四足对称差动作动压电步进直线电机及电激励方式

摘要

本发明公开了一种四足对称差动作动压电步进直线电机及电激励方式，电机主要包括基座、驱动足、动子、预紧机构和支撑机构，所述支撑机构的作用为将驱动足固定在基座上；驱动足有四个，每一个驱动足包括一个叠层压电陶瓷、两个柔性转接头、一个位移转换机构和一个耐磨陶瓷球，四个驱动足相对于动子呈对称布置，四足在预紧机构作用下与动子接触，四驱动足的伸缩作用通过位移转换机构转移到动子，动子运动的方向与四足伸缩的方向平行。本发明的四足对称差动作动压电步进直线电机用以解决现有直线电机存在大行程、大推力与高精度难以兼顾的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及压电精密致动技术领域，具体为一种四足对称差动作动压电步进直线电机及电激励方式。

背景技术

目前实现大行程精密步进驱动的方式主要是尺蠖式精密驱动和惯性摩擦驱动两种方式。尺蠖式精密驱动能够提供较大的精度和推力，但是由于它的结构复杂导致驱动频率较小，从而导致驱动速度小，结构的复杂还导致控制难度加大，安装精度难以控制，另外，尺蠖型精密驱动的配合磨损严重，最终导致接触不良，性能弱化；摩擦惯性压电驱动装置的结构较简单、控制较容易、驱动速度较大，但是由于摩擦惯性压电驱动装置缺少钳位机构而导致预紧力不足，推力小。

叠层压电陶瓷因性能较优越，近年来制造工艺的提升，大规模生产的实现，越来越多的被应用在精密驱动上。利用叠层压电陶瓷的逆压电效应制成的压电直线电机有很多优点：位移分辨力高、承载力大、输出刚度高、输出位移重复性好、控制简单易操作、能够克服电磁干扰、高温、低温等问题。但目前的非共振式压电电机主要问题在于叠层压电陶瓷的迟滞效应影响，导致压电直线电机的回程误差积累而增大其定位误差，能解决该问题的双足驱动压电直线电机也存在大行程、大推力与高精度难以兼顾的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种四足对称差动作动压电步进直线电机及电激励方式，综合利用尺蠖式压电精密驱动和摩擦惯性压电驱动的优点,解决大行程、大推力与高精度难以兼顾的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种四足对称差动作动压电步进直线电机，包括第一驱动足、第二驱动足、第三驱动足、第四驱动足、第一支撑机构、第二支撑机构、第三支撑机构、第四支撑机构、预紧机构、动子和基座；所述第一驱动足、第二驱动足、第三驱动足和第四驱动足相对于所述动子呈对称分布，且所述第一驱动足和所述第二驱动足、所述第三驱动足和所述第四驱动足分别沿径向对称分布，所述第一驱动足和所述第三驱动足、所述第二驱动足和所述第四驱动足分别沿轴向对称分布；所述第一驱动足的一端通过所述第一支撑机构与所述基座固连，另一端通过所述预紧机构紧抱所述动子；所述第二驱动足的一端通过所述第二支撑机构与所述基座固连，另一端通过所述预紧机构紧抱所述动子；所述第三驱动足的一端通过所述第三支撑机构与所述基座固连，另一端通过所述预紧机构紧抱所述动子；所述第四驱动足的一端通过所述第四支撑机构与所述基座固连，另一端通过所述预紧机构紧抱所述动子；

所述第一驱动足包括第一柔性万向节、第二柔性万向节、叠层压电陶瓷、位移转换机构和耐磨陶瓷球；所述第一柔性万向节的一端与所述第一支撑机构相连，另一端与所述叠层压电陶瓷的一端相连；所述第二柔性万向节的一端与所述叠层压电陶瓷的另一端相连，另一端与所述位移转换机构相连；所述位移转换机构通过所述耐磨陶瓷球与所述动子相连；所述第二驱动足、第三驱动足、第四驱动足的结构和所述第一驱动足的结构相同。

所述预紧机构包括第一支撑体、第二支撑体、第三支撑体、第四支撑体、第一弹簧片、第二弹簧片和弹性压紧装置；所述第一驱动足的位移转换机构通过所述第一支撑体与所述第一弹簧片相连；所述第二驱动足的位移转换机构通过所述第二支撑体与所述第一弹簧片相连；所述第三驱动足的位移转换机构通过所述第三支撑体与所述第二弹簧片相连；所述第四驱动足的位移转换机构通过所述第四支撑体与所述第二弹簧片相连；所述弹性压紧装置用于压紧所述第一弹簧片和所述第二弹簧片，使所述第一驱动足、第二驱动足、第三驱动足和第四驱动足通过所述预紧机构紧抱动子，其伸缩作用通过所述位移转换机构传递到动子，输出位移的方向与四驱动足伸缩的方向平行。

所述预紧机构包括第一支撑体、第二支撑体、第三支撑体、第四支撑体、第一弹簧片、第二弹簧片和弹性线圈；所述第一驱动足的位移转换机构通过所述第一支撑体与所述第一弹簧片相连；所述第二驱动足的位移转换机构通过所述第二支撑体与所述第一弹簧片相连；所述第三驱动足的位移转换机构通过所述第三支撑体与所述第二弹簧片相连；所述第四驱动足的位移转换机构通过所述第四支撑体与所述第二弹簧片相连；所述弹性线圈绕在所述第一弹簧片和所述第二弹簧片的中间；所述第一驱动足、第二驱动足、第三驱动足和第四驱动足通过所述预紧机构紧抱动子，其伸缩作用通过所述位移转换机构传递到动子，输出位移的方向与四驱动足伸缩的方向平行。

所述第一支撑体、第二支撑体、第三支撑体和第四支撑体为形状大小相同的球体。

所述第一支撑机构包括固连的底座和支座，所述底座与所述基座固连，所述支座与所述第一驱动足固连用于支撑所述第一驱动足；所述第二支撑机构、第三支撑机构、第四支撑机构的结构与所述第一支撑机构的结构相同；

所述直线电机还包括转接板；所述动子通过所述转接板与所述基座固连。

本发明还采用如下技术方案：一种四足对称差动作动压电步进直线电机的电激励方式：

施加电压激励电机第一驱动足的叠层压电陶瓷、第二驱动足的叠层压电陶瓷、第三驱动足的叠层压电陶瓷和第四驱动足的叠层压电陶瓷，使四个驱动足共同作用驱动动子；具体采用如下激励方式使得动子向左移动一个步进：

对第一驱动足的叠层压电陶瓷施加上升的第一电压信号，第一驱动足伸长后所述第一电压信号保持不变；

对第三驱动足的叠层压电陶瓷施加上升的第三电压信号，第三驱动足伸长后所述第三电压保持不变；

将所述第一电压信号和所述第三电压信号实施下降，同时对第二驱动足的叠层压电陶瓷施加上升的第二电压信号，对第四驱动足的叠层压电陶瓷施加上升的第四电压信号，所述第一驱动足和所述第三驱动足回缩的同时所述第二驱动足和所述第四驱动足伸长使得动子向左移动一个步进；

将所述第二电压信号实施下降到零，使其回缩到原始位置；

将所述第四电压信号实施下降到零，使其回缩到原始位置。

采用如下激励方式使得动子向右移动一个步进：

对第四驱动足的叠层压电陶瓷施加上升的第四电压信号，第四驱动足伸长后所述第四电压信号保持不变；

对第二驱动足的叠层压电陶瓷施加上升的第二电压信号，第二驱动足伸长后所述第二电压保持不变；

将所述第二电压信号和所述第四电压信号实施下降，同时对第一驱动足的叠层压电陶瓷施加上升的第一电压信号，对第三驱动足的叠层压电陶瓷施加上升的第三电压信号，所述第四驱动足和所述第二驱动足回缩的同时所述第一驱动足和所述第三驱动足伸长使得动子向右移动一个步进；

将所述第三电压信号实施下降到零，使其回缩到原始位置；

将所述第一电压信号实施下降到零，使其回缩到原始位置。

本发明具有如下有益效果：

(1)本发明的压电步进直线电机中采用四驱动足设计，四个驱动足相对动子呈对称分布，四驱动足通过预紧机构直接紧抱动子，四驱动足的伸缩作用通过位移转换机构传递到动子，输出位移的方向与四驱动足伸缩的方向平行；当给四驱动足输入四相电压控制信号后，能够实现差动作动，从而实现大行程、大推力与高精度兼顾；

(2)本发明的压电步进直线电机的四个驱动足始终由预紧机构压紧在动子上，这使得电机具有断电自锁的能力；本发明的四个驱动足的端部采用高硬度高耐磨性的陶瓷球，这将大大提高电机的使用寿命；

(3)本发明的压电步进直线电机整体结构简单，提高了电机的装配效率，且易于实现批量化生产；

(4)本发明设计了梯形信号和三角形信号相结合的电压信号输入方式来实现四驱动足差动作动的驱动效果；工作时，只需将第一驱动足的输入信号和第四驱动足的输入信号、第三驱动足和第二驱动足的输入信号相互置换，即可实现电机反向运动。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的一种四足对称差动作动压电步进直线电机及电激励方式不局限于实施例。

附图说明

图1为本发明的四足对称差动作动压电步进直线电机的结构原理图；

图2为本发明的四个驱动足的电压信号时序图1；

图3为在图2所示的激励信号的驱动下四驱动足及动子在一个周期内的运动过程图；

图4为本发明的四个驱动足的电压信号时序图2；

图5为在图4所示的激励信号的驱动下四驱动足及动子在一个周期内的运动过程图。

附图标记：A、第一驱动足，B、第二驱动足，C、第三驱动足，D、第四驱动足，11、第一柔性万向节，12、第二柔性万向节，13、叠层压电陶瓷，14、位移转换机构，15、耐磨陶瓷球，21、第一支撑体，22、第二支撑体，23、第三支撑体，24、第四支撑体，25、第一弹簧片，26、第二弹簧片，27、弹性线圈，31、底座，32、支座，4、动子，5、转接板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1所示，一种四足对称差动作动压电步进直线电机，包括第一驱动足A、第二驱动足B、第三驱动足C、第四驱动足D、第一支撑机构、第二支撑机构、第三支撑机构、第四支撑机构、预紧机构、动子4、转接板5和基座；所述第一驱动足A、第二驱动足B、第三驱动足C和第四驱动足D相对于所述动子4呈对称分布，且所述第一驱动足A和所述第二驱动足B、所述第三驱动足C和所述第四驱动足D分别沿径向对称分布，所述第一驱动足A和所述第三驱动足C、所述第二驱动足B和所述第四驱动足D分别沿轴向对称分布；所述第一驱动足A的一端通过所述第一支撑机构与所述基座固连，另一端通过所述预紧机构紧抱所述动子4；所述第二驱动足B的一端通过所述第二支撑机构与所述基座固连，另一端通过所述预紧机构紧抱所述动子4；所述第三驱动足C的一端通过所述第三支撑机构与所述基座固连，另一端通过所述预紧机构紧抱所述动子4；所述第四驱动足D的一端通过所述第四支撑机构与所述基座固连，另一端通过所述预紧机构紧抱所述动子4；所述动子4通过所述转接板5与所述基座固连。

具体的，所述第一驱动足A包括第一柔性万向节11、第二柔性万向节12、叠层压电陶瓷13、位移转换机构14和耐磨陶瓷球15；所述第一柔性万向节11的一端与所述第一支撑机构相连，另一端与所述叠层压电陶瓷13的一端相连；所述第二柔性万向节12的一端与所述叠层压电陶瓷13的另一端相连，另一端与所述位移转换机构14相连；所述位移转换机构14通过所述耐磨陶瓷球15与所述动子相连；所述第二驱动足B、第三驱动足C、第四驱动足D的结构和所述第一驱动足A的结构相同。

具体的，所述预紧机构包括第一支撑体21、第二支撑体22、第三支撑体23、第四支撑体24、第一弹簧片25、第二弹簧片26和弹性压紧装置；所述第一驱动足A的位移转换机构通过所述第一支撑体21与所述第一弹簧片25相连；所述第二驱动足B的位移转换机构通过所述第二支撑体22与所述第一弹簧片25相连；所述第三驱动足C的位移转换机构通过所述第三支撑体23与所述第二弹簧片26相连；所述第四驱动足D的位移转换机构通过所述第四支撑体24与所述第二弹簧片26相连；所述弹性压紧装置用于压紧所述第一弹簧片25和所述第二弹簧片26，使所述第一驱动足A、第二驱动足B、第三驱动足C和第四驱动足D通过所述预紧机构紧抱动子4，其伸缩作用通过所述位移转换机构14传递到动子4，输出位移的方向与四驱动足伸缩的方向平行。给四个驱动足输入一个差动信号，使其实现差动作动。在整个驱动过程中，驱动模式仿制惯性摩擦式的驱动；预紧力的施加方式来源于尺蠖式精密驱动；差动作动能够满足大行程的要求。

具体的，所述预紧机构包括第一支撑体21、第二支撑体22、第三支撑体23、第四支撑体24、第一弹簧片25、第二弹簧片26和弹性线圈27；所述第一驱动足A的位移转换机构14通过所述第一支撑体21与所述第一弹簧片25相连；所述第二驱动足B的位移转换机构通过所述第二支撑体22与所述第一弹簧片25相连；所述第三驱动足C的位移转换机构通过所述第三支撑体23与所述第二弹簧片26相连；所述第四驱动足D的位移转换机构通过所述第四支撑体24与所述第二弹簧片26相连；所述弹性线圈27绕在所述第一弹簧片25和所述第二弹簧片26的中间，能够使四驱动足的受力均匀；所述第一驱动足A、第二驱动足B、第三驱动足C和第四驱动足D通过所述预紧机构紧抱动子4，其伸缩作用通过所述位移转换机构传递到动子，输出位移的方向与四驱动足伸缩的方向平行。

所述第一支撑体21、第二支撑体22、第三支撑体23和第四支撑体24为形状大小相同的球体，被应用在弹簧片与驱动足之间，能够使预紧力的受力均匀。

具体的，所述第一支撑机构包括固连的底座31和支座32，所述底座31与所述基座固连，所述支座32与所述第一驱动足A固连用于支撑所述第一驱动足A；所述第二支撑机构、第三支撑机构、第四支撑机构的结构与所述第一支撑机构的结构相同。

本发明实施例利用叠层压电陶瓷的逆压电效应，给叠层压电陶瓷施加的电压增大，叠层压电陶瓷伸长；电压减小，叠层压电陶瓷回缩。因此，给定一个电压信号可以实现叠层压电陶瓷的伸缩运动，可以实现轴向位移变化，将位移变化通过摩擦运动转移到动子即可实现动子的直线运动。单个叠层压电陶瓷的运动范围很小，只有几十微米，摩擦力也很小，将多个叠层压电陶瓷机械上并联，电路上串联，给定一个差动作动的驱动信号控制，实现步进驱动的行程累积，即可以实现大范围驱动；单个驱动的摩擦力很有限，多个驱动足的联合使用可以增大摩擦力，即可实现大推力的输出驱动。

进一步的，本发明使用四个驱动足来实现差动驱动控制。差动作动正常工作的要求：四只驱动足分别和动子接触，接触材料、接触面积、接触方式和预紧力完全相同，且单只足的驱动摩擦力小于动子的静摩擦力，四驱动足的驱动摩擦力之和大于动子的静摩擦力；四驱动足依次作动，动子在这个过程中静止不动；待四驱动足全部伸长后同时回缩，此时的总驱动力大于动子的静摩擦力，动子跟随驱动足前进一个步距，四驱动足再依次恢复到原长，这时候动子在惯性作用下保持不动，重复上述运动，可以实现动子不断向前步进运动。

本发明实施例还采用如下技术方案：一种四足对称差动作动压电步进直线电机的电激励方式：

施加电压激励电机第一驱动足A的叠层压电陶瓷、第二驱动足B的叠层压电陶瓷、第三驱动足C的叠层压电陶瓷和第四驱动足D的叠层压电陶瓷，使四个驱动足共同作用驱动动子运动。如图2所示，具体采用如下激励方式使得动子向左移动一个步进：

在原始阶段，输入电压信号为零，四驱动足都是原始长度，动子静止不动；

第一阶段，给A足一个电压信号，A足伸长而其他的足先不动，伸长后保持电压不变。一个足的摩擦力不足以拖动动子的运动，动子保持静止；

第二阶段，给C足一个电压信号，C足伸长而其他足保持原状，C足伸长后保持电压不变，动子静止；

第三阶段，A、C足电压下降同时B、D足电压升高，A、C足回缩的同时B、D足伸长。四足同时运动给动子一个向左的驱动摩擦力导致其克服静止摩擦力向左移动一个步进；

第四阶段，将伸长的B足电压降到零，使其伸长回缩到原来位置，动子保持不动；

第五阶段，将伸长的D足电压降到零，使其伸长回缩到原来位置，动子保持不动。

至此，叠层压电陶瓷完成一次驱动过程，动子向左移动一个叠层压电陶瓷的伸长单位，驱动足及动子在0-T时间一个周期内的运动变化如图3所示，细实线画的驱动足代表叠层压电陶瓷伸长一个步进，粗实线画的驱动足代表它们回缩到原始长度。从T到2T是另一个电压循环，动子继续执行下一个驱动过程。按此激励信号重复，就可以实现动子的持续单向步进移动。

如图4所示，采用如下激励方式使得动子向右移动一个步进：

对第四驱动足D的叠层压电陶瓷施加上升的第四电压信号，第四驱动足D伸长后所述第四电压信号保持不变；

对第二驱动足B的叠层压电陶瓷施加上升的第二电压信号，第二驱动足B伸长后所述第二电压保持不变；

将所述第二电压信号和所述第四电压信号实施下降，同时对第一驱动足A的叠层压电陶瓷施加上升的第一电压信号，对第三驱动足C的叠层压电陶瓷施加上升的第三电压信号，所述第四驱动足D和所述第二驱动足B回缩的同时所述第一驱动足A和所述第三驱动足C伸长使得动子向右移动一个步进；

将所述第三电压信号实施下降到零，使其回缩到原始位置；

将所述第一电压信号实施下降到零，使其回缩到原始位置。

至此，叠层压电陶瓷完成一次驱动过程，动子向右移动一个叠层压电陶瓷的伸长单位(即实现反向移动)，驱动足及动子在0-T时间一个周期内的运动变化如图5所示，细实线画的驱动足代表叠层压电陶瓷伸长一个步进，粗实线画的驱动足代表它们回缩到原始长度。从T到2T是另一个电压循环，动子继续执行下一个驱动过程。按此激励信号重复，就可以实现动子的持续单向步进移动。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。