專利名稱：一種壓電直線驅動器的制作方法
技術領域：
本發明屬于機電技術領域，具體涉及一種壓電直線驅動器。
背景技術：
當前，納米技術迅速發展。具有納米精度的直線驅動器是納米技術的動力部分，被稱為納米科技的心臟。目前國內外許多著名的研究機構都將微驅動系統作為主要的研究方向。同時，由于納米科技領域所需要的短、小、輕、薄、低噪聲、高精度、無電磁干擾等要求，現有技術中的傳統驅動器已經無法滿足要求，因此許多新型功能材料被用來制備超精密驅動器，而這其中，壓電驅動器以其諸多優點成為較佳選擇。壓電驅動器，利用壓電材料的逆壓電效應，即壓電材料在電場作用下產生機械變形的特性實現驅動，能夠產生納米級的位移分辨率，因此定位精度高；由于壓電效應只與電場有關，壓電驅動器既不產生磁場也不受其影響，因此在要求磁干擾較小或強磁場的工作場合具有重要應用價值。壓電驅動器還具有以下特點輸出力大，可實現低速大扭矩輸出； 具有微秒級的響應速度；可以直接將電能轉換成動能因此能耗低發熱少，不需潤滑無磨損， 可以在真空中應用，結構簡單易于微型化，結構形狀多樣化。由此可見，壓電驅動器同其它類型驅動器相比，在體積、定位精度，響應速度、功耗以及抗環境干擾等方面具有明顯的優勢，在超精密加工、精密操作與調整、微細加工、高精度測量等方面具有廣泛的應用前景。根據驅動機理的不同，壓電驅動器可分為壓電超聲波驅動器、壓電微位移工作臺、壓電慣性驅動器和尺蠖型壓電驅動器等。尺蠖型壓電驅動器(Inchworm-type Piezoelectric Actuator)是仿照自然界中的爬行動物尺蠖，利用“箝位-驅動-箝位”的方式運動，也被稱為蠕動式壓電驅動器。它利用尺蠖原理，將壓電元件的單步微量位移不斷積累，形成連續的步進的精密位移輸出，可以實現大行程高分辨率的雙向運動，從而有效的解決了現有技術中幾種驅動器大行程和高分辨率不能共存的問題，同時具有驅動原理簡單，易于控制，輸出力大等特點。現有的尺蠖型壓電直線驅動器，大多是由驅動器的箝位端與平面導軌或圓柱導軌之間的線或面接觸產生的摩擦力提供箝位力，而箝位力的大小和箝位力的穩定型直接影響驅動器的輸出力、運動分辨率和運動穩定性，因而對兩接觸面之間的接觸情況進行研究對于提高驅動器的性能十分重要。同時由于驅動器箝位面與導軌的接觸屬于小間隙接觸(一般只有幾微米)，使得驅動器的性能容易受到外界因素如時效、溫度、磨損、加工裝配誤差等因素的影響。因此，發明人發現現有的尺蠖型壓電直線驅動器存在缺陷現有的壓電直線驅動器，驅動結構復雜，由多個構件裝配而成，產生的裝配誤差直接影響驅動器的運動精度和運動穩定性，同時因箝位方式選擇簡單的面與面接觸方式，導致箝位力不足，驅動器的輸出力和輸出剛度也較小，并且由于各構件的接觸并不是保持常態面與面間接觸，從而降低了驅動器的整體剛度。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種壓電直線驅動器，能夠使驅動器的結構簡單，并且可以減少過多零部件裝配時產生的裝配誤差，同時能使得驅動器的整體剛度得到增強；進一步的，V型箝位方式固有的接觸面積大，箝位自對中特性使得對驅動器輸出力和運行穩定性得到提高。本發明提供一種壓電直線驅動器包括底座導軌一體機構、驅動器箝位伸縮一體結構；所述底座導軌一體機構由底座和導軌采用一體結構組合形成；
所述驅動器箝位伸縮一體結構由八桿柔性機構組成；所述驅動器箝位伸縮一體結構安裝于所述底座導軌一體機構；所述驅動器箝位伸縮一體結構在所述底座導軌一體機構的導軌上作直線運動；所述驅動器箝位伸縮一體結構的箝位塊與所述底座導軌一體機構的導軌之間通過緊固裝置調整間隙和進行預緊。所述驅動器箝位伸縮一體結構由三組八桿柔性機構組成，整體采用一體結構；其中包括V型箝位八桿柔性結構和中間伸縮八桿柔性結構。所述驅動器箝位伸縮一體結構的箝位塊為V型；所述底座導軌一體機構的導軌為V型；所述驅動器箝位伸縮一體結構在裝配壓電陶瓷后，在V型的導軌上作直線運動。所述V型的箝位塊的水平和豎直兩個方向設有微調整槽，并在與導軌接觸表面設有導油溝。所述導軌上設有箝位預緊力調節孔；所述緊固裝置通過箝位預緊力調節孔調整間隙和進行預緊。所述壓電直線驅動器還包括中間驅動用壓電疊堆和V型箝位用壓電疊堆；所述中間驅動用壓電疊堆和V型箝位用壓電疊堆分別通過墊塊、預緊螺釘安裝緊固在所述驅動器箝位伸縮一體機構上。所述V型箝位用壓電疊堆和中間驅動用壓電疊堆，加載按順序施加的電壓信號后產生單步位移；當重復加載相同的電壓信號實現壓電直線驅動器的長行程運動；通過改變加載電壓信號的順序實現壓電直線驅動器的雙向運動；通過改變加載電壓信號的幅值和頻率實現壓電直線驅動器單步位移和運動速度的調整。在兩箝位端加載電壓時，箝位塊水平方向的微調整槽和箝位塊豎直方向的微調整槽通過產生變形改變接觸面的接觸。所述壓電直線驅動器為尺蠖型壓電直線驅動器。從上述技術方案可以看出，與現有技術相比，本發明技術方案具有以下有益效果(1)本發明采用一體機構不僅可以使系統的結構簡單，并且可以減少過多零部件裝配時產生的裝配誤差，同時由于減少了螺栓等連接件的使用，驅動器的整體剛度得到增強，具體的本發明壓電直線驅動器的兩端箝位和中間伸縮驅動八桿柔性部分采用一體化結構，減小了多個零件裝配產生的裝配誤差，并且提高了驅動器整體的剛度；(2)本發明壓電直線驅動器的導軌和底座部分采用一體化結構，避免了由于導軌與底座螺栓連接造成的導軌不平行和導軌剛度的下降，同時采用了簡便的預緊力調整機構，便于實際應用；(3)本發明壓電直線驅動器采用V型箝位，提高了驅動器的箝位力，使得驅動器具有較大的輸出力和輸出剛度；(4)本發明由于V型結構本身具有的對中自調整特性以及在V型箝位塊的水平和豎直方向添加了微調整槽，使得V型箝位機構能夠有效抵抗箝位面與導軌面不平行的問題，驅動器箝位 力的穩定性大大提高，從而使驅動器獲得更高的運動精度和運動穩定性；(5)本發明在保證箝位塊有足夠的響應精度的同時，加長V型箝位塊的長度，使兩箝位塊在導軌中的偏擺較小，運動部分整體直線度提高，同時增大了實際的箝位接觸面，降低系統的磨損；并且，通過在接觸面添加導油溝，使用油潤滑方式，進一步降低系統的磨損， 從而提高驅動器的運動精度和使用壽命。
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其它的附圖。圖1是本發明壓電直線驅動器的裝配示意圖；圖2是本發明壓電直線驅動器的運動原理圖；圖3是本發明壓電直線驅動器的運動部分裝配示意圖；圖4是本發明壓電直線驅動器的運動部分裝配主視圖；圖5是本發明壓電直線驅動器的兩端箝位和中間伸縮八桿柔性結構原理示意圖；圖6是圖5的側視圖；圖7是本發明壓電直線驅動器的底座導軌一體結構示意圖。
具體實施例方式下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本發明保護的范圍。本發明提供的一種壓電直線驅動器，具有納米級精度、長行程、大輸出力等特點， 該新穎結構的尺蠖型壓電直線驅動器，能夠在保證納米級定位精度的同時具有大行程、大輸出力和大輸出剛度的特點，并且能夠有效抵抗驅動器長時間運行因磨損造成的驅動器性能下降問題。本發明的壓電直線驅動器，在驅動器運動部分和底座導軌均采用一體機構因此使系統的結構簡單，并且可以減少過多零部件裝配時產生的裝配誤差，從而可以克服現有技術中驅動結構復雜，由多個構件裝配而導致的問題。而現有的壓電直線驅動器，另外還具有其他一些缺陷，例如1)箝位力不足，由于采用線接觸或單面接觸，驅動器由摩擦力產生的箝位力比較小，造成驅動器的輸出力和輸出剛度較小；2)箝位穩定性較差，由于驅動器箝位和中間驅動(伸縮)柔性鉸鏈的加工裝配誤差造成的對中誤差，壓電陶瓷的安裝誤差造成的對中誤差，導軌的加工裝配誤差造成的平行度誤差等因素的影響，往往出現兩箝位端相對于導軌擺動，箝位面與導軌面接觸面不平行等情況，造成箝位摩擦力變化較大，箝位誤差較大，嚴重影響驅動器的運動穩定度和定位精度，同時在應用中易于出現驟停、驟動等問題；3)驅動器的壽命較短，由于箝位面較小及箝位面與導軌局部接觸造成驅動器磨損嚴重，隨著使用時間的變化，驅動器的輸出負載和運行精度下降，同時驅動器的預緊力需要定期調整。本發明提供的壓電直 線驅動器，可以進一步解決上述現有技術存在的缺陷。下面結合附圖，詳細介紹本發明技術方案的內容。本發明的圖1-圖7中詳細展示了本發明提供的壓電直線驅動器的結構。其中，圖中各附圖標記如下解釋1.底座導軌一體機構，2.驅動器箝位伸縮一體結構，3.中間驅動用壓電疊堆，4.V型箝位用壓電疊堆，5.中間驅動用壓電疊堆的墊塊，6.中間驅動用壓電疊堆的預緊螺釘，7. V型箝位用壓電疊堆的墊塊，8. V型箝位用壓電疊堆的預緊螺釘，9. V型箝位八桿柔性結構，10.中間伸縮八桿柔性結構，11.箝位塊水平方向微調整槽，12.箝位塊豎直方向微調整槽，13.潤滑用導油溝。本發明提供的壓電直線驅動器，主要包括 底座導軌一體機構1和驅動器箝位伸縮一體機構2，其中中間驅動用壓電疊堆3和 V型箝位用壓電疊堆4分別通過墊塊5、7，預緊螺釘6、8安裝緊固在驅動器箝位伸縮一體機構2上。按上述方式裝配好的結構(如圖3所示)安裝在底座導軌一體機構1上，通過兩預緊螺釘8調整兩V型箝位面與V型導軌的間隙并進行預緊。所述導軌上設有箝位預緊力調節孔；所述緊固裝置通過箝位預緊力調節孔調整間隙和進行預緊。所述緊固裝置為調節螺栓或其他具有類似功能的其他裝置，本發明不加以限定。驅動器箝位伸縮一體機構2在裝配壓電陶瓷后，在底座導軌一體機構1的高剛度 V型導軌上作直線運動。通過使用箝位機構的預緊力調節螺栓可以調節V型箝位塊與導軌之間的間隙或進行預緊力加載。在本發明中，壓電直線驅動器的驅動器運動部分和底座導軌均采用一體機構(如圖3，7所示)，采用一體機構不僅可以使系統的結構簡單，并且可以減少過多零部件裝配時產生的裝配誤差，同時由于減少了螺栓等連接件的使用，驅動器的整體剛度得到增強。如圖2所示，是本發明的尺蠖型壓電直線驅動器仿自然界尺蠖運動的運動原理圖。通過對兩箝位用壓電疊堆4和中間驅動用壓電疊堆3順序加電壓實現如圖2所示的單步位移，當重復加載相同的電壓信號實現驅動器的長行程運動，通過改變加載電壓信號的順序實現驅動器的雙向運動，通過改變加載電壓信號的幅值和頻率實現驅動器單步位移和運動速度的調整。如圖3、4、5、6所示，是本發明運動部分的示意圖，其中圖3是本發明壓電直線驅動器的運動部分裝配示意圖；圖4是本發明壓電直線驅動器的運動部分裝配主視圖；圖5是本發明壓電直線驅動器的兩端箝位和中間伸縮八桿柔性結構原理示意圖；圖6是圖5的側視圖。其中，箝位和伸縮運動采用八桿柔性結構，箝位端面采用V型箝位，在箝位面上添加導油溝，對驅動器與導軌的接觸面進行潤滑，降低系統的磨損，同時改善兩剛性件之間的接觸情況。通過調整預緊螺釘8，使未調整前箝位面與導軌間的微米級間隙變為直接接觸，此時在預緊力的作用下，通過箝位塊V型箝位面本身具有的對中自調整特性，及通過箝位塊水平方向微調整槽11和箝位塊豎直方向微調整槽12來自調整V型箝位塊與導軌加工裝配所產生的間隙和配合不嚴密情況，使接觸面由加工裝配誤差可能造成的線接觸 變為面接觸，增加接觸剛度和箝位力，減小長期線接觸造成的磨損，增加箝位穩定性。進一步的，當在兩箝位端加載電壓時，箝位塊水平方向的微調整槽11和箝位塊豎直方向的微調整槽12通過產生變形進一步改善接觸面的接觸情況。本發明獨特的V型箝位結構以及在V型嵌位塊水平和豎直方向添加微調整槽，不僅可以提高驅動器的輸出力和輸出剛度，而且可以有效的抵抗箝位面與導軌不平行造成的箝位誤差和箝位局部接觸造成的磨損加劇問題，同時通過在接觸表面添加導油溝使用油潤滑方式，可以進一步減小系統的磨損，進而提高驅動器的運功精度和運動穩定性，延長驅動器的使用壽命。該驅動器結構簡單、易裝可調、運行穩定、輸出力大，適用于精密加工、精密運動平臺以及需求力較大場合的應用。因此，從上述技術方案可以看出，與現有技術相比，本發明技術方案具有以下技術效果(1)本發明采用一體機構不僅可以使系統的結構簡單，并且可以減少過多零部件裝配時產生的裝配誤差，同時由于減少了螺栓等連接件的使用，驅動器的整體剛度得到增強，具體的本發明壓電直線驅動器的兩端箝位和中間伸縮驅動八桿柔性部分采用一體化結構，減小了多個零件裝配產生的裝配誤差，并且提高了驅動器整體的剛度；(2)本發明壓電直線驅動器的導軌和底座部分采用一體化結構，避免了由于導軌與底座螺栓連接造成的導軌不平行和導軌剛度的下降，同時采用了簡便的預緊力調整機構，便于實際應用；(3)本發明壓電直線驅動器采用V型箝位，提高了驅動器的箝位力，使得驅動器具有較大的輸出力和輸出剛度；(4)本發明由于V型結構本身具有的對中自調整特性以及在V型箝位塊的水平和豎直方向添加了微調整槽，使得V型箝位機構能夠有效抵抗箝位面與導軌面不平行的問題，驅動器箝位力的穩定性大大提高，從而使驅動器獲得更高的運動精度和運動穩定性；(5)本發明在保證箝位塊有足夠的響應精度的同時，加長V型箝位塊的長度，使兩箝位塊在導軌中的偏擺較小，運動部分整體直線度提高，同時增大了實際的箝位接觸面，降低系統的磨損；并且，通過在接觸面添加導油溝，使用油潤滑方式，進一步降低系統的磨損， 從而提高驅動器的運動精度和使用壽命。以上對本發明實施例所提供的一種壓電直線驅動器，進行了詳細介紹，本文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發明的方法及其核心思想；同時，對于本領域的一般技術人員，依據本發明的思想，在具體實施方式
及應用范圍上均會有改變之處，綜上所述 ，本說明書內容不應理解為對本發明的限制。
權利要求
1.一種壓電直線驅動器，其特征在于包括底座導軌一體機構、驅動器箝位伸縮一體結構； 所述底座導軌一體機構由底座和導軌采用一體結構組合形成； 所述驅動器箝位伸縮一體結構由八桿柔性機構組成； 所述驅動器箝位伸縮一體結構安裝于所述底座導軌一體機構； 所述驅動器箝位伸縮一體結構在所述底座導軌一體機構的導軌上作直線運動； 所述驅動器箝位伸縮一體結構的箝位塊與所述底座導軌一體機構的導軌之間通過緊固裝置調整間隙和進行預緊。
2.根據權利要求1所述的壓電直線驅動器，其特征在于所述驅動器箝位伸縮一體結構由三組八桿柔性機構組成，整體采用一體結構； 其中包括V型箝位八桿柔性結構和中間伸縮八桿柔性結構。
3.根據權利要求1所述的壓電直線驅動器，其特征在于 所述緊固裝置為調節螺栓。
4.根據權利要求1至3任一項所述的壓電直線驅動器，其特征在于 所述驅動器箝位伸縮一體結構的箝位塊為V型；所述底座導軌一體機構的導軌為V型；所述驅動器箝位伸縮一體結構在裝配壓電陶瓷后，在V型的導軌上作直線運動。
5.根據權利要求4所述的壓電直線驅動器，其特征在于所述V型的箝位塊的水平和豎直兩個方向設有微調整槽，并在與導軌接觸表面設有導油溝。
6.根據權利要求1至3任一項所述的壓電直線驅動器，其特征在于 所述導軌上設有箝位預緊力調節孔；所述緊固裝置通過箝位預緊力調節孔調整間隙和進行預緊。
7.根據權利要求1至3任一項所述的壓電直線驅動器，其特征在于所述壓電直線驅動器還包括中間驅動用壓電疊堆和V型箝位用壓電疊堆； 所述中間驅動用壓電疊堆和V型箝位用壓電疊堆分別通過墊塊、預緊螺釘安裝緊固在所述驅動器箝位伸縮一體機構上。
8.根據權利要求7所述的壓電直線驅動器，其特征在于所述V型箝位用壓電疊堆和中間驅動用壓電疊堆，加載按順序施加的電壓信號后產生單步位移；當重復加載相同的電壓信號實現壓電直線驅動器的長行程運動； 通過改變加載電壓信號的順序實現壓電直線驅動器的雙向運動； 通過改變加載電壓信號的幅值和頻率實現壓電直線驅動器單步位移和運動速度的調整。
9.根據權利要求7所述的壓電直線驅動器，其特征在于在兩箝位端加載電壓時，箝位塊水平方向的微調整槽和箝位塊豎直方向的微調整槽通過產生變形改變接觸面的接觸。
10.根據權利要求7所述的壓電直線驅動器，其特征在于 所述壓電直線驅動器為尺蠖型壓電直線驅動器。
全文摘要
本發明公開一種壓電直線驅動器。該驅動器包括底座導軌一體機構、驅動器箝位伸縮一體結構；所述底座導軌一體機構由底座和導軌采用一體結構組合形成；所述驅動器箝位伸縮一體結構由八桿柔性機構組成；所述驅動器箝位伸縮一體結構安裝于所述底座導軌一體機構；所述驅動器箝位伸縮一體結構在所述底座導軌一體機構的導軌上作直線運動；所述驅動器箝位伸縮一體結構的箝位塊與所述底座導軌一體機構的導軌之間通過緊固裝置調整間隙和進行預緊。本發明能夠使驅動器的結構簡單，并且可以減少過多零部件裝配時產生的裝配誤差，同時能使得驅動器的整體剛度得到增強。
文檔編號H02N2/02GK102361411SQ20111032782
公開日2012年2月22日 申請日期2011年10月25日 優先權日2011年10月25日
發明者李全松, 胡泓 申請人:哈爾濱工業大學深圳研究生院