轮形结构螺纹副驱动型超声电机及其激励方法技术

本发明专利技术公开了一种轮形结构螺纹副驱动型超声电机及其激励方法，以解决现有超声电机输出力小、输出功率低等技术问题。本发明专利技术包括外架、压电驱动器、弹性轮、刚性轮、输出轴、键和预紧螺钉；外架为轮形结构，弹性轮具有外槽和内螺纹，压电驱动器为压电堆叠，预紧螺钉预紧于弹性轮的外槽，刚性轮为具有键槽的空心螺纹轴刚性体，弹性轮与刚性轮通过螺纹副传动，输出轴为具有键槽的圆轴结构，刚性轮与输出轴通过键传动。施加交变电信号于压电驱动器，激发弹性轮的径向微幅伸缩振动模态，叠加耦合形成驱动行波，通过螺纹副传动产生驱动力，实现输出轴旋转直线输出。本发明专利技术具有输出力大、输出功率高等优点，在航空航天等领域具有广泛应用前景。

Wheel type structure thread pair driven ultrasonic motor and excitation method thereof

The invention discloses a wheel structure screw pair driven ultrasonic motor and an excitation method thereof, so as to solve the technical problems of low output power and low output power of the existing ultrasonic motor. The invention comprises an outer frame and a piezoelectric actuator, flexible wheel and rigid wheel, output shaft, keys and pre tightening screws; the outer frame for wheel structure, elastic wheel with outer groove and internal threads, piezoelectric actuator is a piezoelectric stack slot pre tightening bolt on the elastic wheel, rigid wheel hollow screw shaft rigid body with key groove, elastic wheel and the rigid wheel through the driving screw, the output shaft is a circular shaft structure with a keyway, the rigid wheel and the output shaft through the key drive. Applying an alternating electrical signal to the piezoelectric actuator, excited radial elastic round slightly stretching vibration modal superposition coupling driving wave, produce the driving force through the drive screw, the rotation of the output shaft linear output. The invention has the advantages of large output force and high output power, and has wide application prospect in the field of Aeronautics and astronautics.

【技术实现步骤摘要】
轮形结构螺纹副驱动型超声电机及其激励方法
本专利技术涉及一种轮形结构螺纹副驱动型超声电机及其激励方法，属于精密驱动与定位

技术介绍
超声电机（也可称为超声波马达）是一种利用压电元件的逆压电效应激发振子（或称定子）产生微幅高频的超声振动，通过振子与动子间的摩擦耦合实现机械能输出的微特电机。按照动子的输出形式不同，超声电机可分为直线、旋转与多自由度等几种输出类型。旋转直线超声电机作为目前诸多输出类型超声电机中的一种，其振子与动子间主要采用螺纹副进行传动，通过螺纹传动副实现旋转直线两自由度运动的输出。与其它类超声电机相比，旋转直线超声电机具有结构简单、易于微型化、定位精度高等优势，可广泛应用于精密驱动与传动的
根据振子的构成方式与驱动激励模式的不同，旋转直线超声电机主要有超声波导螺杆电动机、基于模态转换的金属方体定子旋转直线超声电机、螺纹驱动多面体超声电机以及压电片夹心式旋转直线超声电机等几种类型。其中美国专利《MECHANISMCOMPRISEDOFULTRASONICLEADSCREWMOTOR》，公开号为US2006049720-A1，公开日为Mar.9，2006，公开的超声波导螺杆电动机主要是将压电片粘贴于杆式结构定子外侧面，利用两端自由约束的柱体定子空间上正交的两个一阶弯曲振动相互耦合，在定子自由端的内表面产生驱动行波，定子与输出轴通过螺纹副传动，在轴向负载力的作用下实现输出轴的旋转直线运动输出。日本专利《超音波操作装置および微細管内検査システム》，公开号为JP2009261494-A，公开日为2009年11月12日，公开的基于模态转换的金属方体定子旋转直线超声电机主要是利用粘贴压电片的复合金属方体定子的径向收缩振动（R3振动模态）和轴向伸缩振动（T1振动模态）两种模态间的转换来实现旋转与直线运动的输出，并且这两种运动是相互独立的，可以实现单独控制。中国专利《螺纹驱动多面体超声电机》，公开号为CN1767347A，公开日为2006年5月3日，公开的螺纹驱动多面体超声电机主要是将压电片粘贴到金属薄壁圆筒定子外侧的平面上，转子与金属薄壁圆筒定子通过螺纹相啮合，通过激励压电片使定子中产生沿圆周方向的面内弯曲行波，该面内弯曲行波通过螺纹直接驱动转子旋转并转换成转子的轴向直线运动。中国专利《压电片夹心式旋转直线超声电机定子》，授权公告号CN102355157B，授权公告日2014年02月12日，公开的压电片夹心式旋转直线超声电机主要是将压电片以夹心式结构的方式布置于悬臂梁与自由梁定子中，激发定子的弯曲振动模态，利用模态耦合实现螺纹输出轴的旋转直线运动输出。上述几种实现方式的旋转直线超声电机虽然在振子的构成方式或驱动激励模式有所不同，但其共同点是振子中用于激发振动的压电激振元件均采用单层片状形式的压电片作为激振源，导致电机的输出力较小（一般不超过10N）、输出功率较低（一般不超过20mW）。这一问题在要求驱动器具有大输出力、高输出功率特性的航空航天、飞行器及军工技术等领域显得更为突出。
技术实现思路
为解决已有旋转直线超声电机由于采用压电片作为激振源，所导致的电机输出力小、输出功率低等技术问题，本专利技术公开了一种轮形结构螺纹副驱动型超声电机及其激励方法。本专利技术所采用的技术方案是：所述的轮形结构螺纹副驱动型超声电机包括外架、压电驱动器、弹性轮、刚性轮、输出轴、键和预紧螺钉。所述的外架为轮形结构，压电驱动器为压电堆叠，压电驱动器内置于外架中，并通过预紧螺钉加压预紧于弹性轮的外槽，弹性轮为具有外槽和内螺纹的螺母结构弹性体，刚性轮为具有键槽的空心螺纹轴结构刚性体，弹性轮与刚性轮之间通过螺纹副传动，输出轴为具有键槽的圆轴结构，刚性轮与输出轴之间通过键传动。通过在压电驱动器上施加交变电信号，激发弹性轮的径向微幅伸缩振动模态，叠加耦合形成驱动行波，通过螺纹副传动产生驱动力，实现输出轴的旋转直线运动输出。本专利技术所提出的轮形结构螺纹副驱动型超声电机具有输出力大、输出功率高等优点，其输出力可达20N以上，并可获得50mW以上的输出功率，在航空航天、军工技术等领域具有广泛的应用前景。附图说明图1所示为本专利技术提出的一种单波长激振模式的轮形结构螺纹副驱动型超声电机的剖视图；图2所示为本专利技术提出的一种单波长激振模式的轮形结构螺纹副驱动型超声电机外架的示意图；图3所示为图2的A—A向剖视图；图4所示为本专利技术提出的一种单波长激振模式的轮形结构螺纹副驱动型超声电机弹性轮的示意图；图5所示为图4的B—B向剖视图；图6所示为本专利技术轮形结构螺纹副驱动型超声电机刚性轮的示意图；图7所示为本专利技术轮形结构螺纹副驱动型超声电机输出轴的示意图；图8所示为本专利技术提出的一种单波长激振模式的轮形结构螺纹副驱动型超声电机弹性轮的变形示意图；图9所示为本专利技术提出的一种两波长激振模式的轮形结构螺纹副驱动型超声电机的剖视图；图10所示为本专利技术提出的一种两波长激振模式的轮形结构螺纹副驱动型超声电机外架的示意图；图11所示为本专利技术提出的一种两波长激振模式的轮形结构螺纹副驱动型超声电机弹性轮的示意图；图12所示为本专利技术提出的一种两波长激振模式的轮形结构螺纹副驱动型超声电机弹性轮的变形示意图；图13所示为本专利技术提出的一种三波长激振模式的轮形结构螺纹副驱动型超声电机的剖视图；图14所示为本专利技术提出的一种三波长激振模式的轮形结构螺纹副驱动型超声电机外架的示意图；图15所示为本专利技术提出的一种三波长激振模式的轮形结构螺纹副驱动型超声电机弹性轮的示意图；图16所示为本专利技术提出的一种三波长激振模式的轮形结构螺纹副驱动型超声电机弹性轮的变形示意图。具体实施方式具体实施方式一：结合图1、图2、图4、图6、图7和图8说明本实施方式。本实施方式提供了一种单波长激振模式的轮形结构螺纹副驱动型超声电机及其激励方法的实施方案。该单波长激振模式的轮形结构螺纹副驱动型超声电机主要由外架1、压电驱动器2、弹性轮3、刚性轮4、输出轴5、键6和预紧螺钉7组成。所述的外架1为轮形结构，其外圆面上均布4个用于与预紧螺钉7配合的平面，具体为第一平面1-1、第二平面1-2、第三平面1-3和第四平面1-4；压电驱动器2为4个哈尔滨芯明天科技有限公司的型号为VS12系列的平头式柱形封装压电堆叠，具体为第一压电堆叠2-1、第二压电堆叠2-2、第三压电堆叠2-3和第四压电堆叠2-4；弹性轮3为具有外槽和内螺纹的螺母结构弹性体，4个外槽用于与压电驱动器2配合连接，具体为第一外槽3-1、第二外槽3-2、第三外槽3-3和第四外槽3-4；刚性轮4为具有键槽4-1的空心螺纹轴结构刚性体，弹性轮3与刚性轮4之间通过螺纹副传动，输出轴5为带有键槽5-1的圆轴结构，刚性轮4与输出轴5之间通过键6传动；其中第一平面1-1与预紧螺钉7配合预紧第一压电堆叠2-1作用于弹性轮3的第一外槽3-1上，第二平面1-2与预紧螺钉7配合预紧第二压电堆叠2-2作用于弹性轮3的第二外槽3-2上，第三平面1-3与预紧螺钉7配合预紧第三压电堆叠2-3作用于弹性轮3的第三外槽3-3上，第四平面1-4与预紧螺钉7配合预紧第四压电堆叠2-4作用于弹性轮3的第四外槽3-4上。所述的第一压电堆叠2-1与第三压电堆叠2-3对称布置，第一压电堆叠2-1构成激振组A本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种轮形结构螺纹副驱动型超声电机，由外架（1）、压电驱动器（2）、弹性轮（3）、刚性轮（4）、输出轴（5）、键（6）和4n个预紧螺钉（7）组成；所述的外架（1）为轮形结构，弹性轮（3）为具有外槽和内螺纹的螺母结构弹性体，压电驱动器（2）为4n个压电堆叠，n为整数，压电驱动器（2）内置于外架（1）中，并通过预紧螺钉（7）加压预紧于弹性轮（3）的外槽，刚性轮（4）为具有键槽（4‑1）的空心螺纹轴结构刚性体，弹性轮（3）与刚性轮（4）之间通过螺纹副传动，输出轴（5）为具有键槽（5‑1）的圆轴结构，刚性轮（4）与输出轴（5）之间通过键（6）传动；其特征在于：所述超声电机为一种单波长激振模式的轮形结构螺纹副驱动型超声电机，其中压电驱动器（2）为4个压电堆叠，具体为第一压电堆叠（2‑1）、第二压电堆叠（2‑2）、第三压电堆叠（2‑3）和第四压电堆叠（2‑4）；预紧螺钉（7）为4个，具体为第一预紧螺钉、第二预紧螺钉、第三预紧螺钉和第四预紧螺钉；均布于外架（1）外圆面上的4个平面用于与4个预紧螺钉（7）配合，具体为第一平面（1‑1）、第二平面（1‑2）、第三平面（1‑3）和第四平面（1‑4）；均布于弹性轮（3）外圆面上的4个外槽用于与压电驱动器（2）配合，具体为第一外槽（3‑1）、第二外槽（3‑2）、第三外槽（3‑3）和第四外槽（3‑4）；所述的第一平面（1‑1）与第一预紧螺钉配合预紧第一压电堆叠（2‑1）作用于弹性轮（3）的第一外槽（3‑1）上，第二平面（1‑2）与第二预紧螺钉配合预紧第二压电堆叠（2‑2）作用于弹性轮（3）的第二外槽（3‑2）上，第三平面（1‑3）与第三预紧螺钉配合预紧第三压电堆叠（2‑3）作用于弹性轮（3）的第三外槽（3‑3）上，第四平面（1‑4）与第四预紧螺钉配合预紧第四压电堆叠（2‑4）作用于弹性轮（3）的第四外槽（3‑4）上。...

【技术特征摘要】
1.一种轮形结构螺纹副驱动型超声电机，由外架（1）、压电驱动器（2）、弹性轮（3）、刚性轮（4）、输出轴（5）、键（6）和4n个预紧螺钉（7）组成；所述的外架（1）为轮形结构，弹性轮（3）为具有外槽和内螺纹的螺母结构弹性体，压电驱动器（2）为4n个压电堆叠，n为整数，压电驱动器（2）内置于外架（1）中，并通过预紧螺钉（7）加压预紧于弹性轮（3）的外槽，刚性轮（4）为具有键槽（4-1）的空心螺纹轴结构刚性体，弹性轮（3）与刚性轮（4）之间通过螺纹副传动，输出轴（5）为具有键槽（5-1）的圆轴结构，刚性轮（4）与输出轴（5）之间通过键（6）传动；其特征在于：所述超声电机为一种单波长激振模式的轮形结构螺纹副驱动型超声电机，其中压电驱动器（2）为4个压电堆叠，具体为第一压电堆叠（2-1）、第二压电堆叠（2-2）、第三压电堆叠（2-3）和第四压电堆叠（2-4）；预紧螺钉（7）为4个，具体为第一预紧螺钉、第二预紧螺钉、第三预紧螺钉和第四预紧螺钉；均布于外架（1）外圆面上的4个平面用于与4个预紧螺钉（7）配合，具体为第一平面（1-1）、第二平面（1-2）、第三平面（1-3）和第四平面（1-4）；均布于弹性轮（3）外圆面上的4个外槽用于与压电驱动器（2）配合，具体为第一外槽（3-1）、第二外槽（3-2）、第三外槽（3-3）和第四外槽（3-4）；所述的第一平面（1-1）与第一预紧螺钉配合预紧第一压电堆叠（2-1）作用于弹性轮（3）的第一外槽（3-1）上，第二平面（1-2）与第二预紧螺钉配合预紧第二压电堆叠（2-2）作用于弹性轮（3）的第二外槽（3-2）上，第三平面（1-3）与第三预紧螺钉配合预紧第三压电堆叠（2-3）作用于弹性轮（3）的第三外槽（3-3）上，第四平面（1-4）与第四预紧螺钉配合预紧第四压电堆叠（2-4）作用于弹性轮（3）的第四外槽（3-4）上。2.根据权利要求1所述的轮形结构螺纹副驱动型超声电机，其特征在于：所述的第一压电堆叠（2-1）与第三压电堆叠（2-3）对称布置，第一压电堆叠（2-1）构成激振组A1，第三压电堆叠（2-3）构成激振组A2，激振组A1与激振组A2构成激振组A；第二压电堆叠（2-2）与第四压电堆叠（2-4）对称布置，第二压电堆叠（2-2）构成激振组B1，第四压电堆叠（2-4）构成激振组B2，激振组B1与激振组B2构成激振组B；激振组A与激振组B满足空间正交布置关系。3.一种轮形结构螺纹副驱动型超声电机，由外架（1）、压电驱动器（2）、弹性轮（3）、刚性轮（4）、输出轴（5）、键（6）和4n个预紧螺钉（7）组成；所述的外架（1）为轮形结构，弹性轮（3）为具有外槽和内螺纹的螺母结构弹性体，压电驱动器（2）为4n个压电堆叠，n为整数，压电驱动器（2）内置于外架（1）中，并通过预紧螺钉（7）加压预紧于弹性轮（3）的外槽，刚性轮（4）为具有键槽（4-1）的空心螺纹轴结构刚性体，弹性轮（3）与刚性轮（4）之间通过螺纹副传动，输出轴（5）为具有键槽（5-1）的圆轴结构，刚性轮（4）与输出轴（5）之间通过键（6）传动；其特征在于：所述超声电机为一种两波长激振模式的轮形结构螺纹副驱动型超声电机，其中压电驱动器（2）为8个压电堆叠，具体为第一压电堆叠（2-1）、第二压电堆叠（2-2）、第三压电堆叠（2-3）、第四压电堆叠（2-4）、第五压电堆叠（2-5）、第六压电堆叠（2-6）、第七压电堆叠（2-7）和第八压电堆叠（2-8）；预紧螺钉（7）为8个，具体为第一预紧螺钉、第二预紧螺钉、第三预紧螺钉、第四预紧螺钉、第五预紧螺钉、第六预紧螺钉、第七预紧螺钉和第八预紧螺钉；均布于外架（1）外圆面上的8个平面用于与8个预紧螺钉（7）配合，具体为第一平面（1-1）、第二平面（1-2）、第三平面（1-3）、第四平面（1-4）、第五平面（1-5）、第六平面（1-6）、第七平面（1-7）和第八平面（1-8）；均布于弹性轮（3）外圆面上的8个外槽用于与压电驱动器（2）配合，具体为第一外槽（3-1）、第二外槽（3-2）、第三外槽（3-3）、第四外槽（3-4）、第五外槽（3-5）、第六外槽（3-6）、第七外槽（3-7）和第八外槽（3-8）；所述的第一平面（1-1）与第一预紧螺钉配合预紧第一压电堆叠（2-1）作用于弹性轮（3）的第一外槽（3-1）上，第二平面（1-2）与第二预紧螺钉配合预紧第二压电堆叠（2-2）作用于弹性轮（3）的第二外槽（3-2）上，第三平面（1-3）与第三预紧螺钉配合预紧第三压电堆叠（2-3）作用于弹性轮（3）的第三外槽（3-3）上，第四平面（1-4）与第四预紧螺钉配合预紧第四压电堆叠（2-4）作用于弹性轮（3）的第四外槽（3-4）上，第五平面（1-5）与第五预紧螺钉配合预紧第五压电堆叠（2-5）作用于弹性轮（3）的第五外槽（3-5）上，第六平面（1-6）与第六预紧螺钉配合预紧第六压电堆叠（2-6）作用于弹性轮（3）的第六外槽（3-6）上，第七平面（1-7）与第七预紧螺钉配合预紧第七压电堆叠（2-7）作用于弹性轮（3）的第七外槽（3-7）上，第八平面（1-8）与第八预紧螺钉配合预紧第八压电堆叠（2-8）作用于弹性轮（3）的第八外槽（3-8）上。4.根据权利要求3所述的轮形结构螺纹副驱动型超声电机，其特征在于：所述的第一压电堆叠（2-1）和第五压电堆叠（2-5）对称布置，第二压电堆叠（2-2）和第六压电堆叠（2-6）对称布置，第三压电堆叠（2-3）和第七压电堆叠（2-7）对称布置，第四压电堆叠（2-4）和第八压电堆叠（2-8）对称布置；第一压电堆叠（2-1）与第二压电堆叠（2-2）空间45度布置，第二压电堆叠（2-2）与第三压电堆叠（2-3）空间45度布置，第三压电堆叠（2...

【专利技术属性】
技术研发人员：程廷海，姜大伟，王良，张邦成，何丽鹏，高智，
申请(专利权)人：长春工业大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22