CN112271954A - 一种对称布置的双足驱动直线超声电机 - Google Patents

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付道阔
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Abstract

本发明公开了一种对称布置的双足驱动直线超声电机，包括底座、一个定子和两个动子，定子包括金属基体和四个压电片，且位于金属基体的上表面与位于金属基体的下表面的压电片的极化方向相反，位于金属基体同一表面的压电片的极化方向相同，金属基体的X轴方向两端对称设有驱动足，两个动子对称设于定子的X轴方向两侧，动子位于驱动足的外侧且与驱动足相垂直，动子远离驱动足的一侧设有预压力装置，预压力装置与动子之间连接有导轨，动子活动设于导轨上并可沿着导轨做Y轴方向直线运动。本发明提供的双足驱动直线超声电机，兼具小尺寸和高效率的优势，能满足机器人关节驱动、精密加工机床的进给系统等领域的使用需求。

Description

一种对称布置的双足驱动直线超声电机
技术领域
本发明一种对称布置的双足驱动直线超声电机，属于超声电机技术领域。
背景技术
超声电机是一种微特电机，其工作原理是利用压电元件的逆压电效应激励弹性体产生高频微幅振动，并通过定子、转子之间摩擦耦合将定子的微观运动转换成转子的宏观运动。超声电机具有具有低速大转矩、无电磁干扰、响应速度快和断电自锁等优点，目前已经被广泛应用于机器人关节驱动、精密加工机床的进给系统等领域。
在超声电机的设计中，结构简单、尺寸小、高效率、低成本往往是其追求的目标。但由于电机本身结构和原理的局限，很难兼顾这些方面的要求。例如，单足超声电机相较于双足超声电机尺寸小，但是其对振动能量的转化效率低。
此外，对于超声电机而言，双相激励超声电机相较于单相激励超声电机而言，其输出性能更好，但是双相激励超声电机的定子振动耦合的频率一致性比较难以控制，严重影响了电机对振动能量的转化效率，进而严重影响电机在机器人关节驱动、精密加工机床的进给系统等领域的应用。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种兼具小尺寸和高效率的对称布置的双足驱动直线超声电机。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种对称布置的双足驱动直线超声电机，包括底座和设于底座上的一个定子和两个动子，所述定子包括金属基体和分别设于金属基体的上、下表面的四个压电片，四个压电片两两为一组分别对称分布于金属基体的Y轴方向两端，且位于金属基体的上表面与位于金属基体的下表面的压电片的极化方向相反，位于金属基体同一表面的压电片的极化方向相同，所述金属基体的X轴方向两端对称设有驱动足，两个动子对称设于定子的X轴方向两侧，所述动子位于驱动足的外侧且与驱动足相垂直，所述动子远离驱动足的一侧设有用于提供预压力的预压力装置，所述动子在预压力装置的驱动下沿X轴方向移动并与驱动足相接触，所述预压力装置与动子之间连接有导轨，所述动子活动设于导轨上并可沿着导轨做Y轴方向直线运动。
一种实施方案，所述驱动足整体呈三角形结构，且驱动足的内侧开有圆弧型槽。
一种实施方案，所述预压力装置包括滑块，所述滑块朝向动子的一端设有导轨，所述滑块远离动子的一侧设有沿X轴方向延伸的预紧螺栓，所述预紧螺栓上套设有伸缩弹簧，所述预紧螺栓通过伸缩弹簧与滑块相连。
一种优选方案，所述滑块的Y轴方向两端分别对称设有滑块定位凸台，所述滑块定位凸台靠近滑块的一侧设有与滑块相适配的、沿X轴方向延伸的滑槽。
一种优选方案，所述滑块上可拆卸的设有用于固定滑块的定位螺钉。
一种实施方案，所述导轨上设有滚珠，所述动子通过滚珠与导轨活动连接。
一种实施方案，位于金属基体的Y轴方向一端的一组压电片的激励信号与位于金属基体的Y轴方向另一端的一组压电片的激励信号的相位差为90°。
一种实施方案，所述底座的顶部中心位置设有定子定位凸台，所述金属基体通过定子定位凸台固定于底座上。
相较于现有技术，本发明的有益技术效果在于：
本发明提供的对称布置的双足驱动直线超声电机，结构简单，定子在较小的尺寸下振动耦合的频率的一致性较好，使得超声电机对振动能量的转化效率高，兼具小尺寸和高效率的优势，相较于现有技术，取得了显著性进步和出乎意料的效果。
附图说明
图1是本发明实施例中提供的对称布置的双足驱动直线超声电机的主视图；
图2是本发明实施例中提供的对称布置的双足驱动直线超声电机的俯视图；
图3是本发明实施例中提供的对称布置的双足驱动直线超声电机的前视图；
图4是本发明实施例中定子的结构示意图；
图5是本发明实施例中压电片的极化方向分布图；
图6是本发明实施例中定子呈反对称模态振型时的振型图；
图7是本发明实施例中定子呈对称模态振型时的振型图；
图8是本发明实施例中双足驱动直线超声电机的工作原理示意图；
图9是本发明实施例中滑块定位凸台的结构示意图；
图中标号示意如下：1、底座；2、定子；21、金属基体；22、压电片；22A、压电片A；22B、压电片B；23、驱动足；231、驱动足上的圆弧型槽；3、动子；4、预压力装置；41、滑块；42、预紧螺栓；43、伸缩弹簧；5、导轨；51、滚珠；6、滑块定位凸台；61、滑槽； 7、定位螺钉；8、定子定位凸台；a表示预压力方向，b表示动子的运动方向。
具体实施方式
以下将结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步清楚、完整地描述。
实施例1
如图1至图9所示：本实施例提供的一种对称布置的双足驱动直线超声电机，包括底座1和设于底座1上的一个定子2和两个动子3，所述定子2包括金属基体21和分别设于金属基体21的上、下表面的四个压电片22，四个压电片22两两为一组分别对称分布于金属基体21的Y轴方向两端(如图4所示)，且位于金属基体21的上表面与位于金属基体 21的下表面的压电片22的极化方向相反，位于金属基体同一表面的压电片的极化方向相同 (如图5所示)，所述金属基体21的X轴方向两端对称设有驱动足23，两个动子3对称设于定子2的X轴方向两侧，所述动子3位于驱动足23的外侧且与驱动足23相垂直，所述动子3远离驱动足23的一侧设有用于提供预压力的预压力装置4，所述动子3在预压力装置4的驱动下沿X轴方向移动并与驱动足23相接触，所述预压力装置4与动子3之间连接有导轨5，所述动子3活动设于导轨5上并可沿着导轨5做Y轴方向直线运动。
本实施例中，金属基体21与驱动足23一体化成型。
参见图1、图2和图4所示，本发明中，驱动足23整体呈三角形结构，且驱动足23 的内侧开有圆弧型槽231，可以有效减少能量传递的损耗，提高驱动足23处的振幅值。
本发明所述的对称布置的双足驱动直线超声电机的工作原理如下：
首先，为了方便描述，将位于金属基体21的Y轴方向前端的一组压电片成为压电片A 22A，将位于金属基体21的Y轴方向后端的一组压电片称为压电片B 22B；
然后，通过预压力装置4向动子3施加预压力，动子3在预压力的作用下沿X轴方向向着驱动足23移动并与驱动足23相接触，然后给压电片A 22A和压电片B 22B施加激励信号，为了保障定子2的振动效果，本发明要求，位于金属基体21的Y轴方向一端的一组压电片22的激励信号与位于金属基体21的Y轴方向另一端的一组压电片22的激励信号的相位差为90°，具体的，本实施例中，给压电片A 22A施加电压为Acoswt的余弦激励信号，压电片B 22B施加电压为Asinwt的正弦激励信号(压电片A 22A和压电片B 22B所施加的激励信号可互换，只要保证二者的激励信号的相位差为90°即可)，当定子2如图6 所示呈反对称模态振型时，设定此时的电机工作共振频率为f1；当定子2如图7所示呈对称模态振型时，设定此时的电机工作共振频率为f2；超声电机工作过程中，图6和图7所示的振型是都存在的，而这两个空间上互相垂直、在相位上相差90°的振型，会使得两个驱动足23形成椭圆运动，进而使得驱动足23与动子3之间产生摩擦力(即定子2与动子3 之间产生摩擦力)，该摩擦力即可使得动子3沿着导轨5做Y轴方向直线运动(如图8所示)，从而实现超声电机的工作；
经测试，本实施例中，测得f1＝91.003KHz，f2＝91.366KHz，f1与f2非常接近，说明本发明的超声电机的振动耦合的频率一致性好，从而使得本发明的超声电机振动能量的转化效率高；
此外，本发明中的定子2的厚度、长度、宽度可以分别做到2.5mm、36mm、12mm，尤其是，定子2的驱动足23处开设有圆弧型槽231，相较同类型的超声电机而言，本发明中的定子的体积和质量显著降低，约为20％左右，尺寸小，利于电机微型化；
此外，由于本发明的超声电机的f1与f2非常接近，因此工作的时候，超声电机工作共振频率f只要介于f1与f2之间即可，有效简化激励信号的使用。
如图1至图3所示，所述预压力装置4包括滑块41，所述滑块41朝向动子3的一端设有导轨5，所述滑块41远离动子3的一侧设有沿X轴方向延伸的预紧螺栓42，所述预紧螺栓42上套设有伸缩弹簧43，所述预紧螺栓42通过伸缩弹簧43与滑块41相连，使用的时候，通过调紧预紧螺栓42压紧伸缩弹簧43，然后伸缩弹簧43给予滑块41预压力，滑块 41在预压力的作用下沿着X轴方向想着定子2的驱动足23方向移动至于驱动足23相接触。
所述滑块41的Y轴方向两端分别对称设有滑块定位凸台6，所述滑块定位凸台6靠近滑块41的一侧设有与滑块41相适配的、沿X轴方向延伸的滑槽61(如图9所示)，滑块 41沿着滑槽61直线移动，对滑块41起到定位和导向的作用。
此外，所述滑块41上可拆卸的设有用于固定滑块41的定位螺钉7，当滑块41在伸缩弹簧43的作用下移动至驱动足23处并与驱动足23(即定子2)接触时，安装上定位螺钉7，以稳固住滑块41，防止滑块41晃动后退，进而防止动子3沿X轴方向后退，对动子3起到定位作用。
参见图3所示，所述导轨5上设有滚珠51，所述动子3通过滚珠51与导轨5活动连接，以增加动子3运动的灵敏度。
参见图1至图3所示，所述底座1的顶部中心位置设有定子定位凸台8，所述金属基体 21通过定子定位凸台8固定于底座1上。
最后有必要在此指出的是：以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种对称布置的双足驱动直线超声电机，其特征在于：包括底座和设于底座上的一个定子和两个动子，所述定子包括金属基体和分别设于金属基体的上、下表面的四个压电片，四个压电片两两为一组分别对称分布于金属基体的Y轴方向两端，且位于金属基体的上表面与位于金属基体的下表面的压电片的极化方向相反，位于金属基体同一表面的压电片的极化方向相同，所述金属基体的X轴方向两端对称设有驱动足，两个动子对称设于定子的X轴方向两侧，所述动子位于驱动足的外侧且与驱动足相垂直，所述动子远离驱动足的一侧设有用于提供预压力的预压力装置，所述动子在预压力装置的驱动下沿X轴方向移动并与驱动足相接触，所述预压力装置与动子之间连接有导轨，所述动子活动设于导轨上并可沿着导轨做Y轴方向直线运动。
2.根据权利要求1所述的对称布置的双足驱动直线超声电机，其特征在于：所述驱动足整体呈三角形结构，且驱动足的内侧开有圆弧型槽。
3.根据权利要求1所述的对称布置的双足驱动直线超声电机，其特征在于：所述预压力装置包括滑块，所述滑块朝向动子的一端设有导轨，所述滑块远离动子的一侧设有沿X轴方向延伸的预紧螺栓，所述预紧螺栓上套设有伸缩弹簧，所述预紧螺栓通过伸缩弹簧与滑块相连。
4.根据权利要求3所述的对称布置的双足驱动直线超声电机，其特征在于：所述滑块的Y轴方向两端分别对称设有滑块定位凸台，所述滑块定位凸台靠近滑块的一侧设有与滑块相适配的、沿X轴方向延伸的滑槽。
5.根据权利要求3所述的对称布置的双足驱动直线超声电机，其特征在于：所述滑块上可拆卸的设有用于固定滑块的定位螺钉。
6.根据权利要求1所述的对称布置的双足驱动直线超声电机，其特征在于：位于金属基体的Y轴方向一端的一组压电片的激励信号与位于金属基体的Y轴方向另一端的一组压电片的激励信号的相位差为90°。
7.根据权利要求1所述的对称布置的双足驱动直线超声电机，其特征在于：所述底座的顶部中心位置设有定子定位凸台，所述金属基体通过定子定位凸台固定于底座上。
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