四足對稱差動作動壓電步進直線電機及電激勵方式的制作方法

本發明涉及壓電精密致動技術領域，具體為一種四足對稱差動作動壓電步進直線電機及電激勵方式。

背景技術：

目前實現大行程精密步進驅動的方式主要是尺蠖式精密驅動和慣性摩擦驅動兩種方式。尺蠖式精密驅動能夠提供較大的精度和推力，但是由于它的結構復雜導致驅動頻率較小，從而導致驅動速度小，結構的復雜還導致控制難度加大，安裝精度難以控制，另外，尺蠖型精密驅動的配合磨損嚴重，最終導致接觸不良，性能弱化；摩擦慣性壓電驅動裝置的結構較簡單、控制較容易、驅動速度較大，但是由于摩擦慣性壓電驅動裝置缺少鉗位機構而導致預緊力不足，推力小。

疊層壓電陶瓷因性能較優越，近年來制造工藝的提升，大規模生產的實現，越來越多的被應用在精密驅動上。利用疊層壓電陶瓷的逆壓電效應制成的壓電直線電機有很多優點：位移分辨力高、承載力大、輸出剛度高、輸出位移重復性好、控制簡單易操作、能夠克服電磁干擾、高溫、低溫等問題。但目前的非共振式壓電電機主要問題在于疊層壓電陶瓷的遲滯效應影響，導致壓電直線電機的回程誤差積累而增大其定位誤差，能解決該問題的雙足驅動壓電直線電機也存在大行程、大推力與高精度難以兼顧的問題。

技術實現要素：

本發明的目的在于克服現有技術之不足，提供一種四足對稱差動作動壓電步進直線電機及電激勵方式，綜合利用尺蠖式壓電精密驅動和摩擦慣性壓電驅動的優點,解決大行程、大推力與高精度難以兼顧的問題。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：

一種四足對稱差動作動壓電步進直線電機，包括第一驅動足、第二驅動足、第三驅動足、第四驅動足、第一支撐機構、第二支撐機構、第三支撐機構、第四支撐機構、預緊機構、動子和基座；所述第一驅動足、第二驅動足、第三驅動足和第四驅動足相對于所述動子呈對稱分布，且所述第一驅動足和所述第二驅動足、所述第三驅動足和所述第四驅動足分別沿徑向對稱分布，所述第一驅動足和所述第三驅動足、所述第二驅動足和所述第四驅動足分別沿軸向對稱分布；所述第一驅動足的一端通過所述第一支撐機構與所述基座固連，另一端通過所述預緊機構緊抱所述動子；所述第二驅動足的一端通過所述第二支撐機構與所述基座固連，另一端通過所述預緊機構緊抱所述動子；所述第三驅動足的一端通過所述第三支撐機構與所述基座固連，另一端通過所述預緊機構緊抱所述動子；所述第四驅動足的一端通過所述第四支撐機構與所述基座固連，另一端通過所述預緊機構緊抱所述動子；

所述第一驅動足包括第一柔性萬向節、第二柔性萬向節、疊層壓電陶瓷、位移轉換機構和耐磨陶瓷球；所述第一柔性萬向節的一端與所述第一支撐機構相連，另一端與所述疊層壓電陶瓷的一端相連；所述第二柔性萬向節的一端與所述疊層壓電陶瓷的另一端相連，另一端與所述位移轉換機構相連；所述位移轉換機構通過所述耐磨陶瓷球與所述動子相連；所述第二驅動足、第三驅動足、第四驅動足的結構和所述第一驅動足的結構相同。

所述預緊機構包括第一支撐體、第二支撐體、第三支撐體、第四支撐體、第一彈簧片、第二彈簧片和彈性壓緊裝置；所述第一驅動足的位移轉換機構通過所述第一支撐體與所述第一彈簧片相連；所述第二驅動足的位移轉換機構通過所述第二支撐體與所述第一彈簧片相連；所述第三驅動足的位移轉換機構通過所述第三支撐體與所述第二彈簧片相連；所述第四驅動足的位移轉換機構通過所述第四支撐體與所述第二彈簧片相連；所述彈性壓緊裝置用于壓緊所述第一彈簧片和所述第二彈簧片，使所述第一驅動足、第二驅動足、第三驅動足和第四驅動足通過所述預緊機構緊抱動子，其伸縮作用通過所述位移轉換機構傳遞到動子，輸出位移的方向與四驅動足伸縮的方向平行。

所述預緊機構包括第一支撐體、第二支撐體、第三支撐體、第四支撐體、第一彈簧片、第二彈簧片和彈性線圈；所述第一驅動足的位移轉換機構通過所述第一支撐體與所述第一彈簧片相連；所述第二驅動足的位移轉換機構通過所述第二支撐體與所述第一彈簧片相連；所述第三驅動足的位移轉換機構通過所述第三支撐體與所述第二彈簧片相連；所述第四驅動足的位移轉換機構通過所述第四支撐體與所述第二彈簧片相連；所述彈性線圈繞在所述第一彈簧片和所述第二彈簧片的中間；所述第一驅動足、第二驅動足、第三驅動足和第四驅動足通過所述預緊機構緊抱動子，其伸縮作用通過所述位移轉換機構傳遞到動子，輸出位移的方向與四驅動足伸縮的方向平行。

所述第一支撐體、第二支撐體、第三支撐體和第四支撐體為形狀大小相同的球體。

所述第一支撐機構包括固連的底座和支座，所述底座與所述基座固連，所述支座與所述第一驅動足固連用于支撐所述第一驅動足；所述第二支撐機構、第三支撐機構、第四支撐機構的結構與所述第一支撐機構的結構相同；

所述直線電機還包括轉接板；所述動子通過所述轉接板與所述基座固連。

本發明還采用如下技術方案：一種四足對稱差動作動壓電步進直線電機的電激勵方式：

施加電壓激勵電機第一驅動足的疊層壓電陶瓷、第二驅動足的疊層壓電陶瓷、第三驅動足的疊層壓電陶瓷和第四驅動足的疊層壓電陶瓷，使四個驅動足共同作用驅動動子；具體采用如下激勵方式使得動子向左移動一個步進：

對第一驅動足的疊層壓電陶瓷施加上升的第一電壓信號，第一驅動足伸長后所述第一電壓信號保持不變；

對第三驅動足的疊層壓電陶瓷施加上升的第三電壓信號，第三驅動足伸長后所述第三電壓保持不變；

將所述第一電壓信號和所述第三電壓信號實施下降，同時對第二驅動足的疊層壓電陶瓷施加上升的第二電壓信號，對第四驅動足的疊層壓電陶瓷施加上升的第四電壓信號，所述第一驅動足和所述第三驅動足回縮的同時所述第二驅動足和所述第四驅動足伸長使得動子向左移動一個步進；

將所述第二電壓信號實施下降到零，使其回縮到原始位置；

將所述第四電壓信號實施下降到零，使其回縮到原始位置。

采用如下激勵方式使得動子向右移動一個步進：

對第四驅動足的疊層壓電陶瓷施加上升的第四電壓信號，第四驅動足伸長后所述第四電壓信號保持不變；

對第二驅動足的疊層壓電陶瓷施加上升的第二電壓信號，第二驅動足伸長后所述第二電壓保持不變；

將所述第二電壓信號和所述第四電壓信號實施下降，同時對第一驅動足的疊層壓電陶瓷施加上升的第一電壓信號，對第三驅動足的疊層壓電陶瓷施加上升的第三電壓信號，所述第四驅動足和所述第二驅動足回縮的同時所述第一驅動足和所述第三驅動足伸長使得動子向右移動一個步進；

將所述第三電壓信號實施下降到零，使其回縮到原始位置；

將所述第一電壓信號實施下降到零，使其回縮到原始位置。

本發明具有如下有益效果：

(1)本發明的壓電步進直線電機中采用四驅動足設計，四個驅動足相對動子呈對稱分布，四驅動足通過預緊機構直接緊抱動子，四驅動足的伸縮作用通過位移轉換機構傳遞到動子，輸出位移的方向與四驅動足伸縮的方向平行；當給四驅動足輸入四相電壓控制信號后，能夠實現差動作動，從而實現大行程、大推力與高精度兼顧；

(2)本發明的壓電步進直線電機的四個驅動足始終由預緊機構壓緊在動子上，這使得電機具有斷電自鎖的能力；本發明的四個驅動足的端部采用高硬度高耐磨性的陶瓷球，這將大大提高電機的使用壽命；

(3)本發明的壓電步進直線電機整體結構簡單，提高了電機的裝配效率，且易于實現批量化生產；

(4)本發明設計了梯形信號和三角形信號相結合的電壓信號輸入方式來實現四驅動足差動作動的驅動效果；工作時，只需將第一驅動足的輸入信號和第四驅動足的輸入信號、第三驅動足和第二驅動足的輸入信號相互置換，即可實現電機反向運動。

以下結合附圖及實施例對本發明作進一步詳細說明，但本發明的一種四足對稱差動作動壓電步進直線電機及電激勵方式不局限于實施例。

附圖說明

圖1為本發明的四足對稱差動作動壓電步進直線電機的結構原理圖；

圖2為本發明的四個驅動足的電壓信號時序圖1；

圖3為在圖2所示的激勵信號的驅動下四驅動足及動子在一個周期內的運動過程圖；

圖4為本發明的四個驅動足的電壓信號時序圖2；

圖5為在圖4所示的激勵信號的驅動下四驅動足及動子在一個周期內的運動過程圖。

附圖標記：A、第一驅動足，B、第二驅動足，C、第三驅動足，D、第四驅動足，11、第一柔性萬向節，12、第二柔性萬向節，13、疊層壓電陶瓷，14、位移轉換機構，15、耐磨陶瓷球，21、第一支撐體，22、第二支撐體，23、第三支撐體，24、第四支撐體，25、第一彈簧片，26、第二彈簧片，27、彈性線圈，31、底座，32、支座，4、動子，5、轉接板。

具體實施方式

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做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

參見圖1所示，一種四足對稱差動作動壓電步進直線電機，包括第一驅動足A、第二驅動足B、第三驅動足C、第四驅動足D、第一支撐機構、第二支撐機構、第三支撐機構、第四支撐機構、預緊機構、動子4、轉接板5和基座；所述第一驅動足A、第二驅動足B、第三驅動足C和第四驅動足D相對于所述動子4呈對稱分布，且所述第一驅動足A和所述第二驅動足B、所述第三驅動足C和所述第四驅動足D分別沿徑向對稱分布，所述第一驅動足A和所述第三驅動足C、所述第二驅動足B和所述第四驅動足D分別沿軸向對稱分布；所述第一驅動足A的一端通過所述第一支撐機構與所述基座固連，另一端通過所述預緊機構緊抱所述動子4；所述第二驅動足B的一端通過所述第二支撐機構與所述基座固連，另一端通過所述預緊機構緊抱所述動子4；所述第三驅動足C的一端通過所述第三支撐機構與所述基座固連，另一端通過所述預緊機構緊抱所述動子4；所述第四驅動足D的一端通過所述第四支撐機構與所述基座固連，另一端通過所述預緊機構緊抱所述動子4；所述動子4通過所述轉接板5與所述基座固連。

具體的，所述第一驅動足A包括第一柔性萬向節11、第二柔性萬向節12、疊層壓電陶瓷13、位移轉換機構14和耐磨陶瓷球15；所述第一柔性萬向節11的一端與所述第一支撐機構相連，另一端與所述疊層壓電陶瓷13的一端相連；所述第二柔性萬向節12的一端與所述疊層壓電陶瓷13的另一端相連，另一端與所述位移轉換機構14相連；所述位移轉換機構14通過所述耐磨陶瓷球15與所述動子相連；所述第二驅動足B、第三驅動足C、第四驅動足D的結構和所述第一驅動足A的結構相同。

具體的，所述預緊機構包括第一支撐體21、第二支撐體22、第三支撐體23、第四支撐體24、第一彈簧片25、第二彈簧片26和彈性壓緊裝置；所述第一驅動足A的位移轉換機構通過所述第一支撐體21與所述第一彈簧片25相連；所述第二驅動足B的位移轉換機構通過所述第二支撐體22與所述第一彈簧片25相連；所述第三驅動足C的位移轉換機構通過所述第三支撐體23與所述第二彈簧片26相連；所述第四驅動足D的位移轉換機構通過所述第四支撐體24與所述第二彈簧片26相連；所述彈性壓緊裝置用于壓緊所述第一彈簧片25和所述第二彈簧片26，使所述第一驅動足A、第二驅動足B、第三驅動足C和第四驅動足D通過所述預緊機構緊抱動子4，其伸縮作用通過所述位移轉換機構14傳遞到動子4，輸出位移的方向與四驅動足伸縮的方向平行。給四個驅動足輸入一個差動信號，使其實現差動作動。在整個驅動過程中，驅動模式仿制慣性摩擦式的驅動；預緊力的施加方式來源于尺蠖式精密驅動；差動作動能夠滿足大行程的要求。

具體的，所述預緊機構包括第一支撐體21、第二支撐體22、第三支撐體23、第四支撐體24、第一彈簧片25、第二彈簧片26和彈性線圈27；所述第一驅動足A的位移轉換機構14通過所述第一支撐體21與所述第一彈簧片25相連；所述第二驅動足B的位移轉換機構通過所述第二支撐體22與所述第一彈簧片25相連；所述第三驅動足C的位移轉換機構通過所述第三支撐體23與所述第二彈簧片26相連；所述第四驅動足D的位移轉換機構通過所述第四支撐體24與所述第二彈簧片26相連；所述彈性線圈27繞在所述第一彈簧片25和所述第二彈簧片26的中間，能夠使四驅動足的受力均勻；所述第一驅動足A、第二驅動足B、第三驅動足C和第四驅動足D通過所述預緊機構緊抱動子4，其伸縮作用通過所述位移轉換機構傳遞到動子，輸出位移的方向與四驅動足伸縮的方向平行。

所述第一支撐體21、第二支撐體22、第三支撐體23和第四支撐體24為形狀大小相同的球體，被應用在彈簧片與驅動足之間，能夠使預緊力的受力均勻。

具體的，所述第一支撐機構包括固連的底座31和支座32，所述底座31與所述基座固連，所述支座32與所述第一驅動足A固連用于支撐所述第一驅動足A；所述第二支撐機構、第三支撐機構、第四支撐機構的結構與所述第一支撐機構的結構相同。

本發明實施例利用疊層壓電陶瓷的逆壓電效應，給疊層壓電陶瓷施加的電壓增大，疊層壓電陶瓷伸長；電壓減小，疊層壓電陶瓷回縮。因此，給定一個電壓信號可以實現疊層壓電陶瓷的伸縮運動，可以實現軸向位移變化，將位移變化通過摩擦運動轉移到動子即可實現動子的直線運動。單個疊層壓電陶瓷的運動范圍很小，只有幾十微米，摩擦力也很小，將多個疊層壓電陶瓷機械上并聯，電路上串聯，給定一個差動作動的驅動信號控制，實現步進驅動的行程累積，即可以實現大范圍驅動；單個驅動的摩擦力很有限，多個驅動足的聯合使用可以增大摩擦力，即可實現大推力的輸出驅動。

進一步的，本發明使用四個驅動足來實現差動驅動控制。差動作動正常工作的要求：四只驅動足分別和動子接觸，接觸材料、接觸面積、接觸方式和預緊力完全相同，且單只足的驅動摩擦力小于動子的靜摩擦力，四驅動足的驅動摩擦力之和大于動子的靜摩擦力；四驅動足依次作動，動子在這個過程中靜止不動；待四驅動足全部伸長后同時回縮，此時的總驅動力大于動子的靜摩擦力，動子跟隨驅動足前進一個步距，四驅動足再依次恢復到原長，這時候動子在慣性作用下保持不動，重復上述運動，可以實現動子不斷向前步進運動。

本發明實施例還采用如下技術方案：一種四足對稱差動作動壓電步進直線電機的電激勵方式：

施加電壓激勵電機第一驅動足A的疊層壓電陶瓷、第二驅動足B的疊層壓電陶瓷、第三驅動足C的疊層壓電陶瓷和第四驅動足D的疊層壓電陶瓷，使四個驅動足共同作用驅動動子運動。如圖2所示，具體采用如下激勵方式使得動子向左移動一個步進：

在原始階段，輸入電壓信號為零，四驅動足都是原始長度，動子靜止不動；

第一階段，給A足一個電壓信號，A足伸長而其他的足先不動，伸長后保持電壓不變。一個足的摩擦力不足以拖動動子的運動，動子保持靜止；

第二階段，給C足一個電壓信號，C足伸長而其他足保持原狀，C足伸長后保持電壓不變，動子靜止；

第三階段，A、C足電壓下降同時B、D足電壓升高，A、C足回縮的同時B、D足伸長。四足同時運動給動子一個向左的驅動摩擦力導致其克服靜止摩擦力向左移動一個步進；

第四階段，將伸長的B足電壓降到零，使其伸長回縮到原來位置，動子保持不動；

第五階段，將伸長的D足電壓降到零，使其伸長回縮到原來位置，動子保持不動。

至此，疊層壓電陶瓷完成一次驅動過程，動子向左移動一個疊層壓電陶瓷的伸長單位，驅動足及動子在0-T時間一個周期內的運動變化如圖3所示，細實線畫的驅動足代表疊層壓電陶瓷伸長一個步進，粗實線畫的驅動足代表它們回縮到原始長度。從T到2T是另一個電壓循環，動子繼續執行下一個驅動過程。按此激勵信號重復，就可以實現動子的持續單向步進移動。

如圖4所示，采用如下激勵方式使得動子向右移動一個步進：

對第四驅動足D的疊層壓電陶瓷施加上升的第四電壓信號，第四驅動足D伸長后所述第四電壓信號保持不變；

對第二驅動足B的疊層壓電陶瓷施加上升的第二電壓信號，第二驅動足B伸長后所述第二電壓保持不變；

將所述第二電壓信號和所述第四電壓信號實施下降，同時對第一驅動足A的疊層壓電陶瓷施加上升的第一電壓信號，對第三驅動足C的疊層壓電陶瓷施加上升的第三電壓信號，所述第四驅動足D和所述第二驅動足B回縮的同時所述第一驅動足A和所述第三驅動足C伸長使得動子向右移動一個步進；

將所述第三電壓信號實施下降到零，使其回縮到原始位置；

將所述第一電壓信號實施下降到零，使其回縮到原始位置。

至此，疊層壓電陶瓷完成一次驅動過程，動子向右移動一個疊層壓電陶瓷的伸長單位(即實現反向移動)，驅動足及動子在0-T時間一個周期內的運動變化如圖5所示，細實線畫的驅動足代表疊層壓電陶瓷伸長一個步進，粗實線畫的驅動足代表它們回縮到原始長度。從T到2T是另一個電壓循環，動子繼續執行下一個驅動過程。按此激勵信號重復，就可以實現動子的持續單向步進移動。

盡管已經示出和描述了本發明的實施例，對于本領域的普通技術人員而言，可以理解在不脫離本發明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發明的范圍由所附權利要求及其等同物限定。