基于多壓電振子彎曲運(yùn)動的步進(jìn)蠕動型驅(qū)動激勵方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及到一種基于多壓電振子彎曲運(yùn)動的步進(jìn)蠕動型驅(qū)動激勵方法，屬于精密驅(qū)動技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]壓電驅(qū)動具有無電磁干擾、斷電自鎖、結(jié)構(gòu)簡單、低速大扭矩、力矩密度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、MEMS和光學(xué)精密工程等領(lǐng)域獲得了成功的應(yīng)用。壓電驅(qū)動按照激勵使用的頻率可分為共振型壓電驅(qū)動和非共振型壓電驅(qū)動。共振型壓電驅(qū)動利用壓電振子的共振頻率，在驅(qū)動位置形成橢圓或者斜線運(yùn)動軌跡。但是由于工作原理的限制，共振型壓電驅(qū)動的定位精度只能達(dá)到微米級或者亞微米級，難于實現(xiàn)進(jìn)一步提高。而隨著超精密加工、微納制造和微電子制造等領(lǐng)域的快速發(fā)展，對驅(qū)動與定位系統(tǒng)的行程、速度和精度等指標(biāo)提出了極為苛刻的要求，現(xiàn)有成熟的共振型壓電驅(qū)動難以滿足這種高要求。非共振型壓電驅(qū)動以壓電疊堆驅(qū)動器為主，驅(qū)動與定位精度可以達(dá)到納米級，但是工作行程一般在100Mi以下，難于實現(xiàn)大行程輸出；此外，壓電疊堆器件采用軸向伸縮模式工作，僅能施加正向激勵信號，這也限制了其輸出位移的提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有壓電驅(qū)動技術(shù)難于實現(xiàn)定位與行程的兼顧，以及壓電疊堆器件采用軸向伸縮模式工作而帶來的施加信號、輸出位移受限的問題?，F(xiàn)提供基于多壓電振子彎曲運(yùn)動的步進(jìn)蠕動型驅(qū)動激勵方法。
[0004]基于多壓電振子彎曲運(yùn)動的步進(jìn)蠕動型驅(qū)動激勵方法，該方法需要η個平行設(shè)置的壓電振子，η為正整數(shù)，且η 2 2;每個壓電振子包括水平彎曲陶瓷組、豎直彎曲陶瓷組、變幅桿和驅(qū)動足；
[0005]水平彎曲陶瓷組由水平對扣的兩個壓電陶瓷半組構(gòu)成，
[0006]豎直彎曲陶瓷組由豎直對扣的兩個壓電陶瓷半組構(gòu)成，
[0007]且水平彎曲陶瓷組和豎直彎曲陶瓷組同心設(shè)置，
[0008]動子為長方體結(jié)構(gòu)，
[0009]每個壓電振子的水平彎曲陶瓷組的一端固定在基座上，水平彎曲陶瓷組的另一端連接豎直彎曲陶瓷組的一端，豎直彎曲陶瓷組的另一端與變幅桿的首端連接，變幅桿的末端設(shè)置有驅(qū)動足，驅(qū)動足的圓周側(cè)面均與動子接觸，
[0010]豎直彎曲陶瓷組施加直流激勵信號后會使壓電振子產(chǎn)生豎直方向的彎曲，從而使得驅(qū)動足與動子接觸或者分離；
[0011]水平彎曲陶瓷組施加直流激勵信號后會使壓電振子產(chǎn)生水平方向的彎曲，當(dāng)驅(qū)動足與動子接觸時，驅(qū)動足會通過摩擦力帶動動子產(chǎn)生水平運(yùn)動；
[0012]η個驅(qū)動足交替地帶動動子運(yùn)動，在驅(qū)動過程中至少保證一個驅(qū)動足和動子保持接觸狀態(tài)；
[0013]動子的步進(jìn)婦動包括向左和向右兩個方向，實現(xiàn)動子向左運(yùn)動的步進(jìn)婦動型驅(qū)動激勵方法為:
[0014]步驟一一、將η個壓電振子隨機(jī)分成兩組，初始狀態(tài)，在初始預(yù)緊力作用下一組數(shù)量的驅(qū)動足和另一組數(shù)量的驅(qū)動足均與動子接觸；
[0015]步驟一二、一組數(shù)量的壓電振子的豎直彎曲陶瓷組施加正電壓，一組數(shù)量的驅(qū)動足向上彎曲并脫離與動子的接觸；另一組數(shù)量的壓電振子的豎直彎曲陶瓷組施加負(fù)電壓，另一組數(shù)量的驅(qū)動足向下彎曲并壓緊動子；
[0016]步驟一三、一組數(shù)量的壓電振子的水平彎曲陶瓷組施加正電壓，一組數(shù)量的驅(qū)動足向右彎曲；另一組數(shù)量的壓電振子的水平彎曲陶瓷組施加負(fù)電壓，另一組數(shù)量的驅(qū)動足向左彎曲，另一組數(shù)量的驅(qū)動足驅(qū)動動子將向左移動一步；
[0017]步驟一四、一組數(shù)量的壓電振子的豎直彎曲陶瓷組施加負(fù)電壓，一組數(shù)量的驅(qū)動足向下彎曲，一組驅(qū)動足和另一組數(shù)量的驅(qū)動足共同鎖住動子；
[0018]步驟一五、另一組數(shù)量的壓電振子的豎直彎曲陶瓷組施加正電壓，另一組數(shù)量的驅(qū)動足向上彎曲并脫離與動子的接觸；
[0019]步驟一六、一組數(shù)量的壓電振子的水平彎曲陶瓷組施加負(fù)電壓，一組的驅(qū)動足向左彎曲，同時另一組數(shù)量的壓電振子的水平彎曲陶瓷組施加正電壓，另一組數(shù)量的驅(qū)動足向右彎曲，一組數(shù)量的驅(qū)動足驅(qū)動動子將向左繼續(xù)移動一步；
[0020]步驟一七、另一組數(shù)量的壓電振子的豎直彎曲陶瓷組施加負(fù)電壓，另一組數(shù)量的驅(qū)動足向下彎曲，和一組數(shù)量驅(qū)動足共同鎖住動子；
[0021]步驟一八、一組數(shù)量的壓電振子的豎直彎曲陶瓷組施加正電壓，一組的驅(qū)動足向上彎曲并脫離與動子的接觸；
[0022]步驟一九、重復(fù)步驟一三至步驟一八，從而實現(xiàn)動子向左運(yùn)動的步進(jìn)蠕動型驅(qū)動激勵方法；
[0023]動子的步進(jìn)婦動包括向左和向右兩個方向，實現(xiàn)動子向右運(yùn)動的步進(jìn)婦動型驅(qū)動激勵方法為:
[0024]步驟二一、將η個壓電振子隨機(jī)分成兩組，初始狀態(tài)，在初始預(yù)緊力作用下一組數(shù)量的驅(qū)動足和另一組數(shù)量的驅(qū)動足均與動子接觸；
[0025]步驟二二、另一組數(shù)量的壓電振子的豎直彎曲陶瓷組施加正電壓，另一組數(shù)量的驅(qū)動足向上彎曲并脫離與動子的接觸；一組數(shù)量的壓電振子的豎直彎曲陶瓷組施加負(fù)電壓，一組數(shù)量的驅(qū)動足向下彎曲并壓緊動子；
[0026]步驟二三、另一組數(shù)量的壓電振子的水平彎曲陶瓷組施加負(fù)電壓，另一組數(shù)量的驅(qū)動足向左彎曲；一組數(shù)量的壓電振子的水平彎曲陶瓷組施加正電壓，一組數(shù)量驅(qū)動足向右彎曲，一組數(shù)量的驅(qū)動足驅(qū)動動子將向右移動一步，
[0027]步驟二四、另一組數(shù)量的壓電振子的豎直彎曲陶瓷組施加負(fù)電壓，另一組數(shù)量的驅(qū)動足向下彎曲，一組數(shù)量的驅(qū)動足和另一組數(shù)量的驅(qū)動足共同鎖住動子，
[0028]步驟二五、一組數(shù)量的壓電振子的豎直彎曲陶瓷組施加正電壓，一組數(shù)量的驅(qū)動足向上彎曲并脫離與動子的接觸，
[0029]步驟二六、另一組數(shù)量的壓電振子的水平彎曲陶瓷組施加正電壓，另一組數(shù)量的驅(qū)動足向右彎曲，同時一組數(shù)量的壓電振子的水平彎曲陶瓷組施加負(fù)電壓，一組數(shù)量的驅(qū)動足向左彎曲，另一組數(shù)量的驅(qū)動足驅(qū)動動子將向右繼續(xù)移動一步，
[0030]步驟二七、一組數(shù)量的壓電振子的豎直彎曲陶瓷組施加負(fù)電壓，一組的驅(qū)動足向下彎曲，和另一組數(shù)量的驅(qū)動足共同鎖住動子，
[0031]步驟二八、另一組數(shù)量的壓電振子的豎直彎曲陶瓷組施加正電壓，另一組數(shù)量的驅(qū)動足向上彎曲并脫離與動子的接觸，
[0032]步驟二九、重復(fù)步驟二三至步驟二八，從而實現(xiàn)動子向右運(yùn)動的步進(jìn)蠕動型驅(qū)動激勵方法。
[0033]基于多壓電振子彎曲運(yùn)動的步進(jìn)蠕動型驅(qū)動激勵方法，該方法需要η個沿動子圓周均布的壓電振子，η為正整數(shù)，且η 2 2;每個壓電振子包括水平彎曲陶瓷組、豎直彎曲陶瓷組、變幅桿和驅(qū)動足；
[0034]水平彎曲陶瓷組由水平對扣的兩個壓電陶瓷半組構(gòu)成，
[0035]豎直彎曲陶瓷組由豎直對扣的兩個壓電陶瓷半組構(gòu)成，
[0036]且水平彎曲陶瓷組和豎直彎曲陶瓷組同心設(shè)置，
[0037]動子為圓環(huán)形結(jié)構(gòu)，
[0038]每個壓電振子的水平彎曲陶瓷組的一端固定在基座的一端，水平彎曲陶瓷組的另一端連接豎直彎曲陶瓷組的一端，豎直彎曲陶瓷組的另一端與變幅桿的首端連接，變幅桿的末端設(shè)置有驅(qū)動足，驅(qū)動足的圓周側(cè)面均與動子接觸，
[0039]豎直彎曲陶瓷組施加直流激勵信號后會使壓電振子產(chǎn)生豎直方向的彎曲，從而使得驅(qū)動足與動子接觸或者分離；
[0040]水平彎曲陶瓷組施加直流激勵信號后會使壓電振子產(chǎn)生水平方向的彎曲，當(dāng)驅(qū)動足與動子接觸時，驅(qū)動足會通過摩擦力帶動動子產(chǎn)生水平運(yùn)動；
[0041]兩個驅(qū)動足交替地帶動動子運(yùn)動，在驅(qū)動過程中至少保證一個驅(qū)動足和動子保持接觸狀態(tài)；
[0042]動子沿順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)，以動子順時針旋轉(zhuǎn)為例說明其步進(jìn)蠕動型驅(qū)動激勵方法，該方法包括以下步驟:
[0043]步驟一、將η個壓電振子隨機(jī)分成兩組，初始狀態(tài)，在初始預(yù)緊力作用下一組驅(qū)動足和另一組驅(qū)動足均與動子接觸；
[0044]步驟二、一組壓電振子的豎直彎曲陶瓷組施加正電壓，一組驅(qū)動足向上彎曲并脫離與動子的接觸；另一組壓電振子的豎直彎曲陶瓷組施加負(fù)電壓，另一組驅(qū)動足向下彎曲并壓緊動子；
[0045]步驟三、一組壓電振子的水平彎曲陶瓷組施加正電壓，一組驅(qū)動足向逆時針彎曲；另一組壓電振子的水平彎曲陶瓷組施加負(fù)電壓，另一組驅(qū)動足向順時針彎曲，另一組驅(qū)動足驅(qū)動動子將向順時針移動一步；
[0046]步驟四、一組壓電振子的豎直彎曲陶瓷組施加負(fù)電壓，一組驅(qū)動足向下彎曲，一組驅(qū)動足和另一組驅(qū)動足共同鎖住動子；
[0047]步驟五、另一組壓電振子的豎直彎曲陶瓷組施加正電壓，另一組驅(qū)動足向上彎曲并脫尚與動子的接觸；
[0048]步驟六、一組壓電振子的水平彎曲陶瓷組施加負(fù)電壓，一組驅(qū)動足向順時針彎曲，同時另一組壓電振子的水平彎曲陶瓷組施加正電壓，另一組驅(qū)動足向逆時針彎曲，一組驅(qū)動足驅(qū)動動子將向順時針繼續(xù)移動一步，
[0049]步驟七、另一組壓電振子的豎直彎曲陶瓷組施加負(fù)電壓，另一組驅(qū)動足向下彎曲，和一組驅(qū)動足共同鎖住動子，
[0050]步驟八、一組壓電振子的豎直彎曲陶瓷組施加正電壓，一組驅(qū)動足向上彎曲并脫尚與動子的接觸，
[0051]步驟九、重復(fù)步驟三至步驟八，從而實現(xiàn)動子沿順時針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的步進(jìn)蠕動型驅(qū)動激勵方法。
[0052]本發(fā)明的有益效果:采用多個彎曲運(yùn)動壓電振子的組合實現(xiàn)蠕動式步進(jìn)驅(qū)動，豎直彎曲陶瓷組用于控制驅(qū)動足與動子的接觸或者分離，水平彎曲陶瓷組用于帶動動子實現(xiàn)微小幅度的步進(jìn);多個壓電振子的交替蠕動可以實現(xiàn)動子的步進(jìn)驅(qū)動;工作過程中至少保證有一個驅(qū)動足與動子緊密接觸，從而保證了動子的可靠定位；
[0053]通過控制豎直彎曲陶瓷組上施加的電壓幅值，可以精確調(diào)整驅(qū)動足與動子之間的預(yù)壓力，從而可以實現(xiàn)對動子輸出推力的精確控制;通過控制水平彎曲陶瓷組上施加的電壓幅值，可以實現(xiàn)動子單次步進(jìn)的步距的精確調(diào)整;通過控制激勵信號的開關(guān)頻率，可以實現(xiàn)動子輸出速度的調(diào)整；
[0054]驅(qū)動過程中，豎直彎曲陶瓷組用于激勵壓電振子豎直方向的彎曲激勵，水平彎曲陶瓷組用于實現(xiàn)壓電振子水平方向彎曲的激勵，兩個彎曲運(yùn)動由單獨(dú)的壓電元件進(jìn)行激勵，可以通過調(diào)整各自電壓進(jìn)行獨(dú)立控制；
[0055]豎直彎曲陶瓷組和水平彎曲陶瓷組可以施加正向電壓，也可以激勵負(fù)向電壓，從而保證在驅(qū)動足處可以獲得較大的輸出位移；
[0056]此外，如果動子是直線型，則該方法可以實現(xiàn)直線驅(qū)動；如果動子是圓環(huán)型，則該方法可以實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動；
[0057]本發(fā)明中的基于多壓電振子彎曲運(yùn)動的步進(jìn)蠕動型驅(qū)動激