利用同步机械开关将往复振动转化为单向运动的装置及控制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于精密机械直驱定位技术领域，涉及一种利用同步机械开关将往复振动转化为单向运动的装置及控制方法。
【背景技术】
[0002]与传统意义上的电磁式马达相比，基于压电材料制作的压电马达一般具有位移分辨率高、响应速度快、容易小型化的特点，因而在精密仪器等领域得到了非常广泛的应用。压电超声马达具有低速高转矩，直接驱动，速度范围宽，无间隙的硬制动，可控性好，精确的位置分辨率，高的能量质量比，静音驱动，结构紧凑质量轻，结构简单易于制造，不产生电磁辐射，不受外部电场或磁场影响等诸多优点。但压电超声波电机均利用摩擦力进行直接驱动。如果不对摩擦传动过程进行有效的控制，相对滑动在所难免，这将大大降低马达的能量转换效率。由于磨损的不可控性，导致定转子的接触状态具有时变性和非线性，使压电超声波电机性能寿命难以控制，其优越的性能难以发挥，限制了其应用。尺蠖式压电步进马达具有良好的步距控制精度和驱动力输出，且理想工作状态下因内部结构之间的滑动摩擦受到了严格的控制因而产生的热能很小，耐用性较好。但从工作频率上来看，其劣势也十分明显。其工作频率(一般小于1khz)相比于超声电机十分低，这不利于充分发挥压电材料的快速响应特性和大功率密度。利用惯性冲击原理制作的压电步进马达结构简洁，驱动控制方式简单，可以实现极高的位移分辨率。但是滑动摩擦在该类马达中始终存在，极大地影响其工作效率。
【发明内容】
[0003]有鉴于此，本发明提出利用机械开关来实现快速机械开合，并主动有序地控制机械振子单自由度谐振的新型控制方式，能够充分发挥压电材料的大功率密度和高分辨率，且理想情况下还能有效地避免接触层的滑动摩擦从而提高步进电机整体耐用性，有效地结合了压电超声电机的高能量密度和尺蠖式结构的低磨损特性同时兼具简洁的整体结构。
[0004]所以，本发明的目的在于提供一种利用同步机械开关将往复振动转化为单向运动的装置及控制方法，为达到上述目的，本发明提供如下技术方案:
[0005]—种利用同步机械开关将往复振动转化为单向运动的装置，包括机械开关1、机械振子2、导向机构3、预紧机构4、基座5、传感器组6和驱动控制器7 ;
[0006]所述基座5连接了机械开关1、导向机构3和预紧机构4三个部分，所述机械开关1的开合动作方向与机械振子2的振动方向正交，机械开关1打开时与机械振子2没有接触，关闭时与机械振子2能够刚性连接；
[0007]所述机械开关1工作在准静态模式，其开关动作受阶跃信号控制，机械振子2工作在谐振模式，其振动驱动力具有正弦变化特性；
[0008]所述机械开关1的阶跃控制信号由控制器通过提取安装于机械振子2上的传感器信号并加以适当算法产生；所述传感器组6与机械振子2固定连接并能够实时提取振子滑动端的加速度和位置信息及振子振动端振幅信息；
[0009]所述驱动控制器7向机械振子2提供正弦驱动信号并实时监测其反馈的信息，通过处理后向机械开关1提供阶跃驱动信号。
[0010]进一步，所述机械开关1具有迅速的响应阶跃信号的开关动作能力，在其闭合后与机械振子2形成的整体结构在机械振子2的振动方向上具有极高的机械刚度。
[0011]进一步，所述机械振子2工作在特定谐振模态并具有固定的振动频率；其工作模态频率远离其它各阶模态频率且该频率值由装置整体结构决定而非机械振子2本身。
[0012]进一步，所述导向机构3通过接触或非接触时的约束反力将机械振子2的振动方向严格限制在一个自由度方向，其具体实现形式包括滚动支承、滑动支承、液压支承或电磁支承。
[0013]进一步，所述预紧机构4能够在机械开关1开合动作方向上带动机械开关1做微小变形从而调节机械开关1打开时与机械振子2之间的缝隙大小，其具体功能单元包括柔性铰链与施力装置。
[0014]进一步，本装置还包括负载8，本装置能够在负载工况下工作。
[0015]本发明还提供了一种利用同步机械开关将往复振动转化为单向运动的控制方法，当机械振子2末端没有负载时按如下时序控制完成一次步进:
[0016]a)机械振子2振动端变形量达到最大但振动速度为零且正开始朝某一方向变形时机械开关瞬间打开；
[0017]b)机械振子2滑动端开始运动且速度先增加后减小，此时机械开关1保持打开；
[0018]c)当机械振子2振动端变形量达到反向最大但振动速度减为零且正开始朝正方向变形时机械开关1瞬间闭合；
[0019]d)机械振子2滑动端保持静止但振动端向正方向变形速度先增加后减小，此时机械开关1保持闭合。
[0020]当机械振子2末端有负载时按如下时序控制完成一次步进:
[0021]a)当机械振子2振动端朝某方向变形至对此时被夹持住的滑动端产生的驱动力大于负载时机械开关1瞬间打开；
[0022]b)机械振子2带动负载朝该方向运动且速度先增加后减小，此时机械开关1保持打开；
[0023]c)当机械振子2和负载的运动速度再次减小到零时机械开关瞬间闭合；
[0024]d)机械振子2滑动端保持静止但振动端开始往复振动且幅值逐步增加直到满足下一次机械开关1打开条件，在此期间机械开关1保持闭合。
[0025]与现有技术相比，本发明的有益效果在于:1)可以获得较高的能量传递效率和更长的使用寿命；2)可以获得较高的功率输出；3)可以实现非常小的步长；4)具有非常宽的推力和速度调节范围；5)同一结构具有双向运动可控性。
【附图说明】
[0026]为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明:
[0027]图1为本发明的工作装置图；
[0028]图2为本发明空载时的控制方式示意图；
[0029]图3为本发明负载时的控制方式示意图；
[0030]图4为本发明直线步进装置a示意图；
[0031]图5为本发明直线步进装置b示意图。
【具体实施方式】
[0032]下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
[0033]图1为本发明的原理图，本发明提供的利用同步机械开关将往复振动转化为单向运动的装置，包括机械开关1、机械振子2、导向机构3、预紧机构4、基座5、传感器组6和驱动控制器7 ;
[0034]所述基座5连接了机械开关1、导向机构3和预紧机构4三个部分，所述机械开关1的开合动作方向与机械振子2的振动方向正交，机械开关1打开时与机械振子2没有接触，关闭时与机械振子2能够刚性连接；
[0035]所述机械开关1工作在准静态模式，其开关动作受阶跃信号控制，机械振子2工作在谐振模式，其振动驱动力具有正弦变化特性；
[0036]所述机械开关1的阶跃控制信号由控制器通过提取安装于机械振子2上的传感器信号并加以适当算法产生；所述传感器组6与机械振子2固定连接并能够实时提取振子滑动端的加速度和位置信息及振子振动端振幅信息；
[0037]所述驱动控制器7向机械振子2提供正弦驱动信号并实时监测其反馈的信息，通过处理后向机械开关1提供阶跃驱动信号。
[0038]本发明装置空载工作时，按照如图2所示时序进行控制可完成一次步进，其工作原理为:a)机械振子2振动端变形量达到最大但振动速度为零且正