CN104578901B - 一种行走式压电旋转马达 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种行走式压电旋转马达，采用由一个压电扭转驱动器、两个压电箝位轴承驱动模块、两个套筒和一个旋转轴构成的共轴结构；两个套筒分别粘接固定于压电扭转驱动器两端，两个压电箝位轴承驱动模块分别通过螺钉与两个套筒固定联结；压电箝位轴承驱动模块由轴承单元和压电堆构成，通过轴承套圈对旋转轴施加设定的预夹紧力，并通过压电堆驱动轴承套圈实现箝位运动；通过控制压电扭转驱动器扭转运动及两端压电箝位轴承驱动模块箝位运动的时序实现旋转轴步进运动。本发明采用对称结构布局，结构紧凑，适宜于微型化，可以有效提高其运行效率和稳定性。

Description

一种行走式压电旋转马达

技术领域

本发明涉及驱动器领域，具体是一种应用新型压电扭转驱动器和压电箝位轴承驱动模块的行走式压电旋转马达。

背景技术

随着微纳米科学技术的快速发展，在物理化学、生物医学、航天航空、新型能源等多种领域中，迫切需要微纳米级精密定位和微纳米级精密驱动技术。在现有微纳定位操作机构设计中，串联式旋转关节操控机构能实现多自由度运动，继承了工业机器手、关节坐标测量机的设计特点，具有整体结构紧凑、三维运动范围大、操控灵活性强等优势，受到广泛的关注。在精密旋转定位驱动系统中，驱动器对整个系统的性能有着决定性的影响。与传统的驱动器相比，以智能材料为核心功能材料的微型驱动器脱颖而出。

以电磁式驱动为核心的驱动器在小尺寸下输出功率较小，发热较严重；以形状记忆合金为核心的驱动器可控性较难，发热影响控制精度，响应速度较慢；压电驱动器具有换能效率高，体积小，重量轻，结构刚度大，优良的力(力矩)和输出保持能力，亚毫秒级以上的响应速度，动态范围宽等优点，在微型驱动中优势明显。目前，国内外压电精密驱动器按照运动方式一般分为直接驱动式、尺蠖式和冲击式。直接驱动式压电驱动器通常将压电元件与柔性铰链结合，通过柔性铰链放大压电元件的位移输出；尺蠖式压电驱动器一般采取两个箝位机构和一个伸缩机构，利用箝位单元的静摩擦力和位移单元的伸缩变形，实现滑动杆与驱动机构之间的相对步进运动；冲击式驱动器是利用压电元件快速变形产生的惯性冲击来实现微位移的一种步进驱动机构。直接驱动器结构设计复杂，需要合理设计柔性铰链放大结构，尺寸往往较大；尺蠖式压电驱动器通常驱动电路复杂，控制困难；冲击式压电驱动器存在步距非线性、输出力矩小，以及磨擦磨损、振动干扰造成的稳定性差、定位精度低等问题。

这些不同驱动方式的压电驱动器能实现旋转位移的驱动，但是结构比较复杂，输出力矩不稳定，效率不高，且难以实现微型化。

发明内容

本发明的目的是提供一种应用新型压电扭转驱动器和压电箝位轴承驱动模块实现行走式旋转步进运动的行走式压电旋转马达，以解决现有技术不同驱动方式压电旋转马达微型化程度低、驱动力不足、精度较低、稳定性差的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种行走式压电旋转马达，其特征在于：包括压电扭转驱动器，压电扭转驱动器两端分别通过套筒安装有压电箝位轴承驱动模块，压电扭转驱动器中设置有旋转轴，且旋转轴两端分别穿过套筒并安装于压电箝位轴承驱动模块内，其中：

所述压电扭转驱动器由压电陶瓷圆管和设置在压电陶瓷圆管外表面上的螺旋叉指电极构成，所述旋转轴设置在压电陶瓷圆管中心轴线处，所述套筒分别安装在压电陶瓷圆管两管端上；

每个压电箝位轴承驱动模块包括环形的轴承座，轴承座的左、右半圆内壁分别设置有压电堆座对，每个压电堆座对分别由两压电堆座组成，每个压电堆座以悬臂方式连接在轴承座内壁上，且轴承座左、右半圆内的压电堆座对相互对称，每个压电堆座对中两压电推座之间分别连接有支架，轴承座左、右半圆内的支架呈相互对称并相对向轴承座圆心拱起，且每个支架拱起顶点处分别设置为半圈，轴承座左、右半圆内支架上的半圈相对构成整圆的并与轴承座共圆心的轴承套圈，由轴承座、压电堆座、支架、轴承套圈构成轴承单元，轴承单元中左、右半圆内压电堆座对各自两压电堆座之间分别连接有压电堆，且两压电堆相互对称并分别与轴承座内同一径向平行，由轴承单元和两压电堆构成压电箝位轴承驱动模块，两压电箝位轴承驱动模块中的轴承座分别安装在套筒上，且旋转轴两端分别穿过套筒并安装在对应端电箝位轴承驱动模块的轴承套圈中，由轴承套圈对旋转轴施加一定的预夹紧力。

所述的一种行走式压电旋转马达，其特征在于：压电扭转驱动器采用多对螺旋叉指电极设计以降低驱动电压，多对螺旋叉指电极通过刻槽方式设置在压电陶瓷圆管外表面上，通过刻槽电极结构以改善驱动电场分布，同时优化刻槽电极结构参数平衡对结构刚度的影响。

所述的一种行走式压电旋转马达，其特征在于：每个套筒朝向压电陶瓷圆管的一面分别设置有与压电陶瓷圆管管内径匹配的环台，两套筒采用环氧树脂胶或 AB胶与压电扭转驱动器中压电陶瓷圆管管端粘接，套筒上环台分别插入压电陶瓷圆管管端中，且环台侧面分别采用环氧树脂胶或AB胶与压电陶瓷圆管管端内侧面粘接。

所述的一种行走式压电旋转马达，其特征在于：每个套筒中分别沿平行于套筒中心轴线方向设置有对称分布的四个螺纹孔，对应端的轴承座上亦对应开设有通孔，压电箝位轴承驱动模块安装在对应端套筒上时，压电箝位轴承驱动模块中轴承座通过螺钉与套筒紧密连接。

所述的一种行走式压电旋转马达，其特征在于：所述轴承单元采用不锈钢材料整体线切割加工而成，在与旋转轴相接触的轴承套圈的内侧端面作表面耐磨处理或喷涂耐磨材料。

所述的一种行走式压电旋转马达，其特征在于：所述轴承座中对应每个压电堆座位置分别开设有通孔，每个压电堆座中分别开设左右螺纹通孔，每个压电堆两端分别连接有紧定螺钉，轴承座上通孔孔径比紧定螺钉公称直径稍大，且紧定螺钉分别从位置对应的轴承座通孔中穿过后螺合入压电堆座中位置对应的螺纹孔中，通过紧定螺钉调节轴承套圈对旋转轴的预夹紧力。

所述的一种行走式压电旋转马达，其特征在于：所述轴承套圈、支架、压电堆座和轴承座内侧通过整体线切割加工而成，并且在它们相互连接处切割出铰链形式降低轴承单元的刚度。

本发明中，压电箝位轴承驱动模块中的压电堆在电压驱动下伸缩变形，驱动轴承套圈实现夹紧、松开等微小运动，通过控制压电箝位轴承驱动模块的夹紧、松开时序以及压电扭转驱动器的扭转运动的时序，实现旋转轴步进运动。

与已有技术相比本发明的优点在于：

本发明压电扭转驱动器采用刻槽螺旋电极压电管结构，扭转位移大，驱动力矩高，微型化难度低，压电箝位轴承驱动模块采用柔性铰链放大机构，可有效放大压电堆的驱动位移，降低驱动电压，关节整体机构采用对称布局，结构紧凑，适宜于微型化，可以有效提高其运行效率和稳定性。

附图说明

图1为本发明结构的轴测示意图。

图2为本发明的压电箝位轴承驱动模块结构示意图。

图3为本发明的压电扭转驱动器结构示意图。

图4为本发明的压电扭转驱动器主剖示意图。

图5为本发明的箝位和旋转控制的信号波形图。

具体实施方式

图1-图4所示，一种行走式压电旋转马达，包括压电扭转驱动器13，压电扭转驱动器13两端分别通过套筒14安装有压电箝位轴承驱动模块11、12，压电扭转驱动器13中设置有旋转轴6，且旋转轴6两端分别穿过套筒14并安装于压电箝位轴承驱动模块11、12内，其中：

压电扭转驱动器13由压电陶瓷圆管7和设置在压电陶瓷圆管7外表面上的螺旋叉指电极8构成，旋转轴6设置在压电陶瓷圆管7中心轴线处，两套筒14分别安装在压电陶瓷圆管7两管端上；

每个压电箝位轴承驱动模块包括环形的轴承座1，轴承座1的左、右半圆内壁分别设置有压电堆座对，每个压电堆座对分别由两压电堆座2组成，每个压电堆座2以悬臂方式连接在轴承座1内壁上，且轴承座1左、右半圆内的压电堆座对相互对称，每个压电堆座对中两压电推座2之间分别连接有支架3，轴承座1左、右半圆内的支架3呈相互对称并相对向轴承1座圆心拱起，且每个支架3拱起顶点处分别设置为半圈，轴承座1左、右半圆内支架3上的半圈相对构成整圆的并与轴承座共圆心的轴承套圈4，由轴承座1、压电堆座2、支架3、轴承套圈4构成轴承单元9，轴承单元9中左、右半圆内压电堆座对各自两压电堆座2之间分别连接有压电堆5，且两压电堆5相互对称并分别与轴承座1内同一径向平行，由轴承单元9和两压电堆5构成压电箝位轴承驱动模块11和12，两压电箝位轴承驱动模块11、12中的轴承座1分别安装在套筒14上，且旋转轴6两端分别穿过套筒14并安装在对应端电箝位轴承驱动模块的轴承套圈4中，由轴承套圈4对旋转轴6施加一定的预夹紧力。

压电扭转驱动器13采用多对螺旋叉指电极8设计以降低驱动电压，多对螺旋叉指电极8通过刻槽方式设置在压电陶瓷圆管7外表面上，通过刻槽电极结构以改善驱动电场分布，同时优化刻槽电极结构参数平衡对结构刚度的影响。

每个套筒14朝向压电陶瓷圆管7的一面分别设置有与压电陶瓷圆管7管内径匹配的环台，两套筒14采用环氧树脂胶或AB胶与压电扭转驱动器13中压电 陶瓷圆管7管端粘接，套筒14上环台分别插入压电陶瓷圆管7管端中，且环台侧面分别采用环氧树脂胶或AB胶与压电陶瓷圆管7管端内侧面粘接。

每个套筒14中分别沿平行于套筒14中心轴线方向设置有对称分布的四个螺纹孔，对应端的轴承座1上亦对应开设有通孔，压电箝位轴承驱动模块安装在对应端套筒14上时，压电箝位轴承驱动模块中轴承座1通过螺钉15与套筒14紧密连接。

轴承单元9采用不锈钢材料整体线切割加工而成，在与旋转轴6相接触的轴承套圈4的内侧端面作表面耐磨处理或喷涂耐磨材料。

轴承座1中对应每个压电堆座2位置分别开设有通孔，每个压电堆座2中分别开设左右螺纹通孔，每个压电堆5两端分别连接有紧定螺钉10，轴承座1上通孔孔径比紧定螺钉10公称直径稍大，且紧定螺钉10分别从位置对应的轴承座1通孔中穿过后螺合入压电堆座2中位置对应的螺纹孔中，通过紧定螺钉10调节轴承套圈4对旋转轴6的预夹紧力。

轴承套圈4、支架3、压电堆座2和轴承座1内侧通过整体线切割加工而成，并且在它们相互连接处切割出铰链形式降低轴承单元的刚度。

本发明的目的是提供一种应用新型压电扭转驱动器和压电箝位轴承驱动模块实现行走式旋转步进运动的行走式压电旋转马达，以解决现有技术不同驱动方式压电旋转马达微型化程度低、驱动力不足、精度较低、稳定性差的问题。

具体实施例：

本实施例中，压电堆5在电压驱动下伸缩变形，驱动轴承套圈4实现夹紧、松开等微小运动，通过控制压电堆5的夹紧、松开时序以及压电扭转驱动器13的扭转运动的时序，实现旋转轴步进运动。如图1和图2所示，套筒14通过环氧树脂胶或AB胶与压电扭转驱动器13粘接，且压电箝位轴承驱动模块11和压电箝位轴承驱动模块12通过螺钉15与套筒14相连，因此压电扭转驱动器13、压电箝位轴承驱动模块11和压电箝位轴承驱动模块12紧密连接。若固定压电扭转驱动器13中间部位，通过控制箝位轴承驱动模块11和箝位轴承驱动模块12的夹紧、松开时序以及压电扭转驱动器13的扭转运动时序，实现旋转轴6的步进旋转运动。调整箝位信号和旋转信号电压的幅值，则可以调整夹紧力和步进旋转角；调整控制信号的频率，则可以调整步进运动的频率。

轴承单元9中的轴承套圈4的内径要比旋转轴6的外径略小，初始安装时，轴承套圈4给旋转轴6施加一定的预夹紧力。压电堆5放置于一对压电堆座2之间，紧定螺钉10安装于压电堆座2的螺纹孔内，通过调节紧定螺钉10的位置，使得压电堆5与压电堆座2紧密接触，进一步调节紧定螺钉10，可调节轴承套圈4对旋转轴6的预夹紧力。

压电箝位轴承驱动模块11、压电箝位轴承驱动模块12和压电扭转驱动器13的控制信号如图5所示，压电扭转驱动器13中间部位固定，初始时，压电箝位轴承驱动模11，12以一定的预夹紧力分别从左右夹紧旋转轴，设压电陶瓷圆管7在螺旋叉指电极8施加电压后压电扭转驱动器13两端的相对扭转变形角度为θ，一个工作循环包含以下分解过程：

1)压电箝位轴承驱动模块11和压电箝位轴承驱动模块12处于初始位置，工作循环开始，左侧压电箝位轴承驱动模块11施加正向电压，此时其上的压电堆5-1和压电堆5-2同时伸长，柔性铰链发生变形，带动支架变形使得轴承套圈松开旋转轴，而右侧压电箝位轴承驱动模块12仍处于预夹紧状态；

2)压电扭转驱动器13施加正向电压缓慢上升，产生扭转变形，由于压电扭转驱动器13中间部位固定，则左端正向扭转θ/2，右端反向扭转θ/2。由于压电箝位轴承驱动模块11、压电箝位轴承驱动模块12与压电扭转驱动器13通过套圈14和螺钉15等结构相互紧密连接，压电箝位轴承驱动模块11随压电扭转驱动器13左端正向旋转θ/2，而由于压电箝位轴承驱动模块12夹紧旋转轴6，压电箝位轴承驱动模块12和旋转轴6随压电扭转驱动器13右端反向旋转θ/2。驱动电压上升速率要保证压电箝位轴承驱动模块12驱动旋转轴6同步运动所需的驱动力小于其间的最大静摩擦力，旋转轴6随压电箝位轴承驱动模块12同步旋转。

3)压电箝位轴承驱动模块11释放正向电压，此时压电堆5恢复到初始状态，使得轴承套圈恢复到初始位置，恢复预夹紧力；压电箝位轴承驱动模块12施加正向电压，此时其上的压电堆5-1和压电堆5-2同时伸长，柔性铰链发生变形，带动支架变形使得轴承套圈松开旋转轴6；

4)压电扭转驱动器13缓慢释放正向电压，恢复扭转变形。由于压电箝位轴承驱动模块11夹紧旋转轴6，压电箝位轴承驱动模块11和旋转轴6随压电扭转 驱动器13左端恢复扭转变形，反向旋转θ/2，而压电箝位轴承驱动模块12随压电扭转驱动器13右端恢复扭转变形，正向旋转θ/2。同样，驱动电压下降速率要保证压电箝位轴承驱动模块11驱动旋转轴6同步运动所需的驱动力小于其间的最大静摩擦力，旋转轴6随压电箝位轴承驱动模块11同步旋转。

5)压电箝位轴承驱动模块11施加正向电压，松开旋转轴6；压电箝位轴承驱动模块12释放正向电压，恢复预夹紧力，进入下个周期。

此时，旋转轴一个工作周期内共实现了两次步进运动，累积反向旋转角度为θ。经过连续的工作循环的累积，旋转轴便能实现连续的单方向步进旋转运动。而当步骤(1)首先给压电箝位轴承驱动模块12施加正向电压，则能实现旋转轴6的正向步进运动。

Claims (5)

1.一种行走式压电旋转马达，其特征在于：包括压电扭转驱动器，压电扭转驱动器两端分别通过套筒安装有压电箝位轴承驱动模块，压电扭转驱动器中设置有旋转轴，且旋转轴两端分别穿过套筒并安装于压电箝位轴承驱动模块内，其中：

所述压电扭转驱动器由压电陶瓷圆管和多对螺旋叉指电极构成，其中多对螺旋叉指电极通过刻槽方式设置在压电陶瓷圆管外表面上，以降低驱动电压，通过刻槽电极结构以改善驱动电场分布，同时优化刻槽电极结构参数平衡对结构刚度的影响；所述旋转轴设置在压电陶瓷圆管中心轴线处，所述套筒分别安装在压电陶瓷圆管两管端上；

每个压电箝位轴承驱动模块包括环形的轴承座，轴承座的左、右半圆内壁分别设置有压电堆座对，每个压电堆座对分别由两压电堆座组成，每个压电堆座以悬臂方式连接在轴承座内壁上，且轴承座左、右半圆内的压电堆座对相互对称，每个压电堆座对中两压电推座之间分别连接有支架，轴承座左、右半圆内的支架呈相互对称并相对向轴承座圆心拱起，且每个支架拱起顶点处分别设置为半圈，轴承座左、右半圆内支架上的半圈相对构成整圆的轴承套圈，轴承套圈与轴承座共圆心，由轴承座、压电堆座、支架、轴承套圈构成轴承单元，轴承单元中左、右半圆内压电堆座对各自两压电堆座之间分别连接有压电堆，且两压电堆相互对称并分别与轴承座内同一径向平行，轴承座中对应每个压电堆座位置分别开设有通孔，每个压电堆座中分别开设左右螺纹通孔，每个压电堆两端分别连接有紧定螺钉，轴承座上通孔孔径比紧定螺钉公称直径稍大，且紧定螺钉分别从位置对应的轴承座通孔中穿过后螺合入压电堆座中位置对应的螺纹孔中，由轴承单元和两压电堆构成压电箝位轴承驱动模块，两压电箝位轴承驱动模块中的轴承座分别安装在套筒上，且旋转轴两端分别穿过套筒并安装在对应端压电箝位轴承驱动模块的轴承套圈中，通过紧定螺钉调节轴承套圈对旋转轴预夹紧力。

2.根据权利要求1所述的一种行走式压电旋转马达，其特征在于：每个套筒朝向压电陶瓷圆管的一面分别设置有与压电陶瓷圆管管内径匹配的环台，两套筒采用环氧树脂胶或AB胶与压电扭转驱动器中压电陶瓷圆管管端粘接，套筒上环台分别插入压电陶瓷圆管管端中，且环台侧面分别采用环氧树脂胶或AB胶与压电陶瓷圆管管端内侧面粘接。

3.根据权利要求1所述的一种行走式压电旋转马达，其特征在于：每个套筒中分别沿平行于套筒中心轴线方向设置有对称分布的四个螺纹孔，对应端的轴承座上亦对应开设有通孔，压电箝位轴承驱动模块安装在对应端套筒上时，压电箝位轴承驱动模块中轴承座通过螺钉与套筒紧密连接。

4.根据权利要求1所述的一种行走式压电旋转马达，其特征在于：所述轴承单元采用不锈钢材料整体线切割加工而成，在与旋转轴相接触的轴承套圈的内侧端面作表面耐磨处理或喷涂耐磨材料。

5.根据权利要求1所述的一种行走式压电旋转马达，其特征在于：所述轴承套圈、支架、压电堆座和轴承座内侧通过整体线切割加工而成，并且在它们相互连接处切割出铰链形式降低轴承单元的刚度。