CN104578900B - 基于球铰结构的协调驱动型多自由度超声电机及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于球铰结构的协调驱动型多自由度超声电机，其包括底板、滚珠、碟形弹簧、预压力调节滑块、定子基座、方形压电陶瓷片、连接轴、球形动子、环形压电陶瓷片，在底板的中间位置设有螺纹孔，底板下端面上贴有四片环形压电陶瓷片，上端面上开有四个半球孔，滚珠共包括有四个，其对应放置在四个半球孔上，碟形弹簧的下端面压在滚珠上，上端面由预压力调节滑块压住，预压力调节滑块与定子基座螺纹连接，定子基座是外部为长方体内部为圆孔的结构，在定子基座的外侧面上均贴有方形压电陶瓷片，球形动子位于定子基座的上方，连接轴的上末端为球铰结构，连接轴穿设于圆孔后下末端与底座螺纹连接，上末端通过球铰结构与球形动子相连接。
Description
技术领域：
本发明涉及一种基于球铰结构的协调驱动型多自由度超声电机及其工作方法，其属于超声电机领域。
背景技术：
超声电机是利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动的新型动力输出装置。基于球铰结构的协调驱动型多自由度超声电机属于多自由度超声电机的一种。
对于多自由度超声电机来说，可以提供两个或者两个以上自由度的运动，且具有体积小、重量轻、结构紧凑、响应快、低噪声、无电磁干扰等优点。因而，它有着广泛的应用领域，如微型机器人的关节、工业或医学领域的内窥镜、微摄像机的扫描装置等等。
目前来说多自由度超声电机大多停留在实验室阶段，成型的多自由度超声电机不多，其中一个主要原因是没有合适的预压力方案。由于定子和转子之间的传动是靠摩擦力获得的，定转子之间合适的界面摩擦力对于获得驱动器的较高的输出力矩非常重要。而提供合适的预压力对于产生合适的摩擦力来说至关重要，没有合适的预压力，电机的输出力矩可能为零。在普通的单自由度超声电机中，已经建立了合适的预压力方案，而对于转子是球形的多自由度超声电机，一直没有合适的预压力施加方式，一般是在实验室条件下进行的。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中的缺陷和不足，提供一种基于球铰结构的协调驱动型多自由度超声电机及其工作方法，其结构简单，推重比大，效率高，响应速度快，应用范围广。
本发明采用如下技术方案：一种基于球铰结构的协调驱动型多自由度超声电机，其包括底板、滚珠、碟形弹簧、预压力调节滑块、定子基座、方形压电陶瓷片、连接轴、球形动子、环形压电陶瓷片，所述底板为圆板结构，在所述底板的中间位置开设有贯穿底板上下表面的螺纹孔，所述底板下端面上位于螺纹孔外围的位置贴有四片均匀间隔开的环形压电陶瓷片，上端面上位于螺纹孔外围的位置开有四个均匀间隔开的半球孔，所述滚珠共包括有四个，其一一对应的放置在底板上端面的四个半球孔上，所述碟形弹簧的下端面压在滚珠上，上端面由预压力调节滑块压住，所述预压力调节滑块与定子基座螺纹连接于一起，所述定子基座是外部为长方体，内部为圆孔的结构，在所述定子基座的每个外侧面上分别贴有一片方形压电陶瓷片，所述球形动子位于定子基座的上方，所述连接轴的上末端为球铰结构，所述连接轴穿设于定子基座的圆孔后其下末端与底板螺纹连接，其上末端通过球铰结构与球形动子相连接。
进一步地，所述基于球铰结构的协调驱动型多自由度超声电机包括有两个驱动模块，所述定子基座和方形压电陶瓷片为驱动模块一，所述底板、连接轴及环形压电陶瓷片为驱动模块二。
本发明还采用如下技术方案：一种基于球铰结构的协调驱动型多自由度超声电机的工作方法，其包括如下步骤：
步骤一：将四片方形压电陶瓷片分别编号为第一方形压电陶瓷片、第二方形压电陶瓷片、第三方形压电陶瓷片、第四方形压电陶瓷片，在四片方形压电陶瓷片上均设有激励电极；
步骤二：工作时第一方形压电陶瓷片、第三方形压电陶瓷片(或第二方形压电陶瓷片、第四方形压电陶瓷片)电极施加相同相位正弦电压，与此同时第二方形压电陶瓷片、第四方形压电陶瓷片(或第一方形压电陶瓷片、第三方形压电陶瓷片)电极施加大小相等，方向相反的正弦电压；
步骤三：利用压电陶瓷的逆压电效应中的d31效应，第一方形压电陶瓷片、第三方形压电陶瓷片(或第二方形压电陶瓷片、第四方形压电陶瓷片)电极激发出基座的一阶纵振模态，第二方形压电陶瓷片、第四方形压电陶瓷片(或第一方形压电陶瓷片、第三方形压电陶瓷片)电极激发出基座的二阶弯振模态，两种模态耦合就会使得定子基座上端部产生椭圆运动，该运动通过定子基座与球形动子之间的摩擦传动，驱动球形动子转动；
步骤四：将四片环形压电陶瓷片分别编号为第一环形压电陶瓷片、第二环形压电陶瓷片、第三环形压电陶瓷片、第四环形压电陶瓷片，在四片环形压电陶瓷片上均设有激励电极；
步骤五：工作时第一环形压电陶瓷片、第三环形压电陶瓷片(或第二环形压电陶瓷片、第四环形压电陶瓷片)电极施加相位差为90度的正弦电压；
步骤六：利用压电陶瓷的逆压电效应中的d33效应，第一环形压电陶瓷片、第三环形压电陶瓷片(或第二环形压电陶瓷片、第四环形压电陶瓷片)激发出连接轴的纵振和弯振模态，两种模态耦合就会使得连接轴上部球面产生椭圆运动，通过球铰结构之间的摩擦传动，进而驱动球形动子转动。
本发明具有如下有益效果：
(1).本发明基于球铰结构的协调驱动型多自由度超声电机采用球铰结构，通过调节预压力调节滑块进而压缩碟形弹簧的方式来调节预压力，能够在现有多自由度超声电机中建立合适的预压力方案；
(2).本发明基于球铰结构的协调驱动型多自由度超声电机采用双驱动模块协调驱动，不仅解决了多自由度超声电机预压力调节困难的问题，而且由于两个驱动模块同时作用更增加了其驱动性能，结构简单，推重比大，响应快速，应用范围广。
附图说明：
图1(a)是本发明用到的方形压电陶瓷d31效应示意图。
图1(b)是本发明用到的环形压电陶瓷d33效应示意图。
图2是本发明基于球铰结构的协调驱动型多自由度超声电机结构示意图。
图3(a)是本发明中定子基座剖面图。
图3(b)是本发明中定子基座俯视图。
图4(a)是定子基座纵向振动有限元模态图。
图4(b)是定子基座弯曲振动有限元模态图。
图5(a)是底板与连接轴的主视图。
图5(b)是底板与连接轴的仰视图。
图6是底板与连接轴的有限元模态图。
具体实施方式：
压电陶瓷逆压电效应指的是对压电陶瓷施加电场引起机械变形的现象，根据压电陶瓷不同的极化方式，相对应地诱发变形的方式也不同，而本发明基于球铰结构的协调驱动型多自由度超声电机利用的是方形压电陶瓷的d31效应和环形压电陶瓷的d33效应。设与x、y、z坐标轴对应的方向分别为1、2和3，d31效应是指沿极化方向3施加电场，诱发的应变沿1方向，如图1(a)所示，在前后面施加激励电压，在上下面产生伸长(缩短)的机械变形；d33效应是指沿极化方向3施加电场，诱发的应变沿3方向，如图1(b)所示，在上下面施加激励电压，在上下面产生伸长(缩短)的机械变形。
如图2所示，本发明基于球铰结构的协调驱动型多自由度超声电机包括底板1、滚珠2、碟形弹簧3、预压力调节滑块4、定子基座5、方形压电陶瓷片6、连接轴7、球形动子8、环形压电陶瓷片9，其中，底板1为圆板结构，在底板1的中间位置开设有贯穿底板1上下表面的螺纹孔(未标示)，在下端面上位于螺纹孔外围的位置贴有四片均匀间隔开的环形压电陶瓷片9，上端面上位于螺纹孔外围的位置开有四个均匀间隔开的半球孔(未标示)，滚珠2共包括有四个，其一一对应的放置在底板1上端面的四个半球孔上，碟形弹簧3的下端面压在滚珠2上，上端面由预压力调节滑块4压住，预压力调节滑块4与定子基座5螺纹连接于一起，定子基座5是外部为长方体，内部为圆孔的结构，在定子基座5的每个外侧面上分别贴有一片方形压电陶瓷片6，球形动子8位于定子基座5的上方，连接轴7的上末端为球铰结构，连接轴7穿设于定子基座5的圆孔后其下末端与底板1螺纹连接，其上末端通过球铰结构与球形动子8相连接。
本发明基于球铰结构的协调驱动型多自由度超声电机可以划分为两个驱动模块，定子基座5和四片方形压电陶瓷片6定义为驱动模块一；底板1、连接轴7及四片环形压电陶瓷片9定义为驱动模块二。
本发明基于球铰结构的协调驱动型多自由度超声电机的工作原理如下：
驱动模块一定子基座5上对称布置四片方形压电陶瓷片6，控制方式为相对的两片方形压电陶瓷片产生相同方向的纵向振动，另外两片方形压电陶瓷片产生一个伸长一个缩短的纵向振动，进而使得定子基座上端面产生椭圆运动，驱动球形动子8旋转；驱动模块二底板1上均布有四片环形压电陶瓷片9，相对两片环形压电陶瓷片分别使得连接轴7上部球铰结构驱动球形动子8旋转。两个驱动模块协调驱动，不仅克服了彼此由于预压力要求而对另外一方产生的阻力，而且两个模块同时驱动更增加了其输出性能。其通过连接轴7上部球铰结构施加了预压力，将定子基座上端面产生的椭圆运动和连接轴上部球铰结构产生的椭圆运动放大输出。同时通过定子基座5与预压力调节滑块4之间的螺纹结构，调节预压力调节滑块4，压紧或调松碟形弹簧3，进而改变定子基座5和球形动子8之间的预压力。
如图3(a)、3(b)所示，将四片方形压电陶瓷片分别编号为第一方形压电陶瓷片6-1、第二方形压电陶瓷片6-2、第三方形压电陶瓷片6-3、第四方形压电陶瓷片6-4，在四片方形压电陶瓷片上均设有激励电极，工作时第一方形压电陶瓷片6-1、第三方形压电陶瓷片6-3(或第二方形压电陶瓷片6-2、第四方形压电陶瓷片6-4)电极施加相同相位正弦电压，于此同时第二方形压电陶瓷片6-2、第四方形压电陶瓷片6-4(或第一方形压电陶瓷片6-1、第三方形压电陶瓷片6-3)电极施加大小相等，方向相反的正弦电压。利用压电陶瓷的逆压电效应中的d31效应，第一方形压电陶瓷片6-1、第三方形压电陶瓷片6-3(或第二方形压电陶瓷片6-2、第四方形压电陶瓷片6-4)电极激发出基座的一阶纵振模态，第二方形压电陶瓷片6-2、第四方形压电陶瓷片6-4(或第一方形压电陶瓷片6-1、第三方形压电陶瓷片6-3)电极激发出基座的二阶弯振模态，两种模态耦合就会使得定子基座5上端部产生椭圆运动，该运动通过定子基座5与球形动子8之间的摩擦传动，驱动球形动子8转动。
如图5(a)、5(b)所示，将四片环形压电陶瓷片分别编号为第一环形压电陶瓷片9-1、第二环形压电陶瓷片9-2、第三环形压电陶瓷片9-3、第四环形压电陶瓷片9-4，在四片环形压电陶瓷片上均设有激励电极，工作时第一环形压电陶瓷片9-1、第三环形压电陶瓷片9-3(或第二环形压电陶瓷片9-2、第四环形压电陶瓷片9-4)电极施加相位差为90度的正弦电压。利用压电陶瓷的逆压电效应中的d33效应，第一环形压电陶瓷片9-1、第三环形压电陶瓷片9-3(或第二环形压电陶瓷片9-2、第四环形压电陶瓷片9-4)激发出连接轴的纵振和弯振模态，两种模态耦合就会使得连接轴7上部球面产生椭圆运动，通过球铰结构之间的摩擦传动，进而驱动球形动子8转动。
以下以如何产生XZ平面内的转动为例作原理阐述，YX平面的转动以此类推。
如图3(a)、3(b)所示，四片方形压电陶瓷片均为d31方向极化处理，其中如图3(b)所示，极化方向为四片方形压电陶瓷片指向外侧，变形方向沿着Z向，对第二方形压电陶瓷片6-2、第四方形压电陶瓷片6-4同时施加相同相位的正弦信号，依据压电陶瓷的d31效应，第二方形压电陶瓷片6-2、第四方形压电陶瓷片6-4会沿着Z向同时伸缩，这样就会激起定子基座5沿着Z向的纵向振动，对此进行了有限元模态分析，其结果如图4(a)所示；与此同时对第一方形压电陶瓷片6-1、第三方形压电陶瓷片6-3施加相位差为180度的正弦信号，依据压电陶瓷的d31效应，第一方形压电陶瓷片6-1、第三方形压电陶瓷片6-3一伸一缩，这样就会激起定子X向的弯振，对其进行了有限元模态分析，其结果如图4(b)所示；这样通过四片方形压电陶瓷片同时作用的累加效果是定子基座5的纵振模态和弯振模态耦合，使得定子基座5上端面产生一个椭圆运动，利用定子基座5和球形动子8之间的界面摩擦，推动球形动子8在XZ平面内转动。
如图5(a)、5(b)所示，四片环形压电陶瓷片均为d33方向极化处理，如图5(a)所示，陶瓷的极化方向为向下，变形方向与极化方向相同。对第一环形压电陶瓷片9-1、第三环形压电陶瓷片9-3施加相位差为90度的正弦激励信号，依据环形压电陶瓷的d33效应，第一环形压电陶瓷片9-1、第三环形压电陶瓷片9-3以相差90相位的方式纵向伸缩以及缩短，激发出连接轴的纵振及弯振模态，使得连接轴上端产生椭圆运动，对其进行了有限元模态分析，其结果如图6所示。利用连接轴上部球面与球形动子之间的界面摩擦力，推动球形动子在XZ平面内转动。
以上分别描述了两个驱动模块对球形动子的驱动原理，当驱动模块一单独驱动时，驱动模块二处连接轴与球形动子的球铰连接就会是阻力，这个球铰结构是满足预压力要求不可缺少的。当驱动模块二单独驱动时，模块一处定子基座与球形动子之间的摩擦就会是阻力，这也是预压力要求不可缺少的。而本发明基于球铰结构的协调驱动型多自由度超声电机让两个驱动模块同时协调驱动，两个驱动模块均是动力，这样不仅克服了预压力施加困难的瓶颈，更增加了电机的输出性能。
本发明基于球铰结构的协调驱动型多自由度超声电机中在环形压电陶瓷片9及方形压电陶瓷片6上均设有激励电极，通电后协同配合使得定子基座5上端面及连接轴7上部球铰结构均产生椭圆运动，进而分别驱动球形动子8进行多自由度旋转。由于本发明多自由度超声电机是靠摩擦力驱动，对于上述两个模块无论是那种模块单独驱动均会由于预压摩擦力作用而减弱驱动效果，比如当驱动模块一作用时，连接轴7与球形动子8之间的摩擦力就会阻碍驱动效果。本发明多自由度超声电机协调驱动，不仅解决了多自由度超声电机预压力调节困难的问题，而且由于两个驱动模块同时作用更增加了其驱动性能，结构简单，推重比大，响应快速，应用范围广。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种基于球铰结构的协调驱动型多自由度超声电机，其特征在于：包括底板(1)、滚珠(2)、碟形弹簧(3)、预压力调节滑块(4)、定子基座(5)、方形压电陶瓷片(6)、连接轴(7)、球形动子(8)、环形压电陶瓷片(9)，所述底板(1)为圆板结构，在所述底板(1)的中间位置开设有贯穿底板(1)上下表面的螺纹孔，所述底板(1)下端面上位于螺纹孔外围的位置贴有四片均匀间隔开的环形压电陶瓷片(9)，上端面上位于螺纹孔外围的位置开有四个均匀间隔开的半球孔，所述滚珠(2)共包括有四个，其一一对应的放置在底板(1)上端面的四个半球孔上，所述碟形弹簧(3)的下端面压在滚珠(2)上，上端面由预压力调节滑块(4)压住，所述预压力调节滑块(4)与定子基座(5)螺纹连接于一起，所述定子基座(5)是外部为长方体，内部为圆孔的结构，在所述定子基座(5)的每个外侧面上分别贴有一片方形压电陶瓷片(6)，所述球形动子(8)位于定子基座(5)的上方，所述连接轴(7)的上末端为球铰结构，所述连接轴(7)穿设于定子基座(5)的圆孔后其下末端与底板(1)螺纹连接，其上末端通过球铰结构与球形动子(8)相连接。
2.如权利要求1所述的基于球铰结构的协调驱动型多自由度超声电机，其特征在于：所述基于球铰结构的协调驱动型多自由度超声电机包括有两个驱动模块，所述定子基座(5)和方形压电陶瓷片(6)为驱动模块一，所述底板(1)、连接轴(7)及环形压电陶瓷片(9)为驱动模块二。
3.一种如权利要求2所述的基于球铰结构的协调驱动型多自由度超声电机的工作方法，其特征在于：包括如下步骤
步骤一：将四片方形压电陶瓷片分别编号为第一方形压电陶瓷片(6-1)、第二方形压电陶瓷片(6-2)、第三方形压电陶瓷片(6-3)、第四方形压电陶瓷片(6-4)，在四片方形压电陶瓷片上均设有激励电极；
步骤二：工作时第一方形压电陶瓷片(6-1)、第三方形压电陶瓷片(6-3)或第二方形压电陶瓷片(6-2)、第四方形压电陶瓷片(6-4)电极施加相同相位正弦电压，与此同时第二方形压电陶瓷片(6-2)、第四方形压电陶瓷片(6-4)或第一方形压电陶瓷片(6-1)、第三方形压电陶瓷片(6-3)电极施加大小相等，方向相反的正弦电压；
步骤三：利用压电陶瓷的逆压电效应中的d31效应，第一方形压电陶瓷片(6-1)、第三方形压电陶瓷片(6-3)或第二方形压电陶瓷片(6-2)、第四方形压电陶瓷片(6-4)电极激发出基座的一阶纵振模态，第二方形压电陶瓷片(6-2)、第四方形压电陶瓷片(6-4)或第一方形压电陶瓷片(6-1)、第三方形压电陶瓷片(6-3)电极激发出基座的二阶弯振模态，两种模态耦合就会使得定子基座(5)上端部产生椭圆运动，该运动通过定子基座(5)与球形动子(8)之间的摩擦传动，驱动球形动子(8)转动；
步骤四：将四片环形压电陶瓷片分别编号为第一环形压电陶瓷片(9-1)、第二环形压电陶瓷片(9-2)、第三环形压电陶瓷片(9-3)、第四环形压电陶瓷片(9-4)，在四片环形压电陶瓷片上均设有激励电极；
步骤五：工作时第一环形压电陶瓷片(9-1)、第三环形压电陶瓷片(9-3)或第二环形压电陶瓷片(9-2)、第四环形压电陶瓷片(9-4)电极施加相位差为90度的正弦电压；
步骤六：利用压电陶瓷的逆压电效应中的d33效应，第一环形压电陶瓷片(9-1)、第三环形压电陶瓷片(9-3)或第二环形压电陶瓷片(9-2)、第四环形压电陶瓷片(9-4)激发出连接轴的纵振和弯振模态，两种模态耦合就会使得连接轴(7)上部球面产生椭圆运动，通过球铰结构之间的摩擦传动，进而驱动球形动子(8)转动。
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