模仿动物爬树运动设计的压电直线驱动装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术涉及一种模仿动物爬树运动设计的压电直线驱动装置，属于精密驱动领域。该装置由驱动单元、运动单元和导轨三部分组成。驱动单元和运动单元之间通过螺钉相连，最后整体通过螺钉连接到导轨滑块上。驱动足与导轨之间的预紧力可由驱动单元与运动单元之间接触处添加垫片后通过螺钉来实现微调解。该驱动装置是通过周期性锯齿波电压来达到连续直线运动的目的，因驱动电压的幅值和频率可调节从而可改变驱动装置的运动速度。本实用新型专利技术具有结构简单、尺寸小、运动速度快、回退率低、行程大、有较大载物平台等优点。该装置在精密加工制造、光学工程、生物医学工程、微机电系统等高精度定位领域具有广泛应用前景。度定位领域具有广泛应用前景。度定位领域具有广泛应用前景。

【技术实现步骤摘要】
模仿动物爬树运动设计的压电直线驱动装置

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[0001]本技术涉及精密驱动领域，特别涉及一种模仿动物爬树运动设计的压电直线驱动装置与驱动方法。

技术介绍
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[0002]精密驱动技术在精密、超精密加工制造、生物医疗工程、光学工程和航天航空领域有着广泛应用。压电驱动具有结构简单紧凑、响应速度快、输出精度高、行程大和无电磁干扰等特点，因此受到了人们广泛的关注。
[0003]压电驱动按照工作原理的不同，可将压电驱动装置分为两大类：直动式压电驱动装置和步进式压电驱动装置。其中直动式压电驱动装置主要采用压电元件直接驱动输出机构，其输出行程通常较小；步进式压电驱动装置采用步进式的运动方式，其输出行程通常较大，步进式压电驱动装置可进一步分为超声压电驱动装置、尺蠖型压电驱动装置、冲击型压电驱动装置和粘滑型压电驱动装置。超声波压电驱动器可以实现高速运动，但磨损和发热仍然是一个重大问题，粘滑型驱动器相比之下有一定优势，而且粘滑型驱动器和尺蠖型驱动器相比具有结构简单，可轻松实现大行程和高分辨率，高精度等特点。
[0004]但通过对以往研究的粘滑型压电驱动器研究发现其普遍存在运动速度较慢，回退率较大等问题，严重影响压电驱动器的各方面性能。因此，目前解决上述问题也成为研究的重中之重，在尽可能结构简单的同时，提高驱动器的各方面性能。

技术实现思路
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[0005]本技术提供一种模仿动物爬树运动设计的压电直线驱动装置。仿生学为人类提供了最可靠、最高效的技术方案。通过观察动物在爬树运动过程中，足部的往复运动实现向上的连续运动，这与步进式压电驱动器很相似。本设计方案是模仿动物爬树运动设计了该装置，通过对压电叠堆施加周期性锯齿波电压，实现该装置的连续运动。该装置拥有高精度、低回退率和高速大行程等优点，解决了上述问题。
[0006]技术解决方案如下：模仿动物爬树运动设计的压电直线驱动装置包括驱动单元、运动单元和导轨三部分。驱动单元由带柔性铰链的驱动足、楔块和压电叠堆三部分构成，楔块和压电叠堆紧配合安装在带柔性铰链的驱动足的凹槽内。运动单元由U形板和滑块通过第一螺钉相连接构成。驱动单元通过第二螺钉连接到运动单元上。驱动足与导轨之间弹性接触，通过在驱动单元和运动单元的接触处添加垫片后通过调节第二螺钉来实现他们之间的预紧力。在压电叠堆的驱动下带动整体在导轨上运动。
[0007]本技术的另一目的在于提供一种模仿动物爬树运动设计的压电直线驱动装置的驱动方法，包括以下步骤：
[0008]a)通过在驱动单元和运动单元接触处添加垫片后调节第二螺钉来使驱动足和导轨之间弹性接触配合。
[0009]b)给压电叠堆施加一个周期性的锯齿波电压，在电压上升阶段，由于压电逆效应，
叠堆伸长使柔性铰链部分发生弹性形变，使驱动足与导轨之间产生的静摩擦力远大于滑块与导轨之间的滚动摩擦力，因而向X正方向运动一段距离，当驱动电压迅速下降的过程中，压电叠堆收缩，由于惯性力和铰链的弹性恢复过程中，会有一个很小的回退位移，但小于X正向运动的位移，故在周期性的锯齿波电压驱动下，实现X正向连续运动。相反，对该装置是加一个反向的周期性锯齿波电压就可以实现X反向的连续运动。改变驱动电压的幅值和频率就可改变该装置的运动速度。
[0010]本技术的优点在于：结构简单、小型化、回退率低、速度快、大行程等。该驱动装置在拥有较大载物平台的同时整体宽度仅为61mm。该装置速度较快，在电压幅值为120V，电压频率为10Hz的情况下，速度可达到0.53mm/s。可通过改变驱动电压的幅值和频率改变该装置的运动速度，以满足不同的应用场合。该装置在小型化大平台的同时还具有高速、低回退率和大行程等特点。该驱动装置在精密加工制造、光学工程、生物医疗工程、微机电系统等领域具有良好的应用前景。
附图说明：
[0011]此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本申请的一部分，本技术的示意性实例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。
[0012]图1为本技术驱动装置的结构示意图；
[0013]图2为本技术驱动装置的俯视图；
[0014]图3为本技术驱动足的正视图；
[0015]图4为基于模仿动物爬树运动的动物爬树动作原理简图；
[0016]图5为本技术驱动装置X正向运动的锯齿波电信号示意图；
[0017]图6为本技术驱动装置的工作原理图；
[0018]图7为本技术驱动装置X反向运动的锯齿波电信号示意图；
[0019]图8为本技术驱动装置的驱动电压频率为10Hz下，驱动电压幅值在40V到120V之间测得的实际X正向运动输出特性；
[0020]图9为本技术驱动装置在驱动电压幅值为100V时，驱动电压频率在1Hz到10Hz 之间测得的实际X正向运动输出特性；
[0021]图10为本技术驱动装置在驱动电压在100V 10Hz的情况下3秒内测得的实际X正向运动输出位移。
[0022]其中1、导轨；2、U形板；3、第一螺钉；4、第二螺钉；5、楔块；6、压电叠堆；7、带柔性铰链的驱动足；8、滑块。
具体实施方式：
[0023]下面结合附图进一步说明本技术的详细内容及其具体实施方式。
[0024]参见图1至图3为本技术的一种模仿动物爬树运动设计的压电直线驱动装置。该装置包括驱动单元、运动单元和导轨三部分。驱动单元包括楔块、压电叠堆和带柔性铰链的驱动足三部分，楔块和压电叠堆紧配合安装在驱动足的凹槽内。运动单元包括U形板和滑块两部分，U形板和滑块通过第一螺钉相连。驱动单元与运动单元通过第二螺钉相连，最后
使得驱动单元可带动整体在直线导轨上运动。驱动足和导轨之间的预紧力可在驱动单元和运动单元接触处添加垫片后调节第二螺钉来实现微调节。通过改变电压的幅值和频率来改变装置的运动速度。
[0025]参见图4为本技术基于模仿动物爬树运动的动物爬树动作原理简图。在会爬树的动物中，它们在爬树的过程中往往用脚掌部分与树之间蹬紧后，向下用力使树对动物足部有一个向上的摩擦力，每一步都可以使它们可以向上运动一点距离
△
L，足部的往复运动以实现较大位移。
[0026]参见图5至图6为施加在压电叠堆上的周期性锯齿波电压。t0‑
t1为电压上升阶段，此时压电叠堆伸长，柔性铰链发生弹性变形带动驱动足，使导轨对驱动足产生X正向的静摩擦力，由于其远大于滑块与导轨之间产生的滑动摩擦力，因此整体可以向X正向产生一段位移L。 t1‑
t2为电压快速下降阶段，此时压电叠堆收缩，同理，使导轨对驱动足产生X反向的静摩擦力，使整体有一段回退位移L0。由于L0<L，所以整体向X正向移动一段距离
△
L＝L
‑
L0。周期性的锯齿波电压可以使该装置向X正向连续运动。在理论上可实现无限大的位移。
[0027]参见图7为施加在压电叠堆上的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种模仿动物爬树运动设计的压电直线驱动装置，其特征在于:由驱动单元、运动单元、导轨(1)三部分组成；驱动单元由第二螺钉(4)安装在运动单元上后通过第一螺钉(3)固定在导轨(1)的滑块(8)上；驱动单元带动整体沿导轨(1)做直线运动。2.根据权利要求1所述的模仿动物爬树运动设计的压电直线驱动装置，其特征在于：所述的驱动单元包括楔块(5)、压电叠堆(6)和带柔性...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙强，王馗沣，李轩，陈炜威，刘艳伟，徐智，张世忠，黄虎，
申请(专利权)人：孙强，
类型：新型
国别省市：