贴片式球面转子多自由度超声电机及其激励方法技术

本发明专利技术公开了一种贴片式球面转子多自由度超声电机及其激励方法，该超声电机包括压电振子、底座、球面转子和预紧模块；压电振子包含定子和压电陶瓷片；定子包含第一基体、第二基体、以及第一至第四驱动足；底座包含固定筒和腹板；预紧模块包含螺纹杆、轴承、轴承座、夹持半球、弹簧、预紧螺母和垫片。本发明专利技术通过对压电陶瓷片施加不同的激励信号，激励出定子的一种轴向对称弯曲模态和两种正交轴向弯曲模态中的两个模态，从而在四个驱动足上耦合形成微幅的椭圆运动，利用摩擦作用驱动球面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，具有预压力可调、结构简单紧凑、无电自锁、易于微型化等优点。易于微型化等优点。易于微型化等优点。

【技术实现步骤摘要】
贴片式球面转子多自由度超声电机及其激励方法


[0001]本专利技术涉及超声电机
，尤其涉及一种贴片式球面转子多自由度超声电机及其激励方法。

技术介绍

[0002]精密驱动技术的日趋成熟不断的推动着航天航空、光学仪器、智能机器人等领域的发展。作动器作为精密驱动技术的执行机构，是精密驱动系统中难度最大、设计要求最多的重要组成部分。随着前沿领域和特种环境领域的发展，对作动器提出更多的限制和要求，传统的电磁电机已经难以胜任。超声电机是一种利用压电材料的逆压电效应，通过摩擦效应来驱动的新型作动器。超声电机利用压电陶瓷的逆压电效应将电能转化为机械能，通过对压电陶瓷施加特定的激励信号，压电振子在驱动足处产生有利于驱动转子的微幅椭圆运动，通过界面摩擦向转子进行有效地运动传递动能，从而实现机械能输出。超声电机具有结构灵活、简单紧凑、定位精度高、不受电磁干扰和无电自锁等独特优势，适合应用在空间指向机构、光学跟踪系统等精密驱动领域中。
[0003]传统的多自由度电机是使用多台单自由度旋转电机串联的方式来实现多自由度旋转，多个电机以及复杂的传动机构必然会导致电机结构复杂、体积庞大和误差失控，影响电机的稳定性。多自由度超声电机具有较高的机械集成度，在满足多自由度驱动的同时，仍然能保留单自由度超声电机的特性与优点。采用贴片式定子结构能简化电机结构，有效减小电机体积。所提出的预紧模块能够对定子和球面转子之间提供均匀可调的预紧力，增加了电机工作的稳定性。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种贴片式球面转子多自由度超声电机及其激励方法。
[0005]本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：贴片式球面转子多自由度超声电机，包含压电振子、底座、球面转子和预紧模块；所述压电振子包含定子和压电陶瓷片；所述定子包含第一基体、第二基体、以及第一至第四驱动足，其中，所述第一基体为上下开口的空心圆柱体；所述第二基体为圆柱体，其下端面设有圆柱状的第一凹槽；所述第一凹槽的中心设有直径等于第一基体内径的通孔；所述第一基体的下端面和所述第二基体的上端面同轴固连；所述第一至第四驱动足周向均匀设置在所述第一基体的上端面上；所述压电陶瓷片为环形压电陶瓷片，包含周向均匀设置且依次首尾相连的第一至第四分区，第一至第四分区均沿厚度方向极化，第一、第四分区的极化方向相同，第二、第三分区的极化方向相同，第一、第二分区的极化方向相反；所述压电陶瓷片的外径等于第二基体的直径、内径大于第一基体的外径，套在第一基体外且同轴粘贴在所述第二基体的上端面上，且压电陶瓷片的四条分界线和所述第一
至第四驱动足一一对应；所述底座包含固定筒和腹板；所述固定筒为上下开口的空心圆柱体，其外径小于第一凹槽的直径，内径大于第一基体的内径，上端面和所述第二基体中第一凹槽的底面同轴固连；所述腹板为直径等于固定筒内径的圆形板，设置在固定筒内、和固定筒同轴固连，且腹板中心设有圆形的限位孔；所述球面转子为球冠状壳体，其外壁中心沿其轴线设有圆形通孔；所述预紧模块包含螺纹杆、轴承、轴承座、夹持半球、弹簧、预紧螺母和垫片；所述螺纹杆为包含螺帽和螺杆；所述夹持半球为高大于半径的球缺，其直径大于所述限位孔的直径，底面中心设有用于和所述预紧弹簧相配合的第二凹槽，且第二凹槽的中心设有供所述螺杆穿过的通孔；所述轴承座为两端开口的空心圆柱体，其下端和所述球面转子外壁的中心同轴固连，将球面转子中心的圆形通孔包含在内；所述轴承设置在所述轴承座内，外圈和所述轴承座的内壁同轴固连；所述螺纹杆的螺帽设置在所述轴承座内、和所述轴承的内圈相抵，螺纹杆的螺杆依次穿过轴承的内圈、球面转子中心的圆形通孔、夹持半球上的通孔、弹簧、垫片后和所述预紧螺母螺纹相连，使得夹持半球的球心和所述球面转子的球心重合；所述螺杆和所述球面转子中心的圆形通孔、轴承的内圈、夹持半球上的通孔均间隙配合；所述弹簧套在垫片和轴承之间的螺杆外，呈压缩状态，用于提供预紧力；所述调节螺母用于调节该预紧力。
[0006]作为本专利技术贴片式球面转子多自由度超声电机进一步的优化方案，所述轴承采用深沟球轴承。
[0007]作为本专利技术贴片式球面转子多自由度超声电机进一步的优化方案，所述固定筒两侧对称设有第一夹持机构、第二夹持机构；所述第一夹持机构、第二夹持机构结构相同，均包含第一连接杆、第二连接杆和柔铰，其中，所述第一连接杆一端和所述承载部侧壁固连，另一端和所述柔铰的一端固连；所述第二连接杆一端和所述柔铰的另一端固连，另一端用于和外界固连。
[0008]作为本专利技术贴片式球面转子多自由度超声电机进一步的优化方案，所述螺母的顶部设有沉头十字凹槽，使得螺杆便于和所述调节螺母螺纹配合。
[0009]作为本专利技术贴片式球面转子多自由度超声电机进一步的优化方案，所述底座和第二基体的连接处位于压电振子工作模态的节圆处。
[0010]本专利技术还公开了一种该贴片式球面转子多自由度超声电机的激励方法，包含以下步骤；令压电陶瓷片第一分区、第三分区的角平分线所在直线为X轴，第二分区、第四分区角平分线所在直线为Y轴，经过压电陶瓷片的中心且垂直于压电陶瓷片的直线为Z轴；如果需要驱动球面转子绕X轴正向旋转：对压电陶瓷片的第二分区和第四分区施加第一激励信号，对压电陶瓷片的第一分
区施加第二激励信号，对压电陶瓷片的第三分区施加第三激励信号；所述第一至第三激励信号均为同频同幅的交流谐波信号，其中，第一激励信号在时间相位差上超前第二激励信号π/2,第三激励信号与第二激励信号的相位相反，使得压电振子上同时激发轴向弯曲模态B(1,1)和轴向对称弯曲模态B(1,0)；通过模态B(1,1)和模态B(1,0)的耦合，在压电振子的驱动足表面质点形成垂直于X轴的微幅椭圆运动，压电振子通过摩擦作用驱动球面转子绕X轴旋转；如果需要球面转子绕X轴反向旋转，改变第一激励信号，使第一激励信号在时间相位差上落后第二激励信号π/2即可；如果需要驱动球面转子绕Y轴正向旋转：对压电陶瓷片的第一分区和第三分区施加第一激励信号，对压电陶瓷片的第四分区施加第二激励信号，对压电陶瓷片的第二分区施加第三激励信号；所述第一至第三激励信号均为同频同幅的交流谐波信号，其中，第一激励信号在时间相位差上超前第二激励信号π/2,第三激励信号与第二激励信号的相位相反，使得压电振子上同时激发轴向弯曲模态B(1,1)'和轴向对称弯曲模态B(1,0)，模态B(1,1)和模态B(1,1)'为同频正交的轴向弯曲模态；通过模态B(1,1)'和模态B(1,0)的耦合，在压电振子的驱动足表面质点形成垂直于Y轴的微幅椭圆运动，压电振子通过摩擦作用驱动球面转子绕Y轴旋转；如果需要球面转子绕Y轴反向旋转，改变第一激励信号，使第一激励信号在时间相位差上落后第二激励信号π/2即可；如果需要驱动球面转子绕Z轴正向旋转：对压电陶瓷片的第二分区和第四分区施加第一激励信号，对压电陶瓷片的第一分区和第三分区施加第二激励信号；所述第一至第二激励信号均为同频同幅的交流谐波信号，其中，第一激励信号在时间相位差上超前第二激励信号π/2,使得本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.贴片式球面转子多自由度超声电机，其特征在于，包含压电振子、底座、球面转子和预紧模块；所述压电振子包含定子和压电陶瓷片；所述定子包含第一基体、第二基体、以及第一至第四驱动足，其中，所述第一基体为上下开口的空心圆柱体；所述第二基体为圆柱体，其下端面设有圆柱状的第一凹槽；所述第一凹槽的中心设有直径等于第一基体内径的通孔；所述第一基体的下端面和所述第二基体的上端面同轴固连；所述第一至第四驱动足周向均匀设置在所述第一基体的上端面上；所述压电陶瓷片为环形压电陶瓷片，包含周向均匀设置且依次首尾相连的第一至第四分区，第一至第四分区均沿厚度方向极化，第一、第四分区的极化方向相同，第二、第三分区的极化方向相同，第一、第二分区的极化方向相反；所述压电陶瓷片的外径等于第二基体的直径、内径大于第一基体的外径，套在第一基体外且同轴粘贴在所述第二基体的上端面上，且压电陶瓷片的四条分界线和所述第一至第四驱动足一一对应；所述底座包含固定筒和腹板；所述固定筒为上下开口的空心圆柱体，其外径小于第一凹槽的直径，内径大于第一基体的内径，上端面和所述第二基体中第一凹槽的底面同轴固连；所述腹板为直径等于固定筒内径的圆形板，设置在固定筒内、和固定筒同轴固连，且腹板中心设有圆形的限位孔；所述球面转子为球冠状壳体，其外壁中心沿其轴线设有圆形通孔；所述预紧模块包含螺纹杆、轴承、轴承座、夹持半球、弹簧、预紧螺母和垫片；所述螺纹杆为包含螺帽和螺杆；所述夹持半球为高大于半径的球缺，其直径大于所述限位孔的直径，底面中心设有用于和所述预紧弹簧相配合的第二凹槽，且第二凹槽的中心设有供所述螺杆穿过的通孔；所述轴承座为两端开口的空心圆柱体，其下端和所述球面转子外壁的中心同轴固连，将球面转子中心的圆形通孔包含在内；所述轴承设置在所述轴承座内，外圈和所述轴承座的内壁同轴固连；所述螺纹杆的螺帽设置在所述轴承座内、和所述轴承的内圈相抵，螺纹杆的螺杆依次穿过轴承的内圈、球面转子中心的圆形通孔、夹持半球上的通孔、弹簧、垫片后和所述预紧螺母螺纹相连，使得夹持半球的球心和所述球面转子的球心重合；所述螺杆和所述球面转子中心的圆形通孔、轴承的内圈、夹持半球上的通孔均间隙配合；所述弹簧套在垫片和轴承之间的螺杆外，呈压缩状态，用于提供预紧力；所述调节螺母用于调节该预紧力。2.根据权利要求1所述的贴片式球面转子多自由度超声电机，其特征在于，所述轴承采用深沟球轴承。3.根据权利要求1所述的贴片式球面转子多自由度超声电机，其特征在于，所述固定筒两侧对称设有第一夹持机构、第二夹持机构；所述第一夹持机构、第二夹持机构结构相同，均包含第一连接杆、第二连接杆和柔铰，其中，所述第一连接杆一端和所述承载部侧壁固连，另一端和所述柔铰的一端固连；所述第
二连接杆一端和所述柔铰的另一端固连，另一端用于和外界固连。4.根据权利要求1所述的贴片式球面转子多...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘志泳，王亮，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：