基於矩形板彎振驅動的兩直線自由度超聲電機的製作方法

2023-06-01 05:23:16

專利名稱：基於矩形板彎振驅動的兩直線自由度超聲電機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種利用矩形板多個彎曲振動模態驅動的兩直線自由度超聲 電機，尤其涉及一種基於矩形板彎振驅動的兩直線自由度超聲電機。
背景技術：
超聲電機分為單自由度式和多(含兩)自由度式兩大類。迄今，單自由度 超聲電機技術已取得了長足進步，其中有些已進行批量生產並得到成功的應
用。但在某些場合，如精密XY工作檯驅動、全方位仿生機器入關節驅動等應 用場合，人們需要提供兩個和兩個以上自由度運動和動力，此時，單自由度電 機就顯得無能為力。在這種背景下，上世紀90年代未，多自由度超聲電機應運 而生並逐漸進入超聲研究者的視線。在2007年，國內超聲電機技術首席科學家 趙淳生院士在其經典的《超聲電機技術及應用》中對多自由度超聲電機的技術 現狀與發展進行了系統分析和總結。從該作可以看出，國內外已推出的為數不 多的多自由度超聲電機幾乎都屬多旋轉自由度式，多直線自由度超聲電機研究 成果幾近空白。只是進入2008年之後，蘇州職業大學的李志榮教授推出過一種 利用杆式定子驅動的兩直線自由度超聲電機。從李教授的論文中不難看出，目 前該電機的性能尚不理想。儘管目前兩直線自由度超聲電機研究進展緩慢，但 是這類電機因能作平面運動、響應快、精密定位，而在集成半導體製造、精密 加工等技術領域內有著特殊重要的應用前景，在精密驅動、機器人等高新技術 領域中可發揮出其他電機難以替代重要的作用。正因如此，本發明提出了一種 用彈性矩形薄板的多個彎振模態推動電機動子做平面運動的兩直線自由度超 聲電機。迄今，在國內外還未見與本發明具有類似原理和結構的其他超聲電機。

發明內容
本發明的目的在於提供了一種基於矩形板彎曲振動模態驅動的兩直 線自由度超聲電機。該電機具有運動靈活、運動精度高、響應快和動力密 度大等優點，在精密定位、伺服控制等應用中存在的明顯優勢，該電機具有亞 微米級(甚至更高)位置解析度、毫秒級響應速度、有較大速度並能卑產生較 大推力，應用範圍廣。
本發明是這樣實現的，它包括定子組件、動子組件、支座組件和預緊加壓 組件，其特徵是預緊加壓組件連接支座組件，支座組件上連接定子組件，定子組 件與動子組件配合連接。定子組件通過柔性鉸支座固定在支座組件上，動子組 件通過滾珠與支座組件構成高副連接，預緊加壓組件壓緊在定子組件上。
所述定子組件由矩形板、壓電陶瓷、X向驅動齒、Y向驅動齒組成，其特 徵是矩形板的正、反兩面分別連有兩層壓電陶瓷，壓電陶瓷上分別對稱連有四
個X向驅動齒和四個Y向驅動齒，X向驅動齒和四個Y向驅動齒的頂面分別
塗敷增摩減磨材料。
所述的動子組件由滑板、滾動體、蓋板組成，其特徵是蓋板固定連接滑板， 滑板上開有若干個階梯孔，階梯孔內有滾動體。
所述的支座組件由上安裝蓋、下安裝座、柔性支座組成，其特徵是上安裝 蓋連接下安裝座，下安裝座連有若干個柔性支座，下安裝座上鑽有若干個安裝 孔。
所述的預緊加壓組件由碟形彈簧和加壓調整螺釘組成，其特徵是調整螺釘 連接調節碟形彈簧。
所述的壓電陶瓷，其特徵是壓電陶瓷由多個壓電晶片組成，各壓電晶片之
間在矩形板的X向和Y向均留有間隙，矩形板正面和背面上的兩層壓電陶瓷中的各壓電晶片的極化方向相同。
本發明的技術效果是1、採用單個平板定子同時實現兩個方向直線自由 度運動直接驅動，避免了傳統XY移動裝置中的變換運動機構所帶來的傳遞誤 差，使電機具有快速精密(亞微米級甚至更高精度)定位性，同時也簡化了電 機結構、減小了電機尺寸；2、運動靈活、雙功能，能產生較大推力，工作性
能更趨穩定，運動阻力小。3、採用平面薄板式定子結構，有利於平面運動電 機薄型化和輕量化；


圖l為本發明的結構示意圖。
圖2為為本發明定子組件的結,示意圖。
圖3為本發明動子組件的結構示意圖。
圖4為本發明支座組件的結構示意圖。
圖5為本發明驅動的的配置示意圖。
圖6為本發明動子組件驅動原理圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本發明是這樣來實現的，它包括定子組件l、動子組件2、 支座組件3和預緊加壓組件4，其特徵是預緊加壓組件4連接支座組件3，支座 組件3上連接定子組件1 ，定子組件1與動子組件2配合連接；
如圖2所示，所述定子組件由矩形板5、壓電陶瓷6、 X向驅動齒7、 Y向 個驅動齒8組成，其特徵是矩形板5的正、反兩面分別連有兩層壓電陶瓷6， 壓電陶瓷6上分別對稱連有四個X向驅動齒7和四個Y向個驅動齒8， X向驅 動齒7和Y向個驅動齒8的頂面分別塗敷增摩減磨材料9;所述的壓電陶瓷6， 特徵是它由多個壓電晶片組成，各壓電晶片之間在定子板5的X向和Y向上均留有間隙，定子矩形板5正面和背面上的兩層壓電陶瓷中的各壓電晶片的
極化方向相同；
如圖3所示，所述的動子組件由滑板10、滾動體11、蓋板12和螺釘13 組成，其特徵是蓋板12與滑板10固定地連接在一起，滑板10上開有若干個 階梯孔，階梯孔內裝有滾動體lh
如圖4所示，所述的支座組件由上安裝蓋14、下安裝座15、柔性鉸支座16 和螺釘17組成。上安裝蓋14連接下安裝座15，下安裝座15上鑽有若干個安 裝孔；所述的預緊加壓組件，它包括碟形彈簧18和加壓調整螺釘19，其特徵 是旋轉調整螺釘19連接調節碟形彈簧18。
兩直線自由度超聲電機通過定子組件1的做超聲機械振動推動動子作 XY平面運動。為了有效地激發定子組件l的彎曲工作模態的振動，需在定子 矩形板5的正面和背面粘貼高性能的壓電陶瓷6，並需在這些壓電陶瓷6上施 加高頻諧波激勵功率信號，使壓電陶瓷6產生逆壓電效應，從而引起矩形板5 機械振動。為了激發出矩形板5在X方向上的B(^模態，粘貼於定子矩形板5 正面外層的壓電陶瓷6需進行極化處理和供電配置；為了激發定子的X方向上 的B。，8模態，貼於定子矩形板5正面裡層的壓電陶瓷6進行極化處理和供電配 置；為了激發出矩形板5的Y向的B^模態，貼於定子矩形板5背面外層的壓 電陶瓷6進行極化處理和供電配置；為了激發定子矩形板的Y向B8,。模態，貼 於定子矩形板5背面上裡層的壓電陶瓷6進行極化處理和供電配置。
兩直線自由度超聲電機的定子板5上設置了 8個驅動齒，這些齒分成X向 驅動齒7和Y向驅動齒8等兩組。每組中均有4個齒，X向驅動齒7用於推 動動子沿X軸方向做直線運動，Y向驅動齒8用於推動動子沿Y軸方向做直 線運動。如圖5所示，所述的X向驅動齒7沿定子矩形板5的X方向上的安裝位 置是:驅動齒7必須處於X向彎曲模態Bo，s和Bo,8的非波峰和波谷的適當位置。 並且為了避免或儘量減小X向驅動齒7的運動對動子組件的Y向直線自由度 產生幹擾，X向驅動齒7在矩形板5的Y軸方向上位置是處在B^和B8，o的 公共節線上。
所述的Y向驅動齒8沿定子矩形板5的Y軸方向上的安裝位置是必須
處於Y向彎曲模態B^和B8,(3的非波峰和波谷的適當位置。同樣，為了避免或
減小Y向驅動齒的8運動對動子的X向自由度運動產生幹擾，Y向驅動齒8 在矩形板5上的沿X向位置是處在B。，5和B。,8r的公共節線處。
電機的工作原理是通過在壓電陶瓷I組上施加高頻諧波激勵信號，激發 定子X向的B。,5 (或B。，8)彎振模態，驅使X向驅動齒7的頂面處質點沿X向 作正(或反)向橢圓運動，再藉助驅動齒7與動子組件2之間的摩擦推動動子 組件2沿X軸作正(或反)向直線運動；通過在壓電陶瓷II組上施加高頻諧 波激勵信號，激發定子Y向的B^ (或B^)彎振模態，驅使Y向驅動齒8的 頂面處質點沿Y向作正(或反)向橢圓運動，並藉助Y向驅動齒8與動子組 件2之間的摩擦推動動子組件2沿Y軸作正(或反)向直線運動。當同時激勵 定子X向和Y向兩個方向上的工作模態時，就實現了電機的XY平面運動。
圖6所示，圖中給出了電機利用單相高頻諧波信號對定子進行激勵，驅使 X向驅動齒7推動動子組件2沿X軸方向運動的情況。由於四個X向驅動齒7 沿定子板Y軸方向分成了前後兩排，兩排齒對動子的驅動情況完全一樣，因此， 可以其中一排齒為例說明其X向自由度的驅動。動子組件2沿X軸的正向驅 動是通過定子的Bo，5模態實現，在定子按B。,5模態進行彎振的前半周期，兩個 X向驅動齒7與動子組件2接觸且作順時針擺動，通過驅動齒與動子組件2之間的摩擦作用推動動子作正向運動；在定子按B。，5模態進行彎振的後半周期， 兩個X向驅動齒7與轉子脫離接觸，不向動子組件傳遞動力，此時，動子組件
2在慣性作用下繼續滑移。動子組件2沿X軸的反方向運動是通過矩形板5的 Bo，8模態實現，在定子按Bo,8模態彎振的前半周期，兩個X向驅動齒7與動子 組件2接觸且作逆時針擺動，通過驅動齒與動子組件2之間的摩擦作用推動動 子反向運動；在定子按Bo，8模態進行彎振的後半周期，兩個X向驅動齒與轉子 脫離接觸，不向動子組件傳遞動力，此時，動子組件2在慣性作用下繼續滑移。 值得說明的是，在X向驅動齒7驅動X向自由度的同時，Y向驅動齒8也在 驅動Y向由度運動。由於Y向驅動齒8沿矩形板5的X軸方向布置在B。，5與 B。,8的公共節線處，因此，Y向驅動齒8對動子組件的X向自由度運動幾乎不 產生幹擾。
矩形板5上的Y向驅動齒8對動子組件2的驅動是利用了矩形板5的B5，。 或Bs,o模態，其中，B^用於驅動動子組件2沿Y軸正向運動，Bs，。用於驅動 動子組件2沿Y軸的負方向運動。Y向驅動齒8推動動子Y向自由度的情況 與X向驅動齒7推動X向自由度的情況完全一樣。同樣，由於X向驅動齒7 沿矩形板5的Y軸方向布置在Bs，o與B8,的公共節線處，因此，X向驅動齒7 對動子組件2的Y向自由度運動也不產生幹擾。
權利要求
1、一種基於矩形板彎振驅動的兩直線自由度超聲電機，它包括定子組件、動子組件、支座組件和預緊加壓組件，其特徵是預緊加壓組件連接支座組件，支座組件上連接定子組件，定子組件與動子組件配合連接。定子組件通過柔性鉸支座固定在支座組件上，動子組件通過滾珠與支座組件構成高副連接，預緊加壓組件壓緊在定子組件上。
2、 根據權利要求1所述的基於矩形板彎振驅動的兩直線自由度超聲電機， 所述定子組件由矩形板、壓電陶瓷、X向驅動齒、Y向驅動齒組成，其特徵是 矩形板的正、反兩面分別連有兩層壓電陶瓷，壓電陶瓷上分別對稱連有四個X 向驅動齒和四個Y向驅動齒，X向驅動齒和四個Y向驅動齒的頂面分別塗敷 增摩減磨材料。
3、 根據權利要求1所述的基於矩形板彎振驅動的兩直線自由度超聲電機， 所述的動子組件由滑板、滾動體、蓋板組成，其特徵是蓋板固定連接滑板，滑 板上開有若干個階梯孔，階梯孔內有滾動體。
4、 根據權利要求1所述的基於矩形板彎振驅動的兩直線自由度超聲電機， 所述的支座組件由上安裝蓋、下安裝座、柔性支座組成，其特徵是上安裝蓋連 接下安裝座，下安裝座連有若干個柔性支座，下安裝座上鑽有若干個安裝孔。
5、 根據權利要求1所述的基於矩形板彎振驅動的兩直線自由度超聲電機， 所述的預緊加壓組件由碟形彈簧和加壓調整螺釘組成，其特徵是調整螺釘連接 調節碟形彈簧。
6、根據權利要求2所述的基於矩形板彎振驅動的兩直線自由度超聲電機， 所述的壓電陶瓷，其特徵是壓電陶瓷由多個壓電晶片組成，各壓電晶片之間在 矩形板的X向和Y向均留有間隙，矩形板正面和背面上的兩層壓電陶瓷中的 各壓電晶片的極化方向相同。
全文摘要
一種基於矩形板彎振驅動的兩直線自由度超聲電機，其特徵是定子組件連接支座組件並通過驅動齒與動子組件配合，動子組件與支座組件形成高副聯接。定子的主體為矩形板，板上設置驅動齒。電機選取矩形板X向的B0，5、B0，8和Y向B5，0和B8，0為工作模態，通過激發這些模態驅使驅齒上質點分別沿X向、Y向作橢圓運動。本發明的技術效果是1.用單個平板定子同時實現兩個直線自由度直接驅動，避免了傳統XY移動裝置的運動傳遞誤差，使電機具有快速精密定位性；2.採用薄板式定子便於電機薄型化、輕量化；3.運動靈活、雙功能、大推力，性能更趨穩定。
文檔編號H02N2/02GK101582653SQ20091011556
公開日2009年11月18日 申請日期2009年6月19日 優先權日2009年6月19日
發明者翔 周, 賀紅林, 龍玉繁 申請人:南昌航空大學