紧凑型双致动组件压电粘滑驱动装置及其驱动方法

摘要

一种紧凑型双致动组件压电粘滑驱动装置及其驱动方法，以解决当前压电驱动器由于在驱动过程中摩擦力调节困难，很难实现大行程、高精度的精密运动。本发明包括工作台、双导轨动子、双驱动定子和螺纹加载器；所述双导轨动子固定安装在工作台的动子安装平面上，所述双驱动定子安装在定子安装平面上，所述螺纹加载器通过螺纹配合联接工作台和双驱动定子。本发明通过螺纹加载器实现三角双驱动机构的摩擦调控功能，可显著提升其机械输出特性，兼具结构紧凑、装配方便、定位精度高及行程大等特点。在超精加工、精密光学等微纳精密驱动与定位技术领域能够得到广泛应用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种紧凑型双致动组件压电粘滑驱动装置及其驱动方法，属于精密驱动与定位技术领域。

背景技术

随着现代科学技术的迅猛发展，微纳加工、微纳操作、精密光学、生物医学工程、航空航天等诸多前沿高科技领域发生了日新月异的变化。这些领域不断进步的同时，对其核心支撑技术——超精密驱动技术提出了更高更新的要求。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，压电驱动器在体积、精度、响应速度、输出力及功率密度等方面具有明显的综合优势，目前出现的各类新型精密驱动器极大地推动了精密驱动技术的发展，其中基于粘滑惯性驱动原理的压电驱动器由于结构紧凑、行程大、运动精度高、性能稳定可靠等优点具有良好的应用前景。但大部分压电粘滑驱动器无法在驱动过程中对摩擦力进行综合调控，导致压电粘滑驱动器的输出性能受限，限制了压电驱动器的应用和发展。

发明内容

为解决当前压电粘滑驱动器在驱动过程中摩擦力调节困难所导致的压电驱动器性能受限等技术问题，本发明公开了一种紧凑型双致动组件压电粘滑驱动装置及其驱动方法。

本发明所采用的技术方案：

所述紧凑型双致动组件压电粘滑驱动装置由工作台、双导轨动子、双驱动定子和螺纹加载器组成；所述双导轨动子固定安装在工作台的动子安装平面上，所述双驱动定子安装在定子安装平面上，所述螺纹加载器通过螺纹配合连接工作台和双驱动定子。

所述工作台可采用不锈钢材料，所述工作台包括动子安装平面、动子安装螺孔、定子安装平面、滑动轨道Ⅰ、加载台、加载螺孔和滑动轨道Ⅱ，所述动子安装螺孔设置在动子安装平面上，所述动子安装螺孔通过与固定螺栓的螺纹连接将双导轨动子固定安装在动子安装平面，所述滑动轨道Ⅰ、加载台和滑动轨道Ⅱ设置在定子安装平面上，所述滑动轨道Ⅰ与双驱动定子的梯形槽Ⅰ接触配合，所述滑动轨道Ⅱ与双驱动定子的梯形槽Ⅱ接触配合，所述加载螺孔设置在加载台上，所述螺纹加载器一端与加载螺孔螺纹连接，另一端与双驱动定子固定连接。

所述双导轨动子为双列交叉滚柱导轨，所述双导轨动子包括静导轨、外置载台螺孔、动导轨、限位螺钉、导轨固定孔、固定螺栓和滚柱滑动板，所述外置载台螺孔阵列设置在动导轨上，所述外置载台螺孔可与外围载台连接，所述动导轨与双驱动定子滑动接触，所述动导轨的厚度为M，其中M的取值范围为6~9mm，所述动导轨接触端面涂有陶瓷类或玻璃纤维类摩擦材料，所述限位螺钉安装于静导轨和动导轨的两侧，所述滚柱滑动板分别与静导轨和动导轨滑动接触，所述导轨固定孔阵列设置在静导轨上，所述导轨固定孔通过固定螺栓与动子安装螺孔的螺纹连接将静导轨固定安装在工作台上。

所述双驱动定子由三角双驱动机构、叠堆压电陶瓷、保护片和基米螺钉组成，所述三角双驱动机构采用5025铝合金、6061铝合金、7075铝合金、Ti-35A钛合金或Ti-13钛合金材料，所述三角双驱动机构设置有三角横梁、连接梁Ⅱ和底梁，所述三角横梁为等腰三角形，所述连接梁Ⅱ设置在三角双驱动机构中心，所述连接梁Ⅱ的两端分别与三角横梁和底梁刚性连接，所述三角双驱动机构的两侧对称设置有直圆柔性铰链Ⅰ、连接梁Ⅰ和直圆柔性铰链Ⅱ，所述连接梁Ⅰ前端通过直圆柔性铰链Ⅱ与三角横梁刚性连接，所述连接梁Ⅰ后端通过直圆柔性铰链Ⅰ与底梁刚性连接，所述三角横梁的底角为α，其中，底角α的取值范围为15°~45°，所述直圆柔性铰链Ⅰ和直圆柔性铰链Ⅱ的铰链厚度为h，其中，h的取值范围为0.2~0.8mm，所述三角横梁前端中心设置有半圆驱动头，所述半圆驱动头与动导轨滑动接触，所述半圆驱动头接触端面涂有陶瓷类或玻璃纤维类摩擦材料，所述半圆驱动头的竖直高度为N，其中，N=（M-2）mm，N<M可以保证有效接触面积，提高传动效率，所述底梁上设置有基米螺钉螺孔、梯形槽Ⅰ、加载通孔和梯形槽Ⅱ，所述基米螺钉安装于基米螺钉螺孔内，所述梯形槽Ⅰ和梯形槽Ⅱ对称设置在三角双驱动机构的底梁两侧，所述加载通孔内穿过螺纹加载器，所述叠堆压电陶瓷置于三角双驱动机构内，所述保护片安装于叠堆压电陶瓷与基米螺钉之间，所述保护片采用钨钢材料。

所述螺纹加载器包括加载螺栓、固定螺母、加载螺母和弹簧，所述加载螺栓穿过加载通孔，并与加载螺孔螺纹连接，所述固定螺母与加载螺栓螺纹连接将加载螺栓固定安装在双驱动定子上，所述弹簧套在加载螺栓上，并安装在固定螺母与加载台内平面之间，所述加载螺母与加载螺孔螺纹连接，安装在加载台外平面。

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，激发双驱动定子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双驱动定子与双导轨动子间的摩擦阻力；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。

本发明的有益效果是：本发明采用具有摩擦力综合调控功能的三角双驱动机构，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，实现了对压电驱动装置驱动过程摩擦力的综合调控，可显著提升压电驱动装置的输出性能，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所示为本发明提出的一种紧凑型双致动组件压电粘滑驱动装置的结构示意图；

图2所示为本发明提出的一种紧凑型双致动组件压电粘滑驱动装置的工作台结构示意图；

图3所示为本发明提出的一种紧凑型双致动组件压电粘滑驱动装置的双导轨动子结构示意图；

图4所示为本发明提出的一种紧凑型双致动组件压电粘滑驱动装置的双驱动定子结构示意图；

图5所示为本发明提出的一种紧凑型双致动组件压电粘滑驱动装置的三角双驱动机构俯视图；

图6所示为本发明提出的一种紧凑型双致动组件压电粘滑驱动装置的三角双驱动机构正视图；

图7所示为本发明提出的一种紧凑型双致动组件压电粘滑驱动装置的螺纹加载器结构示意图；

图8所示为本发明提出的一种紧凑型双致动组件压电粘滑驱动装置的复合激励信号波形示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1~图7说明本实施方式，本实施方式提供了一种紧凑型双致动组件压电粘滑驱动装置的具体实施方式，所述一种紧凑型双致动组件压电粘滑驱动装置的具体实施方式表述如下：

所述一种紧凑型双致动组件压电粘滑驱动装置由工作台1、双导轨动子2、双驱动定子3和螺纹加载器4组成；所述双导轨动子2固定安装在工作台1的动子安装平面1-1上，所述双驱动定子2安装在定子安装平面1-3上，所述螺纹加载器4通过螺纹配合连接工作台1和双驱动定子3。

所述工作台1可采用不锈钢材料，所述工作台1包括动子安装平面1-1、动子安装螺孔1-2、定子安装平面1-3、滑动轨道Ⅰ1-4、加载台1-5、加载螺孔1-6和滑动轨道Ⅱ1-7，所述动子安装螺孔1-2设置在动子安装平面1-1上，所述动子安装螺孔1-2通过与固定螺栓2-6的螺纹连接将双导轨动子2固定安装在动子安装平面1-1，所述滑动轨道Ⅰ1-4、加载台1-5和滑动轨道Ⅱ1-7设置在定子安装平面1-3上，所述滑动轨道Ⅰ1-4与滑动轨道Ⅱ1-7配合限定双驱动定子3在定子安装平面1-3上的滑动方向，所述加载螺孔1-6设置在加载台1-5上，所述加载螺孔1-6用于安装螺纹加载器4。

所述双导轨动子2为双列交叉滚柱导轨，所述双导轨动子2包括静导轨2-1、外置载台螺孔2-2、动导轨2-3、限位螺钉2-4、导轨固定孔2-5、固定螺栓2-6和滚柱滑动板2-7，所述外置载台螺孔2-2阵列设置在动导轨2-3上，所述外置载台螺孔2-2可与外围载台连接，所述动导轨2-3与双驱动定子3滑动接触，所述动导轨2-3的厚度为M，其中M的取值范围为6~9mm，本具体实施方式中M=8mm，所述动导轨2-3接触端面涂有陶瓷类或玻璃纤维类摩擦材料，所述限位螺钉2-4安装于静导轨2-1和动导轨2-3的两侧，所述限位螺钉2-4用于动导轨2-3的运动限位，所述滚柱滑动板2-7分别与静导轨2-1和动导轨2-3滑动接触，所述导轨固定孔2-5阵列设置在静导轨2-1上，所述导轨固定孔2-5通过固定螺栓2-6与动子安装螺孔1-2的螺纹连接将静导轨2-1固定安装在工作台1上。

所述双驱动定子3由三角双驱动机构3-1、叠堆压电陶瓷3-2、保护片3-3和基米螺钉3-4组成，所述三角双驱动机构3-1采用5025铝合金、6061铝合金、7075铝合金、Ti-35A钛合金或Ti-13钛合金材料，所述三角双驱动机构3-1设置有三角横梁3-1-4、连接梁Ⅱ3-1-6和底梁3-1-7，所述三角横梁3-1-4为等腰三角形，所述连接梁Ⅱ3-1-6设置在三角双驱动机构3-1中心，所述连接梁Ⅱ3-1-6的两端分别与三角横梁3-1-4和底梁3-1-7刚性连接，所述三角双驱动机构3-1的两侧对称设置有直圆柔性铰链Ⅰ3-1-1、连接梁Ⅰ3-1-2和直圆柔性铰链Ⅱ3-1-3，所述连接梁Ⅰ3-1-2前端通过直圆柔性铰链Ⅱ3-1-3与三角横梁3-1-4刚性连接，所述连接梁Ⅰ3-1-2后端通过直圆柔性铰链Ⅰ3-1-1与底梁3-1-7刚性连接，所述三角横梁3-1-4的底角为α，其中，底角α的取值范围为15°~45°，本具体实施方式中，α=15°，所述直圆柔性铰链Ⅰ3-1-1和直圆柔性铰链Ⅱ3-1-3的铰链厚度为h，其中，h的取值范围为0.2~0.8mm，本具体实施方式中，h=0.2mm，所述三角横梁3-1-4前端中心设置有半圆驱动头3-1-5，所述半圆驱动头3-1-5与动导轨2-3滑动接触，所述半圆驱动头3-1-5接触端面涂有陶瓷类或玻璃纤维类摩擦材料，所述半圆驱动头3-1-5的竖直高度为N，其中，N=（M-2）mm，N<M可以保证有效接触面积，提高传动效率，本具体实施方式中，N=6mm，所述底梁3-1-7上设置有基米螺钉螺孔3-1-8、梯形槽Ⅰ3-1-9、加载通孔3-1-10和梯形槽Ⅱ3-1-11，所述基米螺钉3-4安装于基米螺钉螺孔3-1-8内，通过改变基米螺钉3-4的旋合圈数来实现对叠堆压电陶瓷3-2的轴向预紧力的调节，所述梯形槽Ⅰ3-1-9和梯形槽Ⅱ3-1-11对称设置在三角双驱动机构3-1的底梁3-1-7两侧，所述梯形槽Ⅰ3-1-9与滑动轨道Ⅰ1-4接触配合，所述梯形槽Ⅱ3-1-11与滑动轨道Ⅱ1-7接触配合，所述加载通孔3-1-10用于安装螺纹加载器4，所述叠堆压电陶瓷3-2置于三角双驱动机构3-1内，所述保护片3-3安装于叠堆压电陶瓷3-2与基米螺钉3-4之间，其中，所述叠堆压电陶瓷3-2可采用PI或NEC公司的产品，所述保护片3-3采用钨钢材料，其用于保护叠堆压电陶瓷3-2，防止其产生切应变或局部受力不均。

所述螺纹加载器4包括加载螺栓4-1、固定螺母4-2、加载螺母4-3和弹簧4-4，所述加载螺栓4-1穿过加载通孔3-1-10，并与加载螺孔1-6螺纹连接，所述固定螺母4-2与加载螺栓4-1螺纹连接将加载螺栓4-1固定安装在双驱动定子3上，所述弹簧4-4套在加载螺栓4-1上，并安装在固定螺母4-2与加载台1-5内平面之间，所述加载螺母4-3与加载螺孔1-6螺纹连接，安装在加载台1-5外平面，由于加载螺栓4-1与双驱动定子3固定，当旋转加载螺母4-3时弹簧4-4伸缩变形，使双驱动定子3随加载螺栓4-1的移动在定子安装平面1-3上直线滑动，实现双驱动定子3与双导轨动子2之间的预紧力调节。

具体实施方式二：结合图8说明本实施方式，本实施方式提供了一种紧凑型双致动组件压电粘滑驱动装置驱动方法的具体实施方式，所述一种紧凑型双致动组件压电粘滑驱动装置驱动方法如下所示。

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，激发双驱动定子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双驱动定子与双导轨动子间的摩擦阻力；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。

工作原理：

本发明采用非对称锯齿波电信号作为激励信号，当对叠堆压电陶瓷施加高对称性的锯齿波形信号时，叠堆压电陶瓷先缓慢伸长，后快速缩短，同时由于三角双驱动机构的三角轴向刚度分布不均匀，当叠堆压电陶瓷缓慢伸长时双驱动定子与双导轨动子间为静摩擦，此时为双驱动定子对双导轨动子施加了一个逐渐增大的斜向压力，这个斜向压力可分解为法向的正压力和切向的摩擦驱动力，由于法向正压力逐渐增大，摩擦驱动力也随之逐渐增大，即可增大“粘”阶段双导轨动子的输出特性；当快速缩短时双驱动定子与双导轨动子间为动摩擦，此时双驱动定子对双导轨动子的斜向压力逐渐减小，摩擦阻力也随之逐渐减小。重复以上步骤可使双导轨动子连续运动。

综合以上所述内容，本发明提供一种紧凑型双致动组件压电粘滑驱动装置及其驱动方法，以解决当前压电驱动器由于在驱动过程中摩擦力调节困难，很难实现大行程、高精度的精密运动。本发明所提出的紧凑型双致动组件压电粘滑驱动装置，兼具结构紧凑、装配方便、定位精度高及行程大等特点。通过使用具有摩擦调控功能的三角双驱动机构可显著提升其机械输出特性，在超精加工、精密光学等微纳精密驱动与定位技术领域能够得到广泛应用。