CN110838803B - 一种超声波近场悬浮驱动系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超声波近场悬浮驱动系统，该系统根据压电驱动原理和超声波近场悬浮理论，下置的弯振压电换能器的超声频弯曲振动在辐射圆盘上表面上可产生挤压气膜，进而产生悬浮力使转子悬浮起来，借助转子下表面的纹理结构可使转子保持在辐射圆盘中心位置，提高了悬浮稳定性。上置的纵振压电换能器产生纵振声场，借助转子上表面的纹理结构可驱动转子沿固定方向旋转。通过改变转子上表面纹理方向，可实现转子旋转方向的改变。本发明采用两个压电换能器产生的声场实现对转子的稳定悬浮和定向驱动。本发明用于各种非接触操作或驱动的场合，也可应用于微小型陀螺仪系统中。
Description
技术领域
本发明属于悬浮驱动技术领域，特别涉及一种超声波近场悬浮驱动系统。
背景技术
随着时代的发展，许多材料对表面精度的要求越来越高，传统接触式的操作方式有许多弊端，如在接触的过程中产生的微小颗粒会划伤材料表面、接触部位会产生污染、材料产生磨损变形等缺陷。而使用非接触操作对材料进行加工处理，可降低机械磨损，局部变形小，避免接触过程中污染材料，降低次品率以提高加工效率。非接触操作技术有磁悬浮、光悬浮、静电悬浮、气压悬浮、超声波悬浮等。但磁悬浮要求必须是导磁材料且系统较复杂，光悬浮产生的悬浮力很小，静电悬浮只适用于低温环境，气压悬浮需要外部供气过滤装置结构复杂。而超声波近场悬浮技术相比其他悬浮技术而言，整体结构简单紧凑，对被悬浮物体材料的物理性质和外部环境无特殊要求，具有可观的悬浮效果和驱动力。
超声波近场悬浮驱动系统是一种新型的非接触式驱动器，它具有能耗低、无污染、摩擦小、承载能力大、悬浮稳定和使用寿命长等特点，且不存在自锁问题。
发明内容
本发明提供一种超声波近场悬浮驱动系统，以解决现有技术中的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种超声波近场悬浮驱动系统，包括可调支架、弯振压电换能器、纵振压电换能器和转子；
所述可调支架包括安装于纵向立柱上且呈上下设置的上导套和下导套，所述上导套和下导套均能够相对于立柱上下滑动，所述上导套上安装有上滑块，下导套上安装有下滑块；
所述弯振压电换能器包括辐射圆盘、阶梯型变幅杆、节面法兰A、和预紧螺栓A，所述阶梯型变幅杆的顶部设置有辐射圆盘，所述阶梯型变幅杆的外壁上套设有节面法兰A，节面法兰A固定连接于下滑块上，所述阶梯型变幅杆的下端面设置有纵向交替排布的压电陶瓷片A和铜电极片A，位于最下一层的铜电极片A底部设置有后盖板A，预紧螺栓A依次固定连接后盖板A、交替排布的压电陶瓷片A和铜电极片A，以及阶梯型变幅杆；
所述纵振压电换能器包括后盖板B、预紧螺栓B、节面法兰B和喇叭形变幅杆，所述后盖板B的下端面设置有纵向交替排布的铜电极片B和压电陶瓷片B，位于最下一层的压电陶瓷片B底部设置有喇叭形变幅杆，预紧螺栓B依次固定连接后盖板B、交替排布的铜电极片B和压电陶瓷片B，以及喇叭形变幅杆，所述喇叭形变幅杆的外壁上套设有节面法兰B，节面法兰B固定连接上滑块；
所述辐射圆盘的上端面与喇叭形变幅杆的下端面同轴设置，所述辐射圆盘的上端面与喇叭形变幅杆的下端面之间设置有转子，在正弦交流电压激励下，纵振压电换能器输出纵向振动；弯振压电换能器输出弯曲振动。
作为一个优选方案，所述立柱的下端固定安装于支撑平台上，与上滑块横向相邻的上导套的外壁上设置有上导套调整旋钮，与下滑块横向相邻的下导套的外壁上设置有下导套调整旋钮，所述立柱与上导套重合的上端设置有上导套固定旋钮，所述立柱与下导套重合的下端设置有下导套固定旋钮。
作为一个优选方案，所述预紧螺栓A自后盖板A的下端面依次插入后盖板A、交替排布的压电陶瓷片A和铜电极片A，以及阶梯型变幅杆的下端面；所述预紧螺栓A与交替排布的压电陶瓷片A和铜电极片A之间设置有绝缘套管A。
作为一个优选方案，所述辐射圆盘与阶梯型变幅杆采用同种材料，且连接为一体式。
作为一个优选方案，所述预紧螺栓B自后盖板B的上端面依次插入后盖板B、交替排布的铜电极片B和压电陶瓷片B，以及喇叭形变幅杆的上端面；所述预紧螺栓B与交替排布的铜电极片B和压电陶瓷片B之间设置有绝缘套管B。
作为一个优选方案，所述弯振压电换能器和纵振压电换能器均为夹心式压电换能器结构，所述弯振压电换能器和纵振压电换能器的激励源压电陶瓷片A和压电陶瓷片B采用了发射型的压电陶瓷-锆钛酸铅系PZT-8，具体地讲，所述压电陶瓷片A和压电陶瓷片B采用相同规格的PZT-8圆环形压电陶瓷片，为保证压电陶瓷片A和压电陶瓷片B产生的纵波振动能量向辐射圆盘方向传递，所述辐射圆盘、阶梯型变幅杆和喇叭形变幅杆采用声阻抗率较低的材料-钛合金TC4，后盖板A、后盖板B、预紧螺栓A和预紧螺栓B采用声阻抗率较高的材料-不锈钢SUS304。
作为一个优选方案，所述下滑块与节面法兰A采用螺栓连接，所述上滑块与节面法兰B采用螺栓连接；为保证下滑块与弯振压电换能器的装配精度以及上滑块与纵振压电换能器的装配精度，所述下滑块与节面法兰A接触面以及上滑块与节面法兰B接触面上均加工一个止口。
作为一个优选方案，所述弯振压电换能器和纵振压电换能器均包括4片压电陶瓷片和4片铜电极片，4片压电陶瓷片和4片铜电极片纵向交替排布，所述铜电极片的内径和外径均与压电陶瓷片的内径和外径相同，所述铜电极片的厚度约为0.2mm，所述铜电极片外缘突出部分焊接有线缆。
作为一个优选方案，所述转子的上表面设置有若干根周向等间隔的线性沟槽，线性沟槽的周向截面形状为直角三角形，作用于转子上表面的声场可产生对转子的回转驱动力；所述转子的下表面设置有若干根径向间隔相同的圆形沟槽，圆形沟槽的径向截面形状为直角三角形，作用于转子下表面的声场可产生对转子的向心保持力。
作为一个优选方案，所述压电陶瓷片通过陶瓷粘接剂(聚酰胺树脂与环氧树脂按体积比为1:1混合)与铜电极片、阶梯型变幅杆或喇叭形变幅杆粘接，施加适当的螺栓预紧力使压电陶瓷片始终工作在受压模式下。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明结构设计简单紧凑且科学合理。不需要其他的外部供气过滤装置，所以系统紧凑体积较小，可用于一些微小的装置。结构简单科学，安装在可调支架上的弯振压电换能器通过超声频振动产生悬浮力，实现转子的悬浮。安装在可调支架上的纵振压电换能器通过超声频振动产生纵振声场产生驱动力，结合转子上表面的纹理结构，实现转子的驱动。
2、本发明不受被悬浮物体材料和外部环境的影响，可以是金属材料也可以是非金属材料，可以是导体也可以是绝缘体。对环境无特殊要求，且对周围环境设备影响较小。
3、本发明负载能力大，可悬浮起几十千克的材料，且悬浮高度可控。
4、本发明利用转子下表面的纹理结构将转子保持在辐射圆盘中心位置，具有较好的悬浮稳定性，悬浮精度较高。
5、本发明利用转子上表面的纹理结构，可驱动转子旋转，且通过纹理结构的形状可改变转子的旋转方向。
6、本发明工作介质为空气，安全可靠且无污染，能耗较低，摩擦小。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的主视图；
图3是本发明的侧视图；
图4是本发明中下置弯振压电换能器的结构示意图；
图5是本发明中下置弯振压电换能器的主视图；
图6是本发明中图5的A-A剖面图；
图7是本发明中上置纵振压电换能器的结构示意图；
图8是本发明中上置纵振压电换能器的主视图；
图9是本发明中图8的B-B剖面图；
图10是本发明中转子的结构示意图；
图11是本发明中图10的C-C剖面图；
图12是本发明中图10的横向剖面图；
图13是本发明中图10的反面示意图；
图14是发明中转子的正面示意图；
图15是发明中转子的反面示意图；
图16是发明中超声波近场悬浮驱动系统工作原理示意图；
图17是发明中转子受驱动力和旋转方向示意图；
图18是发明中压电陶瓷叠堆激励方式的布置状态示意图，其中：箭头方向分别表示压电陶瓷片的极化方向；
图19是发明中铜电极片的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。
如图1-19所示，一种超声波近场悬浮驱动系统，包括可调支架1、弯振压电换能器2、纵振压电换能器3和转子4；所述可调支架1包括安装于纵向立柱1-2上且呈上下设置的上导套1-9和下导套1-5，所述上导套1-9和下导套1-5均能够相对于立柱1-2上下滑动，所述上导套1-9上安装有上滑块1-10，下导套1-5上安装有下滑块1-6；所述弯振压电换能器2包括辐射圆盘2-1、阶梯型变幅杆2-2、节面法兰A2-3、和预紧螺栓A2-8，所述阶梯型变幅杆2-2的顶部设置有辐射圆盘2-1，所述阶梯型变幅杆2-2的外壁上套设有节面法兰A2-3，节面法兰A2-3固定连接于下滑块1-6上，所述阶梯型变幅杆2-2的下端面设置有纵向交替排布的压电陶瓷片A2-4和铜电极片A2-5，位于最下一层的铜电极片A2-5底部设置有后盖板A2-7，预紧螺栓A2-8依次固定连接后盖板A2-7、交替排布的压电陶瓷片A2-4和铜电极片A2-5，以及阶梯型变幅杆2-2；所述纵振压电换能器3包括后盖板B3-1、预紧螺栓B3-2、节面法兰B3-6和喇叭形变幅杆3-7，所述后盖板B3-1的下端面设置有纵向交替排布的铜电极片B3-3和压电陶瓷片B3-4，位于最下一层的压电陶瓷片B3-4底部设置有喇叭形变幅杆3-7，预紧螺栓B3-2依次固定连接后盖板B3-1、交替排布的铜电极片B3-3和压电陶瓷片B3-4，以及喇叭形变幅杆3-7，所述喇叭形变幅杆3-7的外壁上套设有节面法兰B3-6，节面法兰B3-6固定连接上滑块1-10；所述辐射圆盘2-1的上端面与喇叭形变幅杆3-7的下端面同轴设置，所述辐射圆盘2-1的上端面与喇叭形变幅杆3-7的下端面之间设置有转子4，在正弦交流电压激励下，纵振压电换能器3输出纵向振动；弯振压电换能器2输出弯曲振动。
具体地讲，所述立柱1-2的下端固定安装于支撑平台1-1上，与上滑块1-10横向相邻的上导套1-9的外壁上设置有上导套调整旋钮1-8，与下滑块1-6横向相邻的下导套1-5的外壁上设置有下导套调整旋钮1-4，所述立柱1-2与上导套1-9重合的上端设置有上导套固定旋钮1-7，所述立柱1-2与下导套1-5重合的下端设置有下导套固定旋钮1-3，所述预紧螺栓A2-8自后盖板A2-7的下端面依次插入后盖板A2-7、交替排布的压电陶瓷片A2-4和铜电极片A2-5，以及阶梯型变幅杆2-2的下端面；所述预紧螺栓A2-8与交替排布的压电陶瓷片A2-4和铜电极片A2-5之间设置有绝缘套管A2-6；所述辐射圆盘2-1与阶梯型变幅杆2-2采用同种材料，且连接为一体式；所述预紧螺栓B3-2自后盖板B3-1的上端面依次插入后盖板B3-1、交替排布的铜电极片B3-3和压电陶瓷片B3-4，以及喇叭形变幅杆3-7的上端面；所述预紧螺栓B3-2与交替排布的铜电极片B3-3和压电陶瓷片B3-4之间设置有绝缘套管B3-5。
具体地讲，所述弯振压电换能器2和纵振压电换能器3均为夹心式压电换能器结构，所述弯振压电换能器2和纵振压电换能器3的激励源压电陶瓷片A2-4和压电陶瓷片B3-4采用了发射型的压电陶瓷-锆钛酸铅系PZT-8，具体地讲，所述压电陶瓷片A2-4和压电陶瓷片B3-4采用相同规格的PZT-8圆环形压电陶瓷片，为保证压电陶瓷片A2-4和压电陶瓷片B3-4产生的纵波振动能量向辐射圆盘2-1方向传递，所述辐射圆盘2-1、阶梯型变幅杆2-2和喇叭形变幅杆3-7采用声阻抗率较低的材料-钛合金TC4，后盖板A2-7、后盖板B3-1、预紧螺栓A2-8和预紧螺栓B3-2采用声阻抗率较高的材料-不锈钢SUS304。优选地，所述喇叭形变幅杆3-7自上至下逐渐增大。
作为一个优选方案，所述下滑块1-6与节面法兰A2-3采用螺栓连接，所述上滑块1-10与节面法兰B3-6采用螺栓连接；为保证下滑块1-6与弯振压电换能器2的装配精度以及上滑块1-10与纵振压电换能器3的装配精度，所述下滑块1-6与节面法兰A2-3接触面以及上滑块1-10与节面法兰B3-6接触面上均加工一个止口。
作为一个优选方案，所述弯振压电换能器2和纵振压电换能器3均包括4片压电陶瓷片和4片铜电极片，4片压电陶瓷片和4片铜电极片纵向交替排布，所述铜电极片的内径和外径均与压电陶瓷片的内径和外径相同，所述铜电极片的厚度约为0.2mm，所述铜电极片外缘突出部分焊接有线缆。
作为一个优选方案，所述转子4的上表面设置有若干根周向等间隔的线性沟槽，线性沟槽的周向截面形状为直角三角形，作用于转子上表面的声场可产生对转子的回转驱动力；所述转子4的下表面设置有若干根径向间隔相同的圆形沟槽，圆形沟槽的径向截面形状为直角三角形，作用于转子下表面的声场可产生对转子的向心保持力。优选地，所述压电陶瓷片通过陶瓷粘接剂(聚酰胺树脂与环氧树脂按体积比为1:1混合)与铜电极片、阶梯型变幅杆2-2或喇叭形变幅杆3-7粘接，施加适当的螺栓预紧力使压电陶瓷片始终工作在受压模式下。
本发明的工作过程：
在可调支架1上装有上导套1-9、上滑块1-10、上导套调整旋钮1-8、下导套1-5、下滑块1-6和下导套调整旋钮1-4。下滑块1-6与弯振压电换能器2的节面法兰2-3连接采用螺栓连接，上滑块1-10与纵振压电换能器3的节面法兰3-6连接亦采用螺栓连接。通过调整上导套调整旋钮1-8和下导套调整旋钮1-4可实现弯振压电换能器2和纵振压电换能器3的上下移动。弯振压电换能器2的压电陶瓷片A2-4在高频交流电压激励下产生超声频振动，超声频振动通过变幅杆2-2传递给辐射圆盘2-1，辐射圆盘2-1表面产生气体挤压膜，由此产生的悬浮力会克服转子4的自身重力把转子4悬浮起来。利用转子4下表面的径向间隔相同的圆形沟槽产生向心保持力，使转子4悬浮保持在辐射圆盘2-1的中心位置，提高了悬浮稳定性。纵振压电换能器3的压电陶瓷片B3-4在高频交流电压激励下产生超声频振动，超声频振动传递给喇叭形变幅杆3-7，喇叭形变幅杆3-7的表面会输出一种纵向振动。利用转子4上表面周向等间隔的线性沟槽，作用在转子4上表面的声场会产生一种定向的驱动力，这种驱动力会驱动转子4产生定向的转动。如果改变转子4上表面线性沟槽的截面形状即可改变驱动力的方向，使转子反向转动。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种超声波近场悬浮驱动系统，其特征在于：包括可调支架(1)、弯振压电换能器(2)、纵振压电换能器(3)和转子(4)；
所述可调支架(1)包括安装于纵向立柱(1-2)上且呈上下设置的上导套(1-9)和下导套(1-5)，所述上导套(1-9)和下导套(1-5)均能够相对于立柱(1-2)上下滑动，所述上导套(1-9)上安装有上滑块(1-10)，下导套(1-5)上安装有下滑块(1-6)；
所述弯振压电换能器(2)包括辐射圆盘(2-1)、阶梯型变幅杆(2-2)、节面法兰A(2-3)、和预紧螺栓A(2-8)，所述阶梯型变幅杆(2-2)的顶部设置有辐射圆盘(2-1)，所述阶梯型变幅杆(2-2)的外壁上套设有节面法兰A(2-3)，节面法兰A(2-3)固定连接于下滑块(1-6)上，所述阶梯型变幅杆(2-2)的下端面设置有纵向交替排布的压电陶瓷片A(2-4)和铜电极片A(2-5)，位于最下一层的铜电极片A(2-5)底部设置有后盖板A(2-7)，预紧螺栓A(2-8)依次固定连接后盖板A(2-7)、交替排布的压电陶瓷片A(2-4)和铜电极片A(2-5)，以及阶梯型变幅杆(2-2)；
所述纵振压电换能器(3)包括后盖板B(3-1)、预紧螺栓B(3-2)、节面法兰B(3-6)和喇叭形变幅杆(3-7)，所述后盖板B(3-1)的下端面设置有纵向交替排布的铜电极片B(3-3)和压电陶瓷片B(3-4)，位于最下一层的压电陶瓷片B(3-4)底部设置有喇叭形变幅杆(3-7)，预紧螺栓B(3-2)依次固定连接后盖板B(3-1)、交替排布的铜电极片B(3-3)和压电陶瓷片B(3-4)，以及喇叭形变幅杆(3-7)，所述喇叭形变幅杆(3-7)的外壁上套设有节面法兰B(3-6)，节面法兰B(3-6)固定连接上滑块(1-10)；
所述辐射圆盘(2-1)的上端面与喇叭形变幅杆(3-7)的下端面同轴设置，所述辐射圆盘(2-1)的上端面与喇叭形变幅杆(3-7)的下端面之间设置有转子(4)，在正弦交流电压激励下，纵振压电换能器(3)输出纵向振动；弯振压电换能器(2)输出弯曲振动；
所述转子(4)的上表面设置有若干根周向等间隔的线性沟槽，线性沟槽的周向截面形状为直角三角形；所述转子(4)的下表面设置有若干根径向间隔相同的圆形沟槽，圆形沟槽的径向截面形状为直角三角形。
2.根据权利要求1所述的一种超声波近场悬浮驱动系统，其特征在于：所述立柱(1-2)的下端固定安装于支撑平台(1-1)上，与上滑块(1-10)横向相邻的上导套(1-9)的外壁上设置有上导套调整旋钮(1-8)，与下滑块(1-6)横向相邻的下导套(1-5)的外壁上设置有下导套调整旋钮(1-4)，所述立柱(1-2)与上导套(1-9)重合的上端设置有上导套固定旋钮(1-7)，所述立柱(1-2)与下导套(1-5)重合的下端设置有下导套固定旋钮(1-3)。
3.根据权利要求1所述的一种超声波近场悬浮驱动系统，其特征在于：所述预紧螺栓A(2-8)自后盖板A(2-7)的下端面依次插入后盖板A(2-7)、交替排布的压电陶瓷片A(2-4)和铜电极片A(2-5)，以及阶梯型变幅杆(2-2)的下端面；所述预紧螺栓A(2-8)与交替排布的压电陶瓷片A(2-4)和铜电极片A(2-5)之间设置有绝缘套管A(2-6)。
4.根据权利要求1所述的一种超声波近场悬浮驱动系统，其特征在于：所述辐射圆盘(2-1)与阶梯型变幅杆(2-2)采用同种材料，且连接为一体式。
5.根据权利要求1所述的一种超声波近场悬浮驱动系统，其特征在于：所述预紧螺栓B(3-2)自后盖板B(3-1)的上端面依次插入后盖板B(3-1)、交替排布的铜电极片B(3-3)和压电陶瓷片B(3-4)，以及喇叭形变幅杆(3-7)的上端面；所述预紧螺栓B(3-2)与交替排布的铜电极片B(3-3)和压电陶瓷片B(3-4)之间设置有绝缘套管B(3-5)。
6.根据权利要求1所述的一种超声波近场悬浮驱动系统，其特征在于：所述弯振压电换能器(2)和纵振压电换能器(3)均为夹心式压电换能器结构，所述弯振压电换能器(2)和纵振压电换能器(3)的激励源压电陶瓷片A(2-4)和压电陶瓷片B(3-4)采用了相同规格的PZT-8圆环形压电陶瓷片，所述辐射圆盘(2-1)、阶梯型变幅杆(2-2)和喇叭形变幅杆(3-7)的材质为钛合金TC4，所述后盖板A(2-7)、后盖板B(3-1)、预紧螺栓A(2-8)和预紧螺栓B(3-2)的材质为不锈钢SUS304。
7.根据权利要求2所述的一种超声波近场悬浮驱动系统，其特征在于：所述下滑块(1-6)与节面法兰A(2-3)采用螺栓连接，所述上滑块(1-10)与节面法兰B(3-6)采用螺栓连接；所述下滑块(1-6)与节面法兰A(2-3)接触面以及上滑块(1-10)与节面法兰B(3-6)接触面上均加工一个止口。
8.根据权利要求1所述的一种超声波近场悬浮驱动系统，其特征在于：所述弯振压电换能器(2)和纵振压电换能器(3)均包括4片压电陶瓷片和4片铜电极片，4片压电陶瓷片和4片铜电极片纵向交替排布，所述铜电极片的内径和外径均与压电陶瓷片的内径和外径相同，所述铜电极片的厚度为0.2mm，所述铜电极片外缘突出部分焊接有线缆。
9.根据权利要求8所述的一种超声波近场悬浮驱动系统，其特征在于：所述压电陶瓷片通过陶瓷粘接剂与铜电极片、阶梯型变幅杆(2-2)或喇叭形变幅杆(3-7)粘接。
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