CN102324867A - 使用复合弯振双足直线超声振子的直线平台 - Google Patents

Abstract

使用复合弯振双足直线超声振子的直线平台，属于压电超声驱动技术领域。它解决了现有电磁电机驱动的直线平台存在的结构复杂、定位精度低等问题。它包括振子、两个直线导轨、两个动子、两个挡板、平台、基座、两个定位架、预压梁、板簧和预压螺钉，两个直线导轨平行设置于基座的上表面，每个直线导轨上均设置有一个动子，两个动子沿运动方向的一侧端部与一个挡板固定连接，两个动子沿运动方向的另一侧端部与另一个挡板固定连接，平台与两个挡板的上端面固定连接，预压梁通过两个定位架固定在基座上，该预压梁高于动子且位于两个动子的中间。本发明作为一种采用超声振子的直线平台。

Description

使用复合弯振双足直线超声振子的直线平台

技术领域

本发明涉及一种使用复合弯振双足直线超声振子的直线平台，属于压电超声驱动技术领域。

背景技术

直线平台是机械制造和精密仪器领域中最为常用的一种设备，目前成熟的直线平台多数采用旋转型电磁电机作为驱动元件，通过丝杠螺母机构将电磁电机的旋转运动转换为工作平台的直线运动；由于采用了转换机构，使得系统较为复杂，并且一定程度上会降低平台的定位精度。

直线型超声电机利用压电陶瓷的逆压电效应，在弹性体中激励出超声频段内的振动，在弹性体表面特定点或特定区域形成具有特定轨迹的质点运动，进而通过振子、动子之间的摩擦耦合将质点的微观运动转换成动子的直线运动，具有低速大推力、定位精度高、无电磁干扰、响应速度快和断电自锁等优点。直线型超声电机的优点使得其非常适合应用于直线平台中实现直接驱动。

发明内容

本发明的目的是解决现有电磁电机驱动的直线平台存在的结构复杂、定位精度低等问题，提供了一种使用复合弯振双足直线超声振子的直线平台。

本发明所述使用复合弯振双足直线超声振子的直线平台，它包括振子、两个直线导轨、两个动子、两个挡板、平台、基座、两个定位架、预压梁、板簧和预压螺钉，

两个直线导轨平行设置于基座的上表面，每个直线导轨上均设置有一个动子，两个动子沿运动方向的一侧端部与一个挡板固定连接，两个动子沿运动方向的另一侧端部与另一个挡板固定连接，平台与两个挡板的上端面固定连接，

预压梁通过两个定位架固定在基座上，该预压梁高于动子且位于两个动子的中间，

所述振子包括两个安装座和两个驱动足，

每个定位架的内侧表面中间加工有矩形截面槽，振子中间的两侧面对称设置两个安装座，所述两个安装座分别嵌入安装在两个定位架的矩形截面槽内，板簧的两端分别固定在两个安装座的上端面上，旋合在预压梁上的预压螺钉的末端压在板簧上表面的中间，使振子的两个驱动足分别与一个动子的上表面相接触。

所述振子还包括两个端盖、八片弯振压电陶瓷片、法兰、两个薄壁梁、两个绝缘套、八个电极片和两个摩擦片，

所述两个安装座对称设置于法兰的两侧，每个安装座均通过薄壁梁与法兰固定连接，

法兰的两个端面分别居中设置一个螺柱，每个螺柱上均套有四片弯振压电陶瓷片，螺柱与四片弯振压电陶瓷片的套接面之间设置有绝缘套，在法兰的端面与弯振压电陶瓷片之间、及相邻的弯振压电陶瓷片之间均固定有电极片；

所述端盖是截面为方形或者圆形并由首端面至末端面逐渐变细的块体，端盖的首端面的中心有一个带内螺纹的盲孔，两个端盖分别通过其盲孔旋合于两个螺柱的端部，从而将弯振压电陶瓷片压紧在端盖和相应的法兰端面之间，

每个端盖的末端面上设置一个驱动足，驱动足为截面和端盖的末端面形状完全相同的块体，所述截面与端盖的末端面相互平行，每个驱动足的底侧面上设置有矩形槽，该矩形槽内固定摩擦片，驱动足通过摩擦片与动子的上表面相接触；

所述弯振压电陶瓷片均沿厚度方向极化，将两个端盖之间的八片弯振压电陶瓷片顺序排号，

第一片和第二片弯振压电陶瓷片极化方向相反、第二片和第七片弯振压电陶瓷片极化方向相同、第七片和第八片弯振压电陶瓷片极化方向相反、第三片和第四片弯振压电陶瓷片极化方向相反、第四片和第五片弯振压电陶瓷片极化方向相同、第五片和第六片弯振压电陶瓷片极化方向相反；

每片弯振压电陶瓷片由对称切分的两个半片压电陶瓷片组成，该两个半片压电陶瓷片极化方向相反，第一、二、七、八片弯振压电陶瓷片的切分线共面，第三、四、五、六片弯振压电陶瓷片的切分线共面，分别共面的两种切分线相互垂直。

本发明的优点是：本发明采用超声电机实现了对直线平台的直接驱动，省去了中间转换机构，使得直线平台的机构得到了很大程度上的简化；超声振子的定位精度可达纳米级，可有效提高直线平台的定位精度。

本发明具有结构简单、定位精度高、性能稳定、易于控制、可系列化生产的优点。

本发明在使用中，从振子的任意一侧端盖的方向起，第二、四、五、七个电极片与驱动电源的公共端连接，第一、八个电极片和驱动电源的一相驱动信号连接，第三、六个电极片与驱动电源的另外一相驱动信号连接。

所述弯振压电陶瓷片采用幅值相等、频率为振子二阶弯振特征频率、相位差为+90°的两相交流电压信号激励，利用弯振压电陶瓷片的伸缩振动在振子中激励出两个同型正交的二阶弯曲振动模态，两个弯曲振动模态叠加在两个驱动足表面质点产生同向的椭圆运动轨迹，进而通过驱动足和动子之间的摩擦耦合实现直线平台的直线运动输出。如果调整两相激励信号的相位差为-90°，可以实现反向驱动。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为图1的局部剖视图；

图3为图1中振子的剖视图；

图4为图1中振子的立体结构示意图；

图5为图1中顺序放置的八片弯振压电陶瓷片的极化方向示意图；

图6为图3所示振子的第一种基本弯曲振动模态振型示意图；

图7为图3所示振子的第二种基本弯曲振动模态振型示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式所述使用复合弯振双足直线超声振子的直线平台，它包括振子1、两个直线导轨2、两个动子3、两个挡板4、平台5、基座6、两个定位架7、预压梁8、板簧9和预压螺钉10，

两个直线导轨2平行设置于基座6的上表面，每个直线导轨2上均设置有一个动子3，两个动子3沿运动方向的一侧端部与一个挡板4固定连接，两个动子3沿运动方向的另一侧端部与另一个挡板4固定连接，平台5与两个挡板4的上端面固定连接，

预压梁8通过两个定位架7固定在基座6上，该预压梁8高于动子3且位于两个动子3的中间，

所述振子1包括两个安装座1-5和两个驱动足1-1-1，

每个定位架7的内侧表面中间加工有矩形截面槽7-1，振子1中间的两侧面对称设置两个安装座1-5，所述两个安装座1-5分别嵌入安装在两个定位架7的矩形截面槽7-1内，板簧9的两端分别固定在两个安装座1-5的上端面上，旋合在预压梁8上的预压螺钉10的末端压在板簧9上表面的中间，使振子1的两个驱动足1-1-1分别与一个动子3的上表面相接触。

所述两个定位架7平行固定在基座6上，每个定位架7内侧均加工有矩形截面槽7-1，振子1上的两个安装座1-5分别安装在两个定位架7内侧矩形截面槽7-1内，共同实现对振子1的定位，由此保证振子1只能沿竖直方向运动。

预压梁8与定位架7顶端固定连接，板簧9与振子1上的两个安装座1-5的上端面固定连接，旋合在预压梁8上的预压螺钉10的末端压在板簧4的上侧面并推动振子1，使得两个驱动足1-1-1与两个动子3的上表面分别接触，并实现振子和动子之间预压力的施加。

具体实施方式二：下面结合图3至图7说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一的进一步说明，所述振子1还包括两个端盖1-1、八片弯振压电陶瓷片1-2、法兰1-3、两个薄壁梁1-4、两个绝缘套1-6、八个电极片1-7和两个摩擦片1-8，

所述两个安装座1-5对称设置于法兰1-3的两侧，每个安装座1-5均通过薄壁梁1-4与法兰1-3固定连接，

法兰1-3的两个端面分别居中设置一个螺柱1-3-1，每个螺柱1-3-1上均套有四片弯振压电陶瓷片1-2，螺柱1-3-1与四片弯振压电陶瓷片1-2的套接面之间设置有绝缘套1-6，在法兰1-3的端面与弯振压电陶瓷片1-2之间、及相邻的弯振压电陶瓷片1-2之间均固定有电极片1-7；

所述端盖1-1是截面为方形或者圆形并由首端面至末端面逐渐变细的块体，端盖1-1的首端面的中心有一个带内螺纹的盲孔，两个端盖1-1分别通过其盲孔旋合于两个螺柱1-3-1的端部，从而将弯振压电陶瓷片1-2压紧在端盖1-1和相应的法兰1-3端面之间，

每个端盖1-1的末端面上设置一个驱动足1-1-1，驱动足1-1-1为截面和端盖1-1的末端面形状完全相同的块体，所述截面与端盖1-1的末端面相互平行，每个驱动足1-1-1的底侧面上设置有矩形槽，该矩形槽内固定摩擦片1-8，驱动足1-1-1通过摩擦片1-8与动子3的上表面相接触；

所述弯振压电陶瓷片1-2均沿厚度方向极化，将两个端盖1-1之间的八片弯振压电陶瓷片1-2顺序排号，

第一片和第二片弯振压电陶瓷片1-2极化方向相反、第二片和第七片弯振压电陶瓷片1-2极化方向相同、第七片和第八片弯振压电陶瓷片1-2极化方向相反、第三片和第四片弯振压电陶瓷片1-2极化方向相反、第四片和第五片弯振压电陶瓷片1-2极化方向相同、第五片和第六片弯振压电陶瓷片1-2极化方向相反；

每片弯振压电陶瓷片1-2由对称切分的两个半片压电陶瓷片1-2-1组成，该两个半片压电陶瓷片1-2-1极化方向相反，第一、二、七、八片弯振压电陶瓷片1-2的切分线共面，第三、四、五、六片弯振压电陶瓷片1-2的切分线共面，分别共面的两种切分线相互垂直。

具体实施方式三：本实施方式为对实施方式一或二的进一步说明，所述弯振压电陶瓷片1-2的横截面为方形或者圆形。

具体实施方式四：本实施方式为对实施方式一、二或三的进一步说明，所述驱动足1-1-1与端盖1-1为一体件。

具体实施方式五：本实施方式为对实施方式一、二、三或四的进一步说明，所述法兰1-3、螺柱1-3-1、薄壁梁1-4和安装座1-5为一体件。

所述薄壁梁1-4可以实现弹性支撑和振动隔离的效果，能够将振子1与其它构件的联接对振子1的弯曲振动模态的影响程度降到最低。

Claims (5)

1.一种使用复合弯振双足直线超声振子的直线平台，其特征在于：它包括振子(1)、两个直线导轨(2)、两个动子(3)、两个挡板(4)、平台(5)、基座(6)、两个定位架(7)、预压梁(8)、板簧(9)和预压螺钉(10)，

两个直线导轨(2)平行设置于基座(6)的上表面，每个直线导轨(2)上均设置有一个动子(3)，两个动子(3)沿运动方向的一侧端部与一个挡板(4)固定连接，两个动子(3)沿运动方向的另一侧端部与另一个挡板(4)固定连接，平台(5)与两个挡板(4)的上端面固定连接，

预压梁(8)通过两个定位架(7)固定在基座(6)上，该预压梁(8)高于动子(3)且位于两个动子(3)的中间，

所述振子(1)包括两个安装座(1-5)和两个驱动足(1-1-1)，

每个定位架(7)的内侧表面中间加工有矩形截面槽(7-1)，振子(1)中间的两侧面对称设置两个安装座(1-5)，所述两个安装座(1-5)分别嵌入安装在两个定位架(7)的矩形截面槽(7-1)内，板簧(9)的两端分别固定在两个安装座(1-5)的上端面上，旋合在预压梁(8)上的预压螺钉(10)的末端压在板簧(9)上表面的中间，使振子(1)的两个驱动足(1-1-1)分别与一个动子(3)的上表面相接触。

2.根据权利要求1所述的使用复合弯振双足直线超声振子的直线平台，其特征在于：所述振子(1)还包括两个端盖(1-1)、八片弯振压电陶瓷片(1-2)、法兰(1-3)、两个薄壁梁(1-4)、两个绝缘套(1-6)、八个电极片(1-7)和两个摩擦片(1-8)，

所述两个安装座(1-5)对称设置于法兰(1-3)的两侧，每个安装座(1-5)均通过薄壁梁(1-4)与法兰(1-3)固定连接，

法兰(1-3)的两个端面分别居中设置一个螺柱(1-3-1)，每个螺柱(1-3-1)上均套有四片弯振压电陶瓷片(1-2)，螺柱(1-3-1)与四片弯振压电陶瓷片(1-2)的套接面之间设置有绝缘套(1-6)，在法兰(1-3)的端面与弯振压电陶瓷片(1-2)之间、及相邻的弯振压电陶瓷片(1-2)之间均固定有电极片(1-7)；

所述端盖(1-1)是截面为方形或者圆形并由首端面至末端面逐渐变细的块体，端盖(1-1)的首端面的中心有一个带内螺纹的盲孔，两个端盖(1-1)分别通过其盲孔旋合于两个螺柱(1-3-1)的端部，从而将弯振压电陶瓷片(1-2)压紧在端盖(1-1)和相应的法兰(1-3)端面之间，

每个端盖(1-1)的末端面上设置一个驱动足(1-1-1)，驱动足(1-1-1)为截面和端盖(1-1)的末端面形状完全相同的块体，所述截面与端盖(1-1)的末端面相互平行，每个驱动足(1-1-1)的底侧面上设置有矩形槽，该矩形槽内固定摩擦片(1-8)，驱动足(1-1-1)通过摩擦片(1-8)与动子(3)的上表面相接触；

所述弯振压电陶瓷片(1-2)均沿厚度方向极化，将两个端盖(1-1)之间的八片弯振压电陶瓷片(1-2)顺序排号，

第一片和第二片弯振压电陶瓷片(1-2)极化方向相反、第二片和第七片弯振压电陶瓷片(1-2)极化方向相同、第七片和第八片弯振压电陶瓷片(1-2)极化方向相反、第三片和第四片弯振压电陶瓷片(1-2)极化方向相反、第四片和第五片弯振压电陶瓷片(1-2)极化方向相同、第五片和第六片弯振压电陶瓷片(1-2)极化方向相反；

每片弯振压电陶瓷片(1-2)由对称切分的两个半片压电陶瓷片(1-2-1)组成，该两个半片压电陶瓷片(1-2-1)极化方向相反，第一、二、七、八片弯振压电陶瓷片(1-2)的切分线共面，第三、四、五、六片弯振压电陶瓷片(1-2)的切分线共面，分别共面的两种切分线相互垂直。

3.根据权利要求1或2所述的使用复合弯振双足直线超声振子的直线平台，其特征在于：所述弯振压电陶瓷片(1-2)的横截面为方形或者圆形。

4.根据权利要求1或2所述的使用复合弯振双足直线超声振子的直线平台，其特征在于：所述驱动足(1-1-1)与端盖(1-1)为一体件。

5.根据权利要求1或2所述的使用复合弯振双足直线超声振子的直线平台，其特征在于：所述法兰(1-3)、螺柱(1-3-1)、薄壁梁(1-4)和安装座(1-5)为一体件。

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