CN106533248B - 单定子三自由度超声电机及其工作方式 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单定子三自由度超声电机及其工作方式，单定子三自由度超声电机包括定子模块和转子模块，定子模块包含作动头、金属质量块、底座、三组压电陶瓷组件和预紧螺栓，转子模块是一个能够夹持在定子作动头球体上且夹持力可调节的结构。工作时，通过分别激励三组陶瓷组件中任意两组产生两相振型，两相振型在作动头球体上耦合使质点做椭圆运动，通过摩擦作用实现转子模块绕X、Y和Z轴的转动。本发明与现有技术相比，具有结构简单，环境适应性强等优点，在航空航天、医疗、机器人、仿生学等高技术领域有广阔的应用前景。

Description

单定子三自由度超声电机及其工作方式

技术领域

本发明涉及压电作动领域，尤其涉及一种单定子三自由度超声电机及其工作方式。

背景技术

超声电机作为一种新型的压电作动器，在航空航天、医疗、机器人、武器系统等高端技术领域有着广阔的应用前景。随着科学技术的快速发展，特别是机器人领域对多自由度超声电机的需求越来越迫切，不仅大大减小了系统的结构复杂程度，同时也提高了控制精度和定位精度。虽然国内外自二十世纪九十年代就开始研究多自由度超声电机，但大多结构复杂、成本高、不便于推广应用。譬如专利（CN1388637A）提出的一种圆柱形定子和球形转子的三自由度超声电机结构。虽然上述电机的结构具有简单紧凑的优点，但是球形转子与圆柱形定子之间的预压力难以控制，而且该结构不方便倒置或平放使用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种单定子三自由度超声电机及其工作方式。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种单定子三自由度超声电机，包括定子模块和转子模块；

所述定子模块包含作动头、金属质量块、底座、纵振压电陶瓷组件、第一弯振压电陶瓷组件、第二弯振压电陶瓷组件和预紧螺栓；

所述作动头包含驱动头、连接部和圆柱，其中，所述驱动头为球形；所述连接部为连续变截面结构，其截面为圆形，且其最小截面与驱动头的下端固定相连、最大截面与圆柱的上端固定相连；

所述作动头的轴线上设有和所述预紧螺栓相配合的螺纹孔；

所述底座为上端开口、下端封闭的空心圆柱，且半径大于所述作动头圆柱的半径；

所述纵振压电陶瓷组件、金属质量块、第一弯振压电陶瓷组件、第二弯振压电陶瓷组件均为圆柱形，依次从上到下设置在所述底座内；

所述纵振压电陶瓷组件、金属质量块、第一弯振压电陶瓷组件、第二弯振压电陶瓷组件、底座的底面同轴设置且在轴心均设有供所述预紧螺栓穿过的通孔；所述预紧螺栓依次穿过所述底座的底面、第二弯振压电陶瓷组件、第一弯振压电陶瓷组件、金属质量块、纵振压电陶瓷组件和所述作动头上的螺纹孔螺纹连接，将所述纵振压电陶瓷组件、金属质量块、第一弯振压电陶瓷组件、第二弯振压电陶瓷组件夹紧在所述作动头和所述底座的底面之间；

所述纵振压电陶瓷组件用于产生纵振传播至所述驱动头；

所述第一弯振压电陶瓷组件、第二弯振压电陶瓷组件均用于产生弯振传播至所述驱动头，且所述第一弯振压电陶瓷组件产生的弯振和所述第二弯振压电陶瓷组件产生的弯振在空间上存在π/2相位差；

所述转子模块包含弹簧夹头、接触块、端盖和调节螺栓；

所述弹簧夹头为上端开口、内部中空的圆柱体，其上端内壁上设有螺纹、下端设有用于锁住所述驱动头的圆孔；所述驱动头通过弹簧夹头下端的圆孔伸入弹簧夹头内；

所述端盖包含端面和第一套接环，其中，所述第一套接环为上下开口的空心圆柱，和所述端面同轴设置，其上端面和端面固定相连；所述端面为圆柱体，其圆心处设有调节孔、柱面上设有和所述弹簧夹头内壁上的螺纹相匹配的螺纹；所述调节孔的内壁上设有和所述调节螺栓相匹配的螺纹；所述端面和所述弹簧夹头螺纹连接；

所述接触块包含连接板、第二套接环和接触环，其中，所述第二套接环、接触环均为上下开口的空心圆柱；所述第二套接环的下端通过所述连接板和所述接触环的上端固定相连，且所述第二套接环、接触环同轴设置；所述第二套接环和所述第一套接环通过套接进行间隙配合，使得所述接触块和所述端盖之间能够上下滑动；所述接触环的下端和所述驱动头相抵；

所述调节螺栓和所述端面通过调节孔螺纹连接，且调节螺栓穿过所述端面和所述接触块的连接板相抵，用于调节接触块和端盖之间的距离，进而调节所述接触块与驱动头之间的预压力。

作为本发明一种单定子三自由度超声电机进一步的优化方案，所述作动头在连接部和圆柱的连接处设有用于夹持作动头的法兰盘。

作为本发明一种单定子三自由度超声电机进一步的优化方案，所述底座底面下设有垫圈，所述垫圈为上下开口的空心圆柱，和所述底座底面同轴设置，其上端面和底座底面固定相连，将所述预紧螺栓的螺帽包含在内。

作为本发明一种单定子三自由度超声电机进一步的优化方案，所述纵振压电陶瓷组件包含两片纵振陶瓷片和一片电极片，所述两片纵振陶瓷片将电极片夹在中间，两片纵振陶瓷片均为单一极化分区，极化方向分别垂直于所述电极片向外。

作为本发明一种单定子三自由度超声电机进一步的优化方案，所述第一弯振压电陶瓷组件、第二弯振压电陶瓷组件均包含两片弯振陶瓷片和一片电极片，所述两片弯振陶瓷片将电极片夹在中间，每片弯振压电陶瓷片均有左右两个极化方向相反的极化分区，且两片弯振陶瓷片在同一端的极化分区的极化方向相反。

本发明还公开了一种基于该单定子三自由度超声电机的工作方式，包含以下步骤：

令驱动头的球心为原点、作动头的轴线为Z轴、过原点且平行于第一弯振压电陶瓷组件中任一弯振陶瓷片的两个极化分区之间的界限的直线为Y轴、过原点且平行于第二弯振压电陶瓷组件中任一弯振陶瓷片的两个极化分区之间的界限的直线为X轴；

分别在纵振压电陶瓷组件、第一弯振压电陶瓷组件上施加具有π/2相位差的电信号，在定子模块上激发出沿Z轴方向的纵向振动和在XOZ平面内的弯曲振动，纵向振动和弯曲振动的耦合使驱动头上的质点在XOZ平面内作椭圆运动，驱动头通过摩擦作用驱动转子模块绕Y轴旋转；

分别在纵振压电陶瓷组件、第二弯振压电陶瓷组件上施加具有π/2相位差的电信号，在定子模块上激发出沿Z轴方向的纵向振动和在YOZ平面内的弯曲振动，纵向振动和弯曲振动的耦合使驱动头上的质点在YOZ平面内作椭圆运动，驱动头通过摩擦作用驱动转子模块绕X轴旋转；

分别在第一弯振压电陶瓷组件和第二弯振压电陶瓷组件上施加具有π/2相位差的电信号，将分别在定子模块上激发出两个在时间上和空间上都具有π/2相位差的弯曲振动模态，使得驱动头上的质点在XOY平面内作椭圆运动，驱动头通过摩擦作用驱动转子模块绕Z轴作360°旋转。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1. 结构简单、紧凑、易于控制；

2. 能够广泛的应用在各种环境中。

附图说明

图1是本发明单定子三自由度超声电机的结构示意图；

图2是本发明中定子作动头结构示意图；

图3是本发明中纵振压电陶瓷组件中陶瓷片的极化方式示意图；

图4是本发明中第一弯振压电陶瓷组件中陶瓷片的极化方式示意图；

图5是本发明中第二弯振压电陶瓷组件中陶瓷片的极化方式示意图；

图6是本发明中弹簧夹头结构示意图；

图7是本发明中接触块结构示意图；

图8是本发明中转子模块与球形驱动头的接触示意图；

图9是本发明的弯曲振动振型图；

图10是本发明的纵向振动振型图。

其中，1-作动头，1.1-驱动头，1.2-连接部，1.3-法兰盘，1.4-圆柱，2-金属质量块，3-底座，4-预紧螺栓，5.1-弹簧夹头，5.2-接触块，5.3-端盖，5.4-调节螺栓，6-纵振压电陶瓷单元，7-第一弯振压电陶瓷单元，8-第二弯振压电陶瓷单元，9-电极片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，本发明公开了一种单定子三自由度超声电机，包括定子模块和转子模块。

定子模块包含作动头、金属质量块、底座、纵振压电陶瓷组件、第一弯振压电陶瓷组件、第二弯振压电陶瓷组件和预紧螺栓。

如图2所示，作动头包含三个部分，分别为驱动头、连接部和圆柱，其中，驱动头为球形；连接部为连续变截面结构，其截面为圆形，且其最小截面与驱动头的下端固定相连、最大截面与圆柱的上端固定相连。

作动头的轴线上设有和预紧螺栓相配合的螺纹孔。

作动头在连接部和圆柱的连接处设有用于夹持作动头的法兰盘。

底座为上端开口、下端封闭的空心圆柱，且半径大于作动头圆柱的半径。

纵振压电陶瓷组件、金属质量块、第一弯振压电陶瓷组件、第二弯振压电陶瓷组件均为圆柱形，依次从上到下设置在底座内。

纵振压电陶瓷组件、金属质量块、第一弯振压电陶瓷组件、第二弯振压电陶瓷组件、底座的底面同轴设置且在轴心均设有供预紧螺栓穿过的通孔；预紧螺栓依次穿过底座的底面、第二弯振压电陶瓷组件、第一弯振压电陶瓷组件、金属质量块、纵振压电陶瓷组件和作动头上的螺纹孔螺纹连接，将纵振压电陶瓷组件、金属质量块、第一弯振压电陶瓷组件、第二弯振压电陶瓷组件夹紧在作动头和底座的底面之间。

纵振压电陶瓷组件用于产生纵振传播至驱动头。

第一弯振压电陶瓷组件、第二弯振压电陶瓷组件均用于产生弯振传播至驱动头，且第一弯振压电陶瓷组件产生的弯振和第二弯振压电陶瓷组件产生的弯振在空间上存在π/2相位差。

底座底面下设有垫圈，垫圈为上下开口的空心圆柱，和底座底面同轴设置，其上端面和底座底面固定相连，将预紧螺栓的螺帽包含在内。

如图3所示，纵振压电陶瓷组件包含两片纵振陶瓷片和一片电极片，两片纵振陶瓷片将电极片夹在中间，两片纵振陶瓷片均为单一极化分区，极化方向分别垂直于电极片向外。

第一弯振压电陶瓷组件、第二弯振压电陶瓷组件均包含两片弯振陶瓷片和一片电极片，两片弯振陶瓷片将电极片夹在中间，每片弯振压电陶瓷片均有左右两个极化方向相反的极化分区，且两片弯振陶瓷片在同一端的极化分区的极化方向相反。

第一弯振压电陶瓷组件、第二弯振压电陶瓷组件的极化方向及组合方式分别如图4、图5所示。

转子模块包含弹簧夹头、接触块、端盖和调节螺栓。

如图6所示，弹簧夹头为上端开口、内部中空的圆柱体，其上端内壁上设有螺纹、下端设有用于锁住驱动头的圆孔；驱动头通过弹簧夹头下端的圆孔伸入弹簧夹头内。

端盖包含端面和第一套接环，其中，第一套接环为上下开口的空心圆柱，和端面同轴设置，其上端面和端面固定相连；端面为圆柱体，其圆心处设有调节孔、柱面上设有和弹簧夹头内壁上的螺纹相匹配的螺纹；调节孔的内壁上设有和调节螺栓相匹配的螺纹；端面和弹簧夹头螺纹连接。

如图7所示，接触块包含连接板、第二套接环和接触环，其中，第二套接环、接触环均为上下开口的空心圆柱；第二套接环的下端通过连接板和接触环的上端固定相连，且第二套接环、接触环同轴设置；第二套接环和第一套接环通过套接进行间隙配合，使得接触块和端盖之间能够上下滑动；接触环的下端和驱动头相抵。

如图8所示，调节螺栓和端面通过调节孔螺纹连接，且调节螺栓穿过端面和接触块的连接板相抵，用于调节接触块和端盖之间的距离，进而调节接触块与驱动头之间的预压力。

令驱动头的球心为原点、作动头的轴线为Z轴、过原点且平行于第一弯振压电陶瓷组件中任一弯振陶瓷片的两个极化分区之间的界限的直线为Y轴、过原点且平行于第二弯振压电陶瓷组件中任一弯振陶瓷片的两个极化分区之间的界限的直线为X轴。

分别在纵振压电陶瓷组件、第一弯振压电陶瓷组件上施加具有π/2相位差的电信号，在定子模块上激发出沿Z轴方向的纵向振动和在XOZ平面内的弯曲振动，纵向振动和弯曲振动的耦合使驱动头上的质点在XOZ平面内作椭圆运动，驱动头通过摩擦作用驱动转子模块绕Y轴旋转。

分别在纵振压电陶瓷组件、第二弯振压电陶瓷组件上施加具有π/2相位差的电信号，在定子模块上激发出沿Z轴方向的纵向振动和在YOZ平面内的弯曲振动，纵向振动和弯曲振动的耦合使驱动头上的质点在YOZ平面内作椭圆运动，驱动头通过摩擦作用驱动转子模块绕X轴旋转。

分别在第一弯振压电陶瓷组件和第二弯振压电陶瓷组件上施加具有π/2相位差的电信号，将分别在定子模块上激发出两个在时间和空间上都具有π/2相位差的弯曲振动模态，使得驱动头上的质点在XOY平面内作椭圆运动，驱动头通过摩擦作用驱动转子模块绕Z轴作360°旋转。

由以上可知本发明通过三组陶瓷组件激励出的三个振型之间的两两组合，可实现三个自由度的运动，弯曲振动时使球形驱动头与连接部的连接处位于振型的节点处，以使驱动头获得最大的振幅，弯曲振动的振型图如图9所示（以二阶弯振为例）。纵向振动时使法兰盘位于振型节点处方便夹持，使球形驱动头与连接部的连接处位于振幅最大处，以使球形驱动头获得最大的纵向振幅，纵向振动的振型图如图10所示（以一阶纵振为例）。

本发明现具有结构简单，环境适应性强等优点，在航空航天、医疗、机器人、仿生学等高技术领域有广阔的应用前景。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种单定子三自由度超声电机，其特征在于，包括定子模块和转子模块；

所述定子模块包含作动头、金属质量块、底座、纵振压电陶瓷组件、第一弯振压电陶瓷组件、第二弯振压电陶瓷组件和预紧螺栓；

所述作动头包含驱动头、连接部和圆柱，其中，所述驱动头为球形；所述连接部为连续变截面结构，其截面为圆形，且其最小截面与驱动头的下端固定相连、最大截面与圆柱的上端固定相连；

所述作动头的轴线上设有和所述预紧螺栓相配合的螺纹孔；

所述底座为上端开口、下端封闭的空心圆柱，且半径大于所述作动头圆柱的半径；

所述纵振压电陶瓷组件、金属质量块、第一弯振压电陶瓷组件、第二弯振压电陶瓷组件均为圆柱形，依次从上到下设置在所述底座内；

所述纵振压电陶瓷组件、金属质量块、第一弯振压电陶瓷组件、第二弯振压电陶瓷组件、底座的底面同轴设置且在轴心均设有供所述预紧螺栓穿过的通孔；所述预紧螺栓依次穿过所述底座的底面、第二弯振压电陶瓷组件、第一弯振压电陶瓷组件、金属质量块、纵振压电陶瓷组件和所述作动头上的螺纹孔螺纹连接，将所述纵振压电陶瓷组件、金属质量块、第一弯振压电陶瓷组件、第二弯振压电陶瓷组件夹紧在所述作动头和所述底座的底面之间；

所述纵振压电陶瓷组件用于产生纵振传播至所述驱动头；

所述第一弯振压电陶瓷组件、第二弯振压电陶瓷组件均用于产生弯振传播至所述驱动头，且所述第一弯振压电陶瓷组件产生的弯振和所述第二弯振压电陶瓷组件产生的弯振在空间上存在π/2相位差；

所述转子模块包含弹簧夹头、接触块、端盖和调节螺栓；

所述弹簧夹头为上端开口、内部中空的圆柱体，其上端内壁上设有螺纹、下端设有用于锁住所述驱动头的圆孔；所述驱动头通过弹簧夹头下端的圆孔伸入弹簧夹头内；

所述端盖包含端面和第一套接环，其中，所述第一套接环为上下开口的空心圆柱，和所述端面同轴设置，其上端表面和端面固定相连；所述端面为圆柱体，其圆心处设有调节孔、柱面上设有和所述弹簧夹头内壁上的螺纹相匹配的螺纹；所述调节孔的内壁上设有和所述调节螺栓相匹配的螺纹；所述端面和所述弹簧夹头螺纹连接；

所述接触块包含连接板、第二套接环和接触环，其中，所述第二套接环、接触环均为上下开口的空心圆柱；所述第二套接环的下端通过所述连接板和所述接触环的上端固定相连，且所述第二套接环、接触环同轴设置；所述第二套接环和所述第一套接环通过套接进行间隙配合，使得所述接触块和所述端盖之间能够上下滑动；所述接触环的下端和所述驱动头相抵；

所述调节螺栓和所述端面通过调节孔螺纹连接，且调节螺栓穿过所述端面和所述接触块的连接板相抵，用于调节接触块和端盖之间的距离，进而调节所述接触块与驱动头之间的预压力。

2.根据权利要求1所述的单定子三自由度超声电机，其特征在于，所述作动头在连接部和圆柱的连接处设有用于夹持作动头的法兰盘。

3.根据权利要求1所述的单定子三自由度超声电机，其特征在于，所述底座底面下设有垫圈，所述垫圈为上下开口的空心圆柱，和所述底座底面同轴设置，其上端面和底座底面固定相连，将所述预紧螺栓的螺帽包含在内。

4.根据权利要求1所述的单定子三自由度超声电机，其特征在于，所述纵振压电陶瓷组件包含两片纵振陶瓷片和一片电极片，所述两片纵振陶瓷片将电极片夹在中间，两片纵振陶瓷片均为单一极化分区，极化方向分别垂直于所述电极片向外。

5.根据权利要求1所述的单定子三自由度超声电机，其特征在于，所述第一弯振压电陶瓷组件、第二弯振压电陶瓷组件均包含两片弯振陶瓷片和一片电极片，所述两片弯振陶瓷片将电极片夹在中间，每片弯振压电陶瓷片均有左右两个极化方向相反的极化分区，且两片弯振陶瓷片在同一端的极化分区的极化方向相反。

6.基于权利要求5所述的单定子三自由度超声电机的工作方式，其特征在于，包含以下步骤：

令驱动头的球心为原点、作动头的轴线为Z轴、过原点且平行于第一弯振压电陶瓷组件中任一弯振陶瓷片的两个极化分区之间的界限的直线为Y轴、过原点且平行于第二弯振压电陶瓷组件中任一弯振陶瓷片的两个极化分区之间的界限的直线为X轴；

分别在纵振压电陶瓷组件、第一弯振压电陶瓷组件上施加具有π/2相位差的电信号，在定子模块上激发出沿Z轴方向的纵向振动和在XOZ平面内的弯曲振动，纵向振动和弯曲振动的耦合使驱动头上的质点在XOZ平面内作椭圆运动，驱动头通过摩擦作用驱动转子模块绕Y轴旋转；

分别在纵振压电陶瓷组件、第二弯振压电陶瓷组件上施加具有π/2相位差的电信号，在定子模块上激发出沿Z轴方向的纵向振动和在YOZ平面内的弯曲振动，纵向振动和弯曲振动的耦合使驱动头上的质点在YOZ平面内作椭圆运动，驱动头通过摩擦作用驱动转子模块绕X轴旋转；

分别在第一弯振压电陶瓷组件和第二弯振压电陶瓷组件上施加具有π/2相位差的电信号，将分别在定子模块上激发出两个在时间和空间上都具有π/2相位差的弯曲振动模态，使得驱动头上的质点在XOY平面内作椭圆运动，驱动头通过摩擦作用驱动转子模块绕Z轴作360°旋转。