摩擦非对称与惯性质量耦合的冲击驱动器及耦合驱动方法

1.本发明涉及一种摩擦非对称与惯性质量耦合的冲击驱动器及耦合驱动方法，属于精密驱动技术领域，可用于微/纳米定位、原位测试技术、光学聚焦和航空航天技术等领域。


背景技术：

2.惯性冲击式压电驱动器是一种依据动量守恒定律实现运动的非共振型电机，依靠压电元件振动时产生的惯性冲击力，带动驱动器主体产生阶梯式步进位移，具有控制容易、结构简单的特点。介于以上优点，惯性冲击式压电驱动器近年来被广泛应用于原位测试技术、星载指向机构、及半导体制造等领域。
3.虽然学者们针对惯性冲击式压电驱动器开展了丰富的研究工作，但受限于驱动原理，其输出性能普遍偏低。且现有研究多数依靠单一原理实现惯性冲击效果，无法全面提升其输出性能。
4.为解决冲击式压电驱动器综合输出性能较差这一实际问题，从优化工作原理的角度出发，设计了摩擦非对称与惯性质量耦合的冲击式压电驱动器，并基于上述驱动器提出了耦合驱动方法，有望在满足小型化的基础上，实现综合输出性能的全面提升，这将进一步促进惯性冲击式压电驱动器的发展与应用。


技术实现要素：

5.为了解决上述实际问题，本发明公开了一种摩擦非对称与惯性质量耦合的冲击驱动器及耦合驱动方法，实现了驱动器输出速度的提升和稳定工作带宽的扩大。
6.本发明为实现上述目的采用的技术方案如下：
7.一种摩擦非对称与惯性质量耦合的冲击驱动器由滑轨组、柔性驱动单元、惯性质量块、导向单元及基座组成；所述的柔性驱动单元由非对称柔性铰链、压电叠堆和预紧楔块组成；所述的非对称柔性铰链包括菱形柔性机构、厚端沉头孔、厚壁柔性足、薄壁柔性足、薄端沉头孔和螺纹孔，所述的压电叠堆和预紧楔块以过盈配合的方式内嵌于菱形柔性机构中；所述的厚壁柔性足和薄壁柔性足分别由摩擦足置于宽度不同的两端固定梁中点形成，并按照厚壁柔性足、菱形柔性机构、薄壁柔性足的顺序沿正y向分布，非对称柔性铰链整体以菱形柔性机构y向的中心线a-a为轴呈轴对称分布；所述的螺纹孔设置于两个薄壁柔性足之间，所述的惯性质量块通过螺钉安装于螺纹孔中；所述的导向单元包括薄端直线导轨、薄端滑块、厚端直线导轨和厚端滑块，薄端直线导轨和厚端直线导轨均设置于基座凸台上，薄端滑块和厚端滑块分别在薄端直线导轨和厚端直线导轨上运动，并分别通过螺钉与非对称柔性铰链上的薄端沉头孔和厚端沉头孔连接；驱动器中运动部分按照导向单元、柔性驱动单元、惯性质量块的顺序依次沿正z向分布；所述的滑轨组由一对滑轨组成，分别通过螺钉与基座连接，并设置于基座两侧，厚壁柔性足和薄壁柔性足以相同的预紧变形量内置于两个滑轨组间。
8.本发明的另一目的在于提供一种摩擦非对称与惯性质量耦合的冲击驱动器的耦
合驱动方法，包括以下步骤：包括以下步骤：
9.①
将驱动器中的柔性驱动单元以过盈配合的方式安装于滑轨组间，厚壁柔性足和薄壁柔性足均受到滑轨组挤压而产生相同的预紧变形量，由于两对柔性足的刚度不同，导致厚壁柔性足与滑轨组间的摩擦力大于薄壁柔性足；
10.②
将惯性质量块通过螺钉安装于非对称柔性铰链中薄壁柔性足一侧的螺纹孔中；
11.③
给压电叠堆施加对称性为80％-100％的锯齿型激励信号：当电压缓慢增大时，压电叠堆缓慢伸长，拉伸菱形柔性机构，厚壁柔性足由于摩擦力较大而保持静止状态，菱形柔性机构将推动薄壁柔性足和连接的惯性质量块缓慢沿y向前进；当电压迅速减小时，压电叠堆迅速收缩，薄壁柔性足产生回退，厚壁柔性足将在薄壁柔性足与滑轨组间摩擦力和惯性质量块产生惯性力的耦合作用下，实现大幅度步进运动；
12.④
调节激励信号的对称性至0％-20％，即可实现驱动器输出方向的改变；调节激励信号的幅值或惯性质量块的质量大小，即可实现驱动器输出步距的调控；配合调节激励信号的频率，即可实现驱动器输出速度的调控。
13.当驱动器基于摩擦非对称原理实现冲击效果时，其驱动力为薄壁柔性足与滑轨间的摩擦力f1；当驱动器基于惯性质量原理实现冲击效果时，其驱动力为惯性质量块产生的惯性冲击力f2，可以由惯性质量块质量m和压电叠堆的变形加速度表示为而当驱动器基于摩擦非对称与惯性质量耦合原理实现冲击效果时，其驱动力f3是以上摩擦力f1和惯性冲击力f2之和，可表示为f3＝f1+f2，即实现了驱动力的拓展。
14.本发明的有益效果在于：将两种冲击效果的实现原理相耦合，在满足装置小型化的基础上，综合提升了惯性冲击式压电驱动器的输出性能，实现了稳定工作带宽的拓展，和最大输出速度的提升，两项数据对比现有研究均取得明显进步。
附图说明
15.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
16.图1是本发明摩擦非对称与惯性质量耦合的冲击驱动器的装置结构示意图；
17.图2是本发明柔性驱动单元部分的结构示意图；
18.图3是本发明非对称柔性铰链的俯视图；
19.图4是本发明导向单元部分的俯视图；
20.图5是摩擦非对称冲击、惯性质量冲击和本发明摩擦非对称与惯性质量耦合冲击，在压电叠堆迅速收缩时的受力示意图；
21.图6是本发明摩擦非对称与惯性质量耦合冲击的压电驱动器的工作过程图；
22.图7是本发明两种工作模式在驱动电压u＝100v下测得的，速度随频率变化的曲线。
23.图中：1、滑轨；2、柔性驱动单元；2.1非对称柔性铰链；2.1.1菱形柔性机构；2.1.2、厚壁柔性足；2.1.3、薄壁柔性足；2.1.4、沉头孔；2.1.5、螺纹孔；2.2、压电叠堆；2.3、预紧楔块；3、惯性质量块；4、导向单元；4.1、薄端直线导轨；4.2、薄端滑块；4.3、厚端直线导轨；4.4、厚端滑块；5、基座。
具体实施方式
24.下面将结合实例中的附图对本发明进一步说明。
25.参见图1至图4，本发明提出一种摩擦非对称与惯性质量耦合冲击的压电驱动器，驱动器由滑轨组(1)、柔性驱动单元(2)、惯性质量块(3)、导向单元(4)、及基座(5)组成；所述的柔性驱动单元(2)由非对称柔性铰链(2.1)、压电叠堆(2.2)和预紧楔块(2.3)组成，所述的非对称柔性铰链(2.1)包括菱形柔性机构(2.1.1)、厚壁柔性足(2.1.3)、薄壁柔性足(2.1.4)、沉头孔(2.1.4)、和螺纹孔(2.1.6)，所述的压电叠堆(2.2)和预紧楔块(2.3)以过盈配合的方式内嵌于菱形柔性机构(2.1.1)中；所述的厚壁柔性足(2.1.3)、和薄壁柔性足(2.1.4)分别由摩擦足置于宽度不同的两端固定梁中点所形成，并按照厚壁柔性足(2.1.3)、薄壁柔性足(2.1.4)的顺序沿正y向依次分布于菱形柔性机构(2.1.1)两侧，非对称柔性铰链(2.1)整体以菱形柔性机构(2.1.1)y向的中心线a-a为轴呈轴对称分布；所述的螺纹孔(2.1.6)设置于两个薄壁柔性足(2.1.4)之间，所述的惯性质量块(3)通过螺钉安装于螺纹孔(2.1.6)中；所述的导向单元(4)包括薄端滑块、厚端滑块和直线导轨，直线导轨设置于基座(5)凸台上，薄端滑块、厚端滑块在直线导轨上运动，并分别通过螺钉与非对称柔性铰链(2.1)上的沉头孔(2.1.4)连接；驱动器整体按照基座(5)、导向单元(4)、柔性驱动单元(2)、惯性质量块(3)的顺序沿正z向依次设置；所述的滑轨组(1)通过螺钉与基座(5)连接，非对称柔性铰链(2.1)以过盈配合的方式设置于滑轨组(1)间，通过厚壁柔性足(2.1.3)和薄壁柔性足(2.1.4)与滑轨组(1)接触，且二者均受滑轨组(1)挤压而产生相同的预紧变形量。
26.参见图5，分别给出了摩擦非对称冲击、惯性质量冲击和本发明摩擦非对称与惯性质量耦合冲击，在压电叠堆迅速收缩时的受力示意图。当驱动器基于摩擦非对称原理实现冲击效果时，其驱动力为薄壁柔性足与滑轨间的摩擦力f1；当驱动器基于惯性质量原理实现冲击效果时，其驱动力为惯性质量块产生的惯性冲击力f2，可以由惯性质量块质量m和压电叠堆的变形加速度表示为而当驱动器基于摩擦非对称与惯性质量耦合原理实现冲击效果时，其驱动力f3是以上摩擦力f1和惯性冲击力f2之和，可表示为f3＝f1+f2，即实现了驱动力的拓展。
27.参见图6，为本发明摩擦非对称与惯性质量耦合冲击的压电驱动器的驱动原理图，并结合了驱动过程中非对称柔性铰链的变形机制进行分析介绍，包括以下步骤：
28.①
将驱动器中的柔性驱动单元(2)以过盈配合的方式安装于滑轨组(1)间，厚壁柔性足(2.1.3)和薄壁柔性足(2.1.4)均受到滑轨组(1)挤压而产生相同的预紧变形量，由于两对柔性足的刚度不同，导致厚壁柔性足(2.1.3)与滑轨组(1)间的摩擦力大于薄壁柔性足(2.1.4)；
29.②
将惯性质量块(3)通过螺钉安装于非对称柔性铰链(2.1)中薄壁柔性足(2.1.4)一侧的螺纹孔(2.1.6)中；
30.③
给压电叠堆(2.2)施加对称性为80％-100％的锯齿型激励信号：当电压缓慢增大时，压电叠堆(2.2)缓慢伸长，拉伸菱形柔性机构(2.1.1)，厚壁柔性足(2.1.3)由于摩擦力较大而保持静止状态，菱形柔性机构(2.1.1)将推动薄壁柔性足(2.1.4)和连接的惯性质量块(3)缓慢沿y向前进；当电压迅速减小时，压电叠堆(2.2)迅速收缩，薄壁柔性足(2.1.4)产生回退，厚壁柔性足(2.1.3)将在薄壁柔性足(2.1.4)与滑轨组(1)间摩擦力和惯性质量
块(3)产生惯性力的耦合作用下，实现大幅度步进运动；
31.④
调节激励信号的对称性至0％-20％，即可实现驱动器输出方向的改变；调节激励信号的幅值或惯性质量块(3)的质量大小，即可实现驱动器输出步距的调控；配合调节激励信号的频率，即可实现驱动器输出速度的调控。
32.图7是在驱动电压u＝100v下测得的，本发明与移除惯性质量块(3)后输出速度随频率变化的曲线，可以看出本发明在450hz的信号条件下，实现了2.116mm/s的稳定输出，而移除惯性质量块(3)后最大输出速度仅为1.442mm/s。说明本发明不仅实现了450hz的稳定工作带宽，最大输出速度也得到了进一步的提升。