CN114400923A - 一种压电驱动三自由度球形转子云台及其驱动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种压电驱动三自由度球形转子云台及其驱动方法，涉及压电驱动技术，能够减少多自由度球形转子云台的电机数量，简化结构并进一步提升系统工作的可靠性。本发明包括：两个夹心式压电驱动器，安装支架，球形转子载物云台。夹心压电驱动器由六个柱形金属基体，圆环形压电陶瓷片、电极片组成，柱形金属基体之间通过其上的螺柱和螺孔将压电陶瓷片和电极片夹紧配合连接。球形转子载物云台布置于两个夹心式压电驱动器之间，球形转子载物云台上的上下球面分别与两个夹心式压电驱动器的两个驱动轮相接触。两个夹心式压电驱动器通过安装支架与球形转子载物云台正交接触。
Description
技术领域
本发明涉及基于压电驱动技术，尤其涉及一种压电驱动三自由度球形转子云台及其驱动方法。
背景技术
目前，基于电磁和液压电机驱动的定位云台，若要实现多自由度驱动定位装置，需设置齿轮减速等机构，则普遍存在结构复杂，可靠性低的问题，并且进一步会导致驱动结构难以有效密封，运行噪声大的问题。并且应用传统机械传动，不可避免的存在运动间隙，定位精度低，维护复杂等缺点。而传统的单个电机只能驱动单个自由度的运动，自由度需求较高时，需要较多的电机才能实现。而目前设计出的压电驱动的定位云台，则存在电机的工作模式单一的问题。并且目前的方案中少有通过单电机实现多模态耦合的方案。
因此，如何减少多自由度球形转子云台的电机数量，简化结构并进一步提升系统工作的可靠性，成为了需要研究的问题。
发明内容
本发明的实施例提供一种压电驱动三自由度球形转子云台及其驱动方法，能够减少多自由度球形转子云台的电机数量，简化结构并进一步提升系统工作的可靠性。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
包含两个夹心式压电驱动器，安装支架，球形转子载物云台。所述夹心压电驱动器由六个柱形金属基体，圆环形压电陶瓷片、电极片组成，所述柱形金属基体之间通过其上的螺柱和螺孔将压电陶瓷片和电极片夹紧配合连接。所述球形转子载物云台布置于两个夹心式压电驱动器之间，所述球形转子载物云台上的上下球面分别与两个夹心式压电驱动器的两个驱动轮相接触。所述两个夹心式压电驱动器通过所述安装支架与球形转子载物云台正交接触，通过调节安装支架上弹簧螺母可以调节夹心式压电驱动器驱动轮与球形转子载物云台球面间的预压力。通过给所述夹心式压电驱动器施加特定的激励信号，能够分别激发所述夹心式压电驱动三种振动耦合模式，一阶纵振和三阶扭振耦合，一阶纵振和四阶弯振耦合、两个相互垂直方向的四阶弯振耦合，使夹心式压电驱动器两驱动轮上的驱动点产生特定方向的椭圆运动，从而驱动球形转子载物云台三个自由度方向的转动。本发明利用压电驱动器的多模态耦合可以实现多种工作模式驱动球形转子云台的三自由度运动，结构简单，不受电磁干扰，易于控制、定位精度高，在高精度多自由度定位云台上有重要应用。
本实施例相对于传统电磁和液压电机机驱动定位云台简单，质量轻，无需齿轮减速等机构，易于密封，易于实现微化，运行噪声低，易于实现低速大力矩，不受电磁干扰，能断电自锁。相对于其他的压电驱动的定位云台，由于所述压电驱动器采用多模态耦合，单个压电驱动的电机就能够实现不同的工作模式，从而驱动多个自由度的运动，大大减少了电机大的数量、简化了结构，提高了系统工作的可靠性，更易于实现系列化，模块化的设计，且随工程应用场景的不同，可调整尺寸多，工程应用性强，具有重要的应用前景。
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的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的一种压电驱动三自由度球形转子云台的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的夹心式压电驱动器的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的安装支架的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的球形转子载物云台的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的夹心式压电驱动器的第一柱形金属基体结构示意图；
图6为本发明实施例提供的夹心式压电驱动器的第二柱形金属基体结构示意图；
图7为本发明实施例提供的夹心式压电驱动器的第三柱形金属基体结构示意图；
图8为本发明实施例提供的夹心式压电驱动器的第四柱形金属基体结构示意图；
图9为本发明实施例提供的夹心式压电驱动器的第一组压电陶瓷组件示意图；
图10为本发明实施例提供的夹心式压电驱动器的第二组压电陶瓷组件示意图；
图11为本发明实施例提供的夹心式压电驱动器的第三组压电陶瓷组件示意图；
图12为本发明实施例提供的夹心式压电驱动器的三阶扭振振型示意图；
图13为本发明实施例提供的夹心式压电驱动器的四阶弯振振型示意图；
图14为本发明实施例提供的夹心式压电驱动器的一阶纵振振型示意图；
其中，各标号分别表示：夹心式压电驱动器-1、安装支架-2、球形转子载物云台-3、第一柱形金属基体-1.1.1、第二柱形金属基体-1.1.2、第三柱形金属基体-1.1.3、第四柱形金属基体-1.1.4、第五柱形金属基体-1.1.5、第六柱形金属基体-1.1.6、第一组压电陶瓷组件-1.2.1、第二组压电陶瓷组件-1.2.2、第三组压电陶瓷组件-1.2.3、第四组压电陶瓷组件-1.2.4、第五组压电陶瓷组件-1.2.5、第六组压电陶瓷组件-1.2.6、安装支架框架A-2.1、安装支架框架B-2.2、安装支架螺栓-2.3、安装支架弹簧-2.4、安装支架安装孔-2.5、球形转子载物云台上驱动球面-3.1、球形转子载物云台下驱动球面-3.2、球形转子载物云台载物镜头光源组件-3.3、球形转子载物云台载物安装孔-3.4、第一柱形金属基体第一阶梯圆柱-1.1.1.1、第一柱形金属基体第二阶梯圆柱-1.1.1.2、第二柱形金属基体圆柱-1.1.2.1、第二柱形金属基体螺纹通孔-1.1.2.2、第三柱形金属基体第一阶梯圆柱-1.1.3.1、第三柱形金属基体第二阶梯圆柱-1.1.3.2、第三柱形金属基体第三阶梯圆柱-1.1.3.3、第三柱形金属基体第四阶梯圆柱-1.1.3.4、第三柱形金属基体第五阶梯圆柱-1.1.3.5、第四柱形金属基体第一阶梯圆柱-1.1.4.1、第四柱形金属基体螺纹孔-1.1.4.2、第四柱形金属基体第二阶梯圆柱-1.1.4.3、第四柱形金属基体第三阶梯圆柱-1.1.4.4、第四柱形金属基体第四阶梯圆柱-1.1.4.5、第一组压电陶瓷组件第一弯振压电陶瓷片-1.2.1.1、第一组压电陶瓷组件第二弯振压电陶瓷片-1.2.1.2、第一组压电陶瓷组件第三弯振压电陶瓷片-1.2.1.3、第一组压电陶瓷组件第四弯振压电陶瓷片-1.2.1.4、第一组压电陶瓷组件电极片-1.2.1.5、第二组压电陶瓷组件第一扭振压电陶瓷片-1.2.2.1、第二组压电陶瓷组件第二扭振压电陶瓷片-1.2.2.2、第二组压电陶瓷组件电极片-1.2.2.3、第三组压电陶瓷组件第一扭振压电陶瓷片-1.2.3.1、第三组压电陶瓷组件第二扭振压电陶瓷片-1.2.3.2、第三组压电陶瓷组件第三纵振压电陶瓷片-1.2.3.3、第三组压电陶瓷组件第四纵振压电陶瓷片-1.2.3.4、第三组压电陶瓷组件电极片-1.2.3.5。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。下文中将详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本实施例的大致设计思路在于：利用压电材料的逆压电效应和摩擦作用能够实现直接驱动，无需减速传统装置，具有驱动精度高，结构简单可靠，低速大力矩、不受电磁干扰，断电自锁等优点，同时通过多模态耦合，单个压电驱动的电机就能够实现不同的工作模式，从而驱动多个自由度的运动，大大减少了电机大的数量、简化了结构，提高了系统工作的可靠性。
具体来说，本发明实施例提供一种压电驱动三自由度球形转子云台，如图1所示，包括：
两个夹心式压电驱动器(1)，安装支架(2)，球形转子载物云台(3)，其中，两个夹心式压电驱动器(1)和球形转子载物云台(3)都安装在安装支架(2)内，布置的顺序从上至下依次为一个夹心式压电驱动器(1)、球形转子载物云台(3)和另一个夹心式压电驱动器(1)，并且两个夹心式压电驱动器(1)的轴向方向相互垂直。
如图2所示，每一个夹心式压电驱动器(1)的组成部分包括：六个柱形金属基体和五组压电陶瓷组件，所有的柱形金属基体和压电陶瓷组件依次串联安装，在六个柱形金属基体串联后形成五个间隙，并在每个间隙中填充一组压电陶瓷组件。其中，所述夹心式压电驱动器(1)包含第一柱形金属基体(1.1.1)至第六柱形金属基体(1.1.6)、第一组压电陶瓷组件(1.2.1)至第五组压电陶瓷组件(1.2.5)，用于输入外部驱动信号使得夹心式压电驱动器(1)振动。
球形转子载物云台(3)的上表面安装有球形转子载物云台上驱动球面(3.1)，下表面安装有球形转子载物云台下驱动球面(3.2)，且球形转子载物云台上驱动球面(3.1)与一个夹心式压电驱动器(1)的驱动轮相接触，球形转子载物云台下驱动球面(3.2)与另一个夹心式压电驱动器(1)的驱动轮相接触。
本实施例的方案中，包含两个夹心式压电驱动器，安装支架，球形转子载物云台。所述夹心压电驱动器由六个柱形金属基体，十六片圆环形压电陶瓷片，电极片组成，所述柱形金属基体之间通过其上的螺柱和螺孔将压电陶瓷片和电极片夹紧配合连接。所述球形转子载物云台布置于两个夹心式压电驱动器之间，所述球形转子载物云台上的上下球面分别与两个夹心式压电驱动器的两个驱动轮相接触。所述两个夹心式压电驱动器通过所述安装支架与球形转子载物云台正交接触，通过调节安装支架上弹簧螺母可以调节夹心式压电驱动器驱动轮与球形转子载物云台球面间的预压力。通过给所述夹心式压电驱动器施加特定的激励信号，能够分别激发所述夹心式压电驱动三种振动耦合模式，一阶纵振和三阶扭振耦合，一阶纵振和四阶弯振耦合、两个相互垂直方向的四阶弯振耦合，使夹心式压电驱动器两驱动轮上的驱动点产生特定方向的椭圆运动，从而驱动球形转子载物云台三个自由度方向的转动。本发明利用压电驱动器的多模态耦合可以实现多种工作模式驱动球形转子云台的三自由度运动，结构简单，不受电磁干扰，易于控制、定位精度高，在高精度多自由度定位云台上有重要应用。
本实施例相对于传统电磁和液压电机机驱动定位云台简单，质量轻，无需齿轮减速等机构，易于密封，易于实现微化，运行噪声低，易于实现低速大力矩，不受电磁干扰，能断电自锁。相对于其他的压电驱动的定位云台，由于所述压电驱动器采用多模态耦合，单个压电驱动的电机就能够实现不同的工作模式，从而驱动多个自由度的运动，大大减少了电机大的数量、简化了结构，提高了系统工作的可靠性，更易于实现系列化，模块化的设计，且随工程应用场景的不同，可调整尺寸多，工程应用性强，具有重要的应用前景。
具体如图5所示的，第一柱形金属基体(1.1.1)和第六柱形金属基体(1.1.6)相同，其中，在第一柱形金属基体(1.1.1)中包含第一柱形金属基体第一阶梯圆柱(1.1.1.1)和第一柱形金属基体第二阶梯圆柱(1.1.1.2)，第一柱形金属基体第二阶梯圆柱(1.1.1.2)的直径小于第一柱形金属基体第一阶梯圆柱(1.1.1.1)，第一柱形金属基体第二阶梯圆柱(1.1.1.2)为带有外螺纹的螺柱。
如图6所示，第二柱形金属基体(1.1.2)和第五柱形金属基体(1.1.5)相同，其中，第二柱形金属基体(1.1.2)的直径与第一柱形金属基体第一阶梯圆柱(1.1.1.1)的直径相同，第二柱形金属基体(1.1.2)为带有螺纹通孔的圆柱形金属基体，所述螺纹通孔的直径与第一柱形金属基体第二阶梯圆柱(1.1.1.2)的直径对应，并且第一柱形金属基体第二阶梯圆柱(1.1.1.2)在螺柱上带有的外螺纹与所述螺纹通孔的内螺纹相匹配，以便于第一柱形金属基体(1.1.1)通过所述螺纹通孔与第二柱形金属基体(1.1.2)固定安装。
本实施例中，第三柱形金属基体(1.1.3)包含第三柱形金属基体第一阶梯圆柱(1.1.3.1)至第三柱形金属基体第五阶梯圆柱(1.1.3.5)，其中，第三柱形金属基体第一阶梯圆柱(1.1.3.1)和第三柱形金属基体第五阶梯圆柱(1.1.3.5)为直径相等且都带有外螺纹的螺柱。
第三柱形金属基体第二阶梯圆柱(1.1.3.2)和第三柱形金属基体第四阶梯圆柱(1.1.3.4)的直径相等，并且还与第二柱形金属基体(1.1.2)的直径相等，第三柱形金属基体第三阶梯圆柱(1.1.3.3)的直径为第三柱形金属基体第一阶梯圆柱(1.1.3.1)至第三柱形金属基体第五阶梯圆柱(1.1.3.5)当中最大的。
所述第四柱形金属基体(1.1.4)包含第四柱形金属基体第一阶梯圆柱(1.1.4.1)至第四柱形金属基体第四阶梯圆柱(1.1.4.5)，其中，第四柱形金属基体第一阶梯圆柱(1.1.4.1)带有螺纹孔，第四柱形金属基体第四阶梯圆柱(1.1.4.5)为带有外螺纹的螺柱，第四柱形金属基体第二阶梯圆柱(1.1.4.3)与第三柱形金属基体第三阶梯圆柱(1.1.3.3)的直径相同。柱形金属基体之间通过螺柱螺孔将压电陶瓷组件夹紧配合组成夹心式压电驱动器(1)。
在每一组压电陶瓷组件中，都包括了压电陶瓷片和电极片。第一组压电陶瓷组件(1.2.1)和第五组压电陶瓷组件(1.2.5)相同，且分别布置于夹心式压电驱动器(1)的四阶弯曲振型的波峰和波谷处。第二组压电陶瓷组件(1.2.2)和第四组压电陶瓷组件(1.2.4)相同，且布置于夹心式压电驱动器(1)的三阶扭转振型的两个节点处。第三组压电陶瓷组件(1.2.3)布置于夹心式压电驱动器(1)的中间位置，所述中间位置为夹心式压电驱动器(1)的一阶纵振振型与三阶扭振振型的共同结点处。
进一步的，所述第一压电陶瓷组件包括：第一组压电陶瓷组件第一弯振压电陶瓷片(1.2.1.1)至第一组压电陶瓷组件第四弯振压电陶瓷片(1.2.1.4)，本实施例中采用圆环形二分区弯振压电陶瓷片，且所有的陶瓷片均沿厚度方向极化，即压电陶瓷的变形方向与施加电压方向一致。其中，第一组压电陶瓷组件第一弯振压电陶瓷片(1.2.1.1)和第一组压电陶瓷组件第二弯振压电陶瓷片(1.2.1.1)的极化分区线方向一致。第一组压电陶瓷组件第三弯振压电陶瓷片(1.2.1.3)和第一组压电陶瓷组件第四弯振压电陶瓷片(1.2.1.4)的极化分区线方向一致，且垂直于第一组压电陶瓷组件第一弯振压电陶瓷片(1.2.1.1)的极化分区线。
本实施例中，可以将第四柱形金属基体第二阶梯圆柱(1.1.4.3)和第三柱形金属基体第三阶梯圆柱(1.1.3.3)的表面都覆盖有用于增大摩擦力的弹性材料，比如橡胶，并将第四柱形金属基体第二阶梯圆柱(1.1.4.3)和第三柱形金属基体第三阶梯圆柱(1.1.3.3)作为夹心式压电驱动器(1)的驱动轮。第二组压电陶瓷组件(1.2.2)包括：第二组压电陶瓷组件第一扭振压电陶瓷片(1.2.2.1)和第二组压电陶瓷组件第二扭振压电陶瓷片(1.2.2.2)，可以采用圆环形扭振压电陶瓷片，沿周向极化，且第二组压电陶瓷组件第一扭振压电陶瓷片(1.2.2.1)与二组压电陶瓷组件第二扭振压电陶瓷片(1.2.2.2)极化方向相反。
第三组压电陶瓷组件(1.2.3)包括：第三组压电陶瓷组件第一扭振压电陶瓷片(1.2.3.1)至第三组压电陶瓷组件第四扭振压电陶瓷片(1.2.3.4)，其中，第三组压电陶瓷组件第一扭振压电陶瓷片(1.2.3.1)和第三组压电陶瓷组件第二扭振压电陶瓷片(1.2.3.2)为扭振压电陶瓷片，沿周向极化且极化方向相反，而第三组压电陶瓷组件第三纵振压电陶瓷片(1.2.3.3)和第三组压电陶瓷组件第四纵振压电陶瓷片(1.2.3.4)都是纵振压电陶瓷片，均沿厚度方向极化且极化方向相反。
进一步的，如图3所示，安装支架(2)为带有两个安装孔(2.5)的框型支架结构，所述框型支架结构由框架A(2.1)和框架B(2.2)组成，一个夹心式压电驱动器(1)安装于一个安装孔(2.5)中，通过两个夹心式压电驱动器(1)在空间上的位置相互正交。通过螺栓(2.3)和弹簧(2.4)连接框架A(2.1)和框架B(2.2)，并调节框架A(2.1)与框架B(2.2)支之间的预紧力。
其中，球形转子载物云台(3)上还开设有四个载物安装孔(3.4)，载物安装孔(3.4)用于安装光学元件。通过调节螺栓(2.3)和弹簧(2.4)从而调节夹心式压电驱动器(1)的驱动轮与球形转子载物云台(3)的上下驱动球面之间的预压力。
具体举例来说，球形转子载物云台(3)布置于两个夹心式压电驱动器(1)之间，如图4所示，所述球形转子载物云台(3)带有上下驱动球面(3.2)及四个载物安装孔(3.4)，上下驱动球面(3.2)与夹心式压电驱动器(1)的两个驱动轮相接触，载物安装孔(3.4)可安装镜头激光源等组件，调节安装支架(2)上弹簧(2.4)螺母可以调节夹心式压电驱动器(1)驱动轮与球形转子载物云台(3)球面间的预压力。
所述第一、第六柱形金属基体(1.1.6)完全相同，第一柱形金属基体(1.1.1)如图5所示，包含第一至第二阶梯圆柱，其第二阶梯圆柱直径小于第一阶梯圆柱，为带有外螺纹的螺柱。
所述第二、第五柱形金属基体(1.1.5)完全相同，第二柱形金属基体(1.1.2)如图6所示，为带有螺纹通孔的圆柱形金属基体，外直径与第一柱形金属基体(1.1.1)的第一阶梯圆柱直径相同。
第三柱形金属基体(1.1.3)如图7所示，所述第三柱形金属基体(1.1.3)包含第一到第五阶梯圆柱，其中第一阶梯圆柱、第五阶梯圆柱为直径相等带有外螺纹的螺柱，第二阶梯圆柱、第四阶梯圆柱直径相等且等于第二柱形金属基体(1.1.2)直径，第三阶梯圆柱直径大于第一、第二、第四、第五阶梯圆柱。
第四柱形金属基体(1.1.4)如图8所示，所述第四柱形金属基体(1.1.4)包含第一至第四阶梯圆柱，其中第一阶梯圆柱带有螺纹孔，第四阶梯圆柱为带有外螺纹的螺柱，第二阶梯圆柱与第三柱形金属基体(1.1.3)的第三阶梯圆柱相同。
所述第一至第五组压电陶瓷组件(1.2.5)，包含压电陶瓷片和电极片，第一压电陶瓷组件、第五压电陶瓷组件相同且布置于夹心式压电驱动器(1)的四阶弯曲振型的波峰和波谷处，例如图12所示的扭振振型，其中2个波峰2个波谷组成了4阶弯振；第二压电陶瓷组件、第四压电陶瓷组件相同且布置于夹心式压电驱动器(1)的三阶扭转振型的两个节点处，例如图14所示的，其中由于圆截面不发生扭转，因此3个节面形成3阶扭振；第三压电陶瓷组件布置于夹心式压电驱动器(1)的中间位置且此处为其一阶纵振振型及三阶扭振振型的共同结点处。
第一组压电陶瓷组件(1.2.1)如图9所示，所述第一压电陶瓷组件包含第一至第四圆环形二分区弯振压电陶瓷片，均沿厚度方向极化，第一、第二压电陶瓷片的极化分区线方向一致，第三、第四压电陶瓷片的极化分区线方向一致且垂直于第一、第二压电陶瓷片的极化分区线；
第二组压电陶瓷组件(1.2.2)如图10所示，所述第二压电陶瓷组件包含第一至第二圆环形扭振压电陶瓷片，沿周向极化，极化方向相反；
第三组压电陶瓷组件(1.2.3)如图11所示，所述第三压电陶瓷组件包含第一至第四圆环形压电陶瓷片、其中第一至第二压电陶瓷片为扭振压电陶瓷片，沿周向极化，极化方向相反，第三至第四压电陶瓷片为纵振压电陶瓷片，均沿厚度方向极化，极化方向相反；
所述柱形金属基体之间通过螺柱螺孔将压电陶瓷组件夹紧配合组成夹心式压电驱动器(1)。
所述第一至第五压电陶瓷组件用于输入外部驱动信号使得夹心式压电驱动器(1)振动。
本实施例还提供一种用于压电驱动三自由度球形转子云台的驱动方法，包括：
若要触发球形转子载物云台(3)产生第一自由度的转动，则对所述单个夹心式压电驱动器(1)的第一组压电陶瓷组件(1.2.1)和第五组压电陶瓷组件(1.2.5)各自的第一、二压电陶瓷片施加第一简谐驱动信号，对三、四压电陶瓷片施加第二简谐驱动信号，其中，所述第二简谐驱动信号与所述第一简谐驱动信号相同频率且具有π/2时间相位差。激励处夹心式压电驱动器(1)两个时间和空间相互正交的四阶弯曲振动模态，四阶弯曲振动模态如图12所示，使其两驱动轮驱动点处产生方向相同的微幅椭圆运动，经过摩擦作用产生驱动力，使得球形转子载物云台(3)产生第一自由度的转动。
若要触发球形转子载物云台(3)产生第二自由度的转动，则在施加所述第一简谐驱动信号后，对第三组压电陶瓷组件(1.2.3)的第一、第二纵振压电陶瓷片施加和所述第一简谐驱动信号相同频率且具有π/2时间相位差的驱动信号。对所述单个夹心式压电驱动器(1)的第一、第五组压电陶瓷组件(1.2.5)的第一、二压电陶瓷片施加第一简谐驱动信号，对第三组压电陶瓷组件(1.2.3)的第一、第二纵振压电陶瓷片施加和所述第一简谐驱动信号相同频率且具有π/2时间相位差的第二简谐驱动信号，激励处夹心式压电驱动器(1)四阶弯曲振动与一阶纵向振耦合，一阶纵向振模态如图13所示，使其两驱动轮驱动点处产生方另一方向的微幅椭圆运动，经过摩擦作用产生驱动力，使得球形转子载物云台(3)产生第二自由度的转动。
若要触发球形转子载物云台(3)产生第三自由度的转动，则对第二组压电陶瓷组件(1.2.2)、第三组压电陶瓷组件(1.2.3)和第四组压电陶瓷组件(1.2.4)的扭振电陶瓷片施加所述第一简谐驱动信号，并对第三组压电陶瓷组件(1.2.3)的纵振压电陶瓷片施加和所述第一简谐驱动信号相同频率的简谐驱动信号。对所述单个夹心式压电驱动器(1)的第二、第三、第四组压电陶瓷组件(1.2.4)的扭振电陶瓷片施加第一简谐驱动信号，对第三组压电陶组件的纵振压电陶瓷片施加和所述第一简谐驱动信号相同频率的第二简谐驱动信号，激励处夹心式压电驱动器(1)三阶扭转振动与一阶纵向振耦合，三阶扭转振动模态如图14所示，使在接触驱动时其两驱动轮驱动点产生方向相反的运动，经过摩擦作用产生驱动力，使得球形转子载物云台(3)产生第三自由度的转动。
本实施例的具体优点可以总结为：相对于传统电磁和液压电机驱动定位云台，所述压电驱动器结构简单，质量轻，无需齿轮减速等机构，易于密封，易于实现微化，运行噪声低，易于实现低速大力矩，不受电磁干扰，能断电自锁。相对于其他的压电驱动的定位云台，由于所述压电驱动器采用多模态耦合，单个压电驱动的电机就能够实现不同的工作模式，从而驱动多个自由度的运动，大大减少了电机大的数量、简化了结构，提高了系统工作的可靠性，更易于实现系列化，模块化的设计，且随工程应用场景的不同，可调整尺寸多，工程应用性强，具有重要的应用前景。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种压电驱动三自由度球形转子云台，其特征在于，包括：两个夹心式压电驱动器(1)，安装支架(2)，球形转子载物云台(3)，其中，两个夹心式压电驱动器(1)和球形转子载物云台(3)都安装在安装支架(2)内，布置的顺序从上至下依次为一个夹心式压电驱动器(1)、球形转子载物云台(3)和另一个夹心式压电驱动器(1)，并且两个夹心式压电驱动器(1)的轴向方向相互垂直；
每一个夹心式压电驱动器(1)的组成部分包括：六个柱形金属基体和五组压电陶瓷组件，所有的柱形金属基体和压电陶瓷组件依次串联安装，在六个柱形金属基体串联后形成五个间隙，并在每个间隙中填充一组压电陶瓷组件；
球形转子载物云台(3)的上表面安装有球形转子载物云台上驱动球面(3.1)，下表面安装有球形转子载物云台下驱动球面(3.2)，且球形转子载物云台上驱动球面(3.1)与一个夹心式压电驱动器(1)的驱动轮相接触，球形转子载物云台下驱动球面(3.2)与另一个夹心式压电驱动器(1)的驱动轮相接触。
2.根据权利要求1所述的压电驱动三自由度球形转子云台，其特征在于，
第一柱形金属基体(1.1.1)和第六柱形金属基体(1.1.6)相同，其中，在第一柱形金属基体(1.1.1)中包含第一柱形金属基体第一阶梯圆柱(1.1.1.1)和第一柱形金属基体第二阶梯圆柱(1.1.1.2)，第一柱形金属基体第二阶梯圆柱(1.1.1.2)的直径小于第一柱形金属基体第一阶梯圆柱(1.1.1.1)，第一柱形金属基体第二阶梯圆柱(1.1.1.2)为带有外螺纹的螺柱；
第二柱形金属基体(1.1.2)和第五柱形金属基体(1.1.5)相同，其中，第二柱形金属基体(1.1.2)的直径与第一柱形金属基体第一阶梯圆柱(1.1.1.1)的直径相同，第二柱形金属基体(1.1.2)为带有螺纹通孔的圆柱形金属基体，所述螺纹通孔的直径与第一柱形金属基体第二阶梯圆柱(1.1.1.2)的直径对应，并且第一柱形金属基体第二阶梯圆柱(1.1.1.2)在螺柱上带有的外螺纹与所述螺纹通孔的内螺纹相匹配，以便于第一柱形金属基体(1.1.1)通过所述螺纹通孔与第二柱形金属基体(1.1.2)固定安装。
3.根据权利要求1或2所述的压电驱动三自由度球形转子云台，其特征在于，第三柱形金属基体(1.1.3)包含第三柱形金属基体第一阶梯圆柱(1.1.3.1)至第三柱形金属基体第五阶梯圆柱(1.1.3.5)，其中，第三柱形金属基体第一阶梯圆柱(1.1.3.1)和第三柱形金属基体第五阶梯圆柱(1.1.3.5)为直径相等且都带有外螺纹的螺柱；
第三柱形金属基体第二阶梯圆柱(1.1.3.2)和第三柱形金属基体第四阶梯圆柱(1.1.3.4)的直径相等，并且还与第二柱形金属基体(1.1.2)的直径相等，第三柱形金属基体第三阶梯圆柱(1.1.3.3)的直径为第三柱形金属基体第一阶梯圆柱(1.1.3.1)至第三柱形金属基体第五阶梯圆柱(1.1.3.5)当中最大的；
所述第四柱形金属基体(1.1.4)包含第四柱形金属基体第一阶梯圆柱(1.1.4.1)至第四柱形金属基体第四阶梯圆柱(1.1.4.5)，其中，第四柱形金属基体第一阶梯圆柱(1.1.4.1)带有螺纹孔，第四柱形金属基体第四阶梯圆柱(1.1.4.5)为带有外螺纹的螺柱，第四柱形金属基体第二阶梯圆柱(1.1.4.3)与第三柱形金属基体第三阶梯圆柱(1.1.3.3)的直径相同。
4.根据权利要求3所述的压电驱动三自由度球形转子云台，其特征在于，在第四柱形金属基体第二阶梯圆柱(1.1.4.3)和第三柱形金属基体第三阶梯圆柱(1.1.3.3)的表面都覆盖有用于增大摩擦力的弹性材料，并将第四柱形金属基体第二阶梯圆柱(1.1.4.3)和第三柱形金属基体第三阶梯圆柱(1.1.3.3) 作为夹心式压电驱动器(1)的驱动轮。
5.根据权利要求3所述的压电驱动三自由度球形转子云台，其特征在于，在每一组压电陶瓷组件中，都包括了压电陶瓷片和电极片；
第一组压电陶瓷组件(1.2.1)和第五组压电陶瓷组件(1.2.5)相同，且分别布置于夹心式压电驱动器(1)的四阶弯曲振型的波峰和波谷处；
第二组压电陶瓷组件(1.2.2)和第四组压电陶瓷组件(1.2.4)相同，且布置于夹心式压电驱动器(1)的三阶扭转振型的两个节点处；
第三组压电陶瓷组件(1.2.3)布置于夹心式压电驱动器(1)的中间位置，所述中间位置为夹心式压电驱动器(1)的一阶纵振振型与三阶扭振振型的共同结点处。
6.根据权利要求5所述的压电驱动三自由度球形转子云台，其特征在于，
所述第一压电陶瓷组件包括：第一组压电陶瓷组件第一弯振压电陶瓷片(1.2.1.1)至第一组压电陶瓷组件第四弯振压电陶瓷片(1.2.1.4)，且所有的陶瓷片均沿厚度方向极化；
其中，第一组压电陶瓷组件第一弯振压电陶瓷片(1.2.1.1)和第一组压电陶瓷组件第二弯振压电陶瓷片(1.2.1.1)的极化分区线方向一致；
第一组压电陶瓷组件第三弯振压电陶瓷片(1.2.1.3)和第一组压电陶瓷组件第四弯振压电陶瓷片(1.2.1.4)的极化分区线方向一致，且垂直于第一组压电陶瓷组件第一弯振压电陶瓷片(1.2.1.1)的极化分区线。
7.根据权利要求6所述的压电驱动三自由度球形转子云台，其特征在于，第二组压电陶瓷组件(1.2.2)包括：第二组压电陶瓷组件第一扭振压电陶瓷片(1.2.2.1)和第二组压电陶瓷组件第二扭振压电陶瓷片(1.2.2.2)，沿周向极化，且极化方向相反。
8.根据权利要求7所述的压电驱动三自由度球形转子云台，其特征在于，第三组压电陶瓷组件(1.2.3)包括：第三组压电陶瓷组件第一扭振压电陶瓷片(1.2.3.1)至第三组压电陶瓷组件第四扭振压电陶瓷片(1.2.3.4)，其中，第三组压电陶瓷组件第一扭振压电陶瓷片(1.2.3.1)和第三组压电陶瓷组件第二扭振压电陶瓷片(1.2.3.2)为扭振压电陶瓷片，沿周向极化且极化方向相反，而第三组压电陶瓷组件第三纵振压电陶瓷片(1.2.3.3)和第三组压电陶瓷组件第四纵振压电陶瓷片(1.2.3.4)都是纵振压电陶瓷片，均沿厚度方向极化且极化方向相反。
9.根据权利要求1所述的压电驱动三自由度球形转子云台，其特征在于，
安装支架(2)为带有两个安装孔(2.5)的框型支架结构，所述框型支架结构由框架A(2.1)和框架B(2.2)组成，一个夹心式压电驱动器(1)安装于一个安装孔(2.5)中，通过两个夹心式压电驱动器(1)在空间上的位置相互正交；
通过螺栓(2.3)和弹簧(2.4)连接框架A(2.1)和框架B(2.2)，并调节框架A(2.1)与框架B(2.2)支之间的预紧力；
球形转子载物云台(3)上还开设有四个载物安装孔(3.4)，载物安装孔(3.4)用于安装光学元件；
通过调节螺栓(2.3)和弹簧(2.4)从而调节夹心式压电驱动器(1)的驱动轮与球形转子载物云台(3)的上下驱动球面之间的预压力。
10.一种用于压电驱动三自由度球形转子云台的驱动方法，其特征在于，包括：
若要触发球形转子载物云台(3)产生第一自由度的转动，则对所述单个夹心式压电驱动器(1)的第一组压电陶瓷组件(1.2.1)和第五组压电陶瓷组件(1.2.5)各自的第一、二压电陶瓷片施加第一简谐驱动信号，对三、四压电陶瓷片施加第二简谐驱动信号，其中，所述第二简谐驱动信号与所述第一简谐驱动信号相同频率且具有π/2时间相位差；
或者，若要触发球形转子载物云台(3)产生第二自由度的转动，则在施加所述第一简谐驱动信号后，对第三组压电陶瓷组件(1.2.3)的第一、第二纵振压电陶瓷片施加和所述第一简谐驱动信号相同频率且具有π/2时间相位差的驱动信号；
或者，若要触发球形转子载物云台(3)产生第三自由度的转动，则对第二组压电陶瓷组件(1.2.2)、第三组压电陶瓷组件(1.2.3)和第四组压电陶瓷组件(1.2.4)的扭振电陶瓷片施加所述第一简谐驱动信号，并对第三组压电陶瓷组件(1.2.3)的纵振压电陶瓷片施加和所述第一简谐驱动信号相同频率的简谐驱动信号。
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|---|---|---|---|
| CN202210087503.1A CN114400923A (zh) | 2022-01-25 | 2022-01-25 | 一种压电驱动三自由度球形转子云台及其驱动方法 |
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN115459626A (zh) * | 2022-08-26 | 2022-12-09 | 南京航空航天大学 | 贴片式框架型定子多自由度超声电机及其激励方法 |
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2022
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Cited By (2)
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| CN115459626A (zh) * | 2022-08-26 | 2022-12-09 | 南京航空航天大学 | 贴片式框架型定子多自由度超声电机及其激励方法 |
| CN115459626B (zh) * | 2022-08-26 | 2024-05-28 | 南京航空航天大学 | 贴片式框架型定子多自由度超声电机及其激励方法 |
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