一种精密加载式压电直线电机及其驱动方法技术

本发明专利技术公开了一种精密加载式压电直线电机及其驱动方法，以解决当前压电驱动器由于受到尺寸、重量、运动副间隙等方面的制约，很难实现大行程、高精度的精密运动。该压电驱动器由底座、导轨组件、安装螺钉Ⅰ、定子组件、安装螺钉Ⅱ、导向机构、挡板、固定螺钉Ⅰ、螺纹副和锁紧螺钉组成。本发明专利技术由双陶瓷折梁柔性铰链产生的斜向力和对压电驱动器的激励方法对摩擦力进行综合调控，具有结构紧凑、装配方便、定位精度高及行程大等特点。在精密光学仪器、半导体加工等微纳精密驱动与定位技术领域能够由广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种精密加载式压电直线电机及其驱动方法
本专利技术涉及一种精密加载式压电直线电机及其驱动方法，属于压电精密驱动

技术介绍
压电驱动技术是一种利用压电材料的逆压电效应将电能转化为机械能的新型驱动方式，与传统的电磁驱动方式相比，具有低速大转矩（推力）、力矩密度高、设计灵活、结构紧凑、定位精度高、响应速度快、断电自锁且不受电磁干扰以及可不使用轴承和润滑等优点，在机器人关节驱动、精密仪器仪表、超精密加工、航空航天以及生命科学等领域均具有广泛的应用前景，是近年来精密特种驱动
研究的热点之一。其中基于压电粘滑驱动原理与柔性铰链技术的压电驱动器不论是从体积尺寸、定位精度还是响应频率和能耗等性能方面均具有显著优势。随着各种类型的新型换能材料不断开发、研制与应用，基于不同运动方式的新一类驱动器也如雨后春笋般不断崭露头角。新型的精密驱动器通常具有以下几方面特点：体积小、结构紧凑、重量轻、响应速度快、运动精度高等，被广泛的应用于诸多前沿科学领域内。而当今超精密驱动定位技术要求微纳米级别精度，传统驱动器由于受到尺寸、重量、运动副间隙等方面的制约，很难实现大行程、高精度的精密驱动。
技术实现思路
为解决当前超精密驱动技术难实现大行程、高精度的精密驱动等技术问题，本专利技术公开了一种精密加载式压电直线电机及其驱动方法。本专利技术所采用的技术方案是：所述一种精密加载式压电直线电机及其驱动方法包括底座、导轨组件、安装螺钉Ⅰ、定子组件、安装螺钉Ⅱ、导向机构、挡板、固定螺钉Ⅰ、螺纹副和锁紧螺钉；所述导轨组件通过安装螺钉Ⅰ和安装螺孔Ⅰ螺纹连接固定在底座上；所述导向机构置于底座内部，与底座内表面滑动接触；所述定子组件通过安装螺钉Ⅱ和安装螺孔Ⅱ螺纹连接固定在导向机构上部；所述挡板通过固定螺钉Ⅰ和固定螺孔Ⅰ螺纹连接固定在底座侧边；所述螺纹副通过胶粘放置在挡板中心位置。所述导轨组件包括定导轨、沉头孔Ⅰ、滚柱保持架和动导轨，所述滚珠保持架放置于定导轨和动导轨之间；所述底座设置有导轨组件安装平面和安装螺孔Ⅰ，安装螺钉Ⅰ穿过沉头孔Ⅰ与安装螺孔Ⅰ螺纹连接，将导轨组件安装在导轨组件安装平面上部；所述底座还设置有固定螺孔Ⅱ、底座内表面、固定螺孔Ⅰ、矩形凹槽和锁紧螺孔；所述锁紧螺孔与锁紧螺钉螺纹连接；所述矩形凹槽与导向机构滑动接触；所述底座采用45号钢材料。所述导向机构包括导向轴、弹簧和导向块；所述导向轴一端的外螺纹与固定螺孔Ⅱ螺纹连接，所述弹簧套在导向轴外侧，放置在底座与导向块之间；所述导向块设置有安装螺孔Ⅱ、盲孔和导向块侧板，所述盲孔与导向轴间隙配合；所述导向块侧板与矩形凹槽滑动接触；通过安装螺孔Ⅱ固定定子组件。所述定子组件包括双陶瓷折梁柔性铰链、压电陶瓷Ⅰ、压电陶瓷Ⅱ、垫片Ⅱ、预紧螺钉和垫片Ⅰ；所述压电陶瓷Ⅰ、垫片Ⅰ、压电陶瓷Ⅱ和垫片Ⅱ放置在双陶瓷折梁柔性铰链内部，通过预紧螺钉进行预紧；所述双陶瓷折梁柔性铰链包括驱动足、端部横梁、刚性折梁Ⅰ、直圆型铰链Ⅰ、直圆型铰链Ⅱ、定子组件安装孔、刚性直梁、直圆型铰链Ⅲ、刚性折梁Ⅱ、直圆型铰链Ⅳ、直圆型铰链Ⅴ和预紧螺孔；所述直圆型铰链Ⅰ设置在刚性折梁Ⅰ拐点处，所述直圆型铰链Ⅱ设置在刚性折梁Ⅰ一端，直圆型铰链Ⅰ和直圆型铰链Ⅱ通过刚性折梁Ⅰ刚性连接；所述直圆型铰链Ⅲ设置在刚性折梁Ⅱ拐点处，所述圆型铰链Ⅳ设置在刚性折梁Ⅱ一端，直圆型铰链Ⅰ和直圆型铰链Ⅱ通过刚性折梁Ⅰ刚性连接；所述直圆型铰链Ⅴ设置在刚性直梁一端；所述驱动足与动导轨线接触；所述预紧螺孔和预紧螺钉螺纹连接，以固定压电陶瓷Ⅰ和压电陶瓷Ⅱ；安装螺钉Ⅱ穿过定子组件安装孔与安装螺孔Ⅱ螺纹连接以固定定子组件。所述挡板包括沉头孔Ⅱ和通孔；所述通孔与螺纹副的螺母基体胶粘连接，固定螺钉Ⅰ通过沉头孔Ⅱ与固定螺孔Ⅰ螺纹连接。所述螺纹副包括螺母基体、螺杆和解耦球头，所述螺母基体和螺杆螺纹连接，螺母基体胶粘于挡板中心位置；所述解耦球头与导向块点接触，通过解耦球头将螺杆的螺旋运动转换为直线进给运动。所述双陶瓷折梁柔性铰链的刚性折梁Ⅰ、刚性直梁和刚性折梁Ⅱ的宽度均为K，K的取值范围为2.5~3mm；所述直圆型铰链Ⅰ、直圆型铰链Ⅱ、直圆型铰链Ⅲ、直圆型铰链Ⅳ和直圆型铰链Ⅴ的半径均为R，R的取值范围为0.5~1mm；所述双陶瓷折梁柔性铰链采用铝合金7075材料。所述驱动方法中采用的复合激励电信号实现，复合激励电信号包括摩擦调控波和驱动波，通过将摩擦调控波复合叠加于驱动波的快速通电阶段，激发定子组件在快速变形阶段处于微副高频共振状态，基于超声减摩效应降低快速变形阶段定子组件与导轨组件间的摩擦阻力；所述驱动波为锯齿波，所述摩擦调控波为正弦波，其中锯齿波的周期为T1，激励电压幅值为V1，对称性为S，正弦波周期为T2，激励电压幅值为V2，锯齿波与正弦波的周期比为T1/T2=100~20000，激励电压幅值比为V1/V2=2~6。本专利技术的有益效果是：本专利技术采用具有摩擦力综合调控功能的双陶瓷折梁柔性铰链，并采用寄生运动原理，可增大压电驱动器在“粘”阶段的驱动力，减小压电驱动器在“滑”阶段的摩擦阻力，实现了对压电驱动器驱动过程摩擦力的综合调控，可显著提升压电驱动器的输出性能，与现有技术相比，输出力提升30%以上，输出速度提升40%以上，闭环下定位精度可达纳米级。附图说明图1所示为本专利技术提出的一种精密加载式压电直线电机的结构示意图；图2所示为本专利技术提出的一种精密加载式压电直线电机的底座的结构示意图；图3所示为本专利技术提出的一种精密加载式压电直线电机的导轨组件的结构示意图；图4所示为本专利技术提出的一种精密加载式压电直线电机的定子组件的结构示意图；图5所示为本专利技术提出的一种精密加载式压电直线电机的双陶瓷折梁柔性铰链的结构示意图；图6所示为本专利技术提出的一种精密加载式压电直线电机的导向机构的结构示意图；图7所示为本专利技术提出的一种精密加载式压电直线电机的导向块的结构示意图；图8所示为本专利技术提出的一种精密加载式压电直线电机的挡板的结构示意图；图9所示为本专利技术提出的一种精密加载式压电直线电机的螺纹副的结构示意图；图10所示为本专利技术提出的一种精密加载式压电直线电机驱动方法的波形示意图。具体实施方式具体实施方式：结合图1~图9说明本实施方式，本实施方式提供了一种精密加载式压电直线电机及其驱动方法。所述该使用双陶瓷折梁柔性铰链的压电粘滑驱动器包括底座1、导轨组件2、安装螺钉Ⅰ3、定子组件4、安装螺钉Ⅱ5、导向机构6、挡板7、固定螺钉Ⅰ8、螺纹副9和锁紧螺钉10。所述导轨组件2通过安装螺钉Ⅰ3和安装螺孔Ⅰ1-2螺纹连接固定在底座1上；所述导向机构6置于底座1内部，与底座内表面1-4滑动接触；所述挡板7通过固定螺钉Ⅰ8和固定螺孔Ⅰ1-5螺纹连接固定在底座1侧边；所述螺纹副9与挡板7胶粘连接；所述定子组件4通过安装螺钉Ⅱ5和安装螺孔Ⅱ6-3-1螺纹连接固定在导向机构6上，并与导轨组件2线接触；当定子组件4固定好后，为避免在驱动过程中定子组件4发生剧烈振动，使用锁紧螺钉10对导向机构6进行竖直方向上的锁紧。所述导轨组件2包括定导轨2-1、沉头孔Ⅰ2-2、滚柱保持架2-3和动导轨2-4。所述滚珠保持架2-3放置于定导轨2-1和动导轨2-4之间，分别与定导轨2-1和动导轨2-4滑动接触；所述底座1设置有导轨组件安装平面1-1和安装本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种精密加载式压电直线电机，其特征在于：该压电直线电机包括底座（1）、导轨组件（2）、安装螺钉Ⅰ（3）、定子组件（4）、安装螺钉Ⅱ（5）、导向机构（6）、挡板（7）、固定螺钉Ⅰ（8）、螺纹副（9）和锁紧螺钉（10）；所述导轨组件（2）通过安装螺钉Ⅰ（3）和安装螺孔Ⅰ（1‑2）螺纹连接固定在底座（1）上；所述导向机构（6）置于底座（1）内部，与底座内表面（1‑4）滑动接触；所述定子组件（4）通过安装螺钉Ⅱ（5）和安装螺孔Ⅱ（6‑3‑1）螺纹连接固定在导向机构（6）上部；所述挡板（7）通过固定螺钉Ⅰ（8）和固定螺孔Ⅰ（1‑5）螺纹连接固定在底座（1）侧边；所述螺纹副（9）通过胶粘放置在挡板（7）中心位置。

【技术特征摘要】
1.一种精密加载式压电直线电机，其特征在于：该压电直线电机包括底座（1）、导轨组件（2）、安装螺钉Ⅰ（3）、定子组件（4）、安装螺钉Ⅱ（5）、导向机构（6）、挡板（7）、固定螺钉Ⅰ（8）、螺纹副（9）和锁紧螺钉（10）；所述导轨组件（2）通过安装螺钉Ⅰ（3）和安装螺孔Ⅰ（1-2）螺纹连接固定在底座（1）上；所述导向机构（6）置于底座（1）内部，与底座内表面（1-4）滑动接触；所述定子组件（4）通过安装螺钉Ⅱ（5）和安装螺孔Ⅱ（6-3-1）螺纹连接固定在导向机构（6）上部；所述挡板（7）通过固定螺钉Ⅰ（8）和固定螺孔Ⅰ（1-5）螺纹连接固定在底座（1）侧边；所述螺纹副（9）通过胶粘放置在挡板（7）中心位置。2.根据权利要求1所述的一种精密加载式压电直线电机，其特征在于：所述导轨组件（2）包括定导轨（2-1）、沉头孔Ⅰ（2-2）、滚柱保持架（2-3）和动导轨（2-4），所述滚珠保持架（2-3）放置于定导轨（2-1）和动导轨（2-4）之间；所述底座（1）设置有导轨组件安装平面（1-1）和安装螺孔Ⅰ（1-2），安装螺钉Ⅰ（3）穿过沉头孔Ⅰ（2-2）与安装螺孔Ⅰ（1-2）螺纹连接，将导轨组件（2）安装在导轨组件安装平面（1-1）上部；所述底座（1）还设置有固定螺孔Ⅱ（1-3）、底座内表面（1-4）、固定螺孔Ⅰ（1-5）、矩形凹槽（1-6）和锁紧螺孔（1-7）；所述锁紧螺孔（1-7）与锁紧螺钉（10）螺纹连接；所述矩形凹槽（1-6）与导向机构（6）滑动接触；所述底座（1）采用45号钢材料。3.根据权利要求1所述的一种精密加载式压电直线电机，其特征在于：所述导向机构（6）包括导向轴（6-1）、弹簧（6-2）和导向块（6-3）；所述导向轴（6-1）一端的外螺纹与固定螺孔Ⅱ（1-3）螺纹连接，所述弹簧（6-2）套在导向轴（6-1）外侧，放置在底座（1）与导向块（6-3）之间；所述导向块（6-3）设置有安装螺孔Ⅱ（6-3-1）、盲孔（6-3-2）和导向块侧板（6-3-3），所述盲孔（6-3-2）与导向轴（6-1）间隙配合；所述导向块侧板（6-3-3）与矩形凹槽（1-6）滑动接触；通过安装螺孔Ⅱ（6-3-1）固定定子组件（4）。4.根据权利要求1所述的一种精密加载式压电直线电机，其特征在于：所述定子组件（4）包括双陶瓷折梁柔性铰链（4-1）、压电陶瓷Ⅰ（4-2）、压电陶瓷Ⅱ（4-3）、垫片Ⅱ（4-4）、预紧螺钉（4-5）和垫片Ⅰ（4-6）；所述压电陶瓷Ⅰ（4-2）、垫片Ⅰ（4-6）、压电陶瓷Ⅱ（4-3）和垫片Ⅱ（4-4）放置在双陶瓷折梁柔性铰链（4-1）内部，通过预紧螺钉（4-5）进行预紧；所述双陶瓷折梁柔性铰链（4-1）包括驱动足（4-1-1）、端部横梁（4-1-2）、刚性折梁Ⅰ（4-1-3）、直圆型铰链Ⅰ（4-1-4）、直圆型铰链Ⅱ（4-1-5）、定子组件安装孔（4-1-6）、刚性直梁（4-1-7）、直圆型铰链Ⅲ（4-1-8）、刚性折梁Ⅱ（4-1-9）、直圆型铰链Ⅳ（4-1-10）、直圆型铰链Ⅴ（4-1-11）和...

【专利技术属性】
技术研发人员：程廷海，高琪，唐晚静，
申请(专利权)人：长春工业大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22