专利名称：长环形直线行波超声电机精密进给装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于一种超声频压电驱动装置，特别涉及一种长环形直线行波超声电机精密进给装置。
背景技术：
随着现代制造技术的发展以及工业装备自动化程度的提高，超精密加工成为制造业中的前沿科学，受到人们的关注。高精度微量进给装置现在已成为超精机床的一个重要的关键装置。
长期以来，机床的进给系统主要是“旋转伺服电动机+滚珠丝杠”，这种进给系统由于从电动机主轴到工作台之间存在联轴节、丝杠、螺母、轴承、支架等一系列中间环节，当进给部件要完成启动、加减速、反转、停车等动作时，这些机械元件产生的弹性变形、摩擦、反向间隙等，都会造成进给运动的滞后和其它许多非线性误差，同时，这些中间环节也加大了系统的惯性质量，影响了对运动指令的快速响应。另外，丝杠是细长杆，在力和热的作用下，会产生变形，影响加工精度。因此，传统的机床进给系统已经不能适应现代工业装备的要求。
直线超声电机是利用压电元件激励出振子超声频域共振，借助摩擦力来驱动移动体，是近年来出现的一种全新原理的新型直线电机。相对传统电磁式直线电机，它具有功率密度大、无电磁干扰、低速大扭矩、运行无噪声、起动停止响应快、可直接驱动、断电自锁等卓越优点，较好地弥补了电磁电机的不足，为直线电机在机床进给系统中应用带来了更加广阔的应用前景。
现有的超声电机精密进给装置由底座、环形直线行波超声电机振子及移动架等构成，如图11所示。超声电机振子由压电陶瓷片和金属弹性体构成，金属弹性体由两个直梁段和两个半圆环封闭而成，压电陶瓷片有若干个，粘接在一个直梁段的内侧，另一个直梁段的内外侧表面上则设置有若干个齿，超声电机振子固定在底座上，移动架安装在超声电机振子带齿的直梁段上，由超声电机振子驱动移动架做直线运动。这种超声电机精密进给装置由于其超声电机振子的金属弹性体在结构上不对称，因而同一频率下的两正交模态就很难实现，从而不易获得较纯的行波，而形成良好的行波是该超声电机的技术关键。另外，该超声电机振子的金属弹性体只有一个直梁段有齿，另一个直梁段只能作为固定端使用，两个直梁段不能相互替换使用，带齿的直梁段一旦磨损，超声电机振子只能报废，固其使用寿命较短。此外，该超声电机振子的设计及装配方式也比较受限制。
发明内容
本实用新型要解决的技术问题是，克服现有超声电机精密进给装置存在的难以实现同一频率下的两正交模态及寿命问题，提供一种寿命长、便于设计和制造、易于实现同一频率下的两正交模态的长环形直线行波超声电机精密进给装置。
本实用新型包括底座、长环形超声电机振子、动子及工作台，工作台与动子固定在一起，长环形超声电机振子固定在底座上作为定子，并与动子相接触，所述的长环形超声电机振子由金属弹性体和压电陶瓷片构成，其特殊之处是，在金属弹性体的两个直梁段的外侧对称设置有若干个齿，压电陶瓷片为两片，每片采用多极化分区，对称粘贴在两个直梁段内侧，在底座上还有与动子运动方向相同的直线导轨，在工作台上有与直线导轨相配的滑座，利用长环形超声电机振子驱动动子及工作台作直线运动，从而实现微量、精密输送或进给的目的。
所述的长环形超声电机振子通过移动电机座固定在底座上，在底座上还装有预压力调整装置，以调整长环形超声电机振子与动子之间预压力。
所述的长环形超声电机振子沿移动方向为一个或并行设置多个，驱动工作台做直线运动。
所述的长环形超声电机振子在圆弧部或者直梁部与机座固定在一起。
本实用新型与现有技术相比具有如下优点1、易于实现同一频率下两正交模态，由于金属弹性体结构对称，且压电陶瓷片对称粘贴，使其振子结构保持对称，从而易于找到同一频率下的两正交模态，确保形成良好的行波，并把单片陶瓷片分割为多个极化区，极化方向交替变化的结构形式，有益于设计，便于采用直接优化设计方法，由于其振子结构的对称性，在有限元分析的优化设计时，可以将压电陶瓷片的最佳布置位置与振子弹性体几何参数的优化一次纳入振子优化过程的直接优化方法，对该振子振动模态进行优化设计，提高效率。
2、进给速度易于调整，调节激励的频率或电压幅值即可精确的控制运动速度。
3、应用范围宽，尤其适合于精密驱动，并易于实现驱动系统的微型化、自动化、集成化。
4、结构形式多样化，使用寿命长。
图1是本实用新型的结构示意图；图2是图1的左视图；图3、图5是本发明其他实施方案的结构示意图；图4是图3的左视图；图6是图5的左视图；图7、图9是本实用新型长环形超声电机振子的结构示意图；图8是图7的A-A剖视图；图10是图9的E-E剖视图；图11是现有超声电机精密进给装置的结构示意图。
具体实施方式
实施例1如图1和图2所示，本实用新型包括底座1、长环形超声电机振子6、动子4及工作台3，工作台3通过销钉或螺钉与动子4固定在一起；本实施例采用一个长环形超声电机振子6，长环形超声电机振子6固定在底座1上作为定子，并与动子4相接触；所述的长环形超声电机振子6通过移动电机座5固定在底座1上，以调整长环形超声电机振子6的位置；在长环形超声电机振子6的圆弧部两侧有侧固定翼12，侧固定翼12用螺栓或粘接的方式与移动电机座5相连接；在底座1上还装有预压力调整装置7，预压力调整装置7由支架和调整螺栓构成，旋转调整螺栓可以对长环形超声电机振子6的位置进行微调，以调整长环形超声电机振子6与动子4之间预压力；所述的长环形超声电机振子6由金属弹性体9和压电陶瓷片11构成，如图7和图8所示，在金属弹性体9的两个直梁段的外侧对称设置有若干个齿10，其整体结构保持对称；所述的压电陶瓷片11为二片，压电陶瓷片11用粘贴的方式与金属弹性体9粘接在一起，压电陶瓷片11对称粘贴在金属弹性体9的两个直梁段的内侧，压电陶瓷片11每片采用多极化分区，即在一个压电陶瓷片11上分为多个极化方向交错的极化区，或者采用多个陶瓷片构成多片多极化分区，并与时间相位差90°的高频交变驱动电压相连接，驱动电压的频率为20kHz-100kHz；在底座1上还有两个与动子4运动方向相同的直线导轨2，在工作台3上有与直线导轨2相配的滑座8，滑座8与直线导轨2相配合，确保工作台3在底座1上沿动子4的运动方向运动，利用长环形超声电机振子6作为定子驱动动子4及工作台3作直线运动，从而实现微量、精密输送或进给的目的。
实施例2如图3和图4所示，其结构如实施例1，不同之处在于，所述的长环形压电振子6为沿工作台3移动方向并行设置两个，采用双振子驱动一个动子4的结构形式，以提高工作台3的负载能力，压电陶瓷片11的设置与实施例1相同。
实施例3如图5和图6所示，其结构如实施例2，不同之处在于，在长环形超声电机振子13的直梁段两侧有侧固定翼14，如图9和图10所示，侧固定翼14用螺栓或粘接的方式与移动电机座5相连接，将长环形压电振子13固定在移动电机座5上，压电陶瓷片11的设置与实施例1相同。
权利要求1.一种长环形直线行波超声电机精密进给装置，包括底座、长环形超声电机振子、动子及工作台，工作台与动子固定在一起，长环形超声电机振子固定在底座上作为定子，并与动子相接触，所述的长环形超声电机振子由金属弹性体和压电陶瓷片构成，其特征在于，在金属弹性体的两个直梁段的外侧对称设置有若干个齿，压电陶瓷片为两片，每片采用多极化分区，对称粘贴在两个直梁段内侧，在底座上还有与动子运动方向相同的直线导轨，在工作台上有与直线导轨相配的滑座。
2.根据权利要求1所述的长环形直线行波超声电机精密进给装置，其特征在于，所述的长环形超声电机振子通过移动电机座固定在底座上，在底座上还装有预压力调整装置。
3.根据权利要求1所述的长环形直线行波超声电机精密进给装置，其特征在于，所述的长环形超声电机振子沿移动方向为一个或并行设置多个。
4.根据权利要求1所述的长环形直线行波超声电机精密进给装置，其特征在于，所述的长环形超声电机振子在圆弧部或者直梁部与机座固定在一起。
专利摘要一种长环形直线行波超声电机精密进给装置，解决了现有超声电机精密进给装置存在的难以实现同一频率下的两正交模态及寿命问题；本实用新型包括底座、长环形超声电机振子、动子及工作台，工作台与动子固定在一起，长环形超声电机振子固定在底座上作为定子，并与动子相接触，所述的长环形超声电机振子由金属弹性体和压电陶瓷片构成，其特殊之处是，在金属弹性体的两个直梁段的外侧对称设置有若干个齿，压电陶瓷片为两片，每片采用多极化分区，对称粘贴在两个直梁段内侧，在底座上还有与动子运动方向相同的直线导轨，在工作台上有与直线导轨相配的滑座；本实用新型易于实现同一频率下两正交模态，进给速度易于调整，适合于精密驱动，使用寿命长。
文档编号B23Q5/22GK2784129SQ20052008974
公开日2006年5月31日 申请日期2005年3月15日 优先权日2005年3月15日
发明者王宏祥, 何勍 申请人:辽宁工学院