压电-液压混合直线型步进电机及其工作方法技术

本发明专利技术公开了一种压电‑液压混合直线型步进电机及其工作方法。该电机包括：定子、动子及底座；所述定子包括驱动足、支座以及弹性预紧机构，所述驱动足包括两组对称的平行于导轨布置的压电叠层和垂直于导轨方向布置的振动液压缸，分别为定子驱动足提供平行于导轨方向和垂直于导轨方向的微幅振动。用对称的三角形周期信号激励平行于导轨方向的压电叠层，用对称的矩形周期信号激励垂直于导轨方向的振动液压缸，实现电机定子和动子之间的摩擦驱动特性在驱动阶段和回程阶段具有明显差异，从而使得动子在驱动阶段的运动距离大于在回程阶段的运动距离，该类电机的定位精度也从纳米级向微米级渐变，这有望部分代替结构复杂的宏微结合的定位平台。

【技术实现步骤摘要】
压电-液压混合直线型步进电机及其工作方法
本专利技术涉及一种压电-液压混合直线型步进电机，属于压电精密致动

技术介绍
随着微/纳米技术的发展，众多工程
的研究都迫切需要亚微米级、微/纳米级的精密作动器。但由于传统电磁电机需要减速装置，在微型化、高功重比的发展方向上很难突破。随着材料科学的发展，新型功能材料为这些应用提出了新的解决方案，其中，逆压电效应的发现及具有优越性能的压电陶瓷(PZT)材料的出现使得压电精密作动器的研究得到了广泛关注，并在精密作动领域显示出了广泛的应用前景。直线型步进电机主要包括共振型超声电机和非共振型步进电机。共振型超声电机是利用压电陶瓷的逆压电效应激发弹性体的共振，并将弹性体的微变形通过摩擦耦合转换成转子或动子的宏观运动。由于超声电机在共振状态下运行，致使其性能受环境影响较大，同时对定子的加工精度要求较高。非共振型步进电机是利用压电叠层的精确位移输出特性，结合惯性冲击原理或者尺蠖原理，能够实现运动件连续、精密的步进运动。与共振式直线型步进电机相比，非共振状态具有较宽的工作频带，对周围环境的抗干扰性强；且对电机定子的尺寸和加工精度要求不太高，易于保证电机运行的平稳性。但是惯性冲击型和尺蠖原理非共振直线电机对驱动控制信号要求较为苛刻、驱动力很小。近年来，南京航空航天大学黄卫清教授团队提出了一系列摩擦驱动原理型压电直线电机，通常利用两个压电叠层的非共振输出实现电机定子在非共振状态下具有较大振幅。当采用相位差π/2的对称周期信号分别激励两个压电叠层，就可以在驱动足端部实现椭圆运动轨迹，从而利用摩擦驱动原理，可以实现电机动子的连续运动。该类电机在非共振状态下工作，能够解决其他非共振型直线电机所具有的驱动信号苛刻和加工精度要求高等问题。同时利用了摩擦驱动原理可以实现大行程，一般为几十毫米。现有的非共振摩擦驱动原理型直线电机但是在保证大行程的同时，并没有很好地解决输出力小的难题，目前该类型电机的输出力通常为几牛。现有的压电叠层直线电机采用压电叠层的位移变形提供电机定子和动子之间的正压力，由于压电叠层的输出位移一般为几微米到几十微米，所以转化为定子和动子的正压力一般为几十牛，这就限制了定子和动子之间摩擦力的大小。
技术实现思路
针对上述技术问题，本专利技术提供一种压电-液压混合直线型步进电机，该步进电机的动子在驱动阶段的运动距离大于在回程阶段的运动距离，定位精度也从纳米级向微米级渐变，这有望部分代替结构复杂的宏微结合的定位平台。为了实现上述技术目的，本专利技术采用如下技术方案：一种压电‐液压混合直线型步进电机，包括定子、动子及底座，所述动子通过导轨连接在底座上，所述定子设置于底座上，定子包括驱动足以及弹性预紧机构，在弹性预紧机构的预紧力下，定子上的驱动足和动子在整个电机工作周期中始终保持紧密接触；所述驱动足包括横向振动块、纵向振动框、固定块、一组平行导轨布置的横向压电叠层和一个垂直于导轨布置的振动液压缸；所述横向振动块设置于纵向振动框内部，横向振动块的两侧分别通过一个横向压电叠层与纵向振动框预紧连接；所述固定块平行设置在所述纵向振动框的下方，固定块和纵向振动框之间通过所述振动液压缸连接。所述弹性预紧机构包括：支座以及两片预压板簧，其中，所述的支座上设有沿垂直导轨方向布置的通槽，驱动足设置在所述通槽内，所述通槽的上、下两端分别设有一片所述预压板簧，在预压板簧的夹紧力下，定子上的驱动足和动子在整个电机工作周期中始终保持紧密接触。每片所述预压板簧包括：环形框架结构、柔性铰链和方板；环形框架结构的短边和方板通过柔性铰链连接，环形框架上设有与支座固定连接的圆孔，方板上设有与驱动足固定连接的通孔。所述支座上位于通槽的两侧分别设有与底座相固定以及导向作用的通孔，支座上位于通槽的上、下两端分别设有用于与两片预压板簧固定连接的螺纹孔。所述横向振动块在垂直导轨方向上通过两个平行布置的悬臂柔性梁与纵向振动框连接。所述横向压电叠层和纵向振动框之间设有平行于导轨方向安装的导向块。所述导向块在垂直导轨方向上通过柔性铰链与纵向振动框柔性连接，在纵向振动框的外部设置有用于调节所述横向压电叠层与纵向振动框之间松紧度的预紧螺栓。一种基于所述的压电-液压混合直线型步进电机的工作方法，分别用对称的周期信号激励平行于导轨方向布置的两个横向压电叠层，用非对称的周期信号激励垂直于导轨方向的振动液压缸，实现电机定子和动子之间的摩擦驱动特性在驱动阶段和回程阶段具有明显差异，从而使得动子在驱动阶段的运动距离大于在回程阶段的运动距离，上述非对称的位移输出特性使得在推程阶段和回程阶段，电机定子和动子之间存在着不同的摩擦驱动特性，从而在驱动阶段和回程阶段电机动子的运动存在一个位移差，即差动式位移。包括正向差动摩擦驱动过程和反向差动摩擦驱动过程：其中，正向差动摩擦驱动过程：在一个作动周期内，电机的动作时序如下：驱动阶段，用对称矩形周期信号激励振动液压缸，在前半个周期，振动液压缸的激励电压为最大值，振动液压缸的活塞杆迅速伸长，电机定子和动子之间的接触正压力最大；同时用相位相差半个周期的三角波信号分别激励两个横向压电叠层，使得位于纵向振动框左侧的横向压电叠层伸长、而位于纵向振动框右侧的横向压电叠层回缩，从而通过定子和动子接触面的摩擦力带动动子向右运动，产生的位移为Δx1；回程阶段：后半个周期，振动液压缸的激励电压相对于驱动阶段大幅下降，振动液压缸的活塞杆迅速收缩直至初始状态，此时电机定子和动子之间的接触正压力最小；同时用相位相差半个周期的三角波信号分别激励两个横向压电叠层，此时三角波信号处于降坡阶段，使得位于纵向振动框右侧的横向压电叠层伸长、而位于纵向振动框左侧的横向压电叠层回缩，此时的定子和动子间存在初始正压力，所以在摩擦的作用下定子带动动子向左运动，产生位移为Δx2；综上，由于横向振动块在驱动阶段和回程阶段的位移相等，但是驱动阶段时定子和动子之间的摩擦力大于回程阶段时定子和动子之间的摩擦力，所以Δx1>Δx2，从而动子在整体上实现正向的差动位移Δx；反向差动摩擦驱动过程：如果在驱动阶段，振动液压缸的激励电压为最小值，在回程阶段，振动液压缸的激励电压为最大值，其他条件不变；则能够实现整个运动周期内动子沿反向有一差动位移Δx。本专利技术有益效果是：第一、本专利技术一种压电‐液压混合直线型步进电机，定子驱动足采用了横向振动块和纵向振动框结构，这能够保证平行于导轨方向的位移输出与垂直于导轨方向的位移输出具有解耦特性，有利于独立控制两个方向的位移输出。第二、本专利技术采用相位差为半个周期的两个对称周期信号分别激励两组对称布置压电叠层，用对称矩形周期信号激励垂直布置的振动液压缸；由于横向振动块在驱动阶段和回程阶段的位移相等，但是驱动阶段时定子和动子之间的摩擦力大于回程阶段时定子和动子之间的摩擦力，从而在驱动阶段和回程阶段电机动子的运动存在一个位移差，即差动式位移。第三、该类型电机在非共振状态下工作，具有较宽的工作频带，易于保证电机的工作平稳性，对驱动控制信号和加工精度等要求较低。第四、由于纵向位移输出采用液压缸驱动，能够在定子和动子界面上产生较大的正压力和摩擦力，所以该类型电机具有大推力的输出特性。同时该电机在0～1kHz频率范围内具有明显不同的差动摩擦特本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种压电‐液压混合直线型步进电机，包括定子、动子及底座，其特征在于，所述动子通过导轨连接在底座上，所述定子设置于底座上，定子包括驱动足以及弹性预紧机构，在弹性预紧机构的预紧力下，定子上的驱动足和动子在整个电机工作周期中始终保持紧密接触；所述驱动足包括横向振动块、纵向振动框、固定块、一组平行导轨布置的横向压电叠层和一个垂直于导轨布置的振动液压缸；所述横向振动块设置于纵向振动框内部，横向振动块的两侧分别通过一个横向压电叠层与纵向振动框预紧连接；所述固定块平行设置在所述纵向振动框的下方，固定块和纵向振动框之间通过所述振动液压缸连接。

【技术特征摘要】
1.一种压电‐液压混合直线型步进电机，包括定子、动子及底座，其特征在于，所述动子通过导轨连接在底座上，所述定子设置于底座上，定子包括驱动足以及弹性预紧机构，在弹性预紧机构的预紧力下，定子上的驱动足和动子在整个电机工作周期中始终保持紧密接触；所述驱动足包括横向振动块、纵向振动框、固定块、一组平行导轨布置的横向压电叠层和一个垂直于导轨布置的振动液压缸；所述横向振动块设置于纵向振动框内部，横向振动块的两侧分别通过一个横向压电叠层与纵向振动框预紧连接；所述固定块平行设置在所述纵向振动框的下方，固定块和纵向振动框之间通过所述振动液压缸连接。2.根据权利要求1所述的压电-液压混合直线型步进电机，其特征在于，所述弹性预紧机构包括：支座以及两片预压板簧，其中，所述的支座上设有沿垂直导轨方向布置的通槽，驱动足设置在所述通槽内，所述通槽的上、下两端分别设有一片所述预压板簧，在预压板簧的夹紧力下，定子上的驱动足和动子在整个电机工作周期中始终保持紧密接触。3.根据权利要求2所述的压电-液压混合直线型步进电机，其特征在于，每片所述预压板簧包括：环形框架结构、柔性铰链和方板；环形框架结构的短边和方板通过柔性铰链连接，环形框架上设有与支座固定连接的圆孔，方板上设有与驱动足固定连接的通孔。4.根据权利要求1所述的压电-液压混合直线型步进电机，其特征在于，所述支座上位于通槽的两侧分别设有与底座相固定以及导向作用的通孔，支座上位于通槽的上、下两端分别设有用于与两片预压板簧固定连接的螺纹孔。5.根据权利要求1所述的压电-液压混合直线型步进电机，其特征在于，所述横向振动块在垂直导轨方向上通过两个平行布置的悬臂柔性梁与纵向振动框连接。6.根据权利要求1所述的压电-液压混合直线型步进电机，其特征在于，所述横向压电叠层和纵向振动框之间设有平行于导轨方向安装的导向块。7.根据权利要求6所述的压电-液压混合直线型步进电机，其特征在于，所述导向块在垂直导轨方向上通过柔性铰链与纵向振动框柔性连接，在纵向振动框的外部设置有用于调节所述横向压电叠层与纵向振动框之间松紧度的预紧螺栓。8.一种基于权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈西府，李明，卢倩，王正刚，周海，
申请(专利权)人：盐城工学院，
类型：发明
国别省市：江苏,32