CN110995056B - 一种同步冲击压电马达 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种同步冲击压电马达，属于精密驱动与定位技术领域。包括驱动机构和箝位机构；驱动机构包括驱动支座和输出机构；输出机构包括输出轴、金属块、一对弹性振子和一对驱动压电片；箝位机构包括箝位支座、止动环和一对箝位压电片；采用正弦信号与方波信号同步控制，向一对驱动压电片输入正弦信号，一对压电振子在一个周期内带动输出轴实现正转或反转交替的转动；向一对驱动压电片输入方波信号，一对箝位压电片在一个周期内实现伸长或缩短以推动止动环的张合，实现箝位过程；同时向一对驱动压电片和一对箝位压电片分别输入频率相等的正弦信号或方波信号，使驱动动作和箝位动作同步进行工作，以实现马达的连续转动；大大提高了工作效率。
Description
技术领域
本发明属于精密驱动与定位技术领域，具体涉及一种同步冲击压电马达。
背景技术
压电马达是利用压电材料的逆压电效应来实现电能到机械能的转换。近年来，压电马达由于其体积小，功率密度大，响应快，无电磁干扰等优点广泛应用于精密驱动与定位、生物技术、医疗设备、航天科技等领域。根据驱动原理，压电陶瓷（PZT马达可分为超声马达和准静态马达）。超声马达一般由摩擦力驱动。通过行波或驻波在定子与转子之间高频传播。由于超声马达的高频特性，可以实现相对较高的工作速度，但是由于摩擦力的作用，定子和转子的材料很快就会磨损，马达的效率和使用寿命受到驱动原理的限制。准静态马达的频率相对较低，如尺蠖马达。尺蠖马达通过夹紧单元和驱动振子的配合实现单向运动。由于电机在准静态下的运行频率较低，大多数蜗杆电机的速度都很低。但是使用寿命比超声波马达长很多。
发明内容
为了提高压电马达的效率和使用寿命，本发明提供一种同步冲击压电马达。
一种同步冲击压电马达由驱动机构和箝位机构组成；
所述驱动机构包括驱动支座9和输出机构；
所述驱动支座9为U型支座；
所述输出机构包括输出轴1、金属块6、一对弹性振子8和一对驱动压电片5，输出机构通过输出轴1设于驱动支座9内；所述金属块6固定套设于输出轴1中部，一对弹性振子8对称设于金属块6两侧，一块驱动压电片设于一个弹性振子8的上表面上，另一块驱动压电片设于另一个弹性振子8的下表面上；
所述箝位机构包括箝位支座11、止动环12和一对箝位压电片2；
所述箝位支座11上部开设有空腔，空腔顶部的箝位支座11上开设有开口槽111，开口槽111之间由预紧螺栓3连接，止动环12设于箝位支座11的空腔内中部，一对箝位压电片2设于止动环12两侧，且位于箝位支座11的空腔内；所述止动环12固定套设在输出轴1的一端上，所述箝位支座11固定设于驱动支座9的一侧；
工作时，向一对驱动压电片5输入正弦信号，一对弹性振子8在一个周期内带动输出轴1实现正转或反转交替的转动；向一对驱动压电片5输入方波信号，一对箝位压电片2在一个周期内实现伸长或缩短以推动止动环12的张合，实现箝位过程；同时向一对驱动压电片5和一对箝位压电片2分别输入频率相等的正弦信号或方波信号，使驱动动作和箝位动作同步进行，以实现马达的连续转动。
进一步限定的技术方案如下：
所述输出轴1的轴向两侧分别通过轴承设于驱动支座9上；所述金属块6的横截面呈工字型，金属块6的顶面和底面分别开设有窄槽63，垂直于窄槽63的金属块6上分别开设一个通孔61和一个螺纹孔62，螺纹孔62内配合设有螺栓7；一对弹性振子8的一端分别插设在对应的窄槽63内，且通过螺栓7固定弹性振子8。
所述止动环12为柱状，上部中间开设有贯通顶部的止动槽，止动槽的中部为环形槽，与环形槽对应的止动环12上部两侧外部分别开设有沿垂直方向的安装槽，一对箝位压电片2的一端分别固定嵌设于对应的安装槽内，使一对箝位压电片2对称位于环形槽两侧；止动环12直立设于箝位支座11上部的空腔113内，所述空腔113为矩形空腔，且一对箝位压电片2位于矩形空腔内上部，一对箝位压电片2的另一端固定连接着空腔113的内壁。
垂直于开口槽111的箝位支座11上开设有螺纹孔112，螺纹孔112内配合设有预紧螺栓3，通过预紧螺栓3调节开口槽的开度。
所述驱动压电片5的材料和箝位压电片2的材料均为PZT-4型压电陶瓷片。
所述驱动支座9的材料和箝位支座11的材料均为铸铁。
所述输出杆1的材料、压电振子7的材料均为碳素结构钢。
本发明的有益技术效果体现在以下方面：
1.本发明由驱动机构与箝位机构组成；箝位机构在夹紧输出轴时，二者之间不会产生摩擦，解决了摩擦影响使用寿命的问题；
2.本发明的工作状态为谐振状态，以确保马达可以有一个大的工作范围和高速运行。驱动机构输入正弦信号，箝位机构输入方波信号。当两个电信号协同工作时，将实现单向旋转。通过改变相位的信号差可以改变速度，并且输出轴的旋转方向也可以通过改变正弦信号的初始相位来实现反转。在100Vpp的驱动电压下，马达的典型空载转速和最大输出转矩为7.16r/min和18N·mm。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为输出机构结构示意图。
图3为驱动机构的金属块结构示意图。
图4为箝位机构结构示意图。
图5为箝位机构的止动环结构示意图。
图6为驱动压电片输入信号图。
图7为驱动机构动原理图。
图8为箝位压电片输入信号图。
图9为箝位机构动作原理图。
图10为一个周期内驱动机构与箝位机构同步工作原理图。
上图中序号：输出轴1、箝位压电片2、预紧螺栓3、驱动压电片5、轴承4；金属块6、螺栓7、弹性振子8、驱动支座9、箝位支座11、止动环12、通孔61、螺纹孔62、窄槽63、开口槽111、空腔113、螺纹孔112。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步的说明。
参见图1，一种同步冲击压电马达由驱动机构和箝位机构组成。参见图2，驱动机构包括驱动支座9和输出机构。驱动支座9为U型支座。输出机构包括输出轴1、金属块6、一对弹性振子8和一对驱动压电片5。输出机构的输出轴1的轴向两侧分别通过轴承4安装于驱动支座9内，金属块6固定套装在输出轴1的中部。参见图3，金属块6的横截面呈工字型，金属块6的顶面和底面分别开设有窄槽63，垂直于窄槽63的金属块6上分别开设一个通孔61和一个螺纹孔62，螺纹孔62内配合设有螺栓7；一对弹性振子8的一端分别插装在对应的窄槽63内，且通过螺栓7固定弹性振子8。一对弹性振子8对称设于金属块6两侧，一块驱动压电片固定安装于一个弹性振子8的上表面上，另一块驱动压电片固定安装于另一个弹性振子8的下表面上。
参见图4，箝位机构包括箝位支座11、止动环12和一对箝位压电片2。箝位支座11上部开设有空腔，空腔顶部的箝位支座11上开设有开口槽111，垂直于开口槽111的箝位支座11上开设有螺纹孔112，螺纹孔112内配合设有预紧螺栓3，通过预紧螺栓3调节开口槽的开度。箝位支座11固定安装于驱动支座9的一侧，见图1。参见图5，止动环12为柱状，上部中间开设有贯通顶部的止动槽，止动槽的中部为环形槽，与环形槽对应的止动环12上部两侧外部分别开设有沿垂直方向的安装槽，一对箝位压电片2的一端分别固定嵌装于对应的安装槽内，使一对箝位压电片2对称位于环形槽两侧。止动环12直立安装于箝位支座11上部的空腔113内。空腔113为工字形空腔，且一对箝位压电片2位于空腔113内上部，一对箝位压电片2的另一端固定连接着空腔113的内壁。止动环12固定套装在输出轴1的一端上。
驱动压电片5的材料和箝位压电片2的材料均为PZT-4型压电陶瓷片。驱动支座9的材料和箝位支座11的材料均为铸铁。输出杆1的材料、压电振子7的材料均为碳素结构钢。
本发明的工作原理详细说明如下：
参见图6，向弹性振子8上的驱动压电片5输入正弦信号。
参见图7，t0时刻，无电压信号时如图7中的a所示；时间由t0至t1，弹性振子8逆时针摆动一个小角度，见图7中的b，输出轴1顺时针转动一个角度；时间由t1至t2时，弹性振子8回到初始位置，见图7中的c，输出轴1回到初始位置；时间由t2至t3，弹性振子8顺时针摆动一个小角度，见图7中的d，输出轴1逆时针转动一个角度；电压由t3至t4时，弹性振子8回到初始位置，见图7中的e所示，输出轴1回到初始位置。
参见图8，向箝位机构的箝位压电片2输入方波信号。
参见图9，无输入信号时，止动环12的状态如图9中的f所示；t0时刻，箝位压电片2伸长，箝位压电片2的变形使止动环12锁紧，时间由t0至t1的过程中，止动环12保持锁紧状态，见图9中的g；至t1时刻，电压信号突变，箝位压电片2缩短，止动环松开；时间由t1至t2的过程中，止动环12保持开启状态，见图9中的h所示；t2点之后进入下一个循环。
参见图10，在一个周期内，弹性振子8逆时针振动，箝位压电片2的输入信号使止动环12保持松开状态，见图10中的j所示，此时输出轴1可顺时针转动；弹性振子8反向振动，箝位压电片2的输入信号使止动环12夹紧输出轴1，使其保持不动，见图10中的k和图10中的l所示；当弹性振子8继续逆时针振动时，止动环12又恢复到松开状态，见图10中的m所示。如此往复，可实现压电马达顺时针方向的连续转动。使驱动与箝位电压信号的相位角反向，即可实现压电马达反向转动。调整驱动与箝位电压信号的相位角及占空比可以实现不同的转速及转矩。
Claims (6)
1.一种同步冲击压电马达，其特征在于：由驱动机构和箝位机构组成；
所述驱动机构包括驱动支座（9）和输出机构；
所述驱动支座（9）为U型支座；
所述输出机构包括输出轴（1）、金属块（6）、一对弹性振子（8）和一对驱动压电片（5），输出机构通过输出轴（1）设于驱动支座（9）内；所述金属块（6）固定套设于输出轴（1）中部，一对弹性振子（8）对称设于金属块（6）两侧，一块驱动压电片设于一个弹性振子（8）的上表面上，另一块驱动压电片设于另一个弹性振子（8）的下表面上；
所述箝位机构包括箝位支座（11）、止动环（12）和一对箝位压电片（2）；
所述箝位支座（11）上部开设有空腔，空腔顶部的箝位支座（11）上开设有开口槽，开口槽内之间由预紧螺栓（3）连接，止动环（12）设于箝位支座（11）的空腔内中部，一对箝位压电片（2）设于止动环（12）两侧，且位于箝位支座（11）的空腔内；所述止动环（12）固定套设在输出轴（1）的一端上，所述箝位支座（11）固定设于驱动支座（9）的一侧；
所述止动环（12）为柱状，上部中间开设有贯通顶部的止动槽，止动槽的中部为环形槽，与环形槽对应的止动环（12）上部两侧外部分别开设有沿垂直方向的安装槽，一对箝位压电片（2）的一端分别固定嵌设于对应的安装槽内，使一对箝位压电片（2）对称位于环形槽两侧；止动环（12）直立设于箝位支座（11）上部的空腔（113）内，所述空腔（113）为工字形空腔，且一对箝位压电片（2）位于空腔（113）内上部，一对箝位压电片（2）的另一端固定连接着空腔（113）的内壁；
工作时，向一对驱动压电片（5）输入正弦信号，一对弹性振子（8）在一个周期内带动输出轴（1）实现正转或反转交替的转动；向一对箝位压电片（2）输入方波信号，一对箝位压电片（2）在一个周期内实现伸长或缩短以推动止动环（12）的张合，实现箝位过程；同时向一对驱动压电片（5）和一对箝位压电片（2）分别输入频率相等的正弦信号或方波信号，使驱动动作和箝位动作同步进行，以实现马达的连续转动。
2.根据权利要求1所述的一种同步冲击压电马达，其特征在于：所述输出轴（1）的轴向两侧分别通过轴承设于驱动支座（9）上；所述金属块（6）的横截面呈工字型，金属块（6）的顶面和底面分别开设有窄槽（63），垂直于窄槽（63）的金属块（6）上分别开设一个通孔（61）和一个螺纹孔（62），螺纹孔（62）内配合设有螺栓（7）；一对弹性振子（8）的一端分别插设在对应的窄槽（63）内，且通过螺栓（7）固定弹性振子（8）。
3.根据权利要求1所述的一种同步冲击压电马达，其特征在于：垂直于开口槽（111）的箝位支座（11）上开设有螺纹孔（112），螺纹孔（112）内配合设有预紧螺栓（3），通过预紧螺栓（3）调节开口槽的开度。
4.根据权利要求1所述的一种同步冲击压电马达，其特征在于：所述驱动压电片（5）的材料和箝位压电片（2）的材料均为PZT-4型压电陶瓷片。
5.根据权利要求1所述的一种同步冲击压电马达，其特征在于：所述驱动支座（9）的材料和箝位支座（11）的材料均为铸铁。
6.根据权利要求1所述的一种同步冲击压电马达，其特征在于：所述输出轴（1）的材料、弹性振子（8）的材料均为碳素结构钢。
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