CN107517022A - 一种基于三压电换能器组合式定子的二自由度超声电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于三压电换能器组合式定子的二自由度超声电机，主要部件包括上端盖、下端盖、转子组件、定子组件。通过三压电换能器组合式定子三力合成，给定子中三个柱型压电体施加不相等激励电压，三个柱型压电体轴向形变将不对称，其合成力在驱动足的端部会形成一个与关节球切面垂线倾斜一定角度的推力，在切向方向产生的力通过摩擦，驱动关节球,实现转子的二自由度旋转。与现有技术相比具有结构简单紧凑、体积小、力矩大、体薄、重量轻、集成度高等优点，适用于复杂机械、航空航天、医疗、机器人、精密仪器等重要领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种超声电机，具体涉及一种基于三压电换能器组合式定子的二自由度超声电机，属于压电超声技术领域。
背景技术
随着科学技术特别是机器人技术以及精密机械定位装置技术的发展，很多场合需要多自由度驱动，由于多自由度电磁型电机结构复杂，难于制造和实施控制，且不适合低速直驱的应用要求。而多自由度超声波电机具有低速大力矩、高分辨率和结构紧凑等优点，可用于机器人关节、精密装配、微小型机器人等多维机电装置，具有良好的应用前景。
压电超声电机是一种利用压电陶瓷的逆压电效应技术，根据压电陶瓷的极化方向，激励出压电体在一个频段内的振动模态，利用压电体在不同振动模态之间的组合，利用定子与转子之间的摩擦力耦合，驱动转子进行二自由度旋转运动输出的装置。经对现有技术的文献检索发现，二自由度柱状定子超声电机的研究最早由日本东工大学的Amano等人在1998年提出。庆应大学的Takemura和Maeno在2001年提出了优化结构，采用单兰杰文振子结构，Φ10mm电机可实现最高转速可以达到250r/min,转矩7mN·m，此类电机的轴向尺寸较长，定转子之间的预紧力常采用永磁体的吸引力，故驱动力矩较小。哈工大张明辉等人在2007年提出了一种方柱定子-球转子多自由度超声波电机，该电机定子为中空的方棱柱体，侧面粘接4片压电陶瓷，其中对角的2片互相连接。该种电机压电振子较难出力，所以球形转子输出转矩较小，厚度较厚。目前在二自由度超声电机研发领域面临的主要问题就是结构复杂，控制不方便，扭矩偏小，
因此，本领域的技术人员致力于开发一种基于三压电换能器组合式定子的二自由度超声电机。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是针对现有二自由度超声电机技术的结构浮躁，扭矩较小，通过用ANSYS对现在压电材料新结构仿真，利用压电叠堆换能器力矩大的优势，提出一种基于三压电换能器组合式定子的二自由度超声电机。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于三压电换能器组合式定子的二自由度超声电机。本发明结构简单紧凑，控制方便，且驱动装置的振子是基于超声换能器式振动模式，输出力矩大。一种基于三压电换能器组合式定子的二自由度超声电机，包括上端盖、下端盖、转子组件、定子组件，其中定子组件至少包括三个定子及三个驱动足，转子组件包括一个转动轴和一个球形转子，定子组件以及球形转子和其他零件固定于下端盖内部，固定好后，用上端盖固定。
优选地，三个定子于所述下端盖中以120度周向间隔均匀分布，组成可以驱动所述球形转子进行二自由度运动的所述定子组件，组成三*三分布式结构。
优选地，定子由三个呈120度周向均匀分布的压电超声换能器式振子及驱动足组成。
优选地，驱动足对应安装于三个所述压电超声换能器式振子顶部与所述球形转子接触部位，所述驱动足连接固定三个所述压电超声换能器式振子。
优选地，三个压电超声换能器式振子之间的轴向夹角为0～90度。
优选地，用于驱动所述压电超声换能器式振子的压电材料为PZN-PT、
PMN-PT、PIN-PMN-PT、掺锰PMN-PT或掺锰PIN-PMN-PT压电单晶材料中的任意一种。
优选地，压电超声换能器式振子形状为柱型振子，上表面和下表面均镀有电极，下表面与下端盖壁接触并通过调节螺钉固定。
优选地，对所述柱型压电超声换能器式振子，在其上施加电压激励时，需要分别对定子中每个振子面施加不相等电压激励，实现压电换能器定子发生—沿极化方向的纵向振动与弯曲振动。
优选地，通过给定子中三个柱型压电体施加不相等激励电压，三个柱型压电体轴向形变将不对称，其合成力在驱动足的端部会形成一个与关节球切面垂线倾斜一定角度的推力，在切向方向产生的力通过摩擦会驱动关节球。在驱动过程中，至少有一个定子保持与关节球接触。当定子的柱型振子施加不同组合的激励电压后，每个定子的合成力大小和方向会随之改变，使关节球电机转矩大小和方向发生改变，通过转子与定子之间的摩擦力驱动实现关节球的二自由度运动输出。
优选地，球形转子与所述定子之间的预应力大小以及摩擦力大小通过预紧螺母来调节。
优选地，转动轴也可以向下延伸穿过下端盖，从而实现双轴输出。
优选地，上端盖和所述下端盖外形为六边形。
与现有技术相比，本发明利用新型压电单晶材料与定子之间的三-三结构排列模式，设计构造的二自由度超声电机。驱动结构中的柱型振子使用一种新型的驰豫铁电单晶材料,将其沿单晶材料[001]晶向极化后,与传统的压电陶瓷材料相比具有非常大的压电常数d33和机电耦合系数k33。可以提高整个超声电机的功率。当然可以根据具体需要选择不同的压电材料作为此超声换能器的超声换能器振子。该超声电机结构简单、输出力大、功率密度高、效率高、发热量极低，厚度尺寸薄，断电自锁无能量消耗，适合用在复杂机械生产，医疗，机器人，精密仪器等重要领域。
本发明的主要优点是，针对现有二自由度超声电机技术的不足之处以及精密机械驱动和机器人技术的需要，基于用ANSYS对现在压电材料新结构仿真，利用压电叠堆换能器力矩大的优势，通过三压电换能器组合式定子的实现薄体大力矩二自由度运动超声电机，具有薄体大力矩、结构紧凑等优点，可用于机器人关节、精密装配、微小型机器人等多维机电装置，具有良好的应用前景。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明较佳实施例的总装图，
图2是本发明中的定子三维模型图，
图3是本发明较佳实施例中定子中的振子之间的夹角为0度的三维模型图，
图4是本发明较佳实施例中定子中的振子之间的夹角为0度的ANSYS有限元模态图，
图5是本发明较佳实施例中定子中的振子之间的夹角为0度的ANSYS有限元弯曲振动模态图，
其中1、通孔 2、装配螺孔 3、上端盖 4、下端盖螺纹孔 5、下端盖 6、输出轴 7、球形转子 8、超声换能器式振子 9、驱动足 10、预紧调节螺母 11、换能器A 12、换能器B 13、换能器C。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。其保护范围重点在于三压电换能器组合式定子的组合结构，在此结构内，使用一到三个定子，其中每个定子包括三个压电换能器式振子中间夹角可以为0到90度间任意一个角度，如说明书附图中的图2所示，本专利中的装配图所使用的定子，其振子之间的夹角θ为0度，如图3所示。此皆在专利的保护范围之内。
本实施例所述的基于三压电换能器组合式定子的二自由度超声电机，其组件包括通孔(1)，装配螺孔(2)，上端盖(3)，下端盖螺纹孔(4)，下端盖(5)，输出轴(6)，球形转子(7)，超声换能器振子(8)，驱动足(9)，预紧调节螺母(10)。
基于三压电换能器组合式定子的二自由度超声电机由定子组件和转子组件构成。转子组件包括输出轴(6)以及球形转子(7)，定子包括压电超声换能器振子(8)，驱动足(9)，其中超声换能器振子(8)包括换能器A(11)、换能器B(12)、换能器C(13)。
本实施例具体工作的实现包括以下过程：
如图3所示，在柱型压电振子面A上施加一定电压激励，B与C上施加异于A面的电压激励后，其压电换能器式定子的ANSYS有限元模态图如图4所示，
ANSYS有限元弯曲振动模态图如图5所示，纵向伸缩运动与弯曲振动同时进行，弯曲方向和力度与施加在压电换能器式振子表面的激励电压值呈正相关，施加电压激励大的压电换能器式振子与另外两部分压换能器式振子相比，振幅更大，由此发生弯曲运动，产生沿球型转子切线方向的推力。对定子的柱型振子施加不同组合的激励电压后，每个定子的合成力大小和方向会随之改变，使关节球电机转矩大小和方向发生改变，通过对三个定子驱动组合方式的合理搭配，可以控制球形转子在X-Y平面内任意转动。
基于三压电换能器组合式定子的二自由度超声电机，在下端盖(5)内，三个定子均匀分布在下端盖(5)内，如图1所示，每个定子的尾部都有一个预紧调节螺母(10)与定子尾部连接，定子的顶部与球形转子通过摩擦力相连接。安装时，通过调节预紧螺母(10)可以实现整体组件的自锁以及定子与球形转子(7)之间摩擦力的大小。调整完毕后，封装上端盖(3)和下端盖(5)，形成薄体结构。
由上述实施例可以看出，通过控制三压电单晶振子的激励方式，在逆压电效应下，压电单晶振子激发相应的振动模态，由驱动足通过摩擦力驱动转子沿圆周旋转运动。与市场应用最广的行波旋转超声电机相比，该超声电机结构简单、体薄、输出力矩大、功率密度高、机电耦合效率高尤其适合于精密驱动、医疗、机器人、航空航天、精密仪器等重要领域。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于三压电换能器组合式定子的二自由度超声电机，其特征在于，包括上端盖、下端盖、转子组件、定子组件，其中所述定子组件至少包括三个定子及三个驱动足，所述转子组件包括一个转动轴和一个球形转子，所述定子组件以及所述球形转子和其他零件固定于所述下端盖内部，固定好后，用所述上端盖固定。
2.如权利要求1所述的一种基于三压电换能器组合式定子的二自由度超声电机，其特征在于，所述三个定子于所述下端盖中以120度周向间隔均匀分布，组成可以驱动所述球形转子进行二自由度运动的所述定子组件，组成三*三分布式结构。
3.如权利要求1所述的一种基于三压电换能器组合式定子的二自由度超声电机，其特征在于，所述定子由三个呈120度周向均匀分布的压电超声换能器式振子及驱动足组成。
4.如权利要求3所述的一种基于三压电换能器组合式定子的二自由度超声电机，其特征在于，所述驱动足对应安装于三个所述压电超声换能器式振子顶部与所述球形转子接触部位，所述驱动足连接固定三个所述压电超声换能器式振子。
5.如权利要求3所述的一种基于三压电换能器组合式定子的二自由度超声电机，其特征在于，所述三个压电超声换能器式振子之间的轴向夹角为0～90度。
6.如权利要求3所述的一种基于三压电换能器组合式定子的二自由度超声电机，其特征在于，用于驱动所述压电超声换能器式振子的压电材料为PZN-PT、PMN-PT、PIN-PMN-PT、掺锰PMN-PT或掺锰PIN-PMN-PT压电单晶材料中的任意一种。
7.如权利要求3所述的一种基于三压电换能器组合式定子的二自由度超声电机，其特征在于，所述压电超声换能器式振子形状为柱型振子，上表面和下表面均镀有电极，下表面与下端盖壁接触并通过调节螺钉固定。
8.如权利要求3所述的一种基于三压电换能器组合式定子的二自由度超声电机，其特征在于，对所述压电超声换能器式振子，在其上施加电压激励时，需要分别对定子中每个振子面施加不相等电压激励，实现压电换能器定子发生—沿极化方向的纵向振动与弯曲振动。
9.如权利要求1所述的一种基于三压电换能器组合式定子的二自由度超声电机，其特征在于，所述球形转子与所述定子之间的预应力大小以及摩擦力大小通过预紧螺母来调节。
10.如权利要求1所述的一种基于三压电换能器组合式定子的二自由度超声电机，其特征在于，所述上端盖和所述下端盖外形为六边形。
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Granted publication date: 20200107 Termination date: 20200804 |
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