阅读说明：本技术 一种抑制粘滑式压电驱动器回退运动的力控装置与方法 (Force control device and method for inhibiting rollback motion of stick-slip piezoelectric actuator ) 是由 黄虎 吴昊 项非凡 冯艺扬 狄琳森 于 2020-06-19 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种抑制粘滑式压电驱动器回退运动的力控装置与方法,属于精密机械领域。装置包括驱动单元、预紧力调整单元和基座。装置的驱动单元和预紧力调控单元分别通过螺钉与基座连接。通过旋转预紧力调整单元中水平微动调整机构的旋钮,可以调整圆弧形铰链与导轨之间的预紧力。通过旋转驱动单元中水平微动调整机构的旋钮,可以调整杆形铰链与导轨之间的初始间隙。在特定的预紧力作用下,当驱动单元中压电叠堆的驱动电压快速下降时,预紧力调整单元中圆弧形铰链由于预紧力作用产生的摩擦力平衡了驱动单元引起回退运动的摩擦力,从而抑制压电驱动器的回退运动,提高粘滑式压电驱动器步进运动的平稳性。(The invention relates to a force control device and method for inhibiting rollback motion of a stick-slip piezoelectric actuator, and belongs to the field of precision machinery. The device comprises a driving unit, a pretightening force adjusting unit and a base. The driving unit and the pretightening force regulating and controlling unit of the device are respectively connected with the base through screws. The pre-tightening force between the circular arc hinge and the guide rail can be adjusted by rotating a knob of a horizontal micro-motion adjusting mechanism in the pre-tightening force adjusting unit. By rotating the knob of the horizontal fine adjustment mechanism in the drive unit, the initial gap between the rod-shaped hinge and the guide rail can be adjusted. Under the action of a specific pretightening force, when the driving voltage of the piezoelectric stack in the driving unit is rapidly reduced, the friction force generated by the arc-shaped hinge in the pretightening force adjusting unit due to the action of the pretightening force balances the friction force of the driving unit for causing the backspacing motion, so that the backspacing motion of the piezoelectric driver is inhibited, and the stability of the stepping motion of the stick-slip piezoelectric driver is improved.)

一种抑制粘滑式压电驱动器回退运动的力控装置与方法

技术领域

本发明涉及精密机械领域，特别涉及一种抑制粘滑式压电驱动器回退运动的力控装置与方法。

背景技术

压电驱动器是利用压电驱动技术制作的机械装置，其基本原理是基于压电陶瓷材料的逆压电效应，控制机械变形产生旋转或直线运动。由于压电驱动器响应速度快、输出力较大、结构简单、体积小，其在精密/超精密加工、微型机械以及生物医学工程等前沿科学领域得到广泛的应用。

但是目前报道的驱动器都具有不同程度的缺陷。尺蠖仿生式压电驱动器虽然具有输出力大、分辨率高且回退运动小等优点，但是其结构复杂、部件装配困难、控制过程相对复杂。寄生运动式压电驱动器、惯性式压电驱动器以及粘滑式压电驱动器虽然结构简单、装配容易、控制方便，但是其承载能力低、自锁性能差、具有较为严重的回退现象，很难保证运动的稳定性。因此，如何解决压电驱动器中的回退问题，进而改善其输出性能，扩大其应用前景，是一个需要迫切解决的问题。

本发明从力学角度着手，通过预紧力调控单元对导轨施加预紧力，从而对粘滑式压电驱动器的输出性能进行调控，消除其回退运动并增强其自锁性。本发明在消除回退运动、改善输出性能的同时继承了粘滑式压电驱动器结构简单、装配容易、控制方便的优点，增强了粘滑式压电驱动器在精密机械与装备等领域的应用前景，具有重要的实用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种抑制粘滑式压电驱动器回退运动的力控装置与方法，实现粘滑式压电驱动器的回退运动的有效抑制。通过旋转预紧力调整单元中水平微动调整机构的旋钮，可以调整圆弧形铰链与导轨之间的预紧力。通过旋转驱动单元中水平微动调整机构的旋钮，可以调整杆形铰链与导轨之间的初始间隙。在特定的预紧力作用下，当驱动单元中压电叠堆的驱动电压快速下降时,预紧力调整单元中圆弧形铰链由于预紧力作用产生的摩擦力平衡了驱动单元引起回退运动的摩擦力,从而显著地抑制了压电驱动器的回退运动，提高了粘滑式压电驱动器步进运动的平稳性。本发明为抑制粘滑式压电驱动器的回退运动提供了一个新装置和方法，同时可扩展应用到其他原理的压电驱动器中，适用范围广，实用性强。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

抑制粘滑式压电驱动器回退运动的力控装置包括驱动单元、预紧力调整单元及基座(1)，所述驱动单元、预紧力调控单元分别通过螺钉与基座(1)连接。所述的驱动单元由导轨滑块固定端(2)、滑块(3)、导轨(4)、压电叠堆(5)、楔形块(6)、杆形铰链(7)和水平微动调整机构(8)组成，所述压电叠堆(5)通过调整楔形块(6)采用过盈配合的方式安装在杆形铰链(7)的凹槽内，杆形铰链(7)通过螺钉与水平微动调整机构(8)的上端面相连接，通过旋转水平微动调整机构(8)的旋钮对驱动单元中杆形铰链(7)与导轨(4)之间的初始间隙进行调整，滑块(3)通过螺钉与导轨滑块固定端(2)相连接，导轨(4)可以沿着滑块的方向进行水平移动。

所述的预紧力调整单元主要包括圆弧形铰链(9)和水平微动调整机构(10)，所述圆弧形铰链(9)通过螺钉与水平微动调整机构(10)的上端面相连接，水平微动调整机构(10)通过螺钉与基座(1)的上端面相连接，通过旋转水平微动调整机构(10)的旋钮对圆弧形铰链(9)与导轨(4)之间的预紧力进行调整。

本发明提供一种抑制粘滑式压电驱动器回退运动的力控方法，基于逆压电效应，压电叠堆(5)可以在驱动电压下驱动杆形铰链(7)伸缩，进而带动导轨(4)移动。驱动器中预紧力调整单元和驱动单元的特定结构可以通过预紧力和初始间隙的调节有效地抑制粘滑式压电驱动器的回退运动。在驱动前，通过旋转预紧力调整单元中水平微动调整机构(10)的旋钮，可以调整圆弧形铰链(9)与导轨(4)之间的预紧力，通过旋转驱动单元中水平微动调整机构(8)的旋钮，可以调整杆形铰链(7)与导轨(4)之间的初始间隙。在驱动过程中，圆弧形铰链(9)与导轨(4)之间的摩擦力F_p小于杆形铰链(7)与导轨(4)之间的摩擦力F_f；在驱动电压急速降低时，在杆形铰链(7)与导轨(4)之间出现反向摩擦力

产生推动导轨(4)向后运动的趋势；与此同时，圆弧形铰链(9)与导轨(4)之间有相对运动的趋势，产生向前的摩擦力F′_p；当反向摩擦力与向前的摩擦力F′_p相平衡时，驱动器的回退运动就会得到有效抑制。

所述的预紧力调整单元通过调节预紧力来调控摩擦力F′_p，实现粘滑式压电驱动器回退运动的抑制。

本发明的优势在于：通过预紧力调整单元施加预紧力来调控摩擦力F′_p，实现了粘滑式压电驱动器回退运动的抑制，提升了该类型驱动器运动平稳性,同时该装置与方法简单，操作过程灵活、方便。此外，本发明可扩展应用到其他原理的压电驱动器中，适用范围广，实用性强。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，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。

图1为本发明的一种抑制粘滑式压电驱动器回退运动的力控装置结构示意图。

图2为本发明的杆形铰链俯视图。

图3为本发明的圆弧铰链俯视图。

图4为本发明的杆形铰链在驱动前的受力原理图。

图5为本发明的导轨在驱动全过程中的受力原理图。

图中：1、基座；2、导轨滑块固定端；3、滑块；4、导轨；5、压电叠堆；6、楔形块；7、杆形铰链；8、水平微动调整机构；9、圆弧形铰链；10、水平微动调整机构。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及具体实施方式。

参见图1，本发明的抑制粘滑式压电驱动器回退运动的力控装置包括驱动单元、预紧力调整单元及基座(1)，所述驱动单元、预紧力调控单元分别通过螺钉与基座(1)连接。所述的驱动单元由导轨滑块固定端(2)、滑块(3)、导轨(4)、压电叠堆(5)、楔形块(6)、杆形铰链(7)和水平微动调整机构(8)组成，所述压电叠堆(5)通过调整楔形块(6)采用过盈配合的方式安装在杆形铰链(7)的凹槽内，杆形铰链(7)通过螺钉与水平微动调整机构(8)的上端面相连接，旋转水平微动调整机构(8)的旋钮，对驱动单元中杆形铰链(7)与导轨(4)之间的初始间隙进行调整，滑块(3)通过螺钉与导轨滑块固定端(2)相连接，导轨(4)可以沿着滑块的方向进行水平移动。

所述的预紧力调整单元主要包括圆弧形铰链(9)和水平微动调整机构(10)，所述圆弧形铰链(9)通过螺钉与水平微动调整机构(10)的上端面相连接，水平微动调整机构(10)通过螺钉与基座(1)的上端面相连接，旋转水平微动调整机构(10)的旋钮，对圆弧形铰链(9)与导轨(4)之间的预紧力进行调整。

参见图2至3所示，本发明的粘滑式压电驱动器具有行程大、无电磁干扰的优势，但在驱动电源急速下降时，存在着明显的回退现象。为此，本发明通过预紧力调整单元，抑制了粘滑式压电驱动器工作时的回退运动,提高了驱动器的整体输出性能。

所述的预紧力调整单元通过预紧力的调节，抑制粘滑式压电驱动器的回退运动,提高了粘滑式压电驱动器步进运动的平稳性。

参见图4至5，为本发明中驱动器运行全过程的受力示意图。其完整的运动过程概括如下，主要包括三个阶段:

阶段1：参见图4至5中a部分所示，在驱动器驱动前，通过旋转预紧力调整单元中水平微动调整机构(10)的旋钮，可以调整圆弧形铰链(9)与导轨(4)之间的预紧力；通过旋转驱动单元中水平微动调整机构(8)的旋钮，可以调整杆形铰链(7)与导轨(4)之间的初始间隙。这一过程保证导轨在施加完预紧力之后仍可正常工作，即圆弧形铰链(9)与导轨(4)之间的摩擦力F_p小于杆形铰链(7)与导轨(4)之间的摩擦力F_f。

阶段2：参见图5中b部分所示，在驱动器驱动过程中，仍满足圆弧形铰链(9)与导轨(4)之间的摩擦力F_p小于杆形铰链(7)与导轨(4)之间的摩擦力F_f的条件，但此时的摩擦力不再为正压力与静摩擦因素的乘积，转而变成正压力与动摩擦因素的乘积；此时，在驱动器的作用下，导轨在水平方向产生向前的位移S。

阶段3：参见图5中c、d部分所示，在驱动电源急速下降时，在杆形铰链(7)与导轨(4)之间出现反向摩擦力

存在推动导轨(4)向后运动的趋势，产生水平方向向后的位移S₀；与此同时，圆弧形铰链(9)与导轨(4)之间的预紧力受到向后的运动趋势，产生向前的摩擦力F′_p，从而推动导轨(4)向前运动；当反向摩擦力与向前的摩擦力F′_p相平衡时，产生向前的水平方向总位移为ΔS＝S-S₀,驱动器的回退现象就会被有效地抑制。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。