CN110661445B - 一种并联式三自由度压电谐振自致动机构及其激励方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种并联式三自由度压电谐振自致动机构及其激励方法，属于压电驱动领域，可以用于精密驱动、医疗、微机械等领域。本发明是为了解决现有的三自由度压电自致动装置输出力较小、成本高、致动能力不足的问题。本发明的三自由度压电谐振自致动机构为换能器并联组合结构，所述该电谐振自致动机构包括四个结构完全相同的柱状压电换能器及其连接装置，自致动机构含四个驱动足用于组合致动。本发明所述该自致动机构的激励方法是根据平移或旋转运动的方式通过两相或四相电压激励信号分别激励四个柱状压电换能器各自有时序的纵振从而形成其组合纵振，带动驱动足运动，实现其在工作平面上的三自由度致动功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种并联式三自由度压电谐振自致动机构及其激励方法，更详细而言，涉及具有四个完全相同的柱状压电换能器及其连接机构的压电谐振自致动机构，并且通过采用其激励方法使得该压电谐振自致动机构可以实现其在平面上的三自由度致动功能，本发明属于压电驱动技术领域。
背景技术
压电自致动机构利用压电材料的逆压电效应将电能转化为振动体的振动能，并通过驱动足与工作表面的接触摩擦力将振动能转化为自致动机构本体的运动能，实现自致动机构的直线或旋转运动。
压电自致动机构的显著的优点是：容易实现机构尺寸的微小型化、定位精度高、响应速度快(微秒级)、结构简单灵活、不需传动环节、不需润滑、可在真空中应用、不产生磁场其本身也不受磁场的影响等。因此，压电致动方式已经在机器人、精密机械和生物医学工程等领域的微小型移动机构中获得了广泛应用。
目前压电自致动机构多数采用非谐振式激励方式，利用压电材料的伸缩变形带动机构运动，通常采用单一的压电装置直接替代执行机构，使得机构结构大大简化。非谐振式激励方式的优点是具有纳米级高精度，但缺点是驱动力小、速度慢。
压电自致动机构还可以采用谐振式激励方式，此时机构工作在谐振频率，运动机构实质上是工作在谐振状态的压电换能器，其驱动足振幅最大。与非谐振式激励方式相比，谐振式压电激励方式可以显著提升机构驱动力等驱动性能。采用谐振式激励方式的压电自致动机构在微小型压电机器人领域具有良好的发展前景。
采用单一压电装置的压电谐振自致动机构通常只能实现但单自由度、甚至仅为单方向运动。为了实现运动机构在工作平面上的三自由度运动，即沿工作平面两坐标轴的直线运动以及旋转运动，通常采用多个压电装置组合带动多个驱动足的方式构造自致动机构，通过对多个换能器的组合激励调整多个驱动足的合驱动力或驱动力矩实现运动机构在平面内的直线平移及旋转等多自由度自致动功能。
实现多自由度驱动、自致动系统的简化以及提升系统驱动性能均是微小型机器人发展的重要方向，也是技术难点。由于压电换能器的结构灵活、在多自由度驱动领域内具有发展前景，以及谐振式激励方式的优点，因此，采用多个具有多自由度驱动功能谐振式压电换能器组合构造微小型机器人的新型运动机构成为一种必然，是满足机构的多自由度自致动功能、电机系统简化、运动性能提升等目标的有效方法。
发明内容
本发明是为了实现压电自致动机构在工作平面上的三自由度致动功能，同时避免非谐振式压电自致动机构输出力较小、成本高、致动能力不足的问题，而提出一种并联式三自由度压电谐振自致动机构及其激励方法。
本发明提出的并联式三自由度压电谐振自致动机构，它包括四个柱状压电换能器及其连接装置，四个柱状压电换能器通过连接装置依次相连构成并联式结构。
所述四个柱状压电换能器的结构完全相同，任意相邻的两个柱状压电换能器通过连接梁和驱动梁连接，每个驱动梁上有一个驱动足。
并联式三自由度压电谐振自致动机构的工作原理及激励方法：选取直角坐标系，三轴分别为x、y、z，o为坐标系原点，xoy平面为水平工作面，提供两相具有π/2的相位差的周期性的正弦电压信号，选取两个相邻的柱状压电换能器且保证它们共同存在于一个与yoz平面平行的平面内，这两个柱状压电换能器构成一组，并将一相电压信号施加于该组换能器，激励其产生同步纵振；剩余的两个柱状压电换能器构成一组，将另一相电压信号施加于该组换能器，激励其产生同步纵振，两相电压信号所激励的两组柱状压电换能器形成具有π/2的相位差的组合纵振，换能器之间的驱动梁受组合纵振影响产生受迫振动，驱动梁上的驱动足产生椭圆运动轨迹，与工作平面接触产生沿x轴方向的摩擦推力推动自致动机构沿x轴方向平移直线运动；选取两个相邻的柱状压电换能器且保证它们共同存在于一个与xoz平面平行的平面内，这两个柱状压电换能器构成一组，将所述两相电压信号中的一相施加于该组柱状压电换能器并激励其产生同步纵振，另一相电压信号施加于剩余的两个柱状压电换能器并激励其产生同步纵振，两相电压信号所激励的两组柱状压电换能器形成具有π/2的相位差的组合纵振，换能器之间的驱动梁受组合纵振影响产生受迫振动，驱动梁上的驱动足产生椭圆运动轨迹，与工作平面接触产生沿x轴方向的摩擦推力推动自致动机构沿x轴方向平移直线运动；提供四相周期性的正弦电压信号，电压信号两两之间依次均具有递增或递减的π/2的相位差，所述四相电压信号依次施加于压电谐振自致动机构的四个柱状压电换能器并激励其产生具有时序性的纵振，带动四根驱动梁产生受迫振动，四根驱动梁上的四个驱动足产生椭圆运动轨迹，与工作平面接触产生绕z轴相同旋向的摩擦推力推动自致动机构绕z轴旋转运动，通过调整电压激励信号的电压幅值调整推力的大小以及运动机构的运动速度，通过上述方法，实现自致动机构的三自由度运动。
附图说明
图1是本发明所述的并联式三自由度压电谐振自致动机构的结构示意图；
图2是本发明所述的并联式三自由度压电谐振自致动机构的零部件分解图；
图3是图2中压电陶瓷组件10的分解图及压电陶瓷片极化方向示意图，“↑”、“↓”代表陶瓷片的极化方向。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1-图3说明本具体实施方式，本实施方式所述的并联式三自由度压电谐振自致动机构包括四个结构完全相同的柱状压电换能器1、2、3和4以及其共用的四根连接梁5、四根驱动梁6，
所述柱状压电换能器1、2、3和4的结构均相同，以柱状压电换能器1为例进行说明，柱状压电换能器1包含的零部件包含一个用于固定的螺钉7-1、一个端柱8-1、一个连接板9、两个压电陶瓷组件10-1、10-2，一个接地电极片11以及驱动端柱12，其中连接板9和驱动端柱12均为四个柱状压电换能器共用件。参考图1，所述四根连接梁5实际上是连接板9结构中不被四个柱状压电换能器所夹持的部分，所述四根驱动梁6实际上是驱动端柱12结构中不包含在四个柱状压电换能器中的部分。
并联式三自由度压电谐振自致动机构共包含八组结构完全相同的压电陶瓷组件，每个柱状压电换能器包含两组压电陶瓷组件，每组压电陶瓷组件包含左右两个结构完全相同但极化方向相反的压电陶瓷片13以及居中放置的一片电极片14，压电陶瓷组件的结构及极化方向均如如图3所示。
所述的并联式三自由度压电谐振自致动机构除压电陶瓷片以外，其它零件均为金属材质。
四根驱动梁6上均有一个凸起的结构特征，该结构特征与xoy平面接触的点设定为一个驱动足，因此所述并联式三自由度压电谐振自致动机构含有四个驱动足。
具体实施方案二、本实施方式与具体实施方式一所述的并联式三自由度压电谐振自致动机构不同点在于，为柱状换压电能器提供四相具有π/2的相位差的周期性的正弦电压信号Va、Vb、Vc、Vd，四相电压信号可分别为Va＝Vmsin(ωt)、Vb＝Vmsin(ωt+π/2)、Vc＝Vmsin(ωt+π)、Vd＝Vmsin(ωt+3π/2)，其中Vm表示电压信号的幅值，电压信号的频率ω与所需激励的柱状压电换能器的一阶纵振固有频率趋近或一致。
本实施方式中，设定工作平面：先设定笛卡尔直角坐标系，三轴分别为x、y、z，o为坐标系原点，选取xoy平面为水平工作面，压电谐振自致动机构放置在xoy工作平面上，通过四个驱动足与工作平面接触。
本实施方式中，压电谐振自致动机构在xoy工作平面上的沿x轴方向平移运动的激励方法为：将电压信号Va(或Vb)施加于与yoz平面平行的两个柱状压电换能器1、4包含的所有压电陶瓷组件上，将柱状压电换能器1、4视为换能器组A，将电压信号Vb(或Va)施加于剩余的两个柱状压电换能器2、3包含的所有压电陶瓷组件上，将柱状压电换能器2、3视为换能器组B，压电谐振自致动机构的其它金属件接地，电压信号激励各个换能器产生沿其轴线方向的周期性伸缩变形，实现一阶纵振激励，由于换能器组A、B的激励电压信号存在相位差，则其振动时序不同，换能器组A、B之间的两根驱动梁受纵振影响产生受迫振动，梁上的驱动足产生椭圆运动轨迹，与工作平面接触产生沿x轴方向的摩擦推力推动该并联式三自由度压电谐振自致动机构沿x轴方向平移直线运动，通过调节电压信号的幅值可以改变换能器的振动幅值进而改变自致动机构驱动力的大小及平移运动速度，通过调整电压信号Va、Vb之间相位差为π/2或-π/2可以改变自致动机构平移方向；
本实施方式中，压电谐振自致动机构在xoy工作平面上的沿y轴方向平移运动的激励方法为：将电压信号Va(或Vb)施加于与xoz平面平行的两个柱状压电换能器1、2包含的所有压电陶瓷组件上，将柱状压电换能器1、2视为换能器组C，将电压信号Vb(或Va)施加于与平行的剩余的两个柱状压电换能器3、4包含的所有压电陶瓷组件上，将柱状压电换能器3、4视为换能器组D，压电谐振自致动机构的其它金属件接地，电压信号激励各个换能器产生一阶纵振，由于换能器组C、D的激励电压信号存在相位差，则其振动时序不同，换能器组C、D之间的两根驱动梁受纵振影响产生受迫振动，梁上的驱动足产生椭圆运动轨迹，与工作平面接触产生沿y轴方向的摩擦推力推动该并联式三自由度压电谐振自致动机构沿x轴方向平移直线运动，通过调节电压信号的幅值可以改变换能器的振动幅值进而改变自致动机构驱动力的大小及平移运动速度，通过调整电压信号Va、Vb之间相位差为π/2或-π/2可以改变自致动机构平移方向；
本实施方式中，压电谐振自致动机构在xoy工作平面上绕z轴的旋转运动的激励方法为：将所述电压信号Va、Vb、Vc、Vd分别施加于与四个柱状压电换能器1、2、3、4各自所包含的所有压电陶瓷组件上，压电谐振自致动机构的其它金属件接地，电压信号激励各个换能器产生一阶纵振，任意相邻的两个换能器的纵振均具有π/2的相位差，四根驱动梁受换能器纵振带动产生受迫振动，四根驱动梁上的四个驱动足产生椭圆运动轨迹，与工作平面接触产生绕z轴相同旋向的摩擦推力推动自致动机构绕z轴旋转运动，通过调节电压信号的幅值可以改变换能器的振动幅值进而改变自致动机构驱动力的大小及旋转运动速度，通过调整四项电压信号Va、Vb、Vc、Vd之间相位差依次上升π/2或下降π/2可以改变自致动机构旋转方向。通过上述方法，可以实现自致动机构的三自由度运动。
具体实施方案三、本实施方式与具体实施方式一所述的并联式三自由度压电谐振自致动机构不同点在于，每个压电陶瓷片均由压电体和一对电极涂层组成，组成这一对电极涂层的两个涂层分别位于压电体的双侧正方形表面上。
本实施方式所述的压电体由锆钛酸铅类压电陶瓷形成，但不限于锆钛酸铅类压电陶瓷，也可以是聚偏氟乙烯、氮化铝等其它压电材料形成的压电体。所述的电极涂层采用在压电陶瓷片表面设置的Al、Cu、Ag、Ag-Pd合金等适当的金属材料涂层实现。
具体实施方案四、结合图1说明本具体实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的并联式三自由度压电谐振自致动机构不同点在于，本实施方式所述的驱动梁6为平梁带凸起的驱动足的结构特征，但不限于该连接方式，也可以采用其它有效的梁结构连接各柱状压电换能器并充当驱动足的作用。
具体实施方案五、结合图1和图2说明本具体实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的并联式三自由度压电谐振自致动机构不同点在于，本实施方式所述的柱状压电换能器1、2、3、4均包含两个压电陶瓷组件10以及夹在两者之间的一个接地电极片11，但但不限于该数量的压电陶瓷组件及接地电极片，也可以采用包含m个压电陶瓷组件10以及m-1个接地电极片11，每两个压电陶瓷组件10中间夹一片接地电极片11的结构。
具体实施方案六、本实施方式与具体实施方式一所述的并联式三自由度压电谐振自致动机构不同点在于，本实施方式所述的柱状压电换能器1、2、3和4具有正方形截面形状，但不限于正方形截面形状，也可以采用圆形截面形状，对应的陶瓷片采用带内孔的圆形薄片结构，陶瓷片内径、外径与圆形端柱内径、外径一致。
具体实施方案七、本实施方式与具体实施方式一所述的并联式三自由度压电谐振自致动机构不同点在于，本实施方式所述的柱状压电换能器为夹心式柱状压电换能器，但压电陶瓷的固定方式不限于夹心式结构，也可以是贴片式、沉积或其它有效连接方式。
Claims (3)
1.权利要求1请求保护一种并联式三自由度压电谐振自致动机构，其特征在于，它包括由四个结构完全相同的柱状压电换能器(1、2、3和4)以及其共用的连接梁(5)、驱动梁(6)构成的换能器并联组合结构自致动机构，所述每个柱状压电换能器均包含的零部件为一个用于固定的螺钉(7)、一个端柱(8)、一个连接板(9)、m个压电陶瓷组件(10)、m-1个接地电极片(11)以及驱动端柱(12)，其中连接板(9)和驱动端柱(12)均为四个柱状压电换能器共用件，四个驱动梁的凸起结构特征上与工作平面的接触点作为驱动足，驱动足共四个，所述各压电陶瓷组件均由两片压电陶瓷片及一片居中放置的电极片组成，所有压电陶瓷片均沿厚度方向极化。
2.根据权利要求1所述的并联式三自由度压电谐振自致动机构，其特征在于，每片压电陶瓷片均由压电体和一对电极涂层组成，组成这一对电极涂层的两个涂层分别位于压电体的双侧正方形表面上。
3.一种根据权利要求1所述的并联式三自由度压电谐振自致动机构的驱动方法为：先设定笛卡尔直角坐标系，三轴分别为x、y、z，o为坐标系原点，xoy平面为水平工作面，提供两相具有π/2的相位差的周期性的正弦电压信号，选取两个相邻的柱状压电换能器且保证它们共同存在于一个与yoz平面平行的平面内，这两个柱状压电换能器构成一组，并将一相电压信号施加于该组换能器包含的所有压电陶瓷组件上，激励其产生同步纵振；剩余的两个柱状压电换能器构成一组，将另一相电压信号施加于该组换能器包含的所有压电陶瓷组件上，激励其产生同步纵振，柱状换能器的其它金属件接地，两相电压信号所激励的两组柱状压电换能器形成具有π/2的相位差的组合纵振，换能器之间的驱动梁受组合纵振影响产生受迫振动，带动驱动梁上的驱动足产生椭圆运动轨迹，与工作平面接触产生沿x轴方向的摩擦推力推动自致动机构沿x轴方向平移直线运动；选取两个相邻的柱状压电换能器且保证它们共同存在于一个与xoz平面平行的平面内，这两个柱状压电换能器构成一组，并将所述一相电压信号施加于该组换能器包含的所有压电陶瓷组件上，激励其产生同步纵振；剩余的两个柱状压电换能器构成一组，将所述另一相电压信号施加于该组换能器包含的所有压电陶瓷组件上，激励其产生同步纵振，柱状换能器的其它金属件接地，两相电压信号所激励的两组柱状压电换能器形成具有π/2的相位差的组合纵振，换能器之间的驱动梁受组合纵振影响产生受迫振动，驱动梁上的驱动足产生椭圆运动轨迹，与工作平面接触产生沿y轴方向的摩擦推力推动自致动机构沿y轴方向平移直线运动；提供四相周期性的正弦电压信号，电压信号两两之间依次均具有递增或递减的π/2的相位差，所述四相电压信号依次施加于压电谐振自致动机构的四个柱状压电换能器并激励其产生具有时序性的纵振，带动四根驱动梁产生受迫振动，四根驱动梁上的四个驱动足产生椭圆运动轨迹，与工作平面接触产生绕z轴相同旋向的摩擦推力推动自致动机构绕z轴旋转运动；通过调整电压激励信号的电压幅值调整推力的大小以及运动机构的运动速度，通过调整实际驱动所用到的两相或四相电压信号之间相位差依次上升π/2或下降π/2可以改变自致动机构旋转方向，通过上述方法，实现自致动机构的三自由度运动。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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