基于准田字形压电振子驱动的平面电机及驱动方法技术

本发明专利技术涉及多自由度压电超声电机技术，具体涉及基于准田字形压电振子驱动的平面电机及驱动方法，包括定子组件、动子组件、支座组件和预紧组件，采用准田字形定子组件，且通过预紧组件与支座组件连接；动子组件分别连接定子组件和支座组件。电机通过激发准田字形定子组件的面外一阶对称弯曲振动、左右围杆面内一阶弯曲振动、前后围杆面内一阶弯曲振动三种模态的振动或近共振复合出两相椭圆运动轨迹，据此推动动子组件交替地沿

【技术实现步骤摘要】
基于准田字形压电振子驱动的平面电机及驱动方法
本专利技术属于多自由度压电超声电机
，尤其涉及基于准田字形压电振子驱动的平面电机及驱动方法。
技术介绍
平面电机能实现平面运动装置直接驱动，是平面运动系统的理想驱动部件。为了推进平面电机技术的发展，近年来许多国家都在致力探索利用新的功能材料及新的物理效应，研制电磁平面电机、静电平面电机、微波平面电机、光热平面电机、形状记忆平面电机、压电平面电机等新型电机，其中电磁平面电机和压电平面电机相对更为现实一些。然而，尽管平面电磁电机也能实现二维或三维平面运动驱动，但却因其省却了中间缓冲、变换环节而使其内部的电磁参数摄动直接复映至电机运行特性上，与此同时，电磁耦合的固有非线性以及平面电磁电机绕组端部的齿槽效应均对电机输出特性产生较大影响，严重地制约了这类电机的运行稳定性及精密性，为此，人们将研究重点转向压电平面电机。压电平面电机作为超声电机一个独立分支而存在的时间虽不长，但却得到了较快发展。迄今为止，已推出压电平面电机有柱杆式、平板式、组合式等多种型式，比如，Ferreria通过对压电振子的陶瓷电极及驱动齿进行合理配置，实现了某工作平台的两自由度运动，该平台实质就是一种平面电机；CheeK也推出了压电平面电机，该电机是用3个压电电机巧妙复合而成，但其结构较大且非严格意义的平面电机；Hong通过激励矩板的一纵、四弯合成出两相椭圆而研制出一种平面电机，该电机速度100mm/s，但电机的辅助装置较多；Dembele推出了定位精度达2.5μm的三自由度平面电机；Vijver也推出一种压电三自由度压电平面运动作动器且其定位精度达l0nm，但电机速度极低。刘俊标在国内推出一种圆杆驱动的平面电机，通过激励圆杆两相正交弯曲振动合成出空间两相椭圆实现了平面运动驱动，但该电机性能不够理想；时运来研制出变截杆两正交四阶弯曲振动的驱动的平面电机，其速度190mm/s；陈维山推出正交聚能器驱动的高速压电平面电机，速度960mm/s。为实现电机小型化，李朝东研制出矩框驱动结构的平面电机；程光明推出了惯性冲击式压电平面驱动器；金家楣也推出一种x向速度145mm/s、推力4.3N，y向速度180mm/s、而推力为5.N的平面电机；严亮则推出单定子式平面超声驱动器；赵淳生研制出直线电机驱动的二维定位系统，实现了50mm行程内定位精度0.28μm。总的来看，由于发展时间不长，压电平面电机固有的精密和快响应特性远未发挥，电机性能离广泛的工程应用还有较大距离，已有压电平面电机原理和结构型式还极其有限，无法很好地满足应用领域对其提出的稳、快、准、好、小、薄、轻等多样需求，故发现全新压电平面电机原理和结构，深入平面电机工作驱动机理，推出更多压电平面电机样机以丰富平面电机型式，成为压电平面电机领域的重要研究内容。
技术实现思路
本专利技术的目的提出一种利用准田字弹性结构的压电平面电机，该电机利用准田字结构面内和外弯模态的复合振动，合成两相椭圆轨迹以推动动子做两相平移运动。该平面电机能产生精密平面运动，能输出较大动力与速度，应用于二维移动装置的精密定位和小型伺服机构精密驱动等领域。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：基于准田字形压电振子驱动的平面电机，包括定子组件、动子组件、支座组件和预紧组件，采用准田字形定子组件，且通过预紧组件与支座组件连接；动子组件分别连接定子组件和支座组件。在上述的基于准田字形压电振子驱动的平面电机中，准田字形定子组件包括金属基体板、压电陶瓷组件和驱动足；金属基体板包括左围杆、右围杆、前围杆和后围杆以及十字板架，十字板架的四端分别与左围杆、右围杆、前围杆和后围杆采用柔性铰链连接，十字板架中心钻有定位孔，各围杆芯部均开有调整通孔；压电陶瓷组件包括粘贴于各围杆上、下表面及外侧的12片压电陶瓷片；驱动足设置于各围杆上表面两端，驱动足高度大于各压电陶瓷片厚度，且驱动足顶端涂敷摩擦材料。在上述的基于准田字形压电振子驱动的平面电机中，准田字形定子组件具有三种振动模态，分别是左、右围杆的面内一阶弯曲振动模态，前、后围杆的面内一阶弯曲振动模态，四根围杆面外一阶对称弯曲振动模态。在上述的基于准田字形压电振子驱动的平面电机中，十字板架端口与各围杆连接处均开有方槽，用于安装柔性铰链；各围杆及十字板架各端的横截面均为矩形或正方形。在上述的基于准田字形压电振子驱动的平面电机中，动子组件包括平面滑板、十字护珠板和若干滚珠；平面滑板上开设十字滑槽，槽宽大于滚珠直径；沿十字护珠板横向纵向各开有一排通孔与十字滑槽对应，通孔孔径小于滚珠直径；若干滚珠装入十字滑槽内，十字护珠板盖在平面滑板上，滚珠数量及位置与十字护珠板上通孔相对应，在十字护珠板和平面滑板的中心用螺钉固定，滚珠部分表面暴露于通孔之外；动子组件连接驱动足。在上述的基于准田字形压电振子驱动的平面电机中，支座组件包括机盒、盖板、定位销、凸台、4个定位块和定子挡架；机盒为长方体，包括底板和四周围板；底板中心钻有螺纹通孔，定位销安放在螺纹通孔中，并拧入紧定螺钉，定位销穿过十字板架的定位孔用于定子组件的安装定位；凸台安装于定位销周围；4个定位块用螺钉固定在底板上，每个定位块两相邻外侧面上各设置一圆弧凸起，圆弧凸起分别轻压在左围杆、右围杆、前围杆和后围杆的内侧，形成线接触连接，各定位块与对应围杆的接触点在各围杆的面内一阶弯曲振动节点处；定子挡架卡住十字板架中心，并通过螺钉固定于底板上，且定子挡架与十字板架之间采取润滑接触；盖板用螺钉固定在机盒的四周围板结合处，盖板采用矩框形结构；底板靠近四周围板处钻有四个安装通孔；盖板与滚珠连接构成滚动副。在上述的基于准田字形压电振子驱动的平面电机中，预紧组件包括碟形弹簧和至少一个环形垫圈；环形垫圈安放在凸台之上，碟形弹簧压在环形垫圈上，金属基体板压在碟形弹簧上。在上述的基于准田字形压电振子驱动的平面电机中，金属基体板选用磷青铜材料，压电陶瓷片采用PZT8。在上述的基于准田字形压电振子驱动的平面电机中，12片压电陶瓷片分成内激励陶瓷组和面外弯曲振动激励陶瓷组；粘贴于各围杆外侧的压电陶瓷片为面内激励陶瓷组，粘贴于各围杆上下表面的压电陶瓷片为面外弯曲振动激励陶瓷组；面内激励陶瓷组中置于左、右围杆外侧的为x向振动激励陶瓷片，置于前、后围杆外侧的为y向振动激励陶瓷片；各围杆上的面外弯曲振动激励陶瓷片粘贴在各围杆的面外一阶对称弯曲振动模态的波峰或波谷处；x向振动激励陶瓷片以及y向振动激励陶瓷片分别粘贴在左、右围杆，前、后围杆的面内一阶弯曲振动模态波峰或波谷处。在上述的基于准田字形压电振子驱动的平面电机中，x向振动激励陶瓷片，y向振动激励陶瓷片，面外弯曲振动激励陶瓷片均沿其厚度指向围杆表面的方向进行压电极化，各激励陶瓷片与金属基体板接触的电极接地。基于准田字形压电振子驱动的平面电机的驱动方法，包括以下步骤，（1）选取准田字形定子组件的三种振动模态作为其工作模态，分别是左、右围杆的面内一阶弯曲振动模态，前、后围杆的面内一阶弯曲振动模态，四根围杆面外一阶对称弯曲振动模态三种工作模态；（2）通过激发定子组件三种工作模态的共振或近共振，驱使其左、右围杆，前、后围杆上的驱动足分别沿xOz、yOz面做椭圆轨迹运动，进而推动动子组件沿x、y向移动；（3）定本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于准田字形压电振子驱动的平面电机，包括定子组件、动子组件、支座组件和预紧组件，其特征在于，采用准田字形定子组件，且通过预紧组件与支座组件连接；动子组件分别连接定子组件和支座组件。

【技术特征摘要】
1.基于准田字形压电振子驱动的平面电机，包括定子组件、动子组件、支座组件和预紧组件，其特征在于，采用准田字形定子组件，且通过预紧组件与支座组件连接；动子组件分别连接定子组件和支座组件。2.如权利要求1所述的基于准田字形压电振子驱动的平面电机，其特征在于，准田字形定子组件包括金属基体板、压电陶瓷组件和驱动足；金属基体板包括左围杆、右围杆、前围杆和后围杆以及十字板架，十字板架的四端分别与左围杆、右围杆、前围杆和后围杆采用柔性铰链连接，十字板架中心钻有定位孔，各围杆芯部均开有调整通孔；压电陶瓷组件包括粘贴于各围杆上、下表面及外侧的12片压电陶瓷片；驱动足设置于各围杆上表面两端，驱动足高度大于各压电陶瓷片厚度，且驱动足顶端涂敷摩擦材料。3.如权利要求2所述的基于准田字形压电振子驱动的平面电机，其特征在于，准田字形定子组件具有三种振动模态，分别是左、右围杆的面内一阶弯曲振动模态，前、后围杆的面内一阶弯曲振动模态，四根围杆面外一阶对称弯曲振动模态。4.如权利要求2所述的基于准田字形压电振子驱动的平面电机，其特征在于，十字板架端口与各围杆连接处均开有方槽，用于安装柔性铰链；各围杆及十字板架各端的横截面均为矩形或正方形。5.如权利要求3所述的基于准田字形压电振子驱动的平面电机，其特征在于，动子组件包括平面滑板、十字护珠板和若干滚珠；平面滑板上开设十字滑槽，槽宽大于滚珠直径；沿十字护珠板横向纵向各开有一排通孔与十字滑槽对应，通孔孔径小于滚珠直径；若干滚珠装入十字滑槽内，十字护珠板盖在平面滑板上，滚珠数量及位置与十字护珠板上通孔相对应，在十字护珠板和平面滑板的中心用螺钉固定，滚珠部分表面暴露于通孔之外；动子组件连接驱动足。6.如权利要求5所述的基于准田字形压电振子驱动的平面电机，其特征在于，支座组件包括机盒、盖板、定位销、凸台、4个定位块和定子挡架；机盒为长方体，包括底板和四周围板；底板中心钻有螺纹通孔，定位销安放在螺纹通孔中，并拧入紧定螺钉，定位销穿过十字板架的定位孔用于定子组件的安装定位；凸台安装于定位销周围；4个定位块用螺钉固定在底板上，每个定位块两相邻外侧面上各设置一圆弧凸起，圆弧凸起分别轻压在左围杆、右围杆、前围杆和后围杆的内侧，形成线接触连接，各定位块与对应围杆的接触点在各围杆的面内一阶弯曲振动节点处；定子挡架卡住十字板架中心，并通过螺钉固定于底板上，且定子挡架与十字板架之间采取润滑接触；盖板用螺钉固定在机盒的四周围板结合处，盖板采用矩框形结构；底板靠近四周围板处钻有四个安装通孔；盖板与滚珠连接构成滚动副。7.如权利要求6所述的基于准田字形压电振子驱动的平面电机，其特征在于，预紧组件包括碟形弹簧和至少一个环形垫圈；环形垫圈安放在凸台之上，碟形弹簧压在...

【专利技术属性】
技术研发人员：贺睿，周卓尔，邹诗怡，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42