[发明专利]压电-液压混合直线型步进电机及其工作方法

说明书

本发明公开了一种压电‑液压混合直线型步进电机及其工作方法。该电机包括：定子、动子及底座；所述定子包括驱动足、支座以及弹性预紧机构，所述驱动足包括两组对称的平行于导轨布置的压电叠层和垂直于导轨方向布置的振动液压缸，分别为定子驱动足提供平行于导轨方向和垂直于导轨方向的微幅振动。用对称的三角形周期信号激励平行于导轨方向的压电叠层，用对称的矩形周期信号激励垂直于导轨方向的振动液压缸，实现电机定子和动子之间的摩擦驱动特性在驱动阶段和回程阶段具有明显差异，从而使得动子在驱动阶段的运动距离大于在回程阶段的运动距离，该类电机的定位精度也从纳米级向微米级渐变，这有望部分代替结构复杂的宏微结合的定位平台。

技术领域

本发明涉及一种压电-液压混合直线型步进电机，属于压电精密致动技术领域。

背景技术

随着微/纳米技术的发展，众多工程技术领域的研究都迫切需要亚微米级、微/纳米级的精密作动器。但由于传统电磁电机需要减速装置，在微型化、高功重比的发展方向上很难突破。随着材料科学的发展，新型功能材料为这些应用提出了新的解决方案，其中，逆压电效应的发现及具有优越性能的压电陶瓷(PZT)材料的出现使得压电精密作动器的研究得到了广泛关注，并在精密作动领域显示出了广泛的应用前景。

直线型步进电机主要包括共振型超声电机和非共振型步进电机。共振型超声电机是利用压电陶瓷的逆压电效应激发弹性体的共振，并将弹性体的微变形通过摩擦耦合转换成转子或动子的宏观运动。由于超声电机在共振状态下运行，致使其性能受环境影响较大，同时对定子的加工精度要求较高。非共振型步进电机是利用压电叠层的精确位移输出特性，结合惯性冲击原理或者尺蠖原理，能够实现运动件连续、精密的步进运动。与共振式直线型步进电机相比，非共振状态具有较宽的工作频带，对周围环境的抗干扰性强；且对电机定子的尺寸和加工精度要求不太高，易于保证电机运行的平稳性。但是惯性冲击型和尺蠖原理非共振直线电机对驱动控制信号要求较为苛刻、驱动力很小。

近年来，南京航空航天大学黄卫清教授团队提出了一系列摩擦驱动原理型压电直线电机，通常利用两个压电叠层的非共振输出实现电机定子在非共振状态下具有较大振幅。当采用相位差π/2的对称周期信号分别激励两个压电叠层，就可以在驱动足端部实现椭圆运动轨迹，从而利用摩擦驱动原理，可以实现电机动子的连续运动。该类电机在非共振状态下工作，能够解决其他非共振型直线电机所具有的驱动信号苛刻和加工精度要求高等问题。同时利用了摩擦驱动原理可以实现大行程，一般为几十毫米。

现有的非共振摩擦驱动原理型直线电机但是在保证大行程的同时，并没有很好地解决输出力小的难题，目前该类型电机的输出力通常为几牛。现有的压电叠层直线电机采用压电叠层的位移变形提供电机定子和动子之间的正压力，由于压电叠层的输出位移一般为几微米到几十微米，所以转化为定子和动子的正压力一般为几十牛，这就限制了定子和动子之间摩擦力的大小。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种压电-液压混合直线型步进电机，该步进电机的动子在驱动阶段的运动距离大于在回程阶段的运动距离，定位精度也从纳米级向微米级渐变，这有望部分代替结构复杂的宏微结合的定位平台。

为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种压电‐液压混合直线型步进电机，包括定子、动子及底座，所述动子通过导轨连接在底座上，所述定子设置于底座上，定子包括驱动足以及弹性预紧机构，在弹性预紧机构的预紧力下，定子上的驱动足和动子在整个电机工作周期中始终保持紧密接触；

所述驱动足包括横向振动块、纵向振动框、固定块、一组平行导轨布置的横向压电叠层和一个垂直于导轨布置的振动液压缸；

所述横向振动块设置于纵向振动框内部，横向振动块的两侧分别通过一个横向压电叠层与纵向振动框预紧连接；

所述固定块平行设置在所述纵向振动框的下方，固定块和纵向振动框之间通过所述振动液压缸连接。