[发明专利]采用对称锯齿波驱动的双向惯性型压电作动器及作动方法

权利要求书

1.一种采用对称锯齿波驱动的双向惯性型压电作动器，其特征在于：作动器结构左右对称，包含底座(2)、滑块(1)、压电堆(3)及椭圆环(4)；所述底座(2)一体加工而成，包含有基座(2-3)，一对叶状柔性梁(2-1)以及运动导轨(2-2)，其中一对叶状柔性梁(2-1)布置于基座(2-3)前端，一对叶状柔性梁(2-1)之间连接有一个运动导轨(2-2)，运动导轨(2-2)上方放置有滑块(1)，由于滑块(1)的重力，滑块(1)与运动导轨(2-2)之间能够产生摩擦力；压电堆(3)过盈安装在椭圆环(4)长径中，椭圆环(4)长径前端与运动导轨(2-2)紧密接触，两者之间的接触预紧力通过椭圆环(4)长径后端的调节螺钉(5)控制；所述压电堆(3)受到对称锯齿波驱动时，椭圆环(4)在压电堆(3)的带动下能够实现迅速实时的位移响应，输出位移呈周期变化的锯齿波形。

2.根据权利要求1所述的采用对称锯齿波驱动的双向惯性型压电作动器，其特征在于：所述椭圆环(4)后端加工有直径大于调节螺钉(5)外径的通孔，在安装时，调节螺钉(5)穿过椭圆环(4)后端的通孔并连接于基座(2-3)上，此时沿长径微调椭圆环(4)的位置，椭圆环(4)前端与运动导轨(2-2)端面相互接触，继续向前推动椭圆环(4)，椭圆环(4)前端面与运动导轨(2-2)端面之间相互挤压并产生接触预紧力，当达到调整目标后，旋紧调节螺钉(5)以固定椭圆环(4)沿长径的位置。

3.根据权利要求1所述的采用对称锯齿波驱动的双向惯性型压电作动器，其特征在于：所述基座(2-3)加工有与椭圆环(4)后端宽度相等的凹槽，在椭圆环(4)沿长径的位置调节过程中，椭圆环(4)的后端始终沿基座(2-3)的凹槽内壁面前后滑动以保证椭圆环(4)前端面与运动导轨(2-2)端面始终平行。

4.根据权利要求1所述的采用对称锯齿波驱动的双向惯性型压电作动器，其特征在于：所述压电堆(3)对称锯齿波驱动的每个周期中，位移包含从零值增大到最大值的上升阶段及从最大值减小到零值的下降阶段，在最大值和零值处，位移出现尖锐的转折点，加速度从零阶跃为峰值，此时驱动电压频率越高，位移转折点就越尖锐，峰值加速度就越大；椭圆环(4)的输出位移随后通过接触面传递到运动导轨(2-2)，此时运动导轨(2-2)受到接触力，叶状柔性梁(2-1)的弹性力，及其自身运动过程中产生的惯性力，当椭圆环(4)前端面与运动导轨(2-2)端面相互脱离或处于临界接触状态时，接触力为零，只有当两者相互挤压，接触力才出现并且表现为压力；以压电堆(3)伸长方向为正方向，运动导轨(2-2)在最大值位移转折点处的响应与驱动电压的频率有关：在最大值位移转折点处，椭圆环(4)加速度达到负向峰值，此时，只有当运动导轨(2-2)所受的叶状柔性梁(2-1)的弹性恢复力足够大，运动导轨(2-2)才能克服自身的惯性力及接触压力进而紧跟椭圆环(4)的变形，在低频时，运动导轨(2-2)所需克服的惯性力较小，在预设的叶状柔性梁(2-1)刚度下，运动导轨(2-2)能够紧跟椭圆环(4)并实现尖锐的最大值位移转折点，随着频率的增加，椭圆环(4)的负向峰值加速度增大，运动导轨(2-2)为了紧跟椭圆环(4)所需克服的惯性力增大，此时存在一个临界频率，当频率大于该值时，运动导轨(2-2)因所受弹性回复力有限而无法紧跟椭圆环(4)变形，运动导轨(2-2)在最大值转折点处的位移响应相较椭圆环(4)变得平缓，同时最大值位移转折点后的位移响应滞后于椭圆环(4)的位移，在滞后严重的情况下，运动导轨(2-2)端面与椭圆环(4)前端面在下降阶段会出现短暂的脱离；同理，运动导轨(2-2)在零值位移转折点处的响应与驱动电压的频率也有关：在零值位移转折点处，椭圆环(4)加速度达到正向峰值，运动导轨(2-2)依靠接触压力去克服叶状柔性梁(2-1)的弹性力以及自身运动的惯性力以紧跟椭圆环(4)，在低频时，运动导轨(2-2)所需克服的惯性力较小，在足够的接触预紧力条件下，运动导轨(2-2)能够紧跟椭圆环(4)并实现尖锐的零值位移转折点，随着频率的增加，椭圆环(4)的正向峰值加速度增大，运动导轨(2-2)为了紧跟椭圆环(4)所需克服的惯性力增大，此时存在使运动导轨(2-2)在零值转折点处的响应相较于椭圆环(4)平缓的频率，另外，当驱动电压的频率增大到致使运动导轨(2-2)与椭圆环(4)端面在下降阶段相互脱离，那么椭圆环(4)将先于运动导轨(2-2)经过零值转折点并开始下一个周期的上升阶段，此时运动导轨(2-2)仍然处于当前周期的下降阶段，上升阶段的椭圆环(4)与下降阶段的运动导轨(2-2)之间会发生碰撞，导致运动导轨(2-2)的位移在抵达零值位移之前出现尖锐的最小值转折点，并由此直接随同椭圆环(4)进入下一个周期的上升阶段；综上，由于椭圆环(4)与运动导轨(2-2)之间相互接触而非固接，两者之间的位移传递情况复杂并且与驱动电压的频率相关，在预设的叶状柔性梁(2-1)刚度以及接触预紧力的情况下，能够通过调节驱动电压的频率来控制运动导轨(2-2)在位移转折点处的响应，使得运动导轨(2-2)在最大值转折点处的响应相较于在最小值转折点处的响应更平缓或者更尖锐，实现这种频率控制的不一致的响应是驱动滑块(1)运动的必要前提。

5.权利要求1至4任一项所述的采用对称锯齿波驱动的双向惯性型压电作动器的作动方法，其特征在于：未通电时，滑块(1)静置于运动导轨(2-2)之上，滑块(1)的重力保证滑块(1)与运动导轨(2-2)之间能够产生摩擦力，此时滑块(1)处于钳位状态；为使滑块(1)向前运动，首先需要调节驱动电压的频率以使运动导轨(2-2)在最大值转折点处的响应相较于在最小值转折点处的响应更尖锐，在此基础上，第一步，对压电堆(3)从零电压加电至满行程电压，运动导轨(2-2)向前运动，起初在最小值转折点处运动导轨(2-2)的位移相对平缓，正向加速度较小，此时滑块(1)受到的静摩擦力能够提供滑块(1)与运动导轨(2-2)保持相对静止所需的惯性力，滑块(1)与运动导轨(2-2)保持相对静止并共同向前运动，当压电堆(3)电压达到满行程电压时，滑块(1)向前移动了微小距离；第二步，对压电堆(3)从满行程电压降电至零电压，运动导轨(2-2)向后运动，起初在最大值转折点处运动导轨(2-2)的位移相对尖锐，反向加速度较大，此时静摩擦力无法提供滑块(1)与运动导轨(2-2)保持相对静止所需的惯性力，滑块(1)在运动导轨(2-2)上滑动并且依靠滑动摩擦力不断加速直至速度与运动导轨(2-2)相等，而后滑块(1)与运动导轨(2-2)保持相对静止，当压电堆(3)电压达到零电压时，滑块(1)在第一步的基础上回退了微小距离，但该回退量小于第一步的前进量，两者的差值就是滑块(1)在这一个周期向前运动的步距；重复第一、二步，能够使滑块(1)连续地向前运动；类似地，为使滑块(1)向后运动，首先需要调节驱动电压的频率以使运动导轨(2-2)在最大值转折点处的响应相较于在最小值转折点处的响应更平缓，在此基础上，第一步，对压电堆(3)从零电压加电至满行程电压，运动导轨(2-2)向前运动，起初在最小值转折点处运动导轨(2-2)的位移相对尖锐，正向加速度较大，此时静摩擦力无法提供滑块(1)与运动导轨(2-2)保持相对静止所需的惯性力，滑块(1)在运动导轨(2-2)上滑动并且依靠滑动摩擦力不断加速直至速度与运动导轨(2-2)相等，而后滑块(1)与运动导轨(2-2)保持相对静止，当压电堆(3)电压达到满行程电压时，滑块(1)向前移动了微小距离；第二步，对压电堆(3)从满行程电压降电至零电压，运动导轨(2-2)向后运动，起初在最大值转折点处运动导轨(2-2)的位移相对平缓，反向加速度较小，此时滑块(1)受到的静摩擦力能够提供滑块(1)与运动导轨(2-2)保持相对静止所需的惯性力，滑块(1)与运动导轨(2-2)保持相对静止，当压电堆(3)电压达到零电压时，滑块(1)在第一步的基础上回退了微小距离，该回退量大于第一步的前进量，两者的差值就是滑块(1)在这一个周期向后运动的步距；重复第一、二步，能够使滑块(1)连续地向后运动。