CN109921681A - 柱状和盘状混合驱动多自由度超声电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种柱状和盘状混合驱动多自由度超声电机，属于电动机技术领域。包括机壳、转子、压电驱动自转装置和压电驱动偏转装置，压电驱动自转装置包括自转压电陶瓷片组和自转弹性体，自转弹性体为中空圆柱状；转子为实心球形弹性体，转子上端与输出轴固定连接，转子位于自转弹性体上方且与自转弹性体同轴心；转子偏转压电驱动装置包括环形压电陶瓷片组、环形弹性体和偏转驱动足。该电机结构简单紧凑、制作工艺简单、无源自锁响应速度快、所述转子既能够实现多自由度运动、不受外界电磁干扰、控制定位精度高、易实现微型化、使用方便、输出转矩大；能工作在低转速、大扭矩、小体积场合，最多拥有五个自由度。

Description

柱状和盘状混合驱动多自由度超声电机

技术领域

本发明涉及超声电机技术领域。

背景技术

根据机械原理，机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数的数目(亦即为了使机构的位置得以确定，必须给定的独立的广义坐标的数目)，称为机构自由度。多自由度电机是一种输出转轴能够实现两个或两个自由度以上的运动的电机。现代智能化工业的不断发展，对多自由度运动执行机构的精密度、集成度和灵活度的要求日益提高。由传统的单自由度电机组成的多自由度运动执行机构，因体积庞大已无法满足智能化驱动要求。多自由度一体化驱动技术越来越受到重视。多自由度电机成为重要的研究方向，许多新型多自由度电机不断被研发出来并得到应用。压电驱动的多自由度电机结构紧凑，设计灵活，易于实现微型化，能自锁，响应快，且不受外界电磁的干扰特别适合工作在低速大扭矩场合。传统柱状三自由度超声电机需要三段定子结构，导致电机体积大、集成度低，应用场合受限，且随着应用情况的增多，三自由度超声电机难以满足生产实践。

发明内容

本发明的目的在于提供一种柱状和盘状混合多自由度超声电机，解决现有技术中存在的体积大、集成度低，自由度少的问题，该超声电机具有结构简单紧凑、体积小、无源自锁响应速度快、所述转子既能够实现自转又能够多方向偏转(可进行五自由度运动)、既不产生电磁干扰又不受外界电磁干扰、集成度高、控制定位精度高、易实现微型化、使用方便，能工作在低转速、大扭矩、小体积、多自由度场合的特点。

为了达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种柱状和盘状混合驱动多自由度超声电机，双定子多自由度电动机，包括机壳、转子，其特征在于：转子为球形体，上端与输出轴固定连接；还包括压电驱动自转装置和压电驱动偏转装置；压电驱动自转装置包括自转压电陶瓷片组和自转弹性体，自转弹性体下面和自转压电陶瓷片组连接，自转压电陶瓷片组与机壳固定，自转弹性体包括中空圆柱状或凹球面状；转子的下端与自转弹性体弹性接触；所述压电驱动偏转装置固定于机壳的上端盖的底部；压电驱动偏转装置包括环形压电陶瓷片组、环形弹性体和偏转驱动足；环形压电陶瓷片组黏贴在环形弹性体上，若干偏转驱动足均匀分布固定于环形弹性体的底部，并与转子接触；通过压电驱动自转装置和压电驱动偏转装置的混合驱动，实现转子的自转及其多轴向偏转。

优选的，所述转子的下端与自转弹性体的接触为弹性接触；偏转驱动足与转子的接触为弹性接触。

优选的，所述压电驱动偏转装置的环形压电陶瓷片组沿厚度方向正负极化，环形压电陶瓷片组按照极化方向一侧接地，另外一侧与外接电源线连接。

优选的，所述环形压电陶瓷片组分为内外两环，其中内环为单片压电陶瓷片，外环均匀分为4部分，每部分空间上占90°，每片压电陶瓷片单独供电。

优选的，所述自转压电陶瓷片组均为环形结构且均沿厚度方向极化；自转压电陶瓷片组黏贴于自转弹性体下方并黏贴于基座上方。

优选的，所述自转压电陶瓷片组包括3片压电陶瓷片，其中纵振压电陶瓷片为最内环；两片弯振压电陶瓷片均分为两个极化方式相反的部分，其中自转压电陶瓷片组弯振外环和自转压电陶瓷片组弯振中环排布呈90°，三片压电陶瓷片单独供电且按照极化方向一侧接地另外一侧与外接电源线连接其中。

优选的，转子为球形弹性体，或球形实心弹性体。

优选的，所述压电驱动偏转装置的偏转驱动足为4个。

优选的，所述自转压电陶瓷片组黏贴在基座上，基座与电机底部固定；基座底部设有镂空排线处走自转压电陶瓷片组引线。

优选的，所述环形压电陶瓷片组黏贴在刚体的底面，刚体固定在上端盖下面。

本发明的技术效果是：解决现有技术中存在的体积大、集成度低，自由度少的问题，该电机具有结构简单紧凑、体积小、无源自锁响应速度快、所述转子既能够实现自转又能够多方向偏转(可进行五自由度运动)、既不产生电磁干扰又不受外界电磁干扰、集成度高、控制定位精度高、易实现微型化、使用方便，能工作在低转速、大扭矩、小体积、多自由度场合的特点。

该电机结构简单紧凑、制作工艺简单、无源自锁响应速度快、所述转子既能够实现多自由度运动、不受外界电磁干扰、控制定位精度高、易实现微型化、使用方便、输出转矩大；能工作在低转速、大扭矩、小体积场合，最多拥有五个自由度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一个实施例的立体结构示意图。

图2为图1中的A-A剖视图。

图3为图2中转子的立体结构示意图。

图4为图2中压电驱动偏转装置的立体结构示意图。

图5为图4中环形压电陶瓷片组的立体结构示意图。

图6为图2中压电驱动自转装置的立体结构示意图。

图7为图6中压电陶瓷片组的立体结构示意图。

图8为图2中底座部分的立体结构示意图。

图9为图2中顶盖部分的立体结构示意图。

图10为电机控制系统功能框图。

图中各标号含义：1—输出轴，2—螺栓，3-偏转驱动足，4—螺母，5—刚体，6—上端盖，7—环形压电陶瓷片组，7a、7b、7c、7d—环形压电陶瓷片组外环，7e—环形压电陶瓷片组内环，8—环形弹性体，9—出线孔，10—转子，11—自转弹性体，12—自转压电陶瓷片组，12a—自转压电陶瓷片组弯振外环，12b—自转压电陶瓷片组弯振中环，12a—自转压电陶瓷片组纵振内环，13—基座，13a—镂空排线处，14—电机底部，15—外壳。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。

请参阅图1-图10，现对基于一种新的压电陶瓷排布方式设计的一种柱状和盘状混合驱动多自由度超声电机，进行说明。

作为本发明的一个具体实施方式，该电柱状和盘状混合驱动多自由度超声电机，本发明采用的技术方案是：参阅图1，一种柱状和盘状混合驱动多自由度超声电机，双定子多自由度电动机，包括机壳、转子10，其特征在于：转子为球形体，上端与输出轴1固定连接；还包括压电驱动自转装置和压电驱动偏转装置；压电驱动自转装置包括自转压电陶瓷片组12和自转弹性体11，自转弹性体11下面和自转压电陶瓷片组12连接，自转压电陶瓷片组12通过基座13与机壳固定，机壳包括电机底部14、外壳15和上端盖6。自转弹性体11包括中空圆柱状或凹球面状；转子10的下端与自转弹性体11弹性接触；所述压电驱动偏转装置固定于机壳的上端盖6的底部；压电驱动偏转装置包括环形压电陶瓷片组7、环形弹性体8和偏转驱动足3；环形压电陶瓷片组7黏贴在环形弹性体8上，若干偏转驱动足3均匀分布固定于环形弹性体8的底部，并与转子10接触；通过压电驱动自转装置和压电驱动偏转装置的混合驱动，实现转子的自转及其多轴向偏转。

作为本发明的一个具体实施方式，优选的，所述转子10的下端与自转弹性体(11)的接触为弹性接触；偏转驱动足3与转子10的接触为弹性接触。

作为本发明的一个具体实施方式，优选的，所述压电驱动偏转装置的环形压电陶瓷片组7沿厚度方向正负极化，环形压电陶瓷片组7按照极化方向一侧接地，另外一侧与外接电源线连接。

作为本发明的一个具体实施方式，优选的，所述环形压电陶瓷片组7分为内外两环，其中内环7e为单片压电陶瓷片，外环均匀分为4部分，分别为7a、7b、7c、7d，每部分空间上占90°，每片压电陶瓷片单独供电。

作为本发明的一个具体实施方式，优选的，所述自转压电陶瓷片组12均为环形结构且均沿厚度方向极化；自转压电陶瓷片组12黏贴于自转弹性体11下方并黏贴于基座13上方。

作为本发明的一个具体实施方式，优选的，所述自转压电陶瓷片组12包括3片压电陶瓷片，其中纵振压电陶瓷片12c为最内环；两片弯振压电陶瓷片12a、12b均分为两个极化方式相反的部分，其中自转压电陶瓷片组弯振外环和自转压电陶瓷片组弯振中环12a、12b排布呈90°，三片压电陶瓷片单独供电且按照极化方向一侧接地另外一侧与外接电源线连接其中。

作为本发明的一个具体实施方式，优选的，转子为球形弹性体，或球形实心弹性体。

作为本发明的一个具体实施方式，优选的，所述压电驱动偏转装置的偏转驱动足3为4个。

作为本发明的一个具体实施方式，优选的，所述自转压电陶瓷片组12黏贴在基座13上，基座13与电机底部15固定；基座13底部设有镂空排线处13a走自转压电陶瓷片组12引线。

作为本发明的一个具体实施方式，优选的，所述环形压电陶瓷片组7黏贴在刚体5的底面，刚体5固定在上端盖6下面。

作为本发明的一个具体实施方式，进一步说明如下。

压电驱动自转装置包括自转压电陶瓷片组12和自转弹性体11，自转弹性体11为中空圆柱状；电机底部14通过基座13固定连接自转压电陶瓷片组12；上端盖通过螺栓2和螺母4固定连接压电驱动偏转部分；自转压电陶瓷片组12黏贴于自转弹性体11下方并黏贴于基座13上方。所述机壳包括底座部分、顶盖部分和外壳15。所述顶盖部分中间开孔且包括六个螺栓2和引线孔9，六个螺栓2通过螺母4连接刚体5，刚体5下方黏贴有环形压电陶瓷片组7。所述压电陶瓷片按照极化方向一侧接地另外一侧连接通过走线口与电源连接。走线口为上侧走线口9。偏转驱动足3表面、自转弹性体11、转子10接触面均为耐磨材料。压电自转驱动装置和压电偏转驱动装置组成一个电机控制机构。压电驱动自转部分完成实现电机的自转；压电偏转驱动装置完成实现电机的偏转。

工作时，如图2中给压电驱动自转压电陶瓷片组上的三组压电陶瓷片分别施加响应频率的交变激励电压，因压电陶瓷的逆效应原理，自转压电陶瓷片组弯振外环12a和自转压电陶瓷片组弯振中环12b将被激发出二阶弯振模态，自转压电陶瓷片组纵振内环12c将被激发出一阶纵振模态。当自转压电陶瓷片组弯振外环12a或自转压电陶瓷片组弯振中环12b和自转压电陶瓷片组纵振内环12c被同时被激励时自转弹性体质点产生椭圆运动，进而分别产生两种相互垂直的轴向转矩，驱动电机做轴向偏转运动，转子与驱动部分椭圆轨迹的运动方向相反。当三组压电陶瓷同时被激励且自转压电陶瓷片组弯振外环12a和自转压电陶瓷片组弯振中环12b激励电压相位差为90°时，自转压电陶瓷片组弯振外环12a和自转压电陶瓷片组弯振中环12b产生两项相位差为90°的驻波叠加形成行波，电机产生自转转矩，驱动电机围绕垂直轴向做自转运动。在保持激励频率不变的情况下，改变激励电压幅值可改变电机运动速度，改变激励电压正负可改变电机旋转方向。自转压电陶瓷片组外侧设有频率扫描传感器，转子外围同样设置有位置传感器。

给压电驱动偏转装置中的环形压电陶瓷片组分别施加激励电压驱动后，偏转驱动足在一个周期内的运行轨迹为长轴为垂直方向的椭圆。其中当对环形压电陶瓷片组7a、7b、7e和7c、7d施加幅值相等、频率相同、相位差相差90°时，环形压电陶瓷片组外环7a、7b、7c、7d配合产生一阶弯振，环形压电陶瓷片组内环7e产生一阶纵振，驱动电机做轴向偏转运动，当对环形压电陶瓷片组7a、7c、7e和7b、7d施加幅值相等、频率相同、相位差相差90°时，电机做偏转运动且与上一种情况运动方向垂直。转子与驱动部分椭圆轨迹的运动方向相反。实现二自由度运动。在保持激励频率不变的情况下，改变激励电压幅值可改变电机运动速度，改变激励电压正负可改变电机旋转方向。偏转压电陶瓷片组外侧设有频率扫描传感器。通过压电驱动自转部分或复合振子驱动足的配合，转子产生偏转转矩，可实现两种轴向偏转运动。

当压电驱动自转装置和压电驱动偏转装置压电陶瓷片组排布相同时，使两种驱动方式产生的转矩方向相同，可使电机输出转矩增大；使两种驱动方式产生的转矩方向相反，则以自转驱动为主驱动方式，偏转驱动为调节方式，可增大电机控制精度；当压电驱动自转装置和压电驱动偏转装置压电陶瓷片组排布不同时，自转驱动产生的三自由度和偏转驱动产生的二自由度配合，电机可产生五自由度运动。

柱状和盘状混合驱动多自由度超声电机主要以压电驱动自转装置驱动，当需要更大的偏转转矩、更高的精度或者更多的自由度(最多五个自由度)时，对压电驱动偏转装置施加高频交变激励电压，通过调整两种驱动方式的配合，获得更大的偏转转矩、更高的精度或者更多的自由度(最多五个自由度)。

通过改变和组合压电自转驱动和偏转驱动的激励，可调节转子运动的方位和速度，实现电机精确定位。当转子发生自转或偏转时，位于定子外侧的转子位置非接触式光电检测单元将会对转子位置进行实时检测，并与期望值进行比较，通过频率扫描传感器对压电陶瓷的谐振频率持续扫描以确定运动过程中不同时刻的谐振频率，避免频率漂移使弹性体失去谐振状态。

将处理后的转子位置信号与期望值进行比较，同压电陶瓷的谐振频率信息一起上传到微处理器DSP，经过微处理器处理运算后生成下一步控制算法。将控制算法的信息传到自传驱动装置和偏转驱动装置的调频调压电路，对输入电压的幅值和频率进行调节，进而调节自传驱动部分和偏转驱动部分的输出，就可以实现电机转子位置大范围的自转和偏转，实现期望的运动轨迹。通过将两种驱动方法相结合，能够实现电机复合定位驱动运行模式。

以上未述及部分本领域技术人员均能实施。

上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细说明，对于本领域的技术人员来说，依然可以在不脱离本发明原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述方案进行变化、修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换、改进等。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种柱状和盘状混合驱动多自由度超声电机，双定子多自由度电动机，包括机壳、转子(10)，其特征在于：转子为球形体，上端与输出轴(1)固定连接；还包括压电驱动自转装置和压电驱动偏转装置；压电驱动自转装置包括自转压电陶瓷片组(12)和自转弹性体(11)，自转弹性体(11)下面和自转压电陶瓷片组(12)连接，自转压电陶瓷片组(12)与机壳固定，自转弹性体(11)包括中空圆柱状或凹球面状；转子(10)的下端与自转弹性体(11)弹性接触；所述压电驱动偏转装置固定于机壳的上端盖(6)的底部；压电驱动偏转装置包括环形压电陶瓷片组(7)、环形弹性体(8)和偏转驱动足(3)；环形压电陶瓷片组(7)黏贴在环形弹性体(8)上，若干偏转驱动足(3)均匀分布固定于环形弹性体(8)的底部，并与转子(10)接触；通过压电驱动自转装置和压电驱动偏转装置的混合驱动，实现转子的自转及其多轴向偏转。

2.如权利要求1所述的柱状多自由度超声电机，其特征在于：所述转子(10)的下端与自转弹性体(11)的接触为弹性接触；偏转驱动足(3)与转子(10)的接触为弹性接触。

3.如权利要求1所述的柱状多自由度超声电机，其特征在于：还设有位置检测传感器和频率扫描传感器。

4.如权利要求1所述的柱状多自由度超声电机，其特征在于：所述压电驱动偏转装置的环形压电陶瓷片组(7)沿厚度方向正负极化，环形压电陶瓷片组(7)按照极化方向一侧接地，另外一侧与外接电源线连接。

5.如权利要求4所述的柱状多自由度超声电机，其特征在于：所述环形压电陶瓷片组(7)分为内外两环，其中内环(7e)为单片压电陶瓷片，外环均匀分为4部分，分别为(7a)、(7b)、(7c)、(7d)，每部分空间上占90°，每片压电陶瓷片单独供电。

6.如权利要求1所述的柱状多自由度超声电机，其特征在于：所述自转压电陶瓷片组(12)均为环形结构且均沿厚度方向极化；自转压电陶瓷片组(12)黏贴于基座(13)上。

7.如权利要求6所述的柱状多自由度超声电机，其特征在于：所述自转压电陶瓷片组(12)包括3片压电陶瓷片，其中纵振压电陶瓷片(12c)为最内环；两片弯振压电陶瓷片(12a)、(12b)均分为两个极化方式相反的部分，其中自转压电陶瓷片组弯振外环和自转压电陶瓷片组弯振中环(12a)、(12b)排布呈90°，三片压电陶瓷片单独供电且按照极化方向一侧接地另外一侧与外接电源线连接其中。

8.如权利要求1-7中任一项所述的柱状多自由度超声电机，其特征在于：转子为球形弹性体。

9.如权利要求1-7中任一项所述的柱状多自由度超声电机，其特征在于：所述压电驱动偏转装置的偏转驱动足(3)为4个。

10.如权利要求1-7中任一项所述的柱状多自由度超声电机，其特征在于：所述自转压电陶瓷片组(12)黏贴在基座(13)上，基座(13)与电机底部(14)固定；基座(13)底部设有镂空排线处(13a)走自转压电陶瓷片组(12)引线；所述环形压电陶瓷片组(7)黏贴在刚体(5)的底面，刚体(5)固定在上端盖(6)下面。