本發(fā)明屬于壓電精密致動(dòng)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于杠桿放大的交替步進(jìn)壓電直線電機(jī)。

背景技術(shù)：
壓電直線電機(jī)是一種新型的直線作動(dòng)機(jī)構(gòu)，近幾年發(fā)展迅速，引起了國內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注，其利用了壓電材料的逆壓電效應(yīng)，一般具有特定的結(jié)構(gòu)形式。壓電直線電機(jī)具有較高的推重比，易于微型化，能直接產(chǎn)生直線輸出、結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)快、位置和速度控制精度高、無電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足高新技術(shù)對(duì)精密定位技術(shù)的要求。當(dāng)前，研究者們已經(jīng)研發(fā)出種類繁多的壓電直線電機(jī)，其中一些實(shí)現(xiàn)了商品化。根據(jù)壓電器件對(duì)驅(qū)動(dòng)足激振方式的不同，壓電直線電機(jī)可分為共振式和非共振式兩種：共振式壓電直線電機(jī)利用壓電元件激發(fā)定子彈性體的共振，從而得到放大的變形，再由這種變形來驅(qū)動(dòng)，主要有駐波型、行波型、聲表面波型及模態(tài)復(fù)合型等；非共振式壓電直線電機(jī)大都采用自身變形較大（可達(dá)微米級(jí)）的疊層式壓電元件作為驅(qū)動(dòng)元件，主要有直接驅(qū)動(dòng)式、尺蠖原理式、位移放大式及慣性沖擊式。在非共振式壓電直線電機(jī)中，直接驅(qū)動(dòng)式電機(jī)直接利用壓電元件的變形驅(qū)動(dòng)，位置分辨率高，輸出推力較大，但是行程較??；尺蠖原理式電機(jī)利用多個(gè)壓電元件間的特定關(guān)系的交替驅(qū)動(dòng)和箝位實(shí)現(xiàn)高精度步進(jìn)，具有大行程，但是該種電機(jī)對(duì)加工精度要求很高，輸出推力通常較小。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中由于疊層壓電陶瓷輸出位移較小、加工誤差導(dǎo)致的電機(jī)輸出穩(wěn)定性較低的問題，提供一種基于杠桿放大的交替步進(jìn)壓電直線電機(jī)。本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：基于杠桿放大的交替步進(jìn)壓電直線電機(jī)，包含底板、第一至第三滑軌、第一至第三滑塊、定子、預(yù)壓固定塊和預(yù)壓螺釘；所述第一至第三滑塊分別對(duì)應(yīng)第一至第三滑軌，能夠在其上滑動(dòng)；所述第一至第三滑軌均固定在底板上，其中，第二滑軌和第三滑軌相互平行、在第一滑軌的同一側(cè)且均與第一滑軌垂直；所述定子包含框體、以及第一至第四壓電單元；所述第一至第四壓電單元均包含杠桿放大機(jī)構(gòu)、疊層壓電陶瓷組和預(yù)緊螺釘；所述框體呈U型，包含第一側(cè)邊、第二側(cè)邊和底邊，所述第一側(cè)邊、第二側(cè)邊和底邊之間的夾角均為直角；所述第一側(cè)邊固定在第二滑塊上，第二側(cè)邊固定在第三滑塊上，且第一側(cè)邊、第二側(cè)邊在底邊和第一滑塊之間，框體能夠在第二滑軌、第三滑軌上滑動(dòng)；所述第四壓電單元的杠桿放大機(jī)構(gòu)的一端與所述第一側(cè)邊的內(nèi)側(cè)呈90度柔性鉸鏈連接，另一端與所述第一壓電單元的杠桿放大機(jī)構(gòu)的一端呈90度柔性鉸鏈連接；所述第一壓電單元的杠桿放大機(jī)構(gòu)的另一端與所述第一滑塊相抵；所述第三壓電單元的杠桿放大機(jī)構(gòu)的一端與所述第二側(cè)邊的內(nèi)側(cè)呈90度柔性鉸鏈連接，另一端與所述第二壓電單元的杠桿放大機(jī)構(gòu)的一端呈90度柔性鉸鏈連接；所述第二壓電單元的杠桿放大機(jī)構(gòu)的另一端與所述第一滑塊相抵；所述第一壓電單元的疊層壓電陶瓷組和第四壓電單元的杠桿放大機(jī)構(gòu)平行，一端和所述第一壓電單元的杠桿放大機(jī)構(gòu)的中點(diǎn)部分相抵，另一端與穿過第一側(cè)邊的第一壓電單元的預(yù)緊螺釘?shù)亩瞬肯嗟?；所述第二壓電單元的疊層壓電陶瓷組和第三壓電單元的杠桿放大機(jī)構(gòu)平行，一端和所述第二壓電單元的杠桿放大機(jī)構(gòu)的中點(diǎn)部分相抵，另一端與穿過第二側(cè)邊的第二壓電單元的預(yù)緊螺釘?shù)亩瞬肯嗟?；所述第三壓電單元的疊層壓電陶瓷組和第二側(cè)邊平行，一端和所述第三壓電單元的杠桿放大機(jī)構(gòu)相抵，另一端與穿過底邊的第三壓電單元的預(yù)緊螺釘?shù)亩瞬肯嗟郑凰龅谒膲弘妴卧寞B層壓電陶瓷組和第一側(cè)邊平行，一端和所述第四壓電單元的杠桿放大機(jī)構(gòu)相抵，另一端與穿過底邊的第四壓電單元的預(yù)緊螺釘?shù)亩瞬肯嗟郑凰龅走吷显O(shè)有供預(yù)壓螺釘穿過的通孔；所述預(yù)壓固定塊固定在底板上，其上設(shè)有和所述預(yù)壓螺釘相匹配的螺紋孔；所述預(yù)壓螺釘穿過所述通孔與所述預(yù)壓固定塊螺紋連接，用于調(diào)節(jié)第一壓電單元的杠桿放大機(jī)構(gòu)、第二壓電單元的杠桿放大機(jī)構(gòu)與第一滑塊之間的壓力。作為本發(fā)明基于杠桿放大的交替步進(jìn)壓電直線電機(jī)進(jìn)一步的優(yōu)化方案，所述第一壓電單元的杠桿放大機(jī)構(gòu)、第二壓電單元的杠桿放大機(jī)構(gòu)與第一滑塊之間設(shè)有耐磨陶瓷條；所述耐磨陶瓷條固定在第一滑塊上，第一壓電單元的杠桿放大機(jī)構(gòu)、第二壓電單元的杠桿放大機(jī)構(gòu)與其相抵。作為本發(fā)明基于杠桿放大的交替步進(jìn)壓電直線電機(jī)進(jìn)一步的優(yōu)化方案，所述預(yù)壓螺釘?shù)穆菝焙退龅走呏g設(shè)有彈性結(jié)構(gòu)。作為本發(fā)明基于杠桿放大的交替步進(jìn)壓電直線電機(jī)進(jìn)一步的優(yōu)化方案，所述彈性結(jié)構(gòu)為彈簧。作為本發(fā)明基于杠桿放大的交替步進(jìn)壓電直線電機(jī)進(jìn)一步的優(yōu)化方案，所述彈性結(jié)構(gòu)為設(shè)置在底邊上的彈片。作為本發(fā)明基于杠桿放大的交替步進(jìn)壓電直線電機(jī)進(jìn)一步的優(yōu)化方案，所述第一至第四壓電單元中，杠桿放大機(jī)構(gòu)與疊層壓電陶瓷組之間設(shè)有預(yù)緊片；所述預(yù)緊片一面與疊層壓電陶瓷組的端部相抵，另一面和杠桿放大機(jī)構(gòu)柔性鉸鏈連接。作為本發(fā)明基于杠桿放大的交替步進(jìn)壓電直線電機(jī)進(jìn)一步的優(yōu)化方案，所述第一至第四壓電單元中，疊層壓電陶瓷組和預(yù)緊螺釘?shù)亩瞬恐g設(shè)有預(yù)緊墊塊和預(yù)緊球；所述預(yù)緊球呈球體；所述預(yù)緊墊塊一面平滑、與疊層壓電陶瓷組的端部相抵，另一面設(shè)有與所述預(yù)緊球相匹配的凹槽；所述預(yù)緊螺釘?shù)亩瞬客ㄟ^預(yù)緊球與與預(yù)緊墊塊的凹槽相抵。本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：1.該對(duì)稱式雙足驅(qū)動(dòng)非共振壓電直線電機(jī)中的壓電元件采用壓電疊堆，輸出位移及輸出力都較大，定位精度較高，結(jié)構(gòu)工作在非共振模式下，不易受環(huán)境因素干擾，較采用壓電陶瓷的共振電機(jī)更為穩(wěn)定；2.定子整體結(jié)構(gòu)采用軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，確保了電機(jī)雙向作動(dòng)時(shí)性能的一致性：對(duì)稱分布的兩個(gè)導(dǎo)向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的可以確保定予的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)足與動(dòng)子導(dǎo)軌保持良好的接觸狀態(tài)；3.各部件結(jié)構(gòu)簡單，加工難度小，連接方便。附圖說明圖1為壓電直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為壓電直線電機(jī)定子組合體部分的結(jié)構(gòu)分解圖；圖3為壓電直線電機(jī)在工作模式下的激勵(lì)電壓信號(hào)圖；圖4為壓電直線電機(jī)在一個(gè)周期內(nèi)的運(yùn)動(dòng)機(jī)理圖。圖中，a-第一滑塊，b-第一滑軌，c-底板，d-第三滑軌，g-第二滑軌，e-耐磨陶瓷條，f-預(yù)壓固定塊，h-定子，i-預(yù)壓螺釘，h1-第一側(cè)邊，h2-第二側(cè)邊，h3-底邊，h4-杠桿放大機(jī)構(gòu)，h5-疊層壓電陶瓷組，h6-預(yù)緊螺釘，h7-彈片，h8-預(yù)緊片，h9預(yù)緊墊塊，h10-預(yù)緊球。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說明：如圖1、圖2所示，本發(fā)明公開了一種基于杠桿放大的交替步進(jìn)壓電直線電機(jī)，包含底板、第一至第三滑軌、第一至第三滑塊、定子、預(yù)壓固定塊和預(yù)壓螺釘；所述第一至第三滑塊分別對(duì)應(yīng)第一至第三滑軌，能夠在其上滑動(dòng)；所述第一至第三滑軌均固定在底板上，其中，第二滑軌和第三滑軌相互平行、在第一滑軌的同一側(cè)且均與第一滑軌垂直；所述定子包含框體、以及第一至第四壓電單元；所述第一至第四壓電單元均包含杠桿放大機(jī)構(gòu)、疊層壓電陶瓷組和預(yù)緊螺釘；所述框體呈U型，包含第一側(cè)邊、第二側(cè)邊和底邊，所述第一側(cè)邊、第二側(cè)邊和底邊之間的夾角均為直角；所述第一側(cè)邊固定在第二滑塊上，第二側(cè)邊固定在第三滑塊上，且第一側(cè)邊、第二側(cè)邊在底邊和第一滑塊之間，框體能夠在第二滑軌、第三滑軌上滑動(dòng)；所述第四壓電單元的杠桿放大機(jī)構(gòu)的一端與所述第一側(cè)邊的內(nèi)側(cè)呈90度柔性鉸鏈連接，另一端與所述第一壓電單元的杠桿放大機(jī)構(gòu)的一端呈90度柔性鉸鏈連接；所述第一壓電單元的杠桿放大機(jī)構(gòu)的另一端與所述第一滑塊相抵；所述第三壓電單元的杠桿放大機(jī)構(gòu)的一端與所述第二側(cè)邊的內(nèi)側(cè)呈90度柔性鉸鏈連接，另一端與所述第二壓電單元的杠桿放大機(jī)構(gòu)的一端呈90度柔性鉸鏈連接；所述第二壓電單元的杠桿放大機(jī)構(gòu)的另一端與所述第一滑塊相抵；所述第一壓電單元的疊層壓電陶瓷組和第四壓電單元的杠桿放大機(jī)構(gòu)平行，一端和所述第一壓電單元的杠桿放大機(jī)構(gòu)的中點(diǎn)部分相抵，另一端與穿過第一側(cè)邊的第一壓電單元的預(yù)緊螺釘?shù)亩瞬肯嗟?；所述第二壓電單元的疊層壓電陶瓷組和第三壓電單元的杠桿放大機(jī)構(gòu)平行，一端和所述第二壓電單元的杠桿放大機(jī)構(gòu)的中點(diǎn)部分相抵，另一端與穿過第二側(cè)邊的第二壓電單元的預(yù)緊螺釘?shù)亩瞬肯嗟?；所述第三壓電單元的疊層壓電陶瓷組和第二側(cè)邊平行，一端和所述第三壓電單元的杠桿放大機(jī)構(gòu)相抵，另一端與穿過底邊的第三壓電單元的預(yù)緊螺釘?shù)亩瞬肯嗟?；所述第四壓電單元的疊層壓電陶瓷組和第一側(cè)邊平行，一端和所述第四壓電單元的杠桿放大機(jī)構(gòu)相抵，另一端與穿過底邊的第四壓電單元的預(yù)緊螺釘?shù)亩瞬肯嗟?；所述底邊上設(shè)有供預(yù)壓螺釘穿過的通孔；所述預(yù)壓固定塊固定在底板上，其上設(shè)有和所述預(yù)壓螺釘相匹配的螺紋孔；所述預(yù)壓螺釘穿過所述通孔與所述預(yù)壓固定塊螺紋連接，用于調(diào)節(jié)第一壓電單元的杠桿放大機(jī)構(gòu)、第二壓電單元的杠桿放大機(jī)構(gòu)與第一滑塊之間的壓力。所述第一壓電單元的杠桿放大機(jī)構(gòu)、第二壓電單元的杠桿放大機(jī)構(gòu)與第一滑塊之間設(shè)有耐磨陶瓷條，該耐磨陶瓷條固定在第一滑塊上，第一壓電單元的杠桿放大機(jī)構(gòu)、第二壓電單元的杠桿放大機(jī)構(gòu)與其相抵。所述預(yù)壓螺釘?shù)穆菝焙退龅走呏g設(shè)有彈性結(jié)構(gòu)，該彈性結(jié)構(gòu)可以是彈簧，也可以是設(shè)置在底邊上的彈片。所述第一至第四壓電單元中，杠桿放大機(jī)構(gòu)與疊層壓電陶瓷組之間設(shè)有預(yù)緊片；預(yù)緊片一面與疊層壓電陶瓷組的端部相抵，另一面和杠桿放大機(jī)構(gòu)柔性鉸鏈連接。所述第一至第四壓電單元中，疊層壓電陶瓷組和預(yù)緊螺釘?shù)亩瞬恐g設(shè)有預(yù)緊墊塊和預(yù)緊球；預(yù)緊球呈球體；預(yù)緊墊塊一面平滑、與疊層壓電陶瓷組的端部相抵，另一面設(shè)有與預(yù)緊球相匹配的凹槽；預(yù)緊螺釘?shù)亩瞬客ㄟ^預(yù)緊球與與預(yù)緊墊塊的凹槽相抵。如圖3所示為壓電電機(jī)在工作模式下施加在四個(gè)疊層壓電陶瓷組上的電壓信號(hào)，如圖4所示為壓電電機(jī)在一個(gè)周期T內(nèi)的工作機(jī)理圖。結(jié)合圖3和圖4，其中a（c2）表示t=0（t=T）的后一瞬間，b1表示t=T/2的前一瞬間，b2表示t=T/2的后一瞬間，c1表示t=T的前一瞬間。a時(shí)刻，第一壓電單元的疊層壓電陶瓷組上加高電平為A的方波信號(hào)，其在z軸正方向伸長，左驅(qū)動(dòng)足在杠桿放大機(jī)構(gòu)的作用下頂緊動(dòng)子；b1時(shí)刻，第二壓電單元的疊層壓電陶瓷組和第四壓電單元的疊層壓電陶瓷組都升壓至A，分別沿y軸正方向和y軸負(fù)方向伸長一定的位移量，從a時(shí)刻到b1時(shí)刻，通過杠桿放大機(jī)構(gòu)的位移放大左驅(qū)動(dòng)足推動(dòng)動(dòng)子在y軸正方向運(yùn)動(dòng)了一定的位移；b2時(shí)刻，第一壓電單元的疊層壓電陶瓷組上的電壓變?yōu)?，左驅(qū)動(dòng)足縮回，第三壓電單元的疊層壓電陶瓷組上的電壓為A，右驅(qū)動(dòng)足在杠桿放大機(jī)構(gòu)的作用下頂緊動(dòng)子；c1時(shí)刻，第二壓電單元的疊層壓電陶瓷組上的電壓變?yōu)?，左驅(qū)動(dòng)足回到初始位置，第四壓電單元的疊層壓電陶瓷組上的電壓變?yōu)?，右驅(qū)動(dòng)足在柔性鉸鏈回復(fù)力的作用下推動(dòng)動(dòng)子在y軸正方向運(yùn)動(dòng)了一定的距離。本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，除非另外定義，這里使用的所有術(shù)語（包括技術(shù)術(shù)語和科學(xué)術(shù)語）具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。還應(yīng)該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術(shù)語應(yīng)該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù)的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會(huì)用理想化或過于正式的含義來解釋。以上所述的具體實(shí)施方式，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。