單鉤型位移轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)及其激勵方法
【專利摘要】一種單鉤型位移轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)及其激勵方法，以解決當(dāng)前壓電粘滑直線電機(jī)由于摩擦力綜合調(diào)控困難所導(dǎo)致的輸出機(jī)械性能受限等問題。本發(fā)明由加載機(jī)構(gòu)、單鉤型定子和動子組成；所述定子的單鉤型菱形位移放大轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)具有微位移放大功能，由于其軸向剛度分布不均產(chǎn)生側(cè)向位移的同時又增大了摩擦驅(qū)動力，減小了摩擦阻力；同時將摩擦調(diào)控波耦合疊加于單鉤型定子快速變形階段的鋸齒驅(qū)動波中，從而降低快速變形階段定、動子間摩擦阻力，實現(xiàn)對摩擦力的綜合調(diào)控，顯著提升壓電粘滑直線電機(jī)的機(jī)械輸出特性。本發(fā)明因具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、裝配方便、定位精度高以及行程不受限等優(yōu)點可廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體加工等微納精密驅(qū)動與定位技術(shù)領(lǐng)域。
【專利說明】
單鉤型位移轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)及其激勵方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種單鉤型位移轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)及其激勵方法，屬于微納精密驅(qū)動與定位技術(shù)領(lǐng)域。【背景技術(shù)】
[0002]壓電粘滑直線電機(jī)是一種基于壓電元件的逆壓電效應(yīng)，在非對稱電信號激勵下激發(fā)定子(或稱振子)產(chǎn)生微幅高頻振動，利用定子與動子間的摩擦耦合實現(xiàn)機(jī)械能輸出的微納精密壓電粘滑直線電機(jī)。按照驅(qū)動原理的不同，壓電粘滑直線電機(jī)主要分為共振型壓電電機(jī)(也稱超聲波電機(jī))與非共振型壓電電機(jī)(也稱壓電粘滑電機(jī))兩大類。與共振型壓電電機(jī)相比，壓電粘滑直線電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、控制方便、定位精度高及行程大等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體加工、精密光學(xué)儀器等微納精密驅(qū)動與定位技術(shù)領(lǐng)域。
[0003]壓電粘滑驅(qū)動主要是將鋸齒激勵電信號施加于壓電元件，激發(fā)定子產(chǎn)生快慢交替的運動變形，控制定子與動子在“粘”和“滑”兩種運動狀態(tài)之間相互轉(zhuǎn)換，利用摩擦力驅(qū)動動子實現(xiàn)機(jī)械運動輸出。然而，由于壓電粘滑驅(qū)動緩慢與快速變形驅(qū)動階段，定子與動子間摩擦力發(fā)揮的不同作用，具體為緩慢變形驅(qū)動階段時表現(xiàn)為摩擦驅(qū)動力，而快速變形驅(qū)動階段時表現(xiàn)為摩擦阻力。已有公開技術(shù)表明當(dāng)前壓電粘滑直線電機(jī)無法實現(xiàn)對整個粘滑驅(qū)動過程的摩擦力進(jìn)行綜合調(diào)控，導(dǎo)致其輸出機(jī)械性能受限。特別在定子的快速變形驅(qū)動階段，由于動子所受摩擦力與其運動方向相反，當(dāng)動子慣性力不足以克服該摩擦阻力時，將會導(dǎo)致動子產(chǎn)生回退運動，表現(xiàn)為類鋸齒狀的不平穩(wěn)運動輸出，劣化輸出性能，已有鋸齒激勵電信號無法實現(xiàn)對壓電粘滑直線電機(jī)快速變形驅(qū)動階段的摩擦力進(jìn)行調(diào)控，進(jìn)一步限制壓電粘滑直線電機(jī)的應(yīng)用與發(fā)展。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為解決已有壓電粘滑直線電機(jī)由于定子與動子間摩擦綜合調(diào)控困難，所導(dǎo)致的機(jī)械輸出特性受限，產(chǎn)生類鋸齒狀不平穩(wěn)運動輸出，劣化輸出性能等技術(shù)問題，本發(fā)明公開一種單鉤型位移轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)及其激勵方法。
[0005]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:所述單鉤型位移轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)包括加載機(jī)構(gòu)、單鉤型定子和動子。
[0006]所述加載機(jī)構(gòu)由下滑臺、上滑臺和手動調(diào)節(jié)螺釘組成。所述下滑臺設(shè)置有固定螺釘、鎖緊保持架和鎖緊螺栓，用于實現(xiàn)對上滑臺安裝固定;所述下滑臺設(shè)置有手動調(diào)節(jié)螺釘安裝孔，通過與手動調(diào)節(jié)螺釘?shù)穆菁y連接實現(xiàn)單鉤型定子的預(yù)緊力調(diào)節(jié);所述下滑臺設(shè)置有下彈簧固定銷和預(yù)壓彈簧，用于實現(xiàn)上滑臺的回程運動;所述下滑臺設(shè)置有內(nèi)側(cè)固定導(dǎo)軌，內(nèi)側(cè)固定導(dǎo)軌設(shè)置有下導(dǎo)軌限位螺釘，避免上滑臺滑動過程中脫離下滑臺。所述下滑臺設(shè)置有滾珠保持架組件，用于使上滑臺與下滑臺間接接觸;所述下滑臺設(shè)置有動子安裝基面和動子安裝螺紋孔，通過動子安裝螺紋孔將動子固定在動子安裝基面上;所述下滑臺設(shè)置有沉頭孔，通過沉頭孔與外圍臺面連接固定。所述上滑臺設(shè)置有橫向鉸鏈安裝孔和縱向鉸鏈安裝孔，用于安裝定子;所述上滑臺設(shè)置有外安裝孔和呈垂直對稱分布的內(nèi)安裝孔;所述上滑臺設(shè)置有上導(dǎo)軌限位螺釘，用于限制上滑臺的運動范圍；所述上滑臺設(shè)置有上彈簧固定銷，用于固定預(yù)壓彈簧的另一端，所述上滑臺側(cè)面設(shè)置有鎖緊螺紋孔，通過與鎖緊螺栓的螺紋連接固定上滑臺；所述上滑臺設(shè)置有外側(cè)移動導(dǎo)軌，通過外側(cè)移動導(dǎo)軌帶動上滑臺的移動。所述手動調(diào)節(jié)螺釘與手動調(diào)節(jié)螺釘安裝孔采用螺紋連接，通過調(diào)節(jié)手動調(diào)節(jié)螺釘?shù)男M(jìn)量可以改變上滑臺的位置，實現(xiàn)加載機(jī)構(gòu)對單鉤型定子的預(yù)緊力調(diào)節(jié)。
[0007]所述單鉤型定子包括單鉤型菱形位移放大轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、壓電堆疊、預(yù)緊調(diào)整螺栓和墊片。所述單鉤型菱形位移放大轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)設(shè)置有定子安裝孔，通過定子安裝孔可將單鉤型定子與上滑臺固定;所述單鉤型菱形位移放大轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)設(shè)置有單鉤型菱形鉸鏈，可以將壓電堆疊的微位移放大。所述單鉤型菱形鉸鏈設(shè)置有鉸鏈短軸和鉸鏈長軸，通過改變鉸鏈長短軸的比值，可改變微位移的放大倍數(shù);所述單鉤型菱形位移放大轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)設(shè)置有柔性梁和剛性梁，通過改變剛性梁與柔性梁的壁厚比值，可以將壓電堆疊產(chǎn)生的微位移進(jìn)一步放大。所述單鉤型菱形位移放大轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)設(shè)置有驅(qū)動足，用于驅(qū)動動子運動;所述單鉤型菱形位移放大轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)設(shè)置有單鉤型鉸鏈運動轉(zhuǎn)換器，用于改變單鉤型定子的軸向偏轉(zhuǎn)剛度， 將壓電堆疊受到鋸齒波激勵電信號時產(chǎn)生的微位移轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)化為驅(qū)動足的側(cè)向位移。由于單鉤型定子的軸向剛度分布不均既產(chǎn)生側(cè)向位移，又可增大緩慢變形驅(qū)動階段時摩擦驅(qū)動力，減小快速變形驅(qū)動階段時摩擦阻力，實現(xiàn)對摩擦力的綜合調(diào)控。所述單鉤型菱形位移放大轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)設(shè)置有預(yù)緊調(diào)整螺栓安裝孔，用于壓電堆疊的預(yù)緊固定。所述壓電堆疊的前后端面與預(yù)緊調(diào)整螺栓之間設(shè)置有墊片，其目的是保護(hù)壓電堆疊，防止其局部應(yīng)力集中。通過改變預(yù)緊調(diào)整螺栓的旋進(jìn)量，可以通過墊片間接的對壓電堆疊的軸向預(yù)緊力調(diào)節(jié)。
[0008]所述動子包括固定滑軌、滾柱保持架、雙列交叉滾柱導(dǎo)軌安裝螺栓、運動滑軌和端部限位螺釘;所述固定滑軌通過動子安裝螺紋孔固定安裝在動子安裝基面上，所述滾柱保持架為運動滑軌的滑動提供支撐;所述雙列交叉滾柱導(dǎo)軌安裝螺栓用于安裝固定滑軌，所述端部限位螺釘用于限制運動滑軌移動范圍。
[0009]所述激勵方法中所采用的耦合激勵電信號由摩擦調(diào)控波耦合疊加于定子快速變形階段的驅(qū)動波中，所述驅(qū)動波為鋸齒波，摩擦調(diào)控波為正弦波;所述激勵方法可減小快速變形驅(qū)動階段定子與動子之間的摩擦阻力，抑制回退運動產(chǎn)生，其中鋸齒驅(qū)動波周期為Ti， 激勵電壓幅值為％，對稱性為D，微幅摩擦正弦調(diào)控波周期為T2,激勵電壓幅值為V2,鋸齒驅(qū)動波與微幅摩擦正弦調(diào)控波的周期比為Ti/TelO?100000,激勵電壓幅值比為W/V2大于2。
[0010]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明采用具有摩擦力綜合調(diào)控功能的單鉤型定子結(jié)構(gòu)，并通過耦合激勵電信號進(jìn)行激勵，增大單鉤型定子緩慢變形驅(qū)動階段單鉤型定子與動子間摩擦驅(qū)動力，降低單鉤型定子快速變形驅(qū)動階段單鉤型定子與動子間摩擦阻力，實現(xiàn)對壓電粘滑直線電機(jī)整個驅(qū)動過程的摩擦力進(jìn)行綜合調(diào)控，可顯著提升壓電粘滑直線電機(jī)的機(jī)械輸出特性，降低其位移回退率，開環(huán)條件下定位精度可達(dá)納米級。與當(dāng)前已有技術(shù)相比，壓電粘滑直線電機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊與控制方便等優(yōu)點，輸出力提升10%以上，輸出速度提升30%以上，輸出效率提升40%以上?！靖綀D說明】
[0011]圖1所示為本發(fā)明提出的單鉤型位移轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2所示為本發(fā)明提出的單鉤型位移轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)的加載機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖；圖3所示為本發(fā)明提出的單鉤型位移轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)的下滑臺結(jié)構(gòu)示意圖；圖4所示為本發(fā)明提出的單鉤型位移轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)的上滑臺俯視結(jié)構(gòu)示意圖；圖5所示為本發(fā)明提出的單鉤型位移轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)的上滑臺仰視結(jié)構(gòu)示意圖；圖6所示為本發(fā)明提出的單鉤型位移轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)的單鉤型定子結(jié)構(gòu)示意圖；圖7所示為本發(fā)明提出的單鉤型位移轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)的單鉤型菱形位移放大轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8所示為本發(fā)明提出的單鉤型位移轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)的單鉤型菱形位移放大轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)局部俯視結(jié)構(gòu)示意圖；圖9所示為本發(fā)明提出的單鉤型位移轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)的單鉤型菱形位移放大轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖；圖10所示為本發(fā)明提出的單鉤型位移轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)的動子結(jié)構(gòu)示意圖； 圖11所示為本發(fā)明提出的單鉤型位移轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)的耦合激勵電信號波形示意圖?！揪唧w實施方式】
[0012]【具體實施方式】一:結(jié)合圖1?圖10說明本實施方式。本實施方式提供一種單鉤型位移轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)的具體實施方案。所述一種單鉤型位移轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)包括加載機(jī)構(gòu)1、單鉤型定子2和動子3。
[0013]所述加載機(jī)構(gòu)1由下滑臺1-1、上滑臺1-2和手動調(diào)節(jié)螺釘1-3組成，其中加載機(jī)構(gòu)1 的下滑臺1-1和上滑臺1-2均采用高碳鋼材料。所述下滑臺1-1設(shè)置有固定螺釘1-1-1、鎖緊保持架1-1-2和鎖緊螺栓1-1-3,用于對上滑臺1-2的連接固定，防止在電機(jī)工作過程中加載的上滑臺1-2發(fā)生移動;所述下滑臺1-1設(shè)置有手動調(diào)節(jié)螺釘安裝孔1-1-4,通過手動調(diào)節(jié)螺釘安裝孔1-1-4與手動調(diào)節(jié)螺釘1-3的螺紋連接，實現(xiàn)單鉤型定子2的預(yù)緊力調(diào)節(jié);所述下滑臺1-1設(shè)置有下彈簧固定銷1-1-5和預(yù)壓彈簧1-1-6,用于實現(xiàn)上滑臺1-2的回程運動;所述下滑臺1-1設(shè)置有內(nèi)側(cè)固定導(dǎo)軌1-1-7,內(nèi)側(cè)固定導(dǎo)軌1-1-7設(shè)置有下導(dǎo)軌限位螺釘1-1-11， 避免上滑臺1-2滑動過程中脫離下滑臺1-1;所述下滑臺1-1設(shè)置有滾珠保持架組件1-1-12， 用于輔助上滑臺1-2運動;所述下滑臺1-1設(shè)置有動子安裝基面1-1-8和動子安裝螺紋孔1-1-9,用于安裝固定動子3;所述下滑臺1-1設(shè)置有沉頭孔1-1-10,用于與外圍臺面固連。所述上滑臺1-2設(shè)置有橫向鉸鏈安裝孔1-2-1和縱向鉸鏈安裝孔1-2-3，用于安裝單鉤型定子2; 所述上滑臺1-2設(shè)置有4n個外安裝孔1-2-5和呈垂直對稱分布的內(nèi)安裝孔1-2-2，其中n為大于等于1的整數(shù);所述上滑臺1-2設(shè)置有上4m個上導(dǎo)軌限位螺釘1-2-4,其中m為大于等于1的整數(shù)，用于限制上滑臺1-2的運動范圍，避免上滑臺1-2滑出下滑臺1-1。所述上滑臺1-2設(shè)置有上彈簧固定銷1-2-6,通過與下彈簧固定銷1-1-5同時使用來固定預(yù)壓彈簧1-1-6;所述上滑臺1-2側(cè)面設(shè)置有鎖緊螺紋孔1-2-7，通過與鎖緊螺栓1-1-3螺紋連接固定上滑臺1-2;所述上滑臺1-2設(shè)置有外側(cè)移動導(dǎo)軌1-2-8,用于帶動上滑臺1-2的移動。所述手動調(diào)節(jié)螺釘1-3與手動調(diào)節(jié)螺釘安裝孔1-1-4采用螺紋連接，通過調(diào)整手動調(diào)節(jié)螺釘1-3的旋進(jìn)量可以調(diào)節(jié)上滑臺1-2的位置，實現(xiàn)加載機(jī)構(gòu)1對單鉤型定子2的預(yù)緊力調(diào)節(jié)。
[0014]所述單鉤型定子2包括單鉤型菱形位移放大轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)2-1、壓電堆疊2-2、預(yù)緊調(diào)整螺栓2-3和墊片2-4。所述單鉤型菱形位移放大轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)2-1設(shè)置有定子安裝孔2-1-1，通過定子安裝孔2-1-1將單鉤型菱形位移放大轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)2-1與上滑臺1-2固定;所述單鉤型菱形位移放大轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)2-1設(shè)置有單鉤型菱形鉸鏈2-1-2,其材料可以采用5052鋁合金材料，可將壓電堆疊2-2的微位移放大。所述單鉤型菱形鉸鏈2-1-2設(shè)置有鉸鏈短軸和鉸鏈長軸。具體地，鉸鏈短軸長度為P，鉸鏈長軸長度為Q，其長短軸長度的比值K=Q/P為單鉤型菱形鉸鏈 2-1-2在垂直于驅(qū)動方向的微位移放大倍數(shù)，其微位移放大倍數(shù)K取值為1?6，調(diào)整K值，可改變單鉤型定子的微位移放大倍數(shù)K，本實施方式中選取K=6。所述單鉤型菱形位移放大轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)2-1設(shè)置有柔性梁2-1-6和剛性梁2-1-7。具體地，剛性梁的壁厚均為B，柔性梁的壁厚為 A，柔性梁2-1-6與剛性梁2-1-7壁厚的比值為e=A/B，e取值為0.75?0.95，可將受到鋸齒波電信號激勵下的壓電堆疊2-2產(chǎn)生的微位移進(jìn)一步放大，本實施方式中柔性梁2-1-6與剛性梁 2-1-7壁厚比值e=0.8。所述單鉤型菱形位移放大轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)2-1設(shè)置有驅(qū)動足2-1-3,其端面涂有摩擦材料，通過驅(qū)動足2-1-3驅(qū)動動子3運動。具體地，所述驅(qū)動足2-1-3的厚度為M，改變M值可以改變驅(qū)動足2-1-3的剛度，當(dāng)其厚度M小于動子3接觸面寬度H的1?2.5 mm時，可以實現(xiàn)較好的驅(qū)動效果;本實施方式中驅(qū)動足2-1-3的厚度M=H — 1。所述單鉤型菱形位移放大轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)2-1設(shè)置有單鉤型鉸鏈運動轉(zhuǎn)換器2-1-4。具體地，單鉤型鉸鏈運動轉(zhuǎn)換器2-1-4具有的內(nèi)外圓角半徑分別為Ri和R2，其中s=R2M=3?5，調(diào)節(jié)s值的大小，可以改變單鉤型定子2 的軸向偏轉(zhuǎn)剛度，并將壓電堆疊2-2軸向振動產(chǎn)生的微位移轉(zhuǎn)換為驅(qū)動足2-1-3的側(cè)向位移。由于單鉤型定子2的軸向剛度分布不均既產(chǎn)生側(cè)向位移，又增大緩慢變形驅(qū)動階段時摩擦驅(qū)動力，并減小快速變形驅(qū)動階段時摩擦阻力，實現(xiàn)對摩擦力的綜合調(diào)控;本實施方式中圓角半徑的比值s取值為4。所述單鉤型鉸鏈運動轉(zhuǎn)換器2-1-4沿鉸鏈短軸方向的長度為Z， 其與鉸鏈短軸長度P滿足的比例關(guān)系為N=Z/P，其中比例N滿足的范圍在0.8?1.2之間；本實施方式中選取的比例值N=l。所述單鉤型菱形位移放大轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)2-1設(shè)置有預(yù)緊調(diào)整螺栓安裝孔2-1-5,用于壓電堆疊2-2的預(yù)緊固定。所述壓電堆疊2-2可以是PI公司的壓電堆疊產(chǎn)品，所述壓電堆疊2-2的前后端面與預(yù)緊調(diào)整螺栓2-3之間設(shè)置有墊片2-4,所述墊片2-4采用不銹鋼材料，其厚度在2?3 _范圍時效果最佳;本實施方式中墊片厚度選用2 _。其目的是保護(hù)壓電堆疊2-2,防止其局部產(chǎn)生應(yīng)力集中。所述調(diào)整預(yù)緊調(diào)整螺栓2-3與預(yù)緊調(diào)整螺栓安裝孔2-1-5采用螺紋連接，用于實現(xiàn)對壓電堆疊2-2的軸向預(yù)緊力調(diào)節(jié)。
[0015]所述動子3包括固定滑軌3-1、滾柱保持架3-2、雙列交叉滾柱導(dǎo)軌安裝螺栓3-3、運動滑軌3-4和端部限位螺釘3-5。所述固定滑軌3-1通過動子安裝螺紋孔1-1-9固定于動子安裝基面1-1-8上，所述運動滑軌3-4端面涂有陶瓷類摩擦材料，所述滾柱保持架3-2為運動滑軌3-4的滑動提供支撐，所述雙列交叉滾柱導(dǎo)軌安裝螺栓3-3用于安裝固定滑軌3-1，所述端部限位螺釘3-5用于限制運動滑軌3-4運動范圍，避免其滑出固定滑軌3-1。
[0016]【具體實施方式】二:結(jié)合圖11說明本實施方式。本實施方式提供一種單鉤型位移轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)激勵方法的具體實施方案。所述一種單鉤型位移轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)的激勵方法如下所示。
[0017]所述激勵方法中所采用的復(fù)合激勵電信號由摩擦調(diào)控波復(fù)合疊加于定子快速變形階段的鋸齒驅(qū)動波中，所述摩擦調(diào)控波可為正弦波。其中，鋸齒驅(qū)動波周期為Ti，激勵電壓幅值SVi，對稱性為D，微幅摩擦正弦調(diào)控波周期為T2，激勵電壓幅值為V2，鋸齒驅(qū)動波與微幅摩擦正弦調(diào)控波的周期比為IVTf1?100000,激勵電壓幅值比為W/V2大于2。
[0018]工作原理:單鉤型位移轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)的激勵方法主要是在耦合電信號激勵下，綜合調(diào)控單鉤型定子與動子間的摩擦力，進(jìn)而提升壓電粘滑直線電機(jī)的機(jī)械輸出特性。其中，在單鉤型定子緩慢變形驅(qū)動階段，動子在靜摩擦力作用下隨著定子一起發(fā)生緩慢的“粘”運動，此時靜摩擦力提供驅(qū)動力，增大單鉤型定子與動子間摩擦力可提升電機(jī)輸出性能;在單鉤型定子快速變形驅(qū)動階段，單鉤型定子與動子間產(chǎn)生的滑動摩擦力為摩擦阻力，特別是當(dāng)動子慣性力不足以克服該摩擦阻力時，將會導(dǎo)致動子產(chǎn)生回退運動，微觀上表現(xiàn)為類鋸齒狀的不平穩(wěn)運動，劣化輸出性能，影響定位精度，此時設(shè)法降低單鉤型定子與動子滑動摩擦阻力，可改善電機(jī)綜合輸出特性。本發(fā)明的單鉤型定子由于采用單鉤型菱形位移放大轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，使得單鉤型定子軸向剛度分布不均勻，激發(fā)單鉤型定子驅(qū)動端產(chǎn)生側(cè)向位移，調(diào)整單鉤型定子與動子間接觸的正壓力，即在單鉤型定子緩慢變形驅(qū)動階段，增大單鉤型定子與動子間接觸的正壓力，進(jìn)而增加單鉤型定子與動子間的摩擦驅(qū)動力，在單鉤型定子快速變形驅(qū)動階段，減小單鉤型定子與動子間接觸的正壓力，進(jìn)而減小單鉤型定子與動子間的摩擦阻力，實現(xiàn)對緩慢變形驅(qū)動階段摩擦驅(qū)動力與快速變形驅(qū)動階段摩擦阻力的綜合調(diào)控，提升整機(jī)輸出性能。同時，本發(fā)明通過將摩擦調(diào)控波復(fù)合疊加于單鉤型定子快速變形階段的鋸齒驅(qū)動波中，激發(fā)單鉤型定子處于振動狀態(tài)，從而降低快速變形驅(qū)動階段定、動子間摩擦阻力，抑制回退運動產(chǎn)生，可顯著提升壓電粘滑直線電機(jī)的機(jī)械輸出特性。
[0019]綜合以上所述內(nèi)容，本發(fā)明提供一種單鉤型位移轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)及其激勵方法，解決當(dāng)前壓電粘滑直線電機(jī)由于摩擦力綜合調(diào)控困難所導(dǎo)致的輸出機(jī)械性能受限等問題。通過單鉤型定子的單鉤型鉸鏈運動轉(zhuǎn)換器既產(chǎn)生側(cè)向位移，又可增大摩擦驅(qū)動力，減小摩擦阻力；同時將摩擦調(diào)控波耦合疊加于單鉤型定子快速變形階段的鋸齒驅(qū)動波中，降低快速變形階段定、動子間摩擦阻力，降低位移回帶率，實現(xiàn)對摩擦力的綜合調(diào)控，顯著提升壓電粘滑直線電機(jī)的機(jī)械輸出特性。本發(fā)明因具有結(jié)構(gòu)緊湊、控制方便、定位精度高以及行程不受限等優(yōu)點可廣泛應(yīng)用于光學(xué)精密儀器、半導(dǎo)體加工等微納精密驅(qū)動與定位技術(shù)領(lǐng)域。
【主權(quán)項】
1.一種單鉤型位移轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)，其特征在于該單鉤型位移轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)壓 電粘滑直線電機(jī)由加載機(jī)構(gòu)(1)、單鉤型定子(2)和動子(3)組成;所述單鉤型定子(2)固定 安裝在加載機(jī)構(gòu)(1)上，動子(3)固定安裝在加載機(jī)構(gòu)(1)上。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單鉤型位移轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)，其特征在于加 載機(jī)構(gòu)(1)由下滑臺(1-1)、上滑臺(1-2)和手動調(diào)節(jié)螺釘(1-3)組成;所述下滑臺(1-1)設(shè)置 有固定螺釘(1-1-1)、鎖緊保持架(1-1-2)和鎖緊螺栓(1-1-3);下滑臺(1-1)設(shè)置有手動調(diào) 節(jié)螺釘安裝孔(1-1-4)，通過與手動調(diào)節(jié)螺釘(1-3)采用螺紋連接的方式緊固單鉤型定子 (2);下滑臺(1-1)設(shè)置有下彈簧固定銷(1-1-5)和預(yù)壓彈簧(1-1-6)，通過下彈簧固定銷(1-1-5)與預(yù)壓彈簧(1-1-6)—端固定;下滑臺(1-1)設(shè)置有內(nèi)側(cè)固定導(dǎo)軌(1-1-7)，內(nèi)側(cè)固定導(dǎo) 軌(1-1-7)設(shè)置有下導(dǎo)軌限位螺釘(1-1-11)和滾珠保持架組件(1-1-12);下滑臺設(shè)置有動 子安裝基面(1-1-8)和動子安裝螺紋孔(1-1-9)，通過動子安裝螺紋孔(1-1-9)將動子(3)固 定在動子安裝基面(1-1-8)上，下滑臺(1-1)設(shè)置有沉頭孔(1-1-10);所述上滑臺(1-2)設(shè)置 有橫向鉸鏈安裝孔(1-2-1)和縱向鉸鏈安裝孔(1-2-3)，上滑臺(1-2)設(shè)置有外安裝孔(1-2-5)和呈垂直對稱分布的內(nèi)安裝孔(1-2-2);上滑臺(1-2)的端部安裝有上導(dǎo)軌限位螺釘(1-2-4)，上滑臺(1-2)設(shè)置有上彈簧固定銷(1-2-6)，通過上彈簧固定銷(1-2-6)與預(yù)壓彈簧 (1-1-6)另一端固定;上滑臺(1-2)側(cè)面設(shè)置有鎖緊螺紋孔(1-2-7)和外側(cè)移動導(dǎo)軌(1-2-8);所述手動調(diào)節(jié)螺釘(1-3)通過與手動調(diào)節(jié)螺釘安裝孔(1-1-4)采用螺紋連接緊固單鉤型 定子(2)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單鉤型位移轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)，其特征在于單 鉤型定子(2)包括單鉤型菱形位移放大轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)(2-1)、壓電堆疊(2-2)、預(yù)緊調(diào)整螺栓(2-3)和墊片(2-4);所述單鉤型菱形位移放大轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)(2-1)設(shè)置有定子安裝孔(2-1-1)，通過 定子安裝孔(2-1-1)將單鉤型定子(2)與加載機(jī)構(gòu)(1)安裝固定，單鉤型菱形位移放大轉(zhuǎn)換 機(jī)構(gòu)(2-1)設(shè)置有單鉤型菱形鉸鏈(2-1-2)，單鉤型菱形位移放大轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)(2-1)設(shè)置有驅(qū) 動足(2-1-3)和單鉤型鉸鏈運動轉(zhuǎn)換器(2-1-4)，單鉤型菱形位移放大轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)(2-1)設(shè)置 有預(yù)緊調(diào)整螺栓安裝孔(2-1-5)，通過預(yù)緊調(diào)整螺栓安裝孔(2-1-5)與預(yù)緊調(diào)整螺栓(2-3) 采用螺紋連接固定壓電堆疊(2-2);所述壓電堆疊(2-2)的前后端面與預(yù)緊調(diào)整螺栓(2-3) 之間設(shè)置有墊片(2-4)。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的單鉤型位移轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)，其特征在于單鉤型 定子(2)的單鉤型菱形鉸鏈(2-1-2)設(shè)置有鉸鏈短軸和鉸鏈長軸，鉸鏈短軸長度為P，鉸鏈長 軸長度為Q，其長軸與短軸的比值K=Q/P為單鉤型菱形鉸鏈(2-1-2)在垂直于驅(qū)動方向的微 位移放大倍數(shù)，微位移放大倍數(shù)K取值為1?6。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的單鉤型位移轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)，其特征在于單鉤型 定子(2)的單鉤型菱形位移放大轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)(2-1)設(shè)置有單鉤型鉸鏈運動轉(zhuǎn)換器(2-1-4)，單 鉤型鉸鏈運動轉(zhuǎn)換器(2-1-4)具有的內(nèi)、外圓角半徑分別為辦和辦，其圓角半徑的比值s=R2/ Ri取值為3~5。6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種單鉤型位移轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)，其特征在于單 鉤型定子(2)的單鉤型菱形位移放大轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)(2-1)可以采用5052鋁合金、6061鋁合金、 7075鋁合金、T1-35A鈦合金或T1-13鈦合金材料。7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種單鉤型位移轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)，其特征在于單鉤型定子(2)的驅(qū)動足(2-1-3)端面涂有陶瓷類或玻璃纖維類摩擦材料。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單鉤型位移轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)，其特征在于動 子(3)包括固定滑軌(3-1)、滾柱保持架(3-2)、雙列交叉滾柱導(dǎo)軌安裝螺栓(3-3)、運動滑軌 (3-4)和端部限位螺釘(3-5);所述固定滑軌(3-1)通過雙列交叉滾柱導(dǎo)軌安裝螺栓(3-3)和 動子安裝螺紋孔(1-1-9)固定于動子安裝基面(1-1-8)上，運動滑軌(3-4)端面涂有陶瓷類 摩擦材料。9.一種單鉤型位移轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)激勵方法，該激勵方法基于權(quán)利要求1 所述的單鉤型位移轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)壓電粘滑直線電機(jī)實現(xiàn);所述激勵方法特征在于驅(qū)動波為鋸齒 波，摩擦調(diào)控波為正弦波，其中鋸齒驅(qū)動波周期為Ti，激勵電壓幅值為h，對稱性為D，微幅摩 擦正弦調(diào)控波周期為T2,激勵電壓幅值為％，鋸齒驅(qū)動波與微幅摩擦正弦調(diào)控波的周期比為 TVTflO?100000,激勵電壓幅值比為WV2大于2。
【文檔編號】H02N2/02GK106059380SQ201610386928
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月6日
【發(fā)明人】盧曉暉, 程廷海, 陳棟, 李哲, 田麗雅, 王拓
【申請人】長春工業(yè)大學(xué)