[發明專利]模仿滑滑板運動設計的壓電直線驅動裝置與控制方法

在審

• 申請號: 202010020386.8
• 申請日: 2020-01-09
• 公開（公告）號: CN111049421A
• 公開（公告）日: 2020-04-21
• 發明（設計）人: 黃虎;王馗灃;李軒;孫午向;徐智;楊智鑫
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: H02N2/02
• 分類號: H02N2/02;H02N2/04;H02N2/06
• 代理公司: 長春市恒譽專利代理事務所(普通合伙) 22212
• 代理人: 李榮武

本發明涉及一種模仿滑滑板運動設計的壓電直線驅動裝置與控制方法，屬于精密機械領域。該驅動裝置包括導軌、驅動單元、預緊力調整單元、運動單元。預緊力調整單元通過螺釘安裝在驅動單元上，驅動單元通過螺釘與運動單元相連接，導軌與驅動單元的驅動足之間的預緊力通過預緊力調整單元的預緊螺釘實現微調節。該驅動裝置通過周期性鋸齒形驅動電壓波形實現連續的直線運動，通過控制驅動電壓波形的幅值和頻率調節該驅動裝置的步距和速度。優點在于：結構簡單、控制便捷、回退位移小、移動速度快、當導軌無限長時可以實現理論無限行程。在精密加工、精密測量、精密光學、生物醫學工程等需要大行程和高精度定位的領域具有良好的應用前景。

技術領域

本發明涉及精密機械領域，特別涉及一種模仿滑滑板運動設計的壓電直線驅動裝置與控制方法，可用于精密加工、精密測量、精密光學、生物醫學工程等需要大行程和高精度驅動的領域。

背景技術

精密壓電驅動裝置具有結構緊湊靈活、控制特性好、響應速度快、輸出精度高等優點，在學術界和工業界都具有廣泛的應用價值和實際需求，在精密與超精密加工、生物醫療、航空航天、光電子等領域中發揮著越來越重要的作用。

壓電驅動裝置利用壓電材料在逆壓電效應下將電能轉化為機械能，通過控制壓電材料的機械變形實現旋轉或直線運動，根據其工作的驅動原理可以分為：超聲型壓電驅動裝置、沖擊型壓電驅動裝置、尺蠖型壓電驅動裝置和粘滑型壓電驅動裝置。而粘滑型壓電驅動裝置作為其中一個重要組成，由于具有結構簡單、裝配方便和行程大等優勢，所涉及的寄生運動原理和粘滑驅動原理被廣泛應用于壓電驅動裝置的設計中，成為近年來的研究熱點。然而，目前大多數粘滑型壓電驅動裝置往往存在速度低和回退位移較大等問題，影響了其驅動效率和定位精度等輸出性能。如文獻《Design and experimental performance ofa piezoelectric wheelbarrow applicable to the stick-slip motion study》中利用粘滑驅動原理設計了一款壓電手推車，在不同的驅動電壓和驅動頻率下位移輸出表現出良好的線性關系，然而當驅動電壓小于32伏時，所提出的壓電手推車不能有效運行；另外其移動速度不高，回退位移較大，驅動效率受到了限制，影響在實際中的應用。如文獻《Design,analysis and experiments of a linear piezoelectric actuator adopting aflexible mechanism with wing skeletal structure》中，采用具有機翼骨架結構的柔性機構設計了一款直線壓電驅動器，該驅動器基于粘滑驅動原理解決了正向和負向運動輸出性能的差異，但是其結構和控制相對復雜，另外運動性能并不優越，回退現象嚴重，移動速度較慢且不穩定。從以上分析可以看出，研制具有結構簡單、控制便捷、回退位移小、移動速度快和移動行程大等實用性能指標的新型壓電驅動裝置依然是一個難點，也是急迫需要解決的難題。

發明內容

本發明的目的在于提供一種模仿滑滑板運動設計的壓電直線驅動裝置與控制方法，解決了現有技術存在的上述問題。本發明的模仿滑滑板運動設計的壓電直線驅動裝置結構簡單，控制便捷，通過調節預緊力調整單元的預緊螺釘可方便地實現輸出性能的調控，通過施加周期性鋸齒驅動電壓可以實現大范圍的連續直線運動，同時運動速度可以達到毫米級每秒,具有良好的輸出性能，為大行程、高速和高精度驅動提供一種可用方案。另外，仿生設計已廣泛地被人們應用于傳感器、驅動器、新材料、航空航天等諸多領域，為解決一些科學與技術難題提供新的思路，本發明通過模仿滑滑板的運動過程，提出新的壓電驅動裝置設計思路與控制方法，可用于設計不同結構和形式的大行程、小回退、高速壓電直線驅動裝置，也有利于壓電驅動裝置的運動控制和大規模生產，從而滿足精密加工、精密測量、精密光學、生物醫學工程等領域對大行程和高精度定位的不同需求。

本發明的上述目的通過以下技術方案實現：