CN106130399A - 一种谐振型惯性冲击压电马达 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种谐振型惯性冲击压电马达，属于压电驱动领域，包括压电振子，光轴，预紧结构、轴承座和基座；所述压电振子由金属悬臂梁和压电陶瓷构成，靠静摩擦力驱动光轴产生直线运动；根据傅里叶变换，锯齿波可由不同频率、不同幅值的谐波叠加得到，且频率比应为1:2:3…；所述金属悬臂梁采用改变自由端宽度、变厚度或开槽三种方法中至少两种来调整结构，进而达到将前n阶振型固有频率的比例调整为1:2:3…的目的；所述压电振子由合成的锯齿波信号驱动；压电马达工作在谐振状态下，相比传统冲击型压电马达而言大大提高了工作频率和速度。

Description

一种谐振型惯性冲击压电马达

技术领域

本发明涉及一种谐振型惯性冲击压电马达，属于压电驱动器，涉及双向直线压电驱动领域。

背景技术

压电马达广泛用于机器人、航空航天及医疗设备等。不同类型的马达如：行波、驻波、尺蠖、冲击马达得到了广泛的研究和发展，都有各自的优缺点和相应的应用领域。

冲击式压电马达，也称为“黏滑驱动器”，是利用惯性冲击来实现微位移的一种驱动机构，根据运动方式，可分为旋转型和直线型。与其他类型的压电马达相比，冲击式压电马达具有结构紧凑、操作简单、分辨率高、步距精确等优点。自20世纪80年代冲击马达诞生以来，得到了广泛的关注和应用。

传统冲击马达大多工作在准静态下，工作频率和速度均不高，且输出力或力矩较低。例如：加拿大瑞尔森大学的Zhang等研制的驱动器长为105mm旋转直线两用冲击马达的最大速度为7.3mm/s，最大负载能力为2.09N；韩国国立中北大学的Lim等研制的直径为2mm的冲击马达的最大速度为6mm/s，最大负载能力为0.02N；中国科学技术大学的Han等研制的基于Φ24mm×115mm驱动器的冲击马达，最大扭矩仅为30μN·m。尽管日本的Morita等利用兰杰文振子研制了两款谐振平滑冲击马达，其速度和输出力分别可达110mm/s，1.8N和280mm/s，3.1N，由于其结构庞大复杂，也限制了其实用性。

发明内容

本发明针对上述问题提出了一种谐振型惯性冲击压电马达，解决了传统冲击型压电马达工作在准静态下，频率和速度低的问题。

具体的技术方案如下：

本发明提供一种谐振型惯性冲击压电马达，即一种工作在谐振状态下的惯性冲击马达，所述压电马达包括压电振子、固定机构、光轴、预紧结构和基座，压电振子和光轴至少有一个与预紧结构直接或间接固连；光轴垂直穿过压电振子并与压电振子接触，通过预紧结构在压电振子和光轴之间施加预紧力；所述压电振子至少设有一个驱动振子，驱动振子包括金属悬臂梁和至少一片压电陶瓷，所述金属悬臂梁通过改变自由端宽度、改变厚度或开槽三种方法中的至少两种来调整前n阶固有频率的比值，以满足锯齿波的傅里叶变换中前n级谐波的频率比，n大于等于2；所述光轴垂直穿过金属悬臂梁上的驱动孔，并与压电振子之间有预紧力，可以利用两者之间的摩擦力驱动光轴；所述光轴与压电振子之间预紧力的调节通过预紧结构实现；所述预紧结构包括螺栓、弹性元件和预紧座，调整弹性元件形变量可以调节预紧力大小；分别用频率、幅值和相位信号激励压电振子的前n阶共振模态；压电振子的振动波形为锯齿波形，通过压电振子的驱动孔来驱动光轴直线运动；第一阶驱动信号相位改变90°，可使锯齿波反转，压电马达反向运动。

上述一种谐振型惯性冲击压电马达，其中，所述压电振子包括设有第一通孔的矩形板和驱动振子，驱动振子包括等腰梯形结构的金属悬臂梁和以PZT-4为材料的压电陶瓷，金属悬臂梁通过自由端变窄形成等腰梯形结构，金属悬臂梁的自由端上设有第一凹槽，金属悬臂梁下方设有驱动孔，所述压电陶瓷对称的贴合设置在驱动孔两侧，光轴4垂直穿过驱动孔并与之接触，通过驱动孔和光轴之间的摩擦力来驱动光轴运动，压电振子通过第一通孔和螺纹孔用螺栓紧固在固定结构上。

上述一种谐振型惯性冲击压电马达，其中，所述固定结构包括主固定板、副固定板，主固定板截面为L形结构，压电振子设置在主固定板和副固定板之间，通过螺栓连接固定，其中主固定板通过沉孔用螺栓连接于基座。

上述一种谐振型惯性冲击压电马达，其中，所述预紧结构包括预紧座、弹簧、推板、预紧螺杆、直线轴承、预紧辊子、活动直线轴承座，预紧座为U型金属件，由四个支撑板和一个底板组成，四个支撑板上分别设有辊子滑槽和推杆支撑凸台,底板设有弹簧槽和第二通孔，第二通孔通过螺栓可将整个预紧结构固定于基座；

所述活动直线轴承座一面设有用于装配直线轴承的弧形凹槽，另一面设有两个用于装配弹簧的圆柱凹槽，侧面对称设有用于卡在预紧座四个支撑板上的第二滑槽；

所述预紧辊子的数量为两个，两个预紧辊子和直线轴承相切接触，并能通过支撑杆装配于预紧座的辊子滑槽内，光轴穿过直线轴承；

所述推板的数量为两个，两个推板通过推板支撑凸台固定在预紧座上，预紧螺杆穿过两个推板，通过调节螺母加以固定，旋转调节螺母使两个推板相互靠近时，预紧辊子压迫直线轴承下降，弹簧缩短，同时带动光轴下移，此时光轴与压电振子之间的预紧力变大；若反向旋转调节螺母使两个推板分开，在弹簧的弹力作用下直线轴承自动上移，带动光轴上移，此时光轴和压电振子之间的预紧力减小；即可达到调节预紧力的目的。

由于压电振子工作在共振模态下，工作频率和光轴的工作速度较高，并且谐振型惯性冲击压电马达结构也比较简单、紧凑。

本发明方案通过傅里叶变换原理合成锯齿波，使压电振子工作在谐振状态下，能够解决传统冲击型压电马达工作频率和速度比较低的问题，并且所述谐振型惯性冲击压电马达结构比较简单、紧凑。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例的装配示意图。

图2是本发明实施例提出的压电振子结构示意图。

图3是本发明实施例的压电振子和固定结构装配示意图。

图4是本发明实施例的活动轴承座示意图。

图5是本发明实施例的预紧结构装配图一。

图6是本发明实施例预紧结构装配图二。

图7是本发明实施例预紧结构装配图三。

图8是本发明实施例的直线轴承和预紧辊子结构图。

图9是本发明实施例中冲击型压电马达工作原理示意图一。

图10是本发明实施例中冲击型压电马达工作原理示意图二。

图11是本发明实施例所提出的近似锯齿波合成示意图。

图12是本发明实施例空载时不同激励电压下压电马达速度与预紧力的关系。

图13是本发明实施例在有负载的情况下，压电马达速度与负载的关系。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

附图标记

基座1、预紧结构2、压电振子3、光轴4、固定结构5、第一通孔306、矩形板301、金属悬臂梁303、压电陶瓷305、第一凹槽304、驱动孔302、螺纹孔504、主固定板501、副固定板502、沉孔503、预紧座201、弹簧202、推板203、预紧螺杆204、直线轴承205、预紧辊子2051、活动直线轴承座206、辊子滑槽2012、推杆支撑凸台2013、第二通孔2011、弧形凹槽2061、圆柱凹槽2062、第二滑槽2063、支撑杆2052、调节螺母2041。

如图1所示，一种谐振型惯性冲击压电马达,包括基座1、预紧结构2、压电振子3、光轴4和固定结构5；将压电马达整体固定在工作平台上，基座底部设有螺纹孔，螺纹孔可用于固定放置预紧座201和固定结构5。

根据锯齿波的傅里叶变换：

$f\left(t\right)=Asin\mathrm{\ω}t+\frac{A}{2}sin2\mathrm{\ω}t+\frac{A}{3}sin3\mathrm{\ω}t+...---\left(1\right)$

式中f(t)为锯齿波函数；A为振幅。

锯齿波由不同幅值且频率为基频整数倍的谐波组成，考虑到设计的复杂性以及三级以上高次谐波的振幅系数较小，忽略三级以上谐波，本实施例用仅利用傅里叶分解的前两级谐波来合成近似谐振锯齿波。

利用压电振子的前两阶共振频率作为近似锯齿波合成的前两级谐波频率，根据式(1)，振子的第一、第二阶共振频率比必须为1:2，此外，计算结果显示，当振幅比为4:1时，合成的近似锯齿波形状比较理想。

由振动理论可知，各向同性等截面悬臂梁端部自由时，其第一、第二阶弯曲固有频率比不能满足锯齿波合成所需要的1:2的比例。因此，需要采用一些方法进行频率调节。由于改变金属悬臂梁自由端结构时，对两阶振动固有频率都会产生影响，但对第二阶频率影响较大，因此它们的频率比会发生改变。本实施例采用了自由端变窄和割槽两种方式。

如图2所示，压电振子包括设有第一通孔306的矩形板301和驱动振子，驱动振子包括等腰梯形结构的金属悬臂梁303和以PZT-4为材料的压电陶瓷305，金属悬臂梁通过自由端变窄形成等腰梯形结构，金属悬臂梁的自由端上设有第一凹槽304，金属悬臂梁303下发设有驱动孔302，所述压电陶瓷对称的贴合设置在驱动孔两侧，光轴4垂直穿过驱动孔302并与之接触，通过驱动孔302和光轴4之间的摩擦力来驱动光轴4运动，压电振子通过第一通孔306和螺纹孔504用螺栓紧固在固定结构5上；根据压电振子的特性，驱动孔302的位置距离压电振子的固定部分越近，马达的负载能力越大，宏观速度即固定部分振幅越小、驱动孔302对光轴的接触情况对共振频率的影响越小，综合考虑频率比变化及输出特性，驱动孔位于矩形板的中垂线上。

如图3所示，所述固定结构包括主固定板501、副固定板502，主固定板截面为L形结构，压电振子设置在主固定板和副固定板之间，通过螺栓连接固定，其中主固定板通过沉孔503用螺栓连接于基座。

如图4-图8所示，所述预紧结构包括预紧座201、弹簧202、推板203、预紧螺杆204、直线轴承205、预紧辊子2051、活动直线轴承座206，预紧座201为U型金属件，由四个支撑板和一个底板组成，四个支撑板上分别设有辊子滑槽2012和推杆支撑凸台2013,底板设有弹簧槽和第二通孔2011，第二通孔2011通过螺栓可将整个预紧结构固定于基座1；

所述活动直线轴承座206一面设有用于装配直线轴承的弧形凹槽2061，另一面设有两个用于装配弹簧202的圆柱凹槽2062，侧面对称设有用于卡在预紧座四个支撑板上的第二滑槽2063；

所述预紧辊子的数量为两个，两个预紧辊子2051和直线轴承相切接触，并能通过支撑杆2052装配于预紧座的辊子滑槽2012内，光轴穿过直线轴承；

所述推板203的数量为两个，两个推板通过推板支撑凸台2013固定在预紧座上，预紧螺杆204穿过两个推板，通过调节螺母2041加以固定，旋转调节螺母2041使两个推板203相互靠近时，预紧辊子压迫直线轴承下降，弹簧缩短，同时带动光轴4下移，此时光轴4与压电振子3之间的预紧力变大；若反向旋转调节螺母使两个推板203分开，在弹簧的弹力作用下直线轴承自动上移，带动光轴4上移，此时光轴4和压电振子3之间的预紧力减小；即可达到调节预紧力的目的。

图9、图10是本发明所提出的谐振型惯性冲击压电马达工作过程示意图,如图9所示，压电马达一个工作周期由两个阶段组成：“缓慢前进黏贴阶段①”和“快速后退打滑阶段②”。

粘贴阶段①：压电振子3缓慢向右摆动，光轴4与压电振子3之间的静摩擦力大于光轴4的惯性力，光轴4随压电振子3的摆动而向右移动；打滑阶段②：压电振子3迅速向左回摆至初始位置，光轴4的惯性力大于摩擦力，光轴4与压电振子3之间产生相对滑动，停留在黏贴阶段时的位置；经过阶段①和②，光轴2产生一个向右的微小步距；连续重复上述两个阶段，压电马达实现向右的连续运动，光轴4和压电振子3的位移分别如图10所示，同理，如果改变黏贴和打滑阶段的顺序，所述压电马达可实现反向运动。

图11是本发明实施例中所提出的近似锯齿波合成示意图，根据傅里叶变换当压电振子前两阶固有频率满足谐振频率比为1:2，且幅值比为4:1时，所合成的波形比较好。

图12是本发明实施例空载时不同激励电压下所述压电马达速度与预紧力的关系，由图12可以看出，在一定范围内，光轴4的速度与驱动电压成正比，并且其速度会随着预紧力的增大而减小。

图13是本发明实施例在有负载的情况下，压电马达速度与负载的关系；第一、二阶驱动电压信号分别为592.5Hz，400V_p-p和1185.0Hz，160V_p-p，一阶驱动信号超前二阶驱动信号+8°，预紧力为10N时；随着负载增加，马达的速度迅速减小，当负载力为1N时所述压电马达几乎静止不动；由此可得，在10N预紧力下，所述马达的最大负载能力为1N。

本发明方案通过根据傅里叶变换原理合成锯齿波，使压电振子工作在谐振状态下，并解决传统冲击型压电马达工作频率和速度比较低的问题，并且所述谐振型惯性冲击压电马达结构比较简单紧凑。

Claims (5)

1.一种谐振型惯性冲击压电马达，其特征在于，所述压电马达包括压电振子、固定机构、光轴、预紧结构和基座，压电振子和光轴至少有一个与预紧结构直接或间接固连；光轴垂直穿过压电振子并与压电振子接触，通过预紧结构在压电振子和光轴之间施加预紧力。

2.如权利要求1所述的一种谐振型惯性冲击压电马达，其特征在于，利用合成锯齿波驱动压电振子振动，根据锯齿波傅里叶变换原理，利用压电振子前n阶固有频率作为锯齿波傅里叶变换前n级谐波频率，以合成锯齿波，n≥2。

3.如权利要求1所述的一种谐振型惯性冲击压电马达，其特征在于，所述压电振子包括矩形板和驱动振子，驱动振子包括金属悬臂梁和压电陶瓷，金属悬臂梁通过自由端变窄形成等腰梯形结构，所述金属悬臂梁通过改变自由端宽度、变厚度或开槽三种方法中至少两种来调整前n阶固有频率的比值，以达到合成锯齿波目的；所述压电陶瓷对称的粘贴于金属悬臂梁上。

4.如权利要求1所述的一种谐振型惯性冲击压电马达，其特征在于，所述光轴垂直穿过金属悬臂梁上的第一通孔，并与压电振子之间形成预紧力，利用两者之间的摩擦力驱动光轴。

5.如权利要求1所述的一种谐振型惯性冲击压电马达，其特征在于，所述预紧结构包括预紧座、弹簧、推板、预紧螺杆、直线轴承、预紧辊子、活动直线轴承座，预紧座为U型金属件，由四个支撑板和一个底板组成，四个支撑板上分别设有辊子滑槽和推杆支撑凸台,底板设有弹簧槽和第二通孔，第二通孔通过螺栓可将整个预紧结构固定于基座；所述活动直线轴承座一面设有用于装配直线轴承的弧形凹槽，另一面设有两个用于装配弹簧的圆柱凹槽，侧面对称设有用于卡在预紧座四个支撑板上的第二滑槽；所述预紧辊子的数量为两个，两个预紧辊子和直线轴承相切接触，并能通过支撑杆装配于预紧座的辊子滑槽内，光轴穿过直线轴承；所述推板的数量为两个，两个推板通过推板支撑凸台固定在预紧座上。