性执行器及驱动方法，在将基于音圈电机驱动原理的电磁驱动组件与基于压电惯性驱动原理的压电驱动组件进行复合设计。其中，电磁驱动组件中磁铁单元做动子，以避免电磁驱动组件引线对平台定位精度的影响，压电驱动组件选用压电片进行驱动，具备成本低的优势。利用压电驱动器不受电磁干扰的特性，一方面通过电磁力辅助抑制压电惯性驱动器的位移回退运动，另一方面通过电磁与压电两种驱动源复合提升整机综合输出性能，既有效提升其推力负载、提升驱动速度、抑制位移回退、及震荡的同时，又能保证其具备高精度定位。
Description
技术领域
本发明涉及超精密加工与定位技术领域，具体涉及一种电磁辅助式压电片型精密惯性执行器及驱动方法。
背景技术
超精密驱动与定位技术在超精尖工程技术领域发挥着愈加重要的作用。压电驱动技术相较于传统驱动技术具备高分辨率、响应快、可应用与真空、超低温等极限工况，通过结合电信号控制可实现纳米级定位精度，在超精密加工、航空航天、精密光学仪器、芯片制造等领域得到了广泛应用。
压电元件基于逆压电效应驱动时，其形变量及其有限，最大仅为自身长度的2％左右，通过机械结构设计可将压电元件的微小振动转变为长行程位移，这种步进式压电驱动器可实现跨尺度长行程高精度定位，基于其驱动原理可分为压电超声驱动器、压电尺蠖驱动器以及压电惯性驱动器，其中压电惯性驱动器结构简单，仅通过一组激励源即可实现长行程高精度定位，其余两类压电驱动器均需要至少两组或两组以上压电元件进行耦合激励。然而其负载能力较弱。此外，当动子由于其自身运动速度与质量产生的惯性力不足以克服“滑阶段”的反向驱动力之时，将会导致位移回退运动的产生，使驱动速度劣化的同时也会加剧磨损，在推力负载工况下这一问题将更加严峻。
发明内容
本发明针对传统的电磁驱动精度较低，压电惯性驱动精度较高但存在位移回退问题，以及基于惯性冲击原理的压电惯性驱动器难以实现高速驱动的技术问题，提出了一种电磁辅助式压电片型精密惯性执行器及驱动方法。
本发明的技术方案如下:
本发明提供了一种电磁辅助式压电片型精密惯性执行器，包括电磁驱动组件、压电驱动组件以及底部基座；
所述底部基座包括L型的底部机架、滑块以及导轨；所述底部机架由竖直设置的底部机架侧板和水平设置的底部机架底板构成的L形结构；所述滑块滑动设置在导轨上；所述导轨固定在底部机架底板上；
所述压电驱动组件包括压电片安装机架以及设置在压电片安装机架上的四片压电片；所述压电片安装机架包括机架柱型主体、布置在机架柱型主体两侧的两个机架侧臂以及底部安装凸台；所述机架侧臂的上下表面上均固定有一片压电片且上下表面上的压电片极化方向不相同，两个机架侧臂同一方向上的压电片极化方向相同，通过电信号控制机架侧臂的弯曲；所述压电驱动组件通过底部安装凸台安装在滑块上；
所述电磁驱动组件包括线圈单元以及磁铁单元，两者轴心在同一直线上，沿横向可产生相对位移；所述线圈单元固定连接在底部机架侧板上，所述磁铁单元与压电驱动组件固定连接。
根据本发明的优选方案，所述底部基座还包括滑块限位板和挡块凸台；所述滑块限位板设置在底部机架底板上并与导轨的一端抵接；所述挡块凸台设置在底部机架底板的侧面并与导轨的另一端抵接。
根据本发明的优选方案，所述底部安装凸台上开设有机架固定沉头孔，所述机架固定沉头孔用于将压电片安装机架安装在底部基座上。
本发明还提供了一种上述电磁辅助式压电片型精密惯性执行器的驱动方法，包括以下步骤：
1)底部机架底板与光学隔振平台固定，驱动目标物体固定在压电片安装机架上；
2)规定向右运动时为正方向；正向驱动时，对电磁驱动组件通入正向直流电；由于线圈单元固定于底部机架之上，故其受到的向左的力FC将被底部机架的反作用力抵消，磁铁单元将受到向右的力Fm，并带动滑块产生向右运动的趋势；压电驱动组件中压电片与机架侧臂的接触面接地为0电；此时对四片压电片与机架侧臂的非接触面通入占空比为0％的锯齿波，其中4个压电片中与机架侧臂贴合的面接地，未与机架侧臂贴合的面输入并联后通入锯齿波信号；当电压快速升高时，4个压电片带动机架侧臂由向右弯曲快速变为向左弯曲，压电片带动机架侧臂快速摆动产生的反作用力FP1将作用于滑块，此时反作用力FP1的方向向右；当电压缓慢降低时，4个压电片带动机架侧臂由向左形变缓慢变为右变形，压电片带动机架侧臂快速摆动产生的反作用力Fp2将作用于滑块，此时反作用力Fp2的方向向左；由于电压非对称占空比变化的差异将导致惯性力FP1大于FP2；将滑块与导轨之间摩擦力用Ff标定，在电压快速升高时，滑块受到的合力FT＝Fm+FP1-Ff；在电压缓慢降低时，滑块受到的合力为FT＝Fm-FP2-Ff；通过控制电磁驱动组件与压电驱动组件之间的电信号从而实现复合定位台的正向驱动，并且能够执行两种模式，分别为快速驱动模式以及精密定位模式；执行快速驱动模式时，控制电信号使滑块受到的合力始终大于0，电磁驱动组件施加较大的直流电压使得滑块获得力较大的合力FT；执行精密定位模式时，控制电磁驱动组件电信号使其在压电驱动组件电压缓慢降低时滑块受到的合力为0，以抑制此阶段压电驱动组件独立位移时产生的位移回退，对压电驱动通入周期性锯齿波实现微进给；
反向驱动时，对电磁驱动组件施加反向直流电，此时磁铁单元受到向左的力Fm，并带动滑块产生向左运动的趋势。压电驱动组件中压电片与机架侧臂的接触面接地为0电位，对四片压电片与机架侧臂的非接触面加100％的锯齿波电压信号，在电压缓升高时，滑块受到的合力为FT＝Fm-FP2-Ff，当电压快速降低时，滑块受到的合力为FT＝Fm+FP1-Ff，其中，由于非对称激励信号的施加,有Fp1>Fp2；与正向工作原理相同，反向驱动时亦可以实现快速驱动以及精密定位两种工作模式。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明利用压电驱动器不受电磁干扰的特性，一方面通过电磁力辅助抑制压电惯性驱动器的位移回退运动，另一方面通过电磁与压电两种驱动源复合提升整机综合输出性能，既有效提升其推力负载、提升驱动速度、抑制位移回退、及震荡的同时，又能保证其具备高精度定位。
本发明仅存在导轨与滑块一对摩擦副，通过润滑处理可保证整机具备良好的耐磨性及使用寿命，通过电磁驱动组件与压电驱动组件的输入电信号电信号控制，可以实现快速驱动以及精密定位两种工作模式。
本发明电磁驱动组件中磁铁单元做动子，以避免电磁驱动组件引线对平台定位精度的影响，压电驱动组件选用压电片进行驱动，具备成本低的优势。
附图说明
图1为基于压电堆叠的电磁辅助式高速惯性微动台整体示意图；
图2为电磁驱动组件结构示意图；
图3为压电驱动组件2结构示意图；
图4为压电片安装机架结构示意图；
图5为底部基座结构示意图；
图6为底部机架结构示意图；
图7为限位挡块结构示意图；
图8为磁力诱导式堆叠型压电惯性复合定位台工作原理。
图中：电磁驱动组件1、压电驱动组件2、底部基座3、线圈单元1-1、线圈单元螺纹孔1-2、磁铁单元1-3、磁铁单元螺纹孔1-4、压电片Ⅰ2-1、压电片Ⅱ2-2、压电片安装机架2-3、压电片Ⅲ2-4、压电片Ⅳ2-5、机架加工避让槽2-3-1、机架柱型主体2-3-2、机架侧臂2-3-3、机架固定沉头孔2-3-4、机架安装沉头孔2-3-5、驱动目标安装螺纹孔2-3-6、机架安装凸台2-3-7、底部安装凸台2-3-8、底部机架3-1、滑块3-2、导轨3-3、限位挡块3-4、底部机架侧板3-1-1、线圈单元安装槽3-1-2、滑块限位板3-1-3、底部机架底板3-1-4、导轨安装螺纹孔3-1-5、底部机架底板倒角3-1-6、底部机架安装沉头孔3-1-7、限位挡块安装槽3-1-8、限位挡块安装螺纹孔3-1-9、底部机架侧板倒角3-1-10、线圈单元安装沉头孔3-1-11、排线孔3-1-12、挡块凸台3-4-1、固定凸台3-4-2、限位块安装沉头孔3-4-3。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。所述实施例仅是本公开内容的示范且不圈定限制范围。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
本发明所设计的电磁辅助式压电片型精密惯性执行器整体示意图如图1所示，主要包括电磁驱动组件1、压电驱动组件2、底部基座3，所述底部基座3包括L型的底部机架3-1、滑块3-2以及导轨3-3；所述底部机架3-1由竖直设置的底部机架侧板3-1-1和水平设置的底部机架底板3-1-4构成的L形结构；所述滑块3-2滑动设置在导轨3-3上；所述导轨3-3固定在底部机架底板3-1-4上；
所述压电驱动组件2包括压电片安装机架2-3以及设置在压电片安装机架2-3上的四片压电片；所述压电片安装机架2-3包括机架柱型主体2-3-2、布置在机架柱型主体2-3-2两侧的两个机架侧臂2-3-3以及底部安装凸台2-3-8；所述机架侧臂2-3-3的上下表面上均固定有一片压电片且上下表面上的压电片极化方向不相同，两个机架侧臂2-3-3同一方向上的压电片极化方向相同，通过电信号控制机架侧臂2-3-3的弯曲；所述压电驱动组件2通过底部安装凸台2-3-8安装在滑块3-2上；
所述电磁驱动组件1包括线圈单元1-1以及磁铁单元1-3；所述线圈单元1-1固定连接在底部机架侧板3-1-1上，所述磁铁单元1-3与压电驱动组件2固定连接。
在本发明的一个具体实施例中，所述电磁驱动组件1如图2所示，其由线圈单元1-1、线圈单元螺纹孔1-2、磁铁单元1-3、磁铁单元螺纹孔1-4组成；所述线圈单元1-1采用螺钉拧入线圈单元螺纹孔1-2固定连接在底部基座3之上，所述磁铁单元1-3采用螺钉拧入磁铁单元螺纹孔1-4与压电驱动组件2固定连接；所述压电驱动组件2与底部基座3采用螺钉连接。
在本发明的一个具体实施例中，所述压电驱动组件2如图3所示，其由压电片Ⅰ2-1、压电片Ⅱ2-2、压电片安装机架2-3、压电片Ⅲ2-4及压电片Ⅳ2-5组成；所述压电片安装机架2-3如图4所示，其设有机架加工避让槽2-3-1、机架柱型主体2-3-2、机架侧臂2-3-3、机架固定沉头孔2-3-4；机架安装沉头孔2-3-5、驱动目标安装螺纹孔2-3-6、机架安装凸台2-3-7和底部安装凸台2-3-8；一组机架侧臂2-3-3分布在机架柱型主体2-3-2两侧，压电片Ⅰ2-1、压电片Ⅱ2-2、压电片Ⅲ2-4及压电片Ⅳ2-5两两一组采用胶粘连接固定在机架侧臂2-3-3之上；所述压电片Ⅰ2-1与压电片Ⅳ2-5极化方向相同；所述压电片Ⅱ2-2与压电片Ⅲ2-4极化方向相同，两者与压电片Ⅰ2-1及压电片Ⅳ2-5极化方向相反；通过电信号可以控制机架侧臂2-3-3的形变；所述机架加工避让槽2-3-1的开设用于机架固定沉头孔2-3-4的加工，螺钉穿过机架固定沉头孔2-3-4将压电驱动组件2固定于底部基座3之上，其中底部安装凸台2-3-8与底部基座3贴合；采用螺钉穿过机架安装沉头孔2-3-5并拧入磁铁单元螺纹孔1-4将压电片安装机架2-3与磁铁单元1-3固定连接；执行器驱动目标物体可以通过螺钉连接拧入至驱动目标安装螺纹孔2-3-6贴合于机架安装凸台2-3-7之上，将其固定；
在本发明的一个具体实施例中，所述底部基座如图5所示，其由底部机架3-1、滑块3-2、导轨3-3及限位挡块3-4组成；所述底部机架3-1如图6所示，其包括底部机架侧板3-1-1、线圈单元安装槽3-1-2、滑块限位板3-1-3、底部机架底板3-1-4、导轨安装螺纹孔3-1-5、底部机架底板倒角3-1-6、底部机架安装沉头孔3-1-7、限位挡块安装槽3-1-8、限位挡块安装螺纹孔3-1-9、底部机架侧板倒角3-1-10、线圈单元安装沉头孔3-1-11与排线孔3-1-12；所述限位挡块3-4如图7所示，其设有挡块凸台3-4-1、固定凸台3-4-2与限位块安装沉头孔3-4-3；所述线圈单元1-1安装于线圈单元安装槽3-1-2之内，螺钉穿过线圈单元安装沉头孔3-1-11并拧入线圈单元螺纹孔1-2将线圈单元1-1固定于底部机架侧板3-1-1之上；采用螺钉穿过导轨3-3并拧入导轨安装螺纹孔3-1-5将导轨3-3固定于底部机架底板3-1-4之上，滑块3-2与导轨3-3采用型槽配合连接，以实现左右方向单自由度滑动，所述滑块限位板3-1-3对滑块3-2进行左限位；所述底部机架底板倒角3-1-6与底部机架侧板倒角3-1-10的开设用于构型外观美化及去除毛刺，底部机架安装沉头孔3-1-7用于执行器整体的固定；所述固定凸台3-4-2***限位挡块安装槽3-1-8，两者采用过渡配合，螺钉穿过限位块安装沉头孔3-4-3并拧入限位挡块安装螺纹孔3-1-9将限位挡块3-4固定于底部机架3-1之上；排线孔3-1-12用于排除线圈单元1-1的导线；挡块凸台3-4-1用于对滑块3-2进行右限位。
本发明的电磁辅助式压电片型精密惯性执行器工作原理如图8所示，其中规定向右运动时为正方向。正向驱动时，对电磁驱动组件通入正向直流电，其电流方向如图8(a)所示，根据法拉第电磁感应定律可知线圈单元以及磁铁单元的受力状况，由于线圈单元固定于底部机架之上，故其受到的向左的力FC将被底部机架的反作用力抵消，磁铁单元将受到向右的力Fm，并带动滑块产生向右运动的趋势；压电驱动组件中压电片与机架侧臂的接触面接地为0电位，压电片Ⅰ、压电片Ⅱ、压电片Ⅲ与压电片Ⅳ极化方向在图8(a)之中给出；此时对压电片Ⅰ、压电片Ⅱ、压电片Ⅲ及压电片Ⅳ与机架侧臂接触面的相对面通入占空比为0％的锯齿波，其中4个压电片中与机架侧臂贴合的面接地，未与机架侧臂贴合的面输入并联后通入锯齿波信号。当电压快速升高时，4个压电片带动机架侧臂由向右弯曲快速变为向左弯曲，压电片带动机架侧臂快速摆动产生的反作用力FP1将作用于滑块，此时力的方向向右；当电压缓慢降低时，4个压电片带动机架侧臂由向左形变缓慢变为右变形，压电片带动机架侧臂快速摆动产生的反作用力Fp2将作用于滑块，此时力的方向向左；由于电压非对称占空比变化的差异将导致惯性力FP1大于FP2。将滑块与导轨之间摩擦力用Ff标定，在电压快速升高时，滑块受到的合力FT＝Fm+FP1-Ff；在电压缓慢降低时，滑块受到的合力为FT＝Fm-FP2-Ff。通过控制电磁驱动组件与压电驱动组件之间的电信号可以实现复合定位台的正向驱动，并且可以执行两种模式，分别为快速驱动模式以及精密定位模式；执行快速驱动模式时，控制电信号使滑块受到的合力始终大于0，电磁驱动组件施加较大的直流电压使得滑块获得力较大的合力FT；执行精密定位模式时，控制电磁驱动组件电信号使其在压电驱动组件电压缓慢降低时滑块受到的合力为0，以抑制此阶段压电驱动组件独立位移时产生的位移回退，对压电驱动通入周期性锯齿波实现微进给。本发明中，锯齿波的一个周期由电压上升段或电压下降段两段时间组成，占空比为0％表示锯齿波的一个周期中，电压上升段的持续时间占一个周期时间的比例为0％；占空比为100％表示锯齿波的一个周期中，电压上升段的持续时间占一个周期时间的比例为100％。其中，电压上升段(下降段)的最终电压即电压下降段(上升段)的初始电压，电压上升段的电压升高速率是恒定的，电压下降段的电压降低速率也是恒定的。
反向工作原理如图8(b)所示，对电磁驱动组件施加反向直流电，由受力分析可知此时磁铁单元受到向左的力Fm，并带动滑块产生向左运动的趋势。压电驱动组件中压电片与机架侧臂的接触面接地为0电位，对压电片Ⅰ、压电片Ⅱ、压电片Ⅲ及压电片Ⅳ与机架侧臂接触面的相对面施加100％的锯齿波电压信号，在电压缓升高时，滑块受到的合力为FT＝Fm-FP2-Ff，当电压快速降低时，滑块受到的合力为FT＝Fm+FP1-Ff，其中，由于非对称激励信号的施加,有Fp1>Fp2；与正向工作原理类似，反向驱动时亦可以实现快速驱动以及精密定位两种工作模式。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种电磁辅助式压电片型精密惯性执行器，其特征在于，包括电磁驱动组件(1)、压电驱动组件(2)以及底部基座(3)；
所述底部基座(3)包括L型的底部机架(3-1)、滑块(3-2)以及导轨(3-3)；所述底部机架(3-1)由竖直设置的底部机架侧板(3-1-1)和水平设置的底部机架底板(3-1-4)构成的L形结构；所述滑块(3-2)滑动设置在导轨(3-3)上；所述导轨(3-3)固定在底部机架底板(3-1-4)上；
所述压电驱动组件(2)包括压电片安装机架(2-3)以及设置在压电片安装机架(2-3)上的四片压电片；所述压电片安装机架(2-3)包括机架柱型主体(2-3-2)、布置在机架柱型主体(2-3-2)两侧的两个机架侧臂(2-3-3)以及底部安装凸台(2-3-8)；所述机架侧臂(2-3-3)的上下表面上均固定有一片压电片且上下表面上的压电片极化方向不相同，两个机架侧臂(2-3-3)同一方向上的压电片极化方向相同，通过电信号控制机架侧臂(2-3-3)的弯曲；所述压电驱动组件(2)通过底部安装凸台(2-3-8)安装在滑块(3-2)上；
所述电磁驱动组件(1)包括线圈单元(1-1)以及磁铁单元(1-3)，两者轴心在同一直线上，沿横向可产生相对位移；所述线圈单元(1-1)固定连接在底部机架侧板(3-1-1)上，所述磁铁单元(1-3)与压电驱动组件(2)固定连接。
2.根据权利要求1所述的电磁辅助式压电片型精密惯性执行器，其特征在于，所述底部基座(3)还包括滑块限位板(3-1-3)和挡块凸台(3-4-1)；所述滑块限位板(3-1-3)设置在底部机架底板(3-1-4)上并与导轨(3-3)的一端抵接；所述挡块凸台(3-4-1)设置在底部机架底板(3-1-4)的侧面并与导轨(3-3)的另一端抵接。
3.根据权利要求1所述的电磁辅助式压电片型精密惯性执行器，其特征在于，所述机架侧臂的弯曲方向、滑块的运动方向、磁铁单元的运动方向相互平行；所述压电堆叠的振动方向垂直于上述运动方向。
4.根据权利要求1所述的电磁辅助式压电片型精密惯性执行器，其特征在于，所述机架侧臂(2-3-3)的弯曲方向与滑块受到的反作用力方向相反。
5.根据权利要求1所述的电磁辅助式压电片型精密惯性执行器，其特征在于，所述底部安装凸台(2-3-8)上开设有机架固定沉头孔(2-3-4)，所述机架固定沉头孔(2-3-4)用于将压电片安装机架(2-3)安装在底部基座(3)上。
6.一种基于权利要求1所述电磁辅助式压电片型精密惯性执行器的驱动方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)底部机架底板与光学隔振平台固定，驱动目标物体固定在压电片安装机架上；
2)规定向右运动时为正方向；正向驱动时，对电磁驱动组件通入正向直流电；由于线圈单元固定于底部机架之上，故其受到的向左的力FC将被底部机架的反作用力抵消，磁铁单元将受到向右的力Fm，并带动滑块产生向右运动的趋势；压电驱动组件中压电片与机架侧臂的接触面接地为0电；此时对四片压电片与机架侧臂的非接触面通入占空比为0％的锯齿波，其中4个压电片中与机架侧臂贴合的面接地，未与机架侧臂贴合的面输入并联后通入锯齿波信号；当电压快速升高时，4个压电片带动机架侧臂由向右弯曲快速变为向左弯曲，压电片带动机架侧臂快速摆动产生的反作用力FP1将作用于滑块，此时反作用力FP1的方向向右；当电压缓慢降低时，4个压电片带动机架侧臂由向左形变缓慢变为右变形，压电片带动机架侧臂快速摆动产生的反作用力Fp2将作用于滑块，此时反作用力Fp2的方向向左；由于电压非对称占空比变化的差异将导致惯性力FP1大于FP2；将滑块与导轨之间摩擦力用Ff标定，在电压快速升高时，滑块受到的合力FT＝Fm+FP1-Ff；在电压缓慢降低时，滑块受到的合力为FT＝Fm-FP2-Ff；通过控制电磁驱动组件与压电驱动组件之间的电信号从而实现复合定位台的正向驱动，并且能够执行两种模式，分别为快速驱动模式以及精密定位模式；执行快速驱动模式时，控制电信号使滑块受到的合力始终大于0，电磁驱动组件施加较大的直流电压使得滑块获得力较大的合力FT；执行精密定位模式时，控制电磁驱动组件电信号使其在压电驱动组件电压缓慢降低时滑块受到的合力为0，以抑制此阶段压电驱动组件独立位移时产生的位移回退，对压电驱动通入周期性锯齿波实现微进给；
反向驱动时，对电磁驱动组件施加反向直流电，此时磁铁单元受到向左的力Fm，并带动滑块产生向左运动的趋势；压电驱动组件中压电片与机架侧臂的接触面接地为0电位，对四片压电片与机架侧臂的非接触面加100％的锯齿波电压信号，在电压缓升高时，滑块受到的合力为FT＝Fm-FP2-Ff，当电压快速降低时，滑块受到的合力为FT＝Fm+FP1-Ff，其中，由于非对称激励信号的施加,有Fp1>Fp2；与正向工作原理相同，反向驱动时亦可以实现快速驱动以及精密定位两种工作模式。
Priority Applications (1)
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| CN202310997091.XA CN117060775A (zh) | 2023-08-09 | 2023-08-09 | 电磁辅助式压电片型精密惯性执行器及驱动方法 |
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