电磁辅助式压电片型精密惯性执行器及驱动方法技术

本发明专利技术公开了一种电磁辅助式压电片型精密惯性执行器及驱动方法，在将基于音圈电机驱动原理的电磁驱动组件与基于压电惯性驱动原理的压电驱动组件进行复合设计

【技术实现步骤摘要】
电磁辅助式压电片型精密惯性执行器及驱动方法


[0001]本专利技术涉及超精密加工与定位
，具体涉及一种电磁辅助式压电片型精密惯性执行器及驱动方法
。

技术介绍

[0002]超精密驱动与定位技术在超精尖工程
发挥着愈加重要的作用
。
压电驱动技术相较于传统驱动技术具备高分辨率
、
响应快
、
可应用与真空
、
超低温等极限工况，通过结合电信号控制可实现纳米级定位精度，在超精密加工
、
航空航天
、
精密光学仪器
、
芯片制造等领域得到了广泛应用
。
[0003]压电元件基于逆压电效应驱动时，其形变量及其有限，最大仅为自身长度的2％左右，通过机械结构设计可将压电元件的微小振动转变为长行程位移，这种步进式压电驱动器可实现跨尺度长行程高精度定位，基于其驱动原理可分为压电超声驱动器
、
压电尺蠖驱动器以及压电惯性驱动器，其中压电惯性驱动器结构简单，仅通过一组激励源即可实现长行程高精度定位，其余两类压电驱动器均需要至少两组或两组以上压电元件进行耦合激励
。
然而其负载能力较弱
。
此外，当动子由于其自身运动速度与质量产生的惯性力不足以克服“滑阶段”的反向驱动力之时，将会导致位移回退运动的产生，使驱动速度劣化的同时也会加剧磨损，在推力负载工况下这一问题将更加严峻
。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对传统的电磁驱动精度较低，压电惯性驱动精度较高但存在位移回退问题，以及基于惯性冲击原理的压电惯性驱动器难以实现高速驱动的技术问题，提出了一种电磁辅助式压电片型精密惯性执行器及驱动方法
。
[0005]本专利技术的技术方案如下
:
[0006]本专利技术提供了一种电磁辅助式压电片型精密惯性执行器，包括电磁驱动组件
、
压电驱动组件以及底部基座；
[0007]所述底部基座包括
L
型的底部机架
、
滑块以及导轨；所述底部机架由竖直设置的底部机架侧板和水平设置的底部机架底板构成的
L
形结构；所述滑块滑动设置在导轨上；所述导轨固定在底部机架底板上；
[0008]所述压电驱动组件包括压电片安装机架以及设置在压电片安装机架上的四片压电片；所述压电片安装机架包括机架柱型主体
、
布置在机架柱型主体两侧的两个机架侧臂以及底部安装凸台；所述机架侧臂的上下表面上均固定有一片压电片且上下表面上的压电片极化方向不相同，两个机架侧臂同一方向上的压电片极化方向相同，通过电信号控制机架侧臂的弯曲；所述压电驱动组件通过底部安装凸台安装在滑块上；
[0009]所述电磁驱动组件包括线圈单元以及磁铁单元，两者轴心在同一直线上，沿横向可产生相对位移；所述线圈单元固定连接在底部机架侧板上，所述磁铁单元与压电驱动组件固定连接
。
[0010]根据本专利技术的优选方案，所述底部基座还包括滑块限位板和挡块凸台；所述滑块限位板设置在底部机架底板上并与导轨的一端抵接；所述挡块凸台设置在底部机架底板的侧面并与导轨的另一端抵接
。
[0011]根据本专利技术的优选方案，所述底部安装凸台上开设有机架固定沉头孔，所述机架固定沉头孔用于将压电片安装机架安装在底部基座上
。
[0012]本专利技术还提供了一种上述电磁辅助式压电片型精密惯性执行器的驱动方法，包括以下步骤：
[0013]1)
底部机架底板与光学隔振平台固定，驱动目标物体固定在压电片安装机架上；
[0014]2)
规定向右运动时为正方向；正向驱动时，对电磁驱动组件通入正向直流电；由于线圈单元固定于底部机架之上，故其受到的向左的力
F
C
将被底部机架的反作用力抵消，磁铁单元将受到向右的力
F
m
，并带动滑块产生向右运动的趋势；压电驱动组件中压电片与机架侧臂的接触面接地为0电；此时对四片压电片与机架侧臂的非接触面通入占空比为0％的锯齿波，其中4个压电片中与机架侧臂贴合的面接地，未与机架侧臂贴合的面输入并联后通入锯齿波信号；当电压快速升高时，4个压电片带动机架侧臂由向右弯曲快速变为向左弯曲，压电片带动机架侧臂快速摆动产生的反作用力
F
P1
将作用于滑块，此时反作用力
F
P1
的方向向右；当电压缓慢降低时，4个压电片带动机架侧臂由向左形变缓慢变为右变形，压电片带动机架侧臂快速摆动产生的反作用力
F
p2
将作用于滑块，此时反作用力
F
p2
的方向向左；由于电压非对称占空比变化的差异将导致惯性力
F
P1
大于
F
P2
；将滑块与导轨之间摩擦力用
F
f
标定，在电压快速升高时，滑块受到的合力
F
T
＝
F
m
+F
P1
‑
F
f
；在电压缓慢降低时，滑块受到的合力为
F
T
＝
F
m
‑
F
P2
‑
F
f
；通过控制电磁驱动组件与压电驱动组件之间的电信号从而实现复合定位台的正向驱动，并且能够执行两种模式，分别为快速驱动模式以及精密定位模式；执行快速驱动模式时，控制电信号使滑块受到的合力始终大于0，电磁驱动组件施加较大的直流电压使得滑块获得力较大的合力
F
T
；执行精密定位模式时，控制电磁驱动组件电信号使其在压电驱动组件电压缓慢降低时滑块受到的合力为0，以抑制此阶段压电驱动组件独立位移时产生的位移回退，对压电驱动通入周期性锯齿波实现微进给；
[0015]反向驱动时，对电磁驱动组件施加反向直流电，此时磁铁单元受到向左的力
F
m
，并带动滑块产生向左运动的趋势
。
压电驱动组件中压电片与机架侧臂的接触面接地为0电位，对四片压电片与机架侧臂的非接触面加
100
％的锯齿波电压信号，在电压缓升高时，滑块受到的合力为
F
T
＝
F
m
‑
F
P2
‑
F
f
，当电压快速降低时，滑块受到的合力为
F
T
＝
F
m
+F
P1
‑
F
f
，其中，由于非对称激励信号的施加
,
有
F
p1
>F
p2
；与正向工作原理相同，反向驱动时亦可以实现快速驱动以及精密定位两种工作模式
。
[0016]与现有技术相比本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种电磁辅助式压电片型精密惯性执行器，其特征在于，包括电磁驱动组件
(1)、
压电驱动组件
(2)
以及底部基座
(3)
；所述底部基座
(3)
包括
L
型的底部机架
(3
‑
1)、
滑块
(3
‑
2)
以及导轨
(3
‑
3)
；所述底部机架
(3
‑
1)
由竖直设置的底部机架侧板
(3
‑1‑
1)
和水平设置的底部机架底板
(3
‑1‑
4)
构成的
L
形结构；所述滑块
(3
‑
2)
滑动设置在导轨
(3
‑
3)
上；所述导轨
(3
‑
3)
固定在底部机架底板
(3
‑1‑
4)
上；所述压电驱动组件
(2)
包括压电片安装机架
(2
‑
3)
以及设置在压电片安装机架
(2
‑
3)
上的四片压电片；所述压电片安装机架
(2
‑
3)
包括机架柱型主体
(2
‑3‑
2)、
布置在机架柱型主体
(2
‑3‑
2)
两侧的两个机架侧臂
(2
‑3‑
3)
以及底部安装凸台
(2
‑3‑
8)
；所述机架侧臂
(2
‑3‑
3)
的上下表面上均固定有一片压电片且上下表面上的压电片极化方向不相同，两个机架侧臂
(2
‑3‑
3)
同一方向上的压电片极化方向相同，通过电信号控制机架侧臂
(2
‑3‑
3)
的弯曲；所述压电驱动组件
(2)
通过底部安装凸台
(2
‑3‑
8)
安装在滑块
(3
‑
2)
上；所述电磁驱动组件
(1)
包括线圈单元
(1
‑
1)
以及磁铁单元
(1
‑
3)
，两者轴心在同一直线上，沿横向可产生相对位移；所述线圈单元
(1
‑
1)
固定连接在底部机架侧板
(3
‑1‑
1)
上，所述磁铁单元
(1
‑
3)
与压电驱动组件
(2)
固定连接
。2.
根据权利要求1所述的电磁辅助式压电片型精密惯性执行器，其特征在于，所述底部基座
(3)
还包括滑块限位板
(3
‑1‑
3)
和挡块凸台
(3
‑4‑
1)
；所述滑块限位板
(3
‑1‑
3)
设置在底部机架底板
(3
‑1‑
4)
上并与导轨
(3
‑
3)
的一端抵接；所述挡块凸台
(3
‑4‑
1)
设置在底部机架底板
(3
‑1‑
4)
的侧面并与导轨
(3
‑
3)
的另一端抵接
。3.
根据权利要求1所述的电磁辅助式压电片型精密惯性执行器，其特征在于，所述机架侧臂的弯曲方向
、
滑块的运动方向
、
磁铁单元的运动方向相互平行；所述压电堆叠的振动方向垂直于上述运动方向
...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩冬，乔广达，谭显中，周宇喆，朱静嘉，龚国芳，杨华勇，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：