一种三自由度压电作动器及其工作方法技术

本发明专利技术公开了一种三自由度压电作动器及其工作方法，该压电作动器包括压电振子、球形转子、夹持框架、以及第一至第四连接杆；压电振子包括定子和第一至第八压电陶瓷片。本发明专利技术通过对第一至第八压电陶瓷片施加特定组合的激励信号，激励出定子的一种径向弯曲振动模态和两种正交轴向弯曲振动模态中的两种振动模态，从而在定子的驱动面上耦合形成微幅椭圆运动，利用摩擦作用驱动球形转子获得三个自由度方向的旋转。本发明专利技术能够实现三个自由度旋转运动，具有结构简单、断电自锁、易于小型化等优点，适用于空间指向机构、光学目标跟踪和机器人关节技术等领域。人关节技术等领域。人关节技术等领域。

【技术实现步骤摘要】
一种三自由度压电作动器及其工作方法


[0001]本专利技术涉及压电作动器
，尤其涉及一种三自由度压电作动器及其工作方法。

技术介绍

[0002]随着精密驱动技术的快速发展，对驱动系统中的执行器性能有了更高的要求和限制，要求其能够实现多自由度运动、响应迅速、无电磁干扰、小型化等。以往的多自由度作动器主要是采用多台单自由度电磁电机串联的形式实现三自由运动、多自由度球形电磁电机和多自由度空间并联机构等，这些结构都带有复杂的传动机构，往往会导致体积庞大、结构复杂。多自由度压电作动器是一种基于压电材料的逆压电效应来将电能转换为机械能，激励定子产生相应的共振模态，在摩擦作用的驱动下实现转子的多自由度运动。

技术实现思路

[0003]本专利技术所要解决的技术问题是针对
技术介绍
中所涉及到的缺陷，提供一种三自由度压电作动器及其工作方法。
[0004]本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种三自由度压电作动器，包含压电振子、球形转子、夹持框架、以及第一至第四连接杆；所述压电振子包括定子、以及第一至第八压电陶瓷片；所述定子为两端开口的空心球台，其关于两个底面之间的中性面对称；所述第一至第八压电陶瓷片结构相同，均为块状球壳，均包含外壁、内壁、以及依次首尾相连的第一至第四侧壁，其中，所述内壁的直径和所述定子外球面的直径相等；第一、第三、第五、第七压电陶瓷片周向均匀设置在所述定子的外球面上，第二、第四、第六、第八压电陶瓷片周向均匀设置在所述定子的外球面上，第一和第二压电陶瓷片、第三和第四压电陶瓷片、第五和第六压电陶瓷片、第七和第八压电陶瓷片均关于定子两个底面之间的中性面对称；第一至第八压电陶瓷片的第一、第三侧壁均和所述定子的底面平行，第一至第八压电陶瓷片的第二、第四侧壁均和所述定子的轴线共面；第一至第八压电陶瓷片均沿厚度方向极化且极化方向均朝内；所述球形转子采用球体或者关于两个底面之间的中性面对称的球台，设置在所述定子内，和定子球面接触；所述夹持框架将所述定子包含在内；所述第一至第四连接杆周向均匀设置在所述定子外，第一至第四连接杆的一端分别和定子工作模态时四个节圆和节径交界处一一对应固连，另一端和所述夹持框架固连。
[0005]作为本专利技术一种三自由度压电作动器进一步的优化方案，所述夹持框架采用正方形框架，其上四条边的四个中点处均设有用于和外界固连的螺纹通孔。
[0006]作为本专利技术一种三自由度压电作动器进一步的优化方案，所述第一至第四连接杆
靠近定子的一端均为内凹的、和定子相配合的球面。
[0007]作为本专利技术一种三自由度压电作动器进一步的优化方案，所述球形转子采用关于两个底面之间的中性面对称的球台，其沿轴线设有用于设置输出轴的圆形通孔。
[0008]本专利技术还公开了一种该三自由度压电作动器的工作方法，包含以下步骤：令定子的球心为笛卡尔坐标系原点，第一压电陶瓷片的第二、第四侧壁所在平面的角平分面为面A，第三压电陶瓷片的第二、第四侧壁所在平面的角平分面为面B，定子两个底面之间的中性面为C，从坐标原点沿面A和面C的交线朝外为X轴正方向，从坐标原点沿面B和面C的交线朝外为Y轴正方向，从坐标原点沿定子的轴线指向定子靠近第一压电陶瓷片的底面的方向为Z轴正方向；如果需要驱动球面转子绕X轴旋转：对第一、第二、第五、第六压电陶瓷片施加第一激励信号，对第三、第八压电陶瓷片施加第二激励信号，对第四、第七压电陶瓷片施加第三激励信号，第一至第三激励信号均为同频同幅的交流谐波信号，第一激励信号在时间相位差上超前第二激励信号π/2，第二激励信号与第三激励信号的相位相反,使压电振子同时激发径向弯曲振动模态和Y轴方向的轴向弯振动模态；通过径向弯曲振动模态和Y轴方向的轴向弯曲振动模态的耦合，在压电振子的驱动面形成垂直于X轴的微幅椭圆运动，经摩擦作用驱动球形转子绕X轴旋转；如果需要绕X轴反向旋转，将第一激励信号的相位取反即可；如果需要驱动球面转子绕Y轴旋转：对第三、第四、第七、第八压电陶瓷片施加第一激励信号，对第一、第六压电陶瓷片施加第二激励信号，对第二、第五压电陶瓷片施加第三激励信号，第一至第三激励信号均为同频同幅的交流谐波信号，第一激励信号在时间相位差上超前第二激励信号π/2，第二激励信号与第三激励信号的相位相反,使压电振子同时激发径向弯曲振动模态和X轴方向的轴向弯振动模态；通过径向弯曲振动模态和X轴方向的轴向弯曲振动模态的耦合，在压电振子的驱动面形成垂直于Y轴的微幅椭圆运动，经摩擦作用驱动球形转子绕Y轴旋转；如果需要绕Y轴反向旋转，将第一激励信号的相位取反即可；如果需要驱动球面转子绕Z轴旋转：对第一、第六压电陶瓷片施加第四激励信号，对第二、第五压电陶瓷片施加第五激励信号，对第三、第八压电陶瓷片施加第六激励信号，对第四、第七压电陶瓷片施加第七激励信号，第一至第七激励信号均为同频同幅的交流谐波信号，第四激励信号在时间相位差上超前第六激励信号π/2，第四激励信号与第六激励信号的相位相反,第五激励信号与第七激励信号的相位相反，使压电振子同时两个正交的轴向弯振动模态；通过两个正交的轴向弯曲振动模态的耦合，在压电振子的驱动面形成垂直于Z轴的微幅椭圆运动，经摩擦作用驱动球形转子绕Z轴旋转；如果需要绕Z轴反向旋转，第四激励信号改变成在时间相位差上落后第六激励信号π/2即可。
[0009]本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：1. 采用贴片式结构将压电陶瓷片粘贴在定子外球面，能够简化压电振子结构，有效减小作动器尺寸；2. 采用定子与球形转子进行球面接触，这有利于增大驱动面实现提高作动器的
效率。
附图说明
[0010]图1是本专利技术的结构示意图；图2是本专利技术中压电振子的结构示意图；图3是本专利技术中第一至第八压电陶瓷片的极化方向示意图；图4是本专利技术中球形转子的结构示意图；图5是本专利技术中夹持框架、第一至第四连接杆相配合的结构示意图；图6是本专利技术中压电振子在XOY平面上两个相位差为180度的径向弯曲振动模态对比示意图图7是本专利技术中压电振子在XOZ平面上两个相位差为180度的Y轴方向的轴向弯振动模态模态对比示意图；图8是本专利技术中压电振子在XOZ平面上两个相位差为180度的X轴方向的轴向弯振动模态模态对比示意图；图9是本专利技术绕X轴转动时的压电振子工作状态示意图；图10是本专利技术绕Y轴转动时的压电振子工作状态示意图；图11是本专利技术绕X轴转动时的压电振子工作状态示意图。
[0011]图中，1
‑
压电振子，2
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球形转子，3
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夹持框架，4
‑
定子，5
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第五压电陶瓷片，6
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球形转子上的圆形通孔，7
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矩形方架，8
‑
第一连接杆，9
‑
夹持框架上的螺纹通孔。
实施方式
[0012]下面结合附图对本专利技术的技术方案做进一步的详细说明：本专利技术可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三自由度压电作动器，其特征在于，包含压电振子、球形转子、夹持框架、以及第一至第四连接杆；所述压电振子包括定子、以及第一至第八压电陶瓷片；所述定子为两端开口的空心球台，其关于两个底面之间的中性面对称；所述第一至第八压电陶瓷片结构相同，均为块状球壳，均包含外壁、内壁、以及依次首尾相连的第一至第四侧壁，其中，所述内壁的直径和所述定子外球面的直径相等；第一、第三、第五、第七压电陶瓷片周向均匀设置在所述定子的外球面上，第二、第四、第六、第八压电陶瓷片周向均匀设置在所述定子的外球面上，第一和第二压电陶瓷片、第三和第四压电陶瓷片、第五和第六压电陶瓷片、第七和第八压电陶瓷片均关于定子两个底面之间的中性面对称；第一至第八压电陶瓷片的第一、第三侧壁均和所述定子的底面平行，第一至第八压电陶瓷片的第二、第四侧壁均和所述定子的轴线共面；第一至第八压电陶瓷片均沿厚度方向极化且极化方向均朝内；所述球形转子采用球体或者关于两个底面之间的中性面对称的球台，设置在所述定子内，和定子球面接触；所述夹持框架将所述定子包含在内；所述第一至第四连接杆周向均匀设置在所述定子外，第一至第四连接杆的一端分别和定子工作模态时四个节圆和节径交界处一一对应固连，另一端和所述夹持框架固连。2.根据权利要求1所述的三自由度压电作动器，其特征在于，所述夹持框架采用正方形框架，其上四条边的四个中点处均设有用于和外界固连的螺纹通孔。3.根据权利要求1所述的三自由度压电作动器，其特征在于，所述第一至第四连接杆靠近定子的一端均为内凹的、和定子相配合的球面。4.根据权利要求1所述的三自由度压电作动器，其特征在于，所述球形转子采用关于两个底面之间的中性面对称的球台，其沿轴线设有用于设置输出轴的圆形通孔。5.基于权利要求1所述的三自由度压电作动器的工作方法，其特征在于，包含以下步骤：令定子的球心为笛卡尔坐标系原点，第一压电陶瓷片的第二、第四侧壁所在平面的角平分面为面A，第三压电陶瓷片的第二、第四侧壁所在平面的角平分面为面B，定子两个底面之间的中性面为C，从坐标原点沿面A和面C的交线朝外为X轴正方向，从坐标原点沿面B和面C的交线朝外为Y轴正方向，从...

【专利技术属性】
技术研发人员：王亮，潘志泳，金家楣，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：