[发明专利]斜拉式菱形放大机构压电粘滑直线电机及其激励方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种斜拉式菱形放大机构压电粘滑直线电机及其激励方法，属于微纳精密驱动与定位技术领域。

背景技术

压电粘滑直线电机是一种基于压电元件的逆压电效应，在非对称电信号激励下激发定子（或称振子）产生微幅高频振动，利用定子与动子间的摩擦耦合实现机械能输出的微纳精密压电粘滑直线电机。按照驱动原理的不同，压电粘滑直线电机主要分为共振型压电电机（也称超声波电机）与非共振型压电电机（也称压电粘滑电机）两大类。与共振型压电电机相比，压电粘滑直线电机具有结构简单紧凑、容易装配、控制方便、定位精度高等特点，被广泛应用于半导体加工、精密光学仪器等微纳精密驱动与定位技术领域。

压电粘滑驱动主要是将锯齿激励电信号施加于压电元件，激发定子产生快慢交替的运动变形，控制定子与动子在“粘”和“滑”两种运动状态之间相互转换，利用摩擦力驱动动子实现机械运动输出。然而，由于压电粘滑驱动缓慢与快速变形驱动阶段，定子与动子间摩擦力起到不同作用，具体为缓慢变形驱动阶段时表现为摩擦驱动力，而快速变形驱动阶段时表现为摩擦阻力。已有公开技术表明当前压电粘滑直线电机无法实现对整个粘滑驱动过程的摩擦力进行综合调控，导致其输出机械性能受限。特别在定子的快速变形驱动阶段，由于动子所受摩擦力与其运动方向相反，当动子惯性力不足以克服该摩擦阻力时，将会导致动子产生回退运动，表现为类锯齿状的不平稳运动输出，劣化输出性能，已有锯齿激励电信号无法实现对压电粘滑直线电机快速变形驱动阶段的摩擦力进行调控，进一步限制压电粘滑直线电机的应用与发展。

发明内容

为解决已有压电粘滑直线电机由于定子与动子间摩擦综合调控困难，所导致的机械输出特性受限，产生类锯齿状不平稳运动输出，劣化输出性能等技术问题，本发明公开一种斜拉式菱形放大机构压电粘滑直线电机及其激励方法。

本发明所采用的技术方案是：

所述斜拉式菱形放大机构压电粘滑直线电机由预压力装置、斜拉式定子和动子组成。

所述预压力装置由下滑台、上滑台和手动调节螺杆组成；所述下滑台设置有动子安装孔和动子安装基面，用于安装固定动子；所述下滑台底部设置有沉头孔，用于与外围装置固定连接；所述下滑台内部设置有内侧固定导轨，用于辅助上滑台沿内侧固定导轨做直线运动，内侧固定导轨设置有下导轨安装螺钉，用于避免上滑台滑出内侧固定导轨。所述下滑台设置有滚珠保持架组件，用于实现上滑台的运动传递；所述下滑台设置有下弹簧固定螺钉和预压弹簧，用于实现上滑台的回程运动；所述下滑台设置有固定螺钉、固定保持架和锁紧螺杆，用于对上滑台的锁紧固定；所述下滑台设置有手动调节螺杆安装孔，用于斜拉式定子的预紧力调节。所述上滑台设置有铰链安装孔，用于斜拉式定子的安装固定；所述上滑台设置有上导轨安装螺钉，用来限制上滑台的运动范围；所述上滑台设置有上弹簧固定螺钉，用于固定预压弹簧的另一端，并可以实现上滑台的单自由度往复直线运动。所述上滑台侧面设置有固定螺纹孔，用于与锁紧螺杆进行螺纹连接，实现上滑台的固定；所述上滑台设置有外侧移动导轨，用于带动上滑台移动。所述手动调节螺杆与手动调节螺杆安装孔进行螺纹连接，实现预压装置对斜拉式定子的预紧力调节。

所述斜拉式定子由斜拉式菱形运动转换机构、调整垫片、压电堆叠和预紧螺钉组成。所述斜拉式菱形运动转换机构设置有铰链固定孔，使其与上滑台紧固连接；所述斜拉式菱形运动转换机构设置有斜拉式菱形铰链，可将在锯齿波激励下压电堆叠产生的微位移放大。所述斜拉式菱形铰链设置有铰链短轴和铰链长轴，用于调节菱形柔性铰链的微位移放大倍数。所述斜拉式菱形铰链设置有柔性梁和刚性梁，可进一步将斜拉式定子振动产生的微位移放大；所述斜拉式菱形运动转换机构设置有运动足，用于驱动动子实现运动输出；所述斜拉式菱形运动转换机构设置有斜拉式运动转换器，可将压电堆叠轴向振动产生的微位移转换为运动足的侧向位移。由于轴向刚度分布不均而产生侧向位移，增大缓慢变形驱动阶段时摩擦驱动力，减小快速变形驱动阶段时摩擦阻力，实现对摩擦力的综合调控。所述斜拉式菱形运动转换机构设置有预紧螺钉安装孔，用于压电堆叠预紧。所述压电堆叠的前后端面与预紧螺钉之间设置有调整垫片，目的是保护压电堆叠，防止其产生切应变或局部受力不均，通过调整预紧螺钉的旋进量，可实现对压电堆叠的轴向预紧力调节。

所述动子为双列交叉滚柱导轨，包括固定滑轨、运动滑轨、滚柱保持架和端部限位螺钉。所述固定导轨借助动子安装孔固定于动子安装基面上，所述运动导轨端面涂有玻璃纤维类摩擦材料；所述滚柱保持架为运动滑轨的滑动提供滑动支撑；所述端部限位螺钉用于限制运动滑轨的运动范围。