CN114785186A - 一种直线压电马达 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种直线压电马达，属于精密驱动与定位技术领域。包括驱动振子、动子、底座机构和预紧机构；驱动振子包括驱动振子框架、固定梁振子、悬臂梁振子、一对驱动压电片和一个箝拉压电片；动子包括长直板和直线导轨；底座机构包括底座、动子基座、滑块和L型连接板；驱动振子作为定子固定在L型连接板的水平边板上，使悬臂梁振子的振子顶尖与动子的长直板呈直角相对；预紧机构包括预紧螺栓。本发明利用余弦信号控制定子的驱动动作，利用正弦或方波信号控制定子箝拉动作，实现动子单向直线运动或双向往复运动，驱动振子与动子的接触都是突变的，且是静摩擦驱动，不存在滑动摩擦力，故动子与驱动振子之间无磨损，从而延长马达寿命。
Description
技术领域
本发明属于精密驱动与定位技术领域，具体涉及一种直线压电马达。
背景技术
压电马达是一种利用压电体的逆压电效应进行机电能量转换的电动机，伴随着科学技术的迅猛发展，超声电机在航空航天、生物科技、先进制造、精细化工等高精领域扮演着重要的角色，并且实现了多领域应用的产业化发展，由于压电材料具有优越的动态性能、增量式定位能力，研究使用压电材料的作动器（超声电机）已成为世界多国研究热点。压电马达具有响应速度快、结构简单、精度高等特点，压电马达的设计非常灵活，结构形式多样，目前主要可分为惯性冲击马达、尺蠖马达和超声马达。
惯性冲击马达是利用惯性冲击来实现微位移的一种压电马达，具有行程大、结构简单、分辨率高、可被微型化等优点。然而，由于其是利用惯性冲击来实现微位移，定子与转子间存在滑动摩擦，因此其使用寿命较短，工作效率较低。尺蠖马达是一类仿生马达，工作在准静态下，其运动原理类似于尺蠖类昆虫的行进，工作过程中不存在滑动摩擦，因而在输出力和效率方面具有优势；但其工作频率较低，从而输出速度相对较低。超声马达通过定子与转子之间的摩擦获得运动和扭矩，其优势是谐振工作状态频率高、静音驱动、速度快；如Lu、Aoyagi等人研制出一种环形定子多自由度超声电机，转子能绕三个相互垂直的轴线旋转，最大输出扭矩为58. 04 mNm。贺红林提出基于H卧板面内四足的平面超声电机，该电机的两向速度可达 80 mm /s、103 mm /s。但是，与较广泛的工程应用相比，超声马达超声频段下的摩擦磨损问题突出，不适合在连续长时间运转的场合使用。
发明内容
为解决超声马达摩擦磨损严重和准静态马达频率低速度低得缺点，本发明提供了一种直线压电马达。
一种直线压电马达包括驱动振子1、动子2、底座机构4和预紧机构3。
所述驱动振子1包括驱动振子框架18、固定梁振子12、悬臂梁振子15、箝拉压电片11和一对驱动压电片13；
所述驱动振子框架18为U形框架；所述固定梁振子12为直梁，固定梁振子12的两端分别通过柔性铰链16连接设于驱动振子框架18的开口处；所述箝拉压电片11固定设于固定梁振子12的内侧面上；所述悬臂梁振子15为直杆状，悬臂梁振子15的一端固定连接着固定梁振子12的外侧面中部，使悬臂梁振子15呈悬臂状，且垂直于固定梁振子12；所述一对驱动压电片13分别对称固定设于悬臂梁振子15的两侧面；悬臂梁振子15的另一端为振子顶尖14；
所述动子2包括长直板21和直线导轨22；长直板21固定设于直线导轨22的一侧上，直线导轨22的另一侧呈燕尾杆221；
所述底座机构4包括底座44、动子基座43、滑块42和L型连接板41；底座44为矩形块状，顶部开设有倒T型的倒T型槽441；所述动子基座43为角钢状，动子基座43的一侧为水平边板434，所述水平边板434固定设于底座44的倒T型槽441内，动子基座43的另一侧为直立边板435；滑块42为槽钢状，滑块42固定设于动子基座43的直立边板435上，槽口呈水平向外，且槽口为燕尾槽；所述直线导轨22的燕尾杆221与燕尾槽配合连接，使动子2呈水平杆状设于动子基座43上；动子基座43的水平边板434上开设有动子预紧通孔433；所述L型连接板41的垂直边板固定设于底座44的一侧直立面上，且使垂直边板平行于动子基座43的直立边板，L型连接板41的垂直边板上开设有预紧通孔；
所述驱动振子1作为定子固定设于L型连接板41的水平边板上，使悬臂梁振子15垂直于动子2，且悬臂梁振子15的振子顶尖14与动子2的长直板21呈直角相对；
所述预紧机构3包括预紧螺栓31、弹簧32和预紧螺母33；预紧螺栓31穿过动子基座43上的动子预紧通孔433和L型连接板41上的预紧通孔，预紧螺栓31和预紧螺母33的配合连接；实现驱动振子1和动子2之间的预紧力的调节；
箝位工作时，向箝拉压电片11输入正弦信号，固定梁振子12在一个周期内实现悬臂梁振子15在垂直于动子2的方向上前后移动，使振子顶尖14与动子4的长直板21接触；驱动工作时，向一对驱动压电片13输入余弦信号，驱动悬臂梁振子15在一个周期实现在水平面内的左右摆动以带动动子2直线移动；同时向箝拉压电片11和一对驱动压电片13分别输入频率相等的正弦信号或余弦信号，使的直线驱动动作和箝位动作同步进行，以实现马达的连续运动。
进一步的技术方案如下：
与固定梁振子12两端的柔性铰链16对应的驱动振子框架18上外侧分别设有外弧形槽，外弧形槽的横截面为半圆形；所述柔性铰链16为内弧形槽，内弧形槽的横截面为四分之三圆形。
所述悬臂梁振子15顶部的振子顶尖14为半圆弧形，与固定梁振子12连接处的悬臂梁振子15根部为四分之一圆弧过渡连接。
所述一对驱动压电片13的材料和箝拉压电片11的材料均为PZT-4型压电陶瓷片。
所述驱动振子框架18的材料、固定梁振子12的材料和悬臂梁振子15的材料均为碳素结构钢；所述L型连接板41的材料、动子基座43的材料和底座44的材料均为铸铁。
所述动子基座43的水平边板434呈二级阶梯状结构，第一级阶梯上分别开设有一对腰形孔432，通过一对腰形孔432和螺纹连接件使动子基座43固定设于底座44的倒T型槽441内；第二级阶梯上开设有水平状的预紧通孔433。
所述预紧机构3包括预紧螺栓、弹簧和预紧螺母；弹簧套设在预紧螺栓上；所述预紧螺栓穿过L型连接板41的预紧通孔和动子基座43的动子预紧通孔433，弹簧32套设在预紧螺栓31的外伸端上；通过调节预紧螺母33实现预紧力的调节，同时实现调节工作时，振子顶尖14与动子2上的长直板21表面的接触或非接触。
本发明的有益技术效果体现在以下方面：
1.本发明结构紧凑，不借助机械不对称和惯性冲击来实现马达的运动，从而大大提高运动稳定性。本发明由定子、动子和底座机构组成，定子机构集成了柔性铰链、驱动振子等结构，使得箝拉和驱动动作保持高度一致，在结构上属于对称式分布，工作时不会产生动不平衡问题。
2.本发明采用谐波信号驱动，可工作在谐振状态下，且由于驱动振子尖端存在“接触——分离”的动作，大大降低了工作时的有害摩擦，提高了惯性冲击马达的效率。
3.本发明的驱动信号为最简单的正弦波信号，相比与传统惯性冲击线性马达的非对称信号驱动，本发明只需两路正弦信号即可，控制系统简单，控制成本较低；当两个电信号协同工作时，动子将实现单向移动，并且动子的移动方向也可以通过改变正弦信号的初始相位来实现反向。
4.当压电马达的工作频率是721Hz、驱动电压为180V时，马达的速度为8.24mm/s，牵引力为4.5N。该马达速度远远大于非谐振型压电马达的速度，略小于超声马达的速度。
5.本发明所提到的新型压电马达在导轨足够长的条件下，理论上行程可以无限延伸，且利用标准零件可提高运动的稳定性，实现精密定位，无限行程。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为图1的后视图。
图3为驱动振子结构示意图。
图4为动子结构示意图。
图5为预紧机构示意图。
图6为底座机构示意图。
图7为底座局部结构示意图。
图8为动子基座结构示意图。
图9为无电信号输入时马达初始状态图。
图10为驱动振子和动子分离状态图。
图11为驱动振子和动子接触状态图。
图12为驱动振子和动子接触状态图。
图13为驱动振子和动子分离状态图。
图14为驱动振子和动子分离状态图。
图15为箝拉压电片和驱动压电片输入信号图。
上图中序号：驱动振子1、动子机构2、预紧机构3、底座机构4、箝拉压电片11、固定梁振子12、驱动压电片13、振子顶尖14、悬臂梁振子15、柔性铰链16、通孔17、驱动振子框架18、长直板21、直板固定孔211、直线导轨22、燕尾杆221、L型连接板41、滑块42、动子基座43、滑块固定孔431、腰形孔432、预紧通孔433、水平边板434、直立边板435、底座44、倒T型槽441、安装孔442、预紧机构3。
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地说明。
参见图1和图2，一种直线压电马达包括驱动振子1、动子2、底座机构4和预紧机构3。
参见图3，驱动振子1包括驱动振子框架18、固定梁振子12、悬臂梁振子15、箝拉压电片11和一对驱动压电片13。
驱动振子框架18为U形框架；所述固定梁振子12为直梁，固定梁振子12的两端分别通过柔性铰链16连接设于驱动振子框架18的开口处；所述箝拉压电片11固定设于固定梁振子12的内侧面上；所述悬臂梁振子15为直杆状，悬臂梁振子15的一端固定连接着固定梁振子12的外侧面中部，使悬臂梁振子15呈悬臂状，且垂直于固定梁振子12；所述一对驱动压电片13分别对称固定设于悬臂梁振子15的两侧面；悬臂梁振子15的另一端为振子顶尖14。
一对驱动压电片13的材料和箝拉压电片11的材料均为PZT-4型压电陶瓷片。驱动振子框架18、固定梁振子12和悬臂梁振子15的材料均为碳素结构钢。
参见图3，与固定梁振子12两端的柔性铰链16对应的驱动振子框架18上外侧分别设有外弧形槽，外弧形槽的横截面为半圆形。柔性铰链16为内弧形槽，内弧形槽的横截面为四分之三圆形。
悬臂梁振子15顶部的振子顶尖14为半圆弧形，与固定梁振子12连接处的悬臂梁振子15根部为四分之一圆弧过渡连接。
参见图4，动子2包括长直板21和直线导轨22；长直板21固定安装于直线导轨22的一侧上，直线导轨22的另一侧呈燕尾杆221。
参见图6，底座机构4包括底座44、动子基座43、滑块42和L型连接板41。L型连接板41的材料、动子基座43的材料和底座44的材料均为铸铁。参见图7，底座44为矩形块状，顶部开设有倒T型的倒T型槽441。动子基座43为角钢状，动子基座43的一侧为水平边板434，动子基座43的另一侧为直立边板435。参见图8，动子基座43的水平边板434呈二级阶梯状结构，第一级阶梯上分别开设有一对腰形孔432，通过一对腰形孔432和螺纹连接件使动子基座43固定安装于底座44的倒T型槽441内；第二级阶梯上开设有水平状的预紧通孔433。
参见图6，滑块42为槽钢状，滑块42固定安装于动子基座43的直立边板435上，槽口呈水平向外，且槽口为燕尾槽。直线导轨22的燕尾杆221与滑块42的燕尾槽配合连接，使动子2呈水平杆状安装于动子基座43上。L型连接板41的垂直边板固定安装于底座44的一侧直立面上，且使垂直边板平行于动子基座43的直立边板，L型连接板41的垂直边板上开设有预紧通孔。
参见图2，驱动振子1作为定子固定安装于L型连接板41的水平边板上，使悬臂梁振子15垂直于动子2，且悬臂梁振子15的振子顶尖14与动子2的长直板21呈直角相对。
参见图5，预紧机构3包括预紧螺栓31、弹簧32和预紧螺母33。预紧螺栓31穿过动子基座43上的动子预紧通孔433和L型连接板41上的预紧通孔，弹簧32套设在预紧螺栓31的外伸端上；预紧螺栓31和预紧螺母33的配合连接，通过调节预紧螺母33实现预紧力的调节，实现调节工作时，振子顶尖14与动子2上的长直板21表面的接触或非接触，同时，实现调节驱动振子1和动子2接触时之间的预紧力。
本发明的工作原理详细说明如下：
参见图15中的a，向箝拉压电片11输入正弦信号，参见图15中的b；向驱动压电片13输入余弦信号。
参见图9，无电压信号时马达初始状态如图所示。
参见图10，当有电压信号输入时，悬臂梁振子15先逆时针摆动到最左端位置，固定梁振子12在初始状态位置保持不动。
参见图11，时间由t0至t1，固定梁振子12靠近动子2方向摆动，悬臂梁振子15顺时针转动一个小角度回到初始状态位置，同时振子顶尖14与动子2接触，期间静摩擦力使动子2向右移动一小段距离。
参见图12，时间由t1至t2时，固定梁振子12远离动子2方向摆动回到初始状态位置，悬臂梁振子15从初始状态位置继续顺时针摆动一个小角度至最右端位置，期间静摩擦力使动子2继续向右移动一小段距离。
参见图13，时间由t2至t3时，固定梁振子12继续远离动子2方向摆动使得振子顶尖14与动子2无接触，悬臂梁振子15逆时针旋转一个小角度回到初始状态位置。
参见图14，时间由t3至t4时，固定梁振子12靠近动子2方向摆动使得振子顶尖14靠近动子2，悬臂梁振子15继续逆时针旋转一个小角度至最左端位置，期间振子顶尖14与动子2仍无接触；如此往复，可实现压电马达向右的连续直线运动。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运动。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移动速度。
Claims (7)
1.一种直线压电马达，其特征在于：包括驱动振子（1）、动子（2）、底座机构（4）和预紧机构（3）；
所述驱动振子（1）包括驱动振子框架（18）、固定梁振子（12）、悬臂梁振子（15）、箝拉压电片（11）和一对驱动压电片（13）；
所述驱动振子框架（18）为U形框架；所述固定梁振子（12）为直梁，固定梁振子（12）的两端分别通过柔性铰链（16）连接设于驱动振子框架（18）的开口处；所述箝拉压电片（11）固定设于固定梁振子（12）的内侧面上；所述悬臂梁振子（15）为直杆状，悬臂梁振子（15）的一端固定连接着固定梁振子（12）的外侧面中部，使悬臂梁振子（15）呈悬臂状，且垂直于固定梁振子（12）；所述一对驱动压电片（13）分别对称固定设于悬臂梁振子（15）的两侧面；悬臂梁振子（15）的另一端为振子顶尖（14）；
所述动子（2）包括长直板（21）和直线导轨（22）；长直板（21）固定设于直线导轨（22）的一侧上，直线导轨（22）的另一侧呈燕尾杆（221）；
所述底座机构（4）包括底座（44）、动子基座（43）、滑块（42）和L型连接板（41）；底座（44）为矩形块状，顶部开设有倒T型的倒T型槽（441）；所述动子基座（43）为角钢状，动子基座（43）的一侧为水平边板（434），所述水平边板（434）固定设于底座（44）的倒T型槽（441）内，动子基座（43）的另一侧为直立边板（435）；滑块（42）为槽钢状，滑块（42）固定设于动子基座（43）的直立边板（435）上，槽口呈水平向外，且槽口为燕尾槽；所述直线导轨（22）的燕尾杆（221）与燕尾槽配合连接，使动子（2）呈水平杆状设于动子基座（43）上；动子基座（43）的水平边板（434）上开设有动子预紧通孔（433）；所述L型连接板（41）的垂直边板固定设于底座（44）的一侧直立面上，且使垂直边板平行于动子基座（43）的直立边板，L型连接板（41）的垂直边板上开设有预紧通孔；
所述驱动振子（1）作为定子固定设于L型连接板（41）的水平边板上，使悬臂梁振子（15）垂直于动子（2），且悬臂梁振子（15）的振子顶尖（14）与动子（2）的长直板（21）呈直角相对；
所述预紧机构（3）包括预紧螺栓（31）、弹簧（32）和预紧螺母（33）；预紧螺栓（31）穿过动子基座（43）上的动子预紧通孔（433）和L型连接板（41）上的预紧通孔，预紧螺栓（31）和预紧螺母（33）的配合连接；实现驱动振子（1）和动子（2）之间的预紧力的调节；
箝位工作时，向箝拉压电片（11）输入正弦信号，固定梁振子（12）在一个周期内实现悬臂梁振子（15）在垂直于动子（2）的方向上前后移动，使振子顶尖（14）与动子（4）的长直板（21）接触；驱动工作时，向一对驱动压电片（13）输入余弦信号，驱动悬臂梁振子（15）在一个周期实现在水平面内的左右摆动以带动动子（2）直线移动；同时向箝拉压电片（11）和一对驱动压电片（13）分别输入频率相等的正弦信号或余弦信号，使的直线驱动动作和箝位动作同步进行，以实现马达的连续运动。
2.根据权利要求1所述一种直线压电马达，其特征在于：与固定梁振子（12）两端的柔性铰链（16）对应的驱动振子框架（18）上外侧分别设有外弧形槽，外弧形槽的横截面为半圆形；所述柔性铰链（16）为内弧形槽，内弧形槽的横截面为四分之三圆形。
3.根据权利要求1所述一种直线压电马达，其特征在于：所述悬臂梁振子（15）顶部的振子顶尖（14）为半圆弧形，与固定梁振子（12）连接处的悬臂梁振子（15）根部为四分之一圆弧过渡连接。
4.根据权利要求1所述一种直线压电马达，其特征在于：所述一对驱动压电片（13）的材料和箝拉压电片（11）的材料均为PZT-4型压电陶瓷片。
5.根据权利要求1所述一种直线压电马达，其特征在于：所述驱动振子框架（18）的材料、固定梁振子（12）的材料和悬臂梁振子（15）的材料均为碳素结构钢；所述L型连接板（41）的材料、动子基座（43）的材料和底座（44）的材料均为铸铁。
6.根据权利要求1所述一种直线压电马达，其特征在于：所述动子基座（43）的水平边板（434）呈二级阶梯状结构，第一级阶梯上分别开设有一对腰形孔（432），通过一对腰形孔（432）和螺纹连接件使动子基座（43）固定设于底座（44）的倒T型槽（441）内；第二级阶梯上开设有水平状的预紧通孔（433）。
7.根据权利要求1所述一种直线压电马达，其特征在于：所述预紧机构（3）包括预紧螺栓、弹簧和预紧螺母；弹簧套设在预紧螺栓上；所述预紧螺栓穿过L型连接板（41）的预紧通孔和动子基座（43）的动子预紧通孔（433），弹簧（32）套设在预紧螺栓（31）的外伸端上；通过调节预紧螺母（33）实现预紧力的调节，同时实现调节工作时，振子顶尖（14）与动子（2）上的长直板（21）表面的接触或非接触。
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| JP2012070572A (ja) * | 2010-09-24 | 2012-04-05 | Olympus Corp | 圧電モータ |
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-
2022
- 2022-05-11 CN CN202210509791.5A patent/CN114785186B/zh active Active
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| JP2012070572A (ja) * | 2010-09-24 | 2012-04-05 | Olympus Corp | 圧電モータ |
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
| 贺良国;刘永斌;张祺;张连生;潘巧生;: "新型同步箝位控制压电马达", 振动与冲击, no. 23, 15 December 2013 (2013-12-15) * |
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