CN103812381B - 基于压电超声振子驱动的两自由度运动平台 - Google Patents

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Abstract

基于压电超声振子驱动的两自由度运动平台，涉及多自由度运动平台技术领域。它是为了解决现有电磁电机驱动型运动平台所存在的结构复杂、存在电磁干扰、自锁复杂的问题。本发明通过压电超声振子实现两个旋转自由度平台的直接驱动，具有结构简单、成本低、重量小、断电自锁且无能量消耗、加工装配十分简便、无电磁干扰、安全性高和易于实现系列化的突出优点。本发明适用于多自由度运动平台技术领域。

Description

基于压电超声振子驱动的两自由度运动平台
技术领域
本发明涉及多自由度运动平台技术领域。
背景技术
现有压电超声振子是一种利用压电陶瓷的逆压电效应工作的共振式驱动器，他通过压电元件激励定子弹性体的固有振动，在弹性体表面特定区域形成具有驱动作用的椭圆轨迹运动，进而通过摩擦耦合将质点的微观运动转换成动子的宏观运动。压电超声振子具有结构简单、易于实现直线驱动、低速大转矩/推力、功率/力矩密度高、定位精度高、响应速度快、断电自锁、无电磁干扰且不受电磁干扰等优点。
两自由度旋转运动平台在运动模拟、飞行器导航、高精加工机床等领域具有广泛应用，最为基本功能是要实现两个空间正交的旋转运动；目前成熟的两自由度运动平台均采用旋转电磁电机作为驱动元件，由于电磁电机输出运动为旋转运动、转速较高、出力小，一般需要配合减速器实现减速、增力的目的，这使得运动平台的结构十分复杂，制作成本高；由于电磁电机本人无自锁功能，实现运动平台锁定的常用方法是给电机保持一种上电状态，这种方式会带来不必要的能源损耗；此外，电磁电机工作过程中存在会产生电磁干扰，外部电子场的存在也会影响电机的正常工作，这使得电磁电机驱动型运动平台在应用到电磁敏感的场合时，需要进行电磁隔离设计，这也会使得系统变得复杂而庞大。
发明内容
本发明是为了解决现有电磁电机驱动型运动平台所存在的结构复杂、存在电磁干扰、自锁复杂的问题，本发明提供了一种基于压电超声振子驱动的两自由度运动平台。
基于压电超声振子驱动的两自由度运动平台，它包括基座1、外环压电超声振子2、外环3、两套外环预压组件4、动平台5、两个内环心轴6、两个内环压电超声振子7和两个圆盘转子8；
所述外环3为圆弧形的轨道，且其内外表面均设置有通槽；
所述外环压电超声振子2包括驱动足2-3和安装座2-4，所述外环压电超声振子2通过安装座2-4与基座1固定连接，所述驱动足2-3嵌入外环3外表面通槽，并与该通槽的槽底紧密接触；
所述外环预压组件4包括预压轴承4-1、转轴4-2和支架4-3，预压轴承4-1内圈与转轴4-2主动连接，预压轴承4-1的外圈嵌入外环3内表面的通槽内，并且与该通槽的槽底紧密接触，转轴4-2末端与支架4-3转动连接，支架4-3安装在基座1上；
所述动平台5两侧各固定连接有一个内环心轴6，且两个内环心轴6同轴，一个内环心轴6与外环3的一个末端转动连接，另一个内环心轴6与外环3的另一个末端转动连接，每个内环心轴6上由外到内依次套装有内环压电超声振子7和圆盘转子8；
所述内环压电超声振子7包括两个驱动足7-3和安装座7-4，所述内环压电超声振子7通过安装座7-4与外环3末端固定连接，所述两个驱动足7-3与圆盘转子8端面接触。
本发明的有益效果是：本发明充分利用了现有压电振子具低速、大转矩的优点实现了机械臂的直接驱动，省略了减速器等中间组件，使得机构十分简单，有利于提高工作可靠性、成本同比降低了20％、机械臂自重同比降低了10％、简化加工和装配工艺；超声振子由于采用摩擦驱动，无电磁干扰，也不受电子干扰，有效克服了传统电磁电机驱动型运动平台所存在的电磁干扰问题。此外，该运动平台的外环通过外环压电超声振子驱动足与外环外表面之间的的静摩擦力实现断电自锁，动平台通过内环压电超声振子驱动足与圆盘转子侧面的静摩擦力实现断电自锁，自锁过程中没有能量消耗。
附图说明
图1为本发明的立体结构图；
图2为图1的剖视图；
图3为图1的俯视图；
图4为的外环预压组件的剖视图；
图5为外环压电超声振子的剖视图；
图6为内环压电超声振子的剖视图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述的基于压电超声振子驱动的两自由度运动平台，它包括基座1、外环压电超声振子2、外环3、两套外环预压组件4、动平台5、两个内环心轴6、两个内环压电超声振子7和两个圆盘转子8；
所述外环3为圆弧形的轨道，且其内外表面均设置有通槽；
所述外环压电超声振子2包括驱动足2-3和安装座2-4，所述外环压电超声振子2通过安装座2-4与基座1固定连接，所述驱动足2-3嵌入外环3外表面通槽，并与该通槽的槽底紧密接触；
所述外环预压组件4包括预压轴承4-1、转轴4-2和支架4-3，预压轴承4-1内圈与转轴4-2主动连接，预压轴承4-1的外圈嵌入外环3内表面的通槽内，并且与该通槽的槽底紧密接触，转轴4-2末端与支架4-3转动连接，支架4-3安装在基座1上；
所述动平台5两侧各固定连接有一个内环心轴6，且两个内环心轴6同轴，一个内环心轴6与外环3的一个末端转动连接，另一个内环心轴6与外环3的另一个末端转动连接，每个内环心轴6上由外到内依次套装有内环压电超声振子7和圆盘转子8；
所述内环压电超声振子7包括两个驱动足7-3和安装座7-4，所述内环压电超声振子7通过安装座7-4与外环3末端固定连接，所述两个驱动足7-3与圆盘转子8端面接触。
具体实施方式二：本实施方式对具体实施方式一所述的基于压电超声振子驱动的两自由度运动平台作进一步限定，本实施方式中，它包括基座1、外环压电超声振子2、外环3、两套外环预压组件4、动平台5、两个内环心轴6、两个内环压电超声振子7、两个圆盘转子8、两个锁紧螺母9、两个轴承10和两个碟簧11；
所述外环3为圆弧形的轨道，该圆弧形的轨道的圆心角为180°，且其内外表面均设置有通槽；
所述外环压电超声振子2包括金属基体2-1、压电陶瓷片2-2、驱动足2-3和安装座2-4，外环压电超声振子2为金属基体2-1和压电陶瓷片2-2通过粘贴或者夹持方式组成的复合体，金属基体2-1中间设置一个驱动足2-3，金属基体2-1侧面设置安装座2-4，所述外环压电超声振子2通过安装座2-4与基座1固定连接，所述驱动足2-3嵌入外环3外表面通槽，并与该通槽的槽底紧密接触；
所述外环预压组件4包括预压轴承4-1、转轴4-2、支架4-3、弹簧4-4和预压螺母4-5，预压轴承4-1内圈与转轴4-2主动连接，预压轴承4-1的外圈嵌入外环3内表面的通槽内，并且与该通槽的槽底紧密接触，转轴4-2末端与支架4-3转动连接，支架4-3安装在基座1上，在基座1下表面的支架4-3末端，依次套装有弹簧4-4和预压螺母4-5；
所述动平台5两侧各固定连接有一个内环心轴6，且两个内环心轴6同轴，一个内环心轴6与外环3的一个末端转动连接，另一个内环心轴6与外环3的另一个末端转动连接，每个内环心轴6上由外到内依次套装有内环压电超声振子7、圆盘转子8、碟簧11和锁紧螺母9；
所述内环压电超声振子7包括金属基体7-1、压电陶瓷片7-2、两个驱动足7-3和安装座7-4，内环压电超声振子7为金属基体7-1和压电陶瓷片7-2通过粘贴或者夹持方式组成的复合体，金属基体7-1两端对称设置有两个驱动足7-3，金属基体7-1侧面设置有安装座7-4，所述内环压电超声振子7通过安装座7-4与外环3末端固定连接，所述两个驱动足7-3与圆盘转子8端面接触。
工作原理：通过给外环压电超声振子上的压电陶瓷片施加交流电压，使得振子产生谐振，进而在驱动足处形成椭圆轨迹振动，进一步通过驱动足和外环外表面之间的摩擦耦合实现外环的旋转运动输出，当给施加的电压信号断开时，通过驱动足和外环之间的静摩擦力可实现外环的锁定；同理，通过给内环压电超声振子上的压电陶瓷片施加交流电压，使得振子产生谐振，进而在两个驱动足处形成椭圆轨迹振动，进一步通过驱动足和圆盘转子侧面之间的摩擦耦合实现心轴的旋转运动输出，从而带动动平台实现转动，当给施加的电压信号断开时，通过驱动足和圆盘转子侧面之间的静摩擦力可实现动平台的锁定。
具体实施方式三：本实施方式对具体实施方式一所述的基于压电超声振子驱动的两自由度运动平台作进一步限定，本实施方式中，所述每个内环心轴6与外环3的末端之间均设置有轴承10。
具体实施方式四：本实施方式对具体实施方式一所述的基于压电超声振子驱动的两自由度运动平台作进一步限定，本实施方式中，所述两套外环预压组件4镜像对称设置在外环压电超声振子2的两侧。
上述实施方式中，通过压电超声振子实现两个旋转自由度平台的直接驱动，具有结构简单、成本低、重量小、断电自锁且无能量消耗、加工装配十分简便、无电磁干扰、安全性高和易于实现系列化的突出优点。

Claims (3)

1.基于压电超声振子驱动的两自由度运动平台，其特征在于：它包括基座(1)、外环压电超声振子(2)、外环(3)、两套外环预压组件(4)、动平台(5)、两个内环心轴(6)、两个内环压电超声振子(7)和两个圆盘转子(8)；
所述外环(3)为圆弧形的轨道，且其内外表面均设置有通槽；
所述外环压电超声振子(2)包括驱动足(2-3)和安装座(2-4)，所述外环压电超声振子(2)通过安装座(2-4)与基座(1)固定连接，所述驱动足(2-3)嵌入外环(3)外表面通槽，并与该通槽的槽底紧密接触；
所述外环预压组件(4)包括预压轴承(4-1)、转轴(4-2)和支架(4-3)，预压轴承(4-1)内圈与转轴(4-2)主动连接，预压轴承(4-1)的外圈嵌入外环(3)内表面的通槽内，并且与该通槽的槽底紧密接触，转轴(4-2)末端与支架(4-3)转动连接，支架(4-3)安装在基座(1)上；
所述动平台(5)两侧各固定连接有一个内环心轴(6)，且两个内环心轴(6)同轴，一个内环心轴(6)与外环(3)的一个末端转动连接，另一个内环心轴(6)与外环(3)的另一个末端转动连接，每个内环心轴(6)上由外到内依次套装有内环压电超声振子(7)和圆盘转子(8)；
所述内环压电超声振子(7)包括两个驱动足(7-3)和安装座(7-4)，所述内环压电超声振子(7)通过安装座(7-4)与外环(3)末端固定连接，所述两个驱动足(7-3)与圆盘转子(8)端面接触。
2.根据权利要求1所述的基于压电超声振子驱动的两自由度运动平台，其特征在于：所述每个内环心轴(6)与外环(3)的末端之间均设置有轴承(10)。
3.根据权利要求1所述的基于压电超声振子驱动的两自由度运动平台，其特征在于：所述两套外环预压组件(4)镜像对称设置在外环压电超声振子(2)的两侧。
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