[发明专利]一种非对称质量式压电惯性驱动器

说明书

本发明涉及一种非对称质量式压电惯性驱动器，属于压电精密驱动技术领域。运动主体从左至右依次设有质量块，压电双晶片，小夹持块，大夹持块，阶梯轴，附加质量空心轴块；阶梯轴的小轴外表面采用了具有各向异性的摩擦面；工作时，在对称方波激励下压电双晶片产生大小相等的驱动力，在各向异性的摩擦面作用下，驱动器前半周期向左运动时运动体的质量小于后半周期向右的质量，一个周期内运动体的质量是非对称的，从而实现驱动器的定向驱动。

技术领域

本发明属于压电精密驱动技术领域，具体涉及一种非对称质量式压电惯性驱动器。

背景技术

近年来，精密测量、超精密加工、现代医疗等应用领域对精密定位技术的需求日益增长，极大地促进了精密驱动器的研究和发展。压电精密驱动器具有大行程、高精度、快速响应、高载荷输出、无电磁干扰等显著优势，在很大程度上满足了这些领域对精密定位技术的要求。根据工作原理和功能的不同，压电精密驱动器可分为直动式驱动器、尺蠖式驱动器、超声式驱动器和惯性式驱动器。

其中，惯性式驱动器的工作原理是通过惯性力和摩擦力的协同作用实现定向运动，具有结构简单、频率响应快、微小化等特点，成为国内外的研究热点之一。目前研制的惯性式驱动器根据控制方式的不同可以分为非对称信号控制式、非对称机械夹持控制式和非对称摩擦控制式。

非对称信号控制式驱动器一般利用非对称的激励信号产生非对称的驱动力实现定向驱动，但这类驱动器需要建立复杂的信号控制系统，不利于驱动器的微小化和集成化；非对称机械夹持控制式通过设计非对称机械夹持结构匹配对称激励信号来产生非对称的驱动力实现定向驱动，这类驱动器虽然大大降低信号控制系统的要求，但存在回退现象严重、摩擦力不可调的问题；非对称摩擦控制式驱动器采用对称的激励信号和对称机械夹持结构，通过前后运动方向摩擦力的非对称实现定向驱动，这类驱动器不仅对摩擦接触面的要求高且长时间工作引起摩擦磨损的问题将会严重影响驱动器的可靠性、稳定性和寿命。

发明内容

本发明提出一种非对称质量式压电惯性驱动器，本发明采用的实施方案是：主要由运动主体、空心轴、附加质量块及底座构成。

运动主体从左至右依次设有质量块，压电双晶片，小夹持块，大夹持块，阶梯轴；质量块被固定安装在压电双晶片的自由端；压电双晶片由铍青铜基板和压电片粘结而成，压电片位于铍青铜基板左右两侧；压电双晶片的固定端由小夹持块和大夹持块对称夹持；大夹持块的横轴与阶梯轴的内孔过盈配合；阶梯轴的大轴和空心轴内孔过渡配合，阶梯轴的小轴与附加质量空心轴块内孔过渡配合；大轴的外表面、空心轴和附加质量空心轴块的内孔面摩擦系数为0.1；小轴外表面采用了具有各向异性的摩擦面(如图5所示)，小轴外表面均布了5根棘刺，每根棘刺是由单个五面体排列而成，五面体的高度是0.1mm，五面体的倾斜面和对称中心面间的夹角是30°，对称中心面上的左倾斜线和水平线间的夹角是30°，右倾斜线和水平线间的夹角是60°,相邻的两个五面体的间距是0.2mm；在具有各向异性摩擦面的作用下，当小轴与附加质量空心轴块间具有相对运动时，小轴向左运动时摩擦系数为0.2，小轴向右运动时摩擦系数为0.4，因此，小轴向左运动时的摩擦力f₁小于向右运动时的摩擦力f₂，即摩擦有方向依赖性；空心轴固定安装在底座上。

工作过程中，空心轴在底座的固定作用下相对静止；压电双晶片向右/向左弯曲变形时大夹持块与阶梯在惯性作用下向左/右移动；当运动主体向左运动时，由于摩擦具有方向依赖性，附加质量空心轴块在摩擦力的作用下不随阶梯轴的小轴一起运动，相对静止，此时，运动体的质量m₁是运动主体的质量总和；当运动主体向右运动时，附加质量空心轴块在摩擦力f₂的作用下随阶梯轴的小轴一起向右运动，此时，运动体的质量m₂是运动主体和附加质量空心轴块的质量总和；附加质量空心轴块的质量为m，它们间的质量关系是m₁≈ m₂-m。