圓管螺紋型壓電驅動器的製作方法
2023-05-24 10:51:24 1
本發明涉及壓電驅動器、壓電電機、壓電應用技術領域，特別是指一種圓管螺紋型壓電驅動器。
背景技術：
壓電驅動器是利用壓電材料的逆壓電效應，激發彈性體產生超聲頻段的微幅振動，迫使接觸面的質點產生類似橢圓軌跡運動，並通過定、動子之間的摩擦將其轉換成動子的旋轉或直線運動。壓電驅動器具有結構形式多樣、位置精度高、慣性小、低噪聲運行、響應快、斷電自鎖、不產生磁場亦不受電磁幹擾等優點。由於具有以上諸多優點，壓電驅動器在工業自動化、航空航天、醫療、生物工程等領域得到了大量的應用，並發揮了巨大的作用。和其他的種類的壓電驅動器相比，螺紋型直線壓電驅動器是一種使用壓電陶瓷彎曲變形和螺紋摩擦驅動相結合的方式產生直線位移的一種壓電驅動器。由於其結構的特殊性，它具有自己的一些特點：①通過多組螺紋之間的摩擦力驅動；②直線速度低；③可達到亞微米級的步進運動；④精確的斷電自鎖性能；⑤便於實現小型化。
螺紋型壓電驅動器的定子和動子之間的驅動表面是螺紋面，可以直接將動子的旋轉運動轉化為直線運動，且將傳統螺紋傳動中需要克服的沿螺紋線的摩擦力變為驅動力，具有力放大作用，並提高了系統的效率。
現有技術的技術方案
美國newscale公司在2005年提出一種基於壓電陶瓷和螺紋驅動技術的直線型驅動器。如圖1所示，該驅動器由基體14、壓電陶瓷片18/20/22/24、螺母16、螺杆12等主要部件組成，四片壓電陶瓷片粘接在其基體上加工出來的四個平面上，螺母粘接在基體上，螺杆與螺母相互配合。該驅動器的工作原理，如圖2所示，分別給壓電陶瓷片加電，會使得 壓電陶瓷與基體組成的整體產生一階彎曲振動，該一階彎曲振動會帶動著螺母進行類似「呼啦圈」式的微幅擺動，該微幅擺動通過螺母和螺杆的螺紋之間的相互摩擦力驅動螺杆在螺母中旋轉，從而將螺杆旋轉的圓周運動轉換為螺杆的直線運動，該直線運動會推動需要產生直線運動的機構進行直線運動。
現有技術的缺點：
1.現有技術中使用振子的一階彎曲振動，一階彎曲振動的共振頻率較低，這直接導致一階彎曲振動的輸出功率小(功率正比於頻率的平方和振幅)，最終的結果導致驅動器的輸出功率較小，縮小了驅動器的應用範圍；
2.一階彎曲振動的振動節線位置難以確定，該類驅動器在使用時需要固定夾持，而不影響其工作的夾持位置是振動的節線位置。該結構中一階彎曲振動的節線位置受到加工精度、裝配精度、電信號精度等的影響較大，在實際應用時往往節線位置並不是設計的時候的節線位置，這直接導致驅動器的效率降低，嚴重時驅動器將無法工作，工作性能不穩定；
3.現有技術中的螺紋型壓電驅動器在進行設計時，往往需要使用有限元的方法進行計算，驗證設計的合理性，優化設計的尺寸。在進行有限元計算仿真時，由於結構因素，需要忽略掉如膠層、內應力、粘接均勻性等問題，導致分析結果與實際相差較大，增大了驅動器的裝配誤差。
技術實現要素：
本發明要解決的技術問題是提供一種驅動功率大、工作性能穩定、裝配誤差小、設計簡便和利於小型化的圓管螺紋型壓電驅動器。
為解決上述技術問題，本發明提供技術方案如下：
一種圓管螺紋型壓電驅動器，包括定子和動子，所述定子的端部設置有螺母，所述動子為螺柱，所述螺柱穿設在所述定子中間並與所述螺母形成螺紋副連接，所述定子為圓管型壓電陶瓷，其中：
所述圓管型壓電陶瓷的外表面和內表面分別具有正電極和負電極，所述圓管型壓電陶瓷的正電極沿軸向方向分為兩部分，一部分沿所述圓管型 壓電陶瓷的周向均分有第一至第四分區，另一部分沿所述圓管型壓電陶瓷的周向均分有第五至第八分區，所述第一至第四分區與所述第五至第八分區位置一一對應。
進一步的，所述圓管型壓電陶瓷的各分區的極化方向相同或者任意相鄰兩個分區的極化方向相反。
進一步的，所述第一分區和第七分區的正電極接入u＝acos(wt)電壓信號，所述第三分區和第五分區的正電極接入u＝-acos(wt)電壓信號，所述第二分區和第八分區的正電極接入u＝-asin(wt)電壓信號，所述第四分區和第六分區的正電極接入u＝asin(wt)電壓信號。
進一步的，所述圓管型壓電陶瓷為單層圓管型壓電陶瓷或者多層圓管型壓電陶瓷。
進一步的，所述圓管型壓電陶瓷採用一體化成形的工藝加工製成。
進一步的，所述螺母和螺柱的螺紋牙型為三角形螺紋、梯形螺紋、矩形螺紋、圓弧螺紋。
進一步的，所述圓管型壓電陶瓷的兩端均設置有一個螺母。
進一步的，所述螺母通過環氧樹脂膠粘接在所述圓管型壓電陶瓷的端部。
進一步的，所述螺母為凸字型。
進一步的，所述螺柱的兩端設置有半球形的觸頭。
本發明具有以下有益效果：
本發明中，提出一種採用兩個正交的二階彎振模態進行耦合的圓管螺紋型壓電驅動器，與現有技術中採用兩個正交的一階彎振模態進行耦合的驅動器相比，驅動器的定子在單位時間內的振動頻率提高，從而提高了驅動器的驅動功率；
並且，本發明採用八分區徑向極化的圓管型壓電陶瓷對驅動器進行驅動，使圓管型壓電陶瓷的節線位置在圓管型壓電陶瓷軸向的中部，這樣，節線位置不受裝配精度的影響，在實際應用時，對驅動器的裝夾非常方便易行，不容易對驅動器的振動產生影響，使得驅動器的工作性能穩定；
同時，本發明中定子為圓管型壓電陶瓷，結構設計簡單，由於圓管型壓電陶瓷的結構特點，需要忽略的因素較少，分析的結果和實際情況一致性會比較好，減小了裝配誤差。另外，本發明的驅動器由於不涉及模態簡併問題，在理論上很容易實現驅動器的進一步小型化。
綜上，與現有技術相比，本發明具有驅動功率大、工作性能穩定、裝配誤差小、設計簡便和利於小型化的特點。
附圖說明
圖1為現有技術中的螺紋驅動器的結構示意圖；
圖2為現有技術中的螺紋驅動器的工作原理示意圖；
圖3為本發明的圓管螺紋型壓電驅動器的立體圖；
圖4為本發明的圓管螺紋型壓電驅動器的截面視圖；
圖5為本發明的圓管螺紋型壓電驅動器的加電方式；
圖6為本發明的圓管螺紋型壓電驅動器的加電方式中對應的電信號曲線；
圖7為本發明的圓管螺紋型壓電驅動器沿52向視圖的變形示意圖；
圖8為本發明的圓管螺紋型壓電驅動器沿51向視圖的變形示意圖。
具體實施方式
為使本發明要解決的技術問題、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖及具體實施例進行詳細描述。
本發明提供一種圓管螺紋型壓電驅動器，如圖3所示，包括定子和動子，定子的端部設置有螺母2，動子為螺柱3，螺柱3穿設在定子中間並與螺母2形成螺紋副連接，定子為圓管型壓電陶瓷1，其中：
圓管型壓電陶瓷1的外表面和內表面分別具有正電極和負電極，圓管型壓電陶瓷1的正電極沿軸向方向分為兩部分，一部分沿圓管型壓電陶瓷1的周向均分有第一至第四分區，另一部分沿圓管型壓電陶瓷1的周向均分有第五至第八分區，第一至第四分區與第五至第八分區位置一一對應。
本發明中，提出一種採用兩個正交的二階彎振模態進行耦合的圓管螺紋型壓電驅動器，與現有技術中採用兩個正交的一階彎振模態進行耦合的驅動器相比，驅動器的定子在單位時間內的振動頻率提高，從而提高了驅動器的驅動功率；
並且，本發明採用八分區徑向極化的圓管型壓電陶瓷1對驅動器進行驅動，使圓管型壓電陶瓷1的節線位置在圓管型壓電陶瓷1軸向的中部，這樣，節線位置不受裝配精度的影響，在實際應用時，對驅動器的裝夾非常方便易行，不容易對驅動器的振動產生影響，使得驅動器的工作性能穩定；
同時，本發明中定子為圓管型壓電陶瓷1，結構設計簡單，由於圓管型壓電陶瓷1的結構特點，需要忽略的因素較少，分析的結果和實際情況一致性會比較好，減小了裝配誤差。另外，本發明的驅動器由於不涉及模態簡併問題，在理論上很容易實現驅動器的進一步小型化。
綜上，與現有技術相比，本發明具有驅動功率大、工作性能穩定、裝配誤差小、設計簡便和利於小型化的特點。
作為本發明的一種改進，圓管型壓電陶瓷1的各分區的極化方向相同或者任意相鄰兩個分區的極化方向相反。本發明中，無論採用這兩種極化方向的哪一種，均可以根據各分區的極化方向施加相應的電壓信號，以保證壓電陶瓷的兩個底面形成橢圓運動，從而驅動螺柱3產生旋轉運動。
作為本發明的另一種改進，第一分區和第七分區的正電極接入u＝acos(wt)電壓信號，第三分區和第五分區的正電極接入u＝-acos(wt)電壓信號，第二分區和第八分區的正電極接入u＝-asin(wt)電壓信號，第四分區和第六分區的正電極接入u＝asin(wt)電壓信號，其中，上述電壓信號中的a為振幅，w為角頻率。本發明的各分區的正電極不僅限於接入上述的正弦電壓信號，還可以接入相應的鋸齒波形電壓信號，或者本領域技術人員公知的其它電壓信號也能夠實現本發明的技術效果，其中，施加電壓信號的頻率接近圓管型壓電陶瓷1和螺母2裝配後的二階彎振模態頻率。
本發明中，圓管型壓電陶瓷1為可以為單層圓管型壓電陶瓷1或者多 層圓管型壓電陶瓷1。其中，單層圓管型壓電陶瓷1具有製作簡單、製造周期短的特點；而多層圓管型壓電陶瓷1具有低壓驅動性、大扭矩輸出的特點。兩種圓管型壓電陶瓷1均適用於本發明的圓管螺紋型壓電驅動器。
為了簡化圓管螺紋型壓電驅動器的安裝流程，並且進一步減少裝配誤差，圓管型壓電陶瓷1可以採用一體化成形的工藝加工製成。
具體的，螺母2和螺柱3的螺紋牙型可以為三角形螺紋、梯形螺紋、矩形螺紋或圓弧螺紋，還可以採用本領域技術人員公知的其它螺紋牙型。
作為本發明的一種改進，如圖1所示，圓管型壓電陶瓷1的兩端均可以設置有一個螺母2。本發明中，圓管型壓電陶瓷1兩端的螺母2能夠同時與螺柱3產生摩擦，進而提高對螺柱3的驅動力。
為了提高螺母2與圓管型壓電陶瓷1連接的牢固性，螺母2可以通過環氧樹脂膠粘接在圓管型壓電陶瓷1的端部。
優選的，如圖4所示，螺母2可以為凸字型。增大了螺母2與螺柱3的摩擦接觸面，從而提高了圓管型壓電陶瓷1對螺柱3驅動的穩定性。
本發明中，如圖3-4所示，螺柱3的兩端可以設置有半球形的觸頭。該觸頭用於與需要驅動器進行驅動的部分接觸。在實際使用時，螺柱3的觸頭一般會與外部的一個動子接觸，該動子會給螺柱3施加一定大小的沿著螺柱3的軸向的預載荷，而圓管螺紋型壓電驅動器會推動著動子進行直線運動。
下面，本發明結合附圖提供一個完整的實施例：
圓管螺紋型壓電驅動器的結構，如圖3所示，包括八分區徑向極化圓管型壓電陶瓷1，螺母2，螺柱3。八分區徑向極化的圓管型壓電陶瓷1通過環氧樹脂膠與兩個相同的螺母2粘接在一起，螺柱3與螺母2形成螺紋副連接。
圓管螺紋型壓電驅動器的截面結構，如圖4所示，螺母2設計成凸字型，螺柱3的兩端加工有半球形的觸頭，該觸頭用於與需要驅動器進行驅動的部分接觸。
圓管螺紋型壓電驅動器的圓管型壓電陶瓷1為八分區徑向極化的圓管 型壓電陶瓷1，即：①圓管型壓電陶瓷1採用一體化成形的工藝加工成為一體化圓管；②在圓管型壓電陶瓷1的外圓周上均布著8個相同的高溫銀電極區，這八個銀電極區將圓管型壓電陶瓷1分成8塊；③在圓管型壓電陶瓷1的內圓周上刷有一個完整的電極；④該圓管型壓電陶瓷1的極化方向為圓管型壓電陶瓷1的徑向。
圓管螺紋型壓電驅動器的螺母2和螺柱3的螺紋牙型可以是三角形螺紋、梯形螺紋、矩形螺紋或圓弧螺紋中的任一種。
上述實施例的圓管螺紋型壓電驅動器的工作原理：
按照圖5所示的加電方式對圓管型壓電陶瓷1施加電壓信號，其中41、42、43、44分別代表四種電壓信號，其波形如圖6所示，即分別為u＝acos(ωt)、u＝-acos(ωt)、u＝-asin(ωt)、u＝asin(ωt)。其中，外電極分區14和16與電壓信號41相連，外電極分區12和18與電壓信號42相連，外電極分區13和15與電壓信號43相連，外電極分區11和17與電壓信號44相連。在圖4所示的電壓曲線的零時刻，即t＝0時，八分區徑向極化的圓管型壓電陶瓷1變形如圖7所示，圖7為圓管型壓電陶瓷1從52方向看去的視圖，外電極區12、18所在的壓電陶瓷產生收縮變形，外電極區14、16所在的壓電陶瓷產生伸長變形，最終，圓管型壓電陶瓷1產生如圖7所示的變形，當驅動電壓信號頻率接近圓管型壓電陶瓷1的二階彎振模態頻率時，圓管型壓電陶瓷1激發出一個方向的二階彎振模態；在圖6所示的電壓曲線的t＝t/4時刻，八分區徑向極化的圓管型壓電陶瓷1變形如圖8所示，圖8為圓管型壓電陶瓷1從51方向看去的視圖，外電極區13、15所在的壓電陶瓷產生收縮變形，外電極區11、17所在的壓電陶瓷產生伸長變形，最終圓管型壓電陶瓷1產生如圖8所示的變形，當驅動電壓信號頻率接近圓管型壓電陶瓷1的二階彎振模態頻率時，圓管型壓電陶瓷激1發出另一個方向的二階彎振模態；這兩個二階彎振模態振型在空間上相互垂直，上述的兩個特徵頻率相等，由於圖7和圖8所示的兩個二階彎振模態的激勵電壓在相位上相差90度，即1/4周期，所以當同時按照圖6所示的電壓信號曲線施加電壓信號後，在圓管型壓電陶瓷1的兩個底面會形成橢圓運動，例如在圖7和圖8所示的61和62兩個點，在這兩 個點上會形成兩個相位差為90度的橢圓振動軌跡，這個橢圓振動軌跡同樣也會在螺母2的螺紋上形成。螺母2上的螺紋與螺柱3上的螺紋相互接觸，在螺母2的螺紋上形成橢圓振動軌跡後，會與螺柱3上的螺紋產生摩擦，產生的摩擦力驅動螺柱產生旋轉，因此在螺柱3的兩端的觸頭處形成沿著螺柱3的軸向的宏觀上的直線運動。在實際使用時，螺柱3的觸頭一般會與一個動子相接觸，該動子會給螺柱3施加一定大小的沿著螺柱3的軸向的預載荷，而螺紋驅動器會推動著動子進行直線運動。
上述，具體實施例帶來如下有益效果：
1.驅動功率大：本發明中提出一種基於類懸臂梁的兩個正交的二階彎振模態進行耦合的螺紋型壓電驅動器，與現有技術中採用兩個正交的一階彎振模態進行耦合的驅動器相比，驅動器的定子在單位時間內的振動頻率提高，從而提高了驅動器的驅動功率；
2.工作性能穩定：本發明中提出一種八分區徑向極化壓電陶瓷圓管型螺紋驅動器，該驅動器的節線位置在壓電陶瓷圓管軸向的中部，且節線位置不受裝配精度的影響，在實際應用時，對驅動器的裝夾非常方便易行，不容易對驅動器的振動產生影響，使得驅動器的工作性能穩定；
3.裝配誤差小、簡化設計和利於小型化：現有技術的螺紋型壓電驅動器在進行設計時，往往需要使用有限元的方法進行計算，驗證設計的合理性，優化設計的尺寸。在進行有限元計算仿真時，由於結構因素，需要忽略掉如膠層、內應力、粘接均勻性等問題，導致分析結果與實際相差較大。本發明中定子為圓管型壓電陶瓷，結構設計簡單，由於圓管型壓電陶瓷的結構特點，需要忽略的因素較少，分析的結果和實際情況一致性會比較好，減小了裝配誤差。另外，本發明的驅動器由於不涉及模態簡併問題，在理論上很容易實現驅動器的進一步小型化。
以上所述是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明所述原理的前提下，還可以作出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。