一种可调负荷大步进幅值直线压电电机

摘要

本发明提供了一种可调负荷大步进幅值直线压电电机，其特征在于：包括柔顺驱动足、竖直升降机构、水平滑动机构、压电块和摩擦盘，所述柔顺驱动足包括柔顺放大机构、柔顺驱动足作动部位和柔顺片簧。本发明中设计的柔顺驱动足集成了柔顺放大机构及柔性铰链，实现了对压电块输出位移的放大，从而能够增大步进幅值及实现断电快速回弹；设计了升降块和微动板簧组成的负载调整装置，能够针对不同外负荷进行滑块与摩擦盘间的稳定摩擦力调整，保障输出的稳定性；整体集成式设计有效简化了结构尺寸，提高了电机的适用范围。

权利要求

1.一种可调负荷大步进幅值直线压电电机，其特征在于：包括柔顺驱动足(2)、压电块(4)和摩擦盘(7)、以及用于负荷卸载调整的竖直升降机构和水平滑动机构，所述柔顺驱动足(2)包括设在柔顺驱动足(2)内部的柔顺放大机构(201)、柔顺驱动足作动部位(205)和柔顺片簧(206)，所述压电块(4)设在柔顺驱动足(2)内部，柔顺放大机构(201)设在压电块(4)左右两端，柔顺驱动足作动部位(205)设在压电块(4)的前端，柔顺片簧(206)设在柔顺驱动足作动部位(205)和柔顺驱动足(2)的内侧壁之间用于实现柔顺驱动足作动部位(205)回弹，柔顺驱动足(2)通过嵌入式柔顺放大机构(201)设计实现对压电块(4)的输出行程放大和断电快速回缩，所述水平滑动机构通过摩擦盘(7)设在柔顺驱动足作动部位(205)上，所述竖直升降机构设在柔顺驱动足(2)的两端并与水平滑动机构连接；

所述竖直升降机构包括升降块(6)、止动螺钉(5)以及设在柔顺驱动足(2)左右两端的矩形槽(203)，所述升降块(6)的底端设在矩形槽(203)内，所述止动螺钉(5)穿过设在柔顺驱动足(2)侧面的止动螺钉安装孔(204)将升降块(6)与矩形槽(203)固定,升降块(6)的顶端与水平滑动机构连接；

所述水平滑动机构包括滑块(9)、滑轨(10)和微动板簧(3)，滑块(9)设在摩擦盘(7)上与滑轨(10)的底面滑动配合实现前后滑动，微动板簧(3)设在滑轨(10)的左右两侧，微动板簧(3)一端与滑轨(10)的顶面连接，另一端与升降块(6)的顶端连接；

所述微动板簧(3)包括中间倾斜面(305)以及与中间倾斜面(305)两端连接的水平面一(301)和水平面二(302)，水平面一(301)与升降块(6)的顶端连接，水平面二(302)与滑轨(10)的顶面连接，水平面一(301)的位置低于水平面二(302)的位置；

所述水平面一(301)和升降块(6)之间通过固定螺栓一(8)连接，水平面一(301)上设有用于安装固定螺栓一(8)的圆形安装通孔(303)，水平面二(302)和滑轨(10)之间通过固定螺栓二(11)连接，水平面二(302)上设有用于安装固定螺栓二(11)的回形针型通孔(304)。

2.如权利要求1所述的一种可调负荷大步进幅值直线压电电机，其特征在于：所述柔顺放大机构(201)为凸字形结构，所述压电块(4)位于两个凸字形结构的凸出部分之间，凸字形结构的两端分别通过柔性铰链(207)与柔顺驱动足作动部位(205)的后端和柔顺驱动足(2)的内侧壁连接。

3.如权利要求1所述的一种可调负荷大步进幅值直线压电电机，其特征在于：所述压电块(4)的一侧通过预紧螺栓(1)进行预应力调节，预紧螺栓(1)通过设在柔顺驱动足(2)侧面的孔(202)从左到右依次穿过柔顺驱动足(2)和柔顺放大机构(201)对压电块(4)进行预紧。

4.如权利要求1所述的一种可调负荷大步进幅值直线压电电机，其特征在于：所述矩形槽(203)设在柔顺驱动足(2)两端的边框位置。

5.如权利要求1所述的一种可调负荷大步进幅值直线压电电机，其特征在于：所述柔顺片簧(206)在柔顺驱动足(2)内部对称设置避免柔顺驱动足作动部位(205)回弹时出现偏移。

6.如权利要求1所述的一种可调负荷大步进幅值直线压电电机，其特征在于：所述升降块(6)采用长方体外型设计防止与矩形槽(203)配合时发生相对转动。

说明书

一种可调负荷大步进幅值直线压电电机

技术领域

[0001] 本发明涉及一种可调负荷大步进幅值直线压电电机，属于超精密直线电机领域。

背景技术

[0002] 面向超精密作动领域应用，如微纳操作、光学准直、机器人运动等，直线型电机以其结构紧凑、传动链少、断电自锁、响应快速、作动精度高等特点而被广泛关注。当前，根据
压电元件对定子的作动方式，直线型压电电机主要分为共振型和非共振型。共振型电机通
过调整激励信号的频率与幅值，以压电元件引起定子共振从而达到对动子的驱动目的，此
种方式容易因各部件加工与装配误差引起移频，影响电机正常运行；且因部件共振，容易引
发部件疲劳失效，降低电机的正常使用寿命。因此，非共振型电机展现了更广阔的应用前
景。然则，当下非共振型电机也普遍存在负载能力小，易受外载荷影响、步进幅值小、精度低
等缺点，因此开发具备可对外负荷进行调整、大步进幅值、高精度的新型直线压电电机意义
显著。

发明内容

[0003] 本发明的目的是：提供一种可对变化的外负荷进行卸载调整，且步进幅值大、精度高的直线压电电机。

[0004] 为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种可调负荷大步进幅值直线压电电机，其特征在于：包括柔顺驱动足、压电块和摩擦盘、以及用于负荷卸载调整的竖直升
降机构和水平滑动机构，所述柔顺驱动足包括设在柔顺驱动足内部的柔顺放大机构、柔顺
驱动足作动部位和柔顺片簧，所述压电块设在柔顺驱动足内部，柔顺放大机构设在压电块
左右两端，柔顺驱动足作动部位设在压电块的前端，柔顺片簧设在柔顺驱动足作动部位和
柔顺驱动足的内侧壁之间用于实现柔顺驱动足作动部位回弹，柔顺驱动足通过嵌入式柔顺
放大机构设计实现对压电块的输出行程放大和断电快速回缩，所述水平滑动机构通过摩擦
盘设在柔顺驱动足作动部位上，所述竖直升降机构设在柔顺驱动足的两端并与水平滑动机
构连接。

[0005] 优选地，所述竖直升降机构包括升降块、止动螺钉以及设在柔顺驱动足左右两端的矩形槽，所述升降块的底端设在矩形槽内，所述止动螺钉穿过设在柔顺驱动足侧面的止
动螺钉安装孔将升降块与矩形槽固定,升降块的顶端与水平滑动机构连接。

[0006] 优选地，所述水平滑动机构包括滑块、滑轨和微动板簧，滑块设在摩擦盘上与滑轨的底面滑动配合实现前后滑动，微动板簧设在滑轨的左右两侧，微动板簧一端与滑轨的顶
面连接，另一端与升降块的顶端连接。

[0007] 优选地，所述微动板簧包括中间倾斜面以及与中间倾斜面两端连接的水平面一和水平面二，水平面一与升降块的顶端连接，水平面二与滑轨的顶面连接，水平面一的位置低
于水平面二的位置。

[0008] 优选地，所述水平面一和升降块之间通过固定螺栓一连接，水平面一上设有用于安装固定螺栓一的圆形安装通孔，水平面二和滑轨之间通过固定螺栓二连接，水平面二上
设有用于安装固定螺栓二的回形针型通孔。

[0009] 优选地，所述柔顺放大机构为凸字形结构，所述压电块位于两个凸字形结构的凸出部分之间，凸字形结构的两端分别通过柔性铰链与柔顺驱动足作动部位和柔顺驱动足的
内侧壁连接。

[0010] 优选地，所述压电块的一侧通过预紧螺栓进行预应力调节，预紧螺栓通过设在柔顺驱动足侧面的孔从左到右依次穿过柔顺驱动足和柔顺放大机构对压电块进行预紧。

[0011] 优选地，所述矩形槽设在柔顺驱动足两端的边框位置。

[0012] 优选地，所述柔顺片簧在柔顺驱动足内部对称设置避免柔顺驱动足作动部位回弹时出现偏移。

[0013] 优选地，所述升降块采用长方体外型设计防止与矩形槽配合时发生相对转动。

[0014] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0015] 本发明中设计的柔顺驱动足集成了柔顺放大机构及柔性铰链，实现了对压电块输出位移的放大，从而能够增大步进幅值及实现断电快速回弹；设计了升降块和微动板簧组
成的负载调整装置，能够针对不同外负荷进行滑块与摩擦盘间的稳定摩擦力调整，保障输
出的稳定性；整体集成式设计有效简化了结构尺寸，提高了电机的适用范围。

附图说明

[0016] 图1为本发明一种可调负荷大步进幅值直线压电电机爆炸示意图；

[0017] 图2为柔顺驱动足结构示意图；

[0018] 图3为微动板簧结构示意图；

[0019] 图4为向本发明施加的三角波驱动电压示意图；其中横轴表示时间，纵轴表示电压。

具体实施方式

[0020] 为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

[0021] 本发明一种可调负荷大步进幅值直线压电电机，包括预紧螺栓1、柔顺驱动足2、微动板簧3、压电块4、止动螺钉5、升降块6、摩擦盘7、固定螺栓8、滑块9和滑轨10。其中，柔顺驱
动足2作为整个电机的安装基准和实现大步进幅值的关键部件，采用一体化设计加工成型，
内部开有嵌入槽，方便压电块4安装。柔顺驱动足2包括设在柔顺驱动足2内部的柔顺放大机
构201、柔顺驱动足作动部位205、柔顺片簧206和柔性铰链207，压电块4安装在柔顺驱动足2
的嵌入槽内，柔顺放大机构201安装在压电块4的左右两端，柔顺驱动足作动部位205安装在
压电块4的前端，柔顺片簧206安装在柔顺驱动足作动部位205和柔顺驱动足2的内侧壁之
间，柔顺片簧206在柔顺驱动足2内部对称设置避免柔顺驱动足作动部位205回弹时出现偏
移；柔顺放大机构201为凸字形结构，压电块4位于两个凸字形结构的凸出部分之间，凸字形
结构的两端分别通过柔性铰链207与柔顺驱动足作动部位205的后端和柔顺驱动足2的内侧
壁连接。柔顺驱动足2基于柔顺机构技术，通过嵌入式柔顺放大机构2和柔性铰链207的设
计，能够实现对压电块4的输出行程放大和断电快速回缩，以实现电机的大步进幅值和高动
态响应。

[0022] 柔顺驱动足作动部位205上粘接有摩擦盘7，滑块9的底面与摩擦盘7接触，滑轨10的底面开有槽，实现与滑块9的前后滑动配合；摩擦盘7可增大与滑块9间的摩擦力，确保良
好的接触状态，实现对滑块9的直线驱动，提高稳定输出的能力。滑轨10与滑块9的接触面可
采用磁悬浮式设计，也可在接触面增设自润滑涂层，以减小摩擦阻力。

[0023] 柔顺驱动足2在左右两端的边框位置开有矩形槽203，方便升降块6与之配合实现上下运动；同时在矩形槽203的侧面还加工有止动螺钉安装孔204，以便止动螺钉5旋进，从
而顶紧升降块6，满足升降块6在某一位置的固定。升降块6的底端位于矩形槽203内，止动螺
钉5穿过止动螺钉安装孔204将升降块6与矩形槽203固定，升降块6的顶端开有螺纹孔。

[0024] 升降块6采用长方体外型设计，与矩形槽203配合时，能够有效阻止相对转动，仅保留纵向运动。止动螺钉安装孔204应设计于柔顺驱动足2侧面的偏上位置，从而在升降块6向
上运动时，始终能使止动螺钉5挤紧升降块6，以实现升降块6的固定。

[0025] 微动板簧3采用倾斜式设计，包括中间倾斜面305以及与中间倾斜面305两端连接的水平面一301和水平面二302，水平面一301的位置低于水平面二302的位置，微动板簧3位
于在滑轨10的左右两侧，水平面一301上加工有圆形安装通孔303，实现与升降块6的装配；
水平面二302上加工有回形针型通孔304，便于针对不同外负荷进行升降操作时实现与滑轨
10的固定，滑轨10上设计有对称的螺纹孔，以便于与微动板簧3的紧固。圆形安装通孔303与
升降块6顶端的螺纹孔通过固定螺栓一8连接，回形针型通孔304与滑轨10的顶面通过固定
螺栓二11连接。

[0026] 压电块4通过预紧螺栓1实现预应力调整与紧固，预紧螺栓1通过设在柔顺驱动足2侧面的孔202从左到右依次穿过柔顺驱动足2和柔顺放大机构201对压电块4进行预应力调
节。

[0027] 止动螺钉5、矩形槽203、止动螺钉孔204、升降块6、微动板簧3、固定螺栓一8、滑轨10和滑块9共同组成了负荷卸载调整装置，通过调整升降块6的高度以及微动板簧3的水平
固定位置，借助微动板簧3的弹性变形实现对不同外部负载的卸载调整，从而调整滑块9与
摩擦盘7之间的摩擦力，实现稳定的作动环境。

[0028] 具体的，电机作动流程如下：首先针对不同外部负载，通过调整升降块6和微动板簧3实现对外部负荷的卸荷调整；接着，给压电块4输入图4所示的一半三角波驱动电压，此
时压电块4缓慢伸长，推导柔顺驱动足作动部位205变形，接着带动与柔顺驱动足作动部位
205粘接的摩擦盘7运动，摩擦盘7通过摩擦力驱动滑块9向前运动；然后，压电块4迅速断电，
柔顺驱动足作动部位205受柔顺片簧206及柔性铰链207的弹性作用，实现快速回弹及复位，
完成一个周期T的步进运动。

[0029] 在上述一个时间周期T内，滑块9实现对外输出一个步进位移，重复上述过程，即可实现滑块9的连续向前平动。反之，当给压电块4输入带直流偏置的另一半三角波驱动电压，
此时压电块4将缓慢收缩，从而带动滑块9实现向后平动，其工作过程与向前平动相同。

[0030] 本文中应用具体实例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明便于帮助理解本发明的方法及核心思想。但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，
其他任何未背离本发明精神实质及原理下所作的改变、修饰、组合及简化，均应为等效的置
换方式，都包含在本发明的保护范围之内。