专利名称：自锁型高精度旋转驱动马达的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种压电型马达，是微型、大力矩、任意行程、高精度、带自锁、双向旋转型压电马达，属于机电技术领域。
背景技术：
压电马达是近年来发展起来的新型驱动马达，是一种利用压电陶瓷逆压电效应制作的微驱动马达，具有体积小，推力大，精度高，位移分辨力高，响应快等特点。对于旋转型压电马达，目前主要集中于超声电机USM(包括行波电机和驻波电机等)的研究，共同的特点是其输出力矩较小、无法制动，不能满足一些需要大的驱动力和需要自锁制动的场合。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、输出力矩大、任意行程、带自锁、高精度微型压电型旋转型驱动马达，以适应多应用领域的实际需要。广泛应用于机器人回转关节、工业驱动、机械加工、生物仪器等领域。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案自锁型高精度旋转驱动马达，其特征在于有一摩擦圆盘，摩擦圆盘上有输出轴，在摩擦圆盘上表面放置有一个纵向自锁伸缩元件、一个弧形伸缩元件、一个纵向箝位伸缩元件构成的驱动复合机构，所述的纵向自锁伸缩元件和纵向箝位伸缩元件之间连接有弧形伸缩元件，纵向自锁伸缩元件和纵向箝位伸缩元件位于摩擦圆盘上，纵向自锁伸缩元件和纵向箝位伸缩元件上有一固定的平行板，弧形伸缩元件与摩擦圆盘、平行板均不接触。
所述的驱动复合机构由一个纵向自锁伸缩元件、二个弧形伸缩元件、二个纵向箝位伸缩元件构成，纵向自锁伸缩元件两端分别连接一个弧形伸缩元件，每个弧形伸缩元件的端部分别连接一个纵向箝位伸缩元件。
所述的驱动复合机构为一个或多个。
所述的驱动复合机构为二个或三个，在摩擦圆盘上对称分布。
在摩擦圆盘的下表面也有驱动复合机构，位于下平行板上，和上表面分布的驱动复合机构对称分布。
所述的纵向自锁伸缩元件、弧形伸缩元件、纵向箝位伸缩元件均为压电陶瓷堆。但放置的方向不同，分别根据其伸缩方向设置。
本发明的弧形伸缩元件一端与自锁伸缩元件固定联接，另一端与由弧形伸缩元件带动的可伸长/缩短一定距离而产生角位移的箝位伸缩元件固定联接，也对称地分布。在一定的控制时序下通过压电陶瓷的纵向伸缩产生的箝位制动和压电陶瓷的弧形伸缩驱动，在控制电压时序下形成压推关系，使得在摩擦力作用下摩擦圆盘产生一定的角位移，从而带动输出轴转动，输出一定转速下的力矩。而在不需要转动的时候又能通过自锁伸缩元件保持位姿。即当箝位伸缩元件在正电场作用下伸长而夹紧摩擦圆盘时，自锁伸缩元件即可施加负电场而缩短、与圆盘分离；同时弧形伸缩元件加正电场推动箝位伸缩元件产生弧形角位移，在自锁伸缩元件另一端的弧形伸缩元件既可施加负电场、也可不施加任何电场拉动箝位伸缩元件产生弧形角位移，对应端的箝位伸缩元件可施加正电场夹紧摩擦圆盘，也可施加负电场以松开摩擦圆盘；如此循环往复，可以步进式连续产生同一方向的角位移。
本发明可以将多个驱动复合机构对，在摩擦圆盘上相对轴心对称分布放置，既可加大马达的驱动力，又增加运行的平稳性。
对自锁伸缩元件可以施加预应力，可使得在无外电场时自锁伸缩元件始终保持在伸长状态，即保持摩擦圆盘的制动状态。这种特性特别适用于安全性、可靠性要求很高的场合使用，在意外失去电力的情形下，即使存在较大的负载，也由于具有自锁能力可以保持原有的位姿，不会造成驱动装置失稳和负载的突然跌落。
本发明的箝位伸缩元件与弧形伸缩元件以及自锁伸缩元件均选用压电陶瓷堆。弧形伸缩元件的圆弧形结构，保证在电场的作用下，沿圆周方向产生线性的角度变化，同时保证输出力矩始终对称地分布于摩擦圆盘切线方向，从而使得输出效率最高。
弧形伸缩元件施加的由箝位伸缩元件传递的对摩擦圆盘的对称输出力矩通过键(或花键)联接的同心输出轴传递到从动部件，或者由输出轴来直接驱动负载。
本发明的优越性和创新点主要表现在1、利用对称分布的压电陶瓷堆成对构成的位于摩擦圆盘两个表面的自锁伸缩元件和箝位伸缩元件，可以产生更大的轴向夹紧力。无源状态下的位姿保持能力、箝位单元与摩擦圆盘之间更大的静摩擦力使得对负载的驱动能力都大大增强；2、采用对称分布的弧形伸缩元件，可在正负电场的驱动下，产生推、拉双重作用的双倍的力矩，大大提高了带负载能力，可以无需减速机构来直接带动负载；3、驱动元件的对称分布所带来的另外的优势在于，可以产生任意的角位移和相反方向的旋转力矩；作为一种直接驱动马达，无需安装机械换向机构，简化了结构，减轻了重量和体积；4、在安装时用负电压进行预压缩，提供自锁伸缩元件的预应力，迫使自锁伸缩元件在无预加电压时纵向预伸长，使得在无源的状态下保持自锁或制动状态，该特点使得在需要动、静态位姿保持的场合有真正的应用价值。
本发明易于实现标准化和模块化，结构简单，输出力矩大，能够达到数百N·cm，甚至更大。
图1为本发明的驱动马达结构示意图；图2为本发明的驱动马达结构俯视图；图3为中心对称的复合结构剖视图；图4为压电驱动马达工作过程示意图；图5为驱动时序图。
具体实施例方式
以下结合附图对本发明的技术方案作详细描述。
如图1所示，本发明的结构主要包括摩擦圆盘1，输出轴2，弧形伸缩元件3、4，自锁伸缩元件6，以及箝位伸缩元件5、7。在箝位伸缩元件5、7，自锁伸缩元件6与摩擦圆盘1相接触的表面均安装一定厚度的摩擦片8、9、10。从图中可以看到，相应机构对称安装于摩擦圆盘的上下表面，在同一表面相应机构也成对称形式安装，均匀分布。这样既增大了输出力矩，又可以保证输出对称的力偶矩。
摩擦圆盘1和输出轴2同心，由键或花键联接于一体传递动力到输出轴，通过安装于机架上的轴承(未示出)支承输出轴2，把输出力矩传送给从动部件或负载。其中的驱动机构如图3所示。具体包括箝位伸缩元件5与弧形伸缩元件3的一端联接于一体，并随着弧形伸缩元件3的弧形伸长、缩短而相应逆时针、顺时针转动；箝位伸缩元件7与弧形伸缩元件4的一端联接于一体，并随着弧形伸缩元件4的弧形伸长、缩短而相应顺时针、逆时针转动；弧形伸缩元件3、4的另一端固定在自锁伸缩元件6上，而自锁伸缩元件6固定在机架壳体11上，即摩擦圆盘1和输出轴2相对于静止的机架壳体11转动。
可以通过特定方式给自锁伸缩元件加上预应力，从而使得摩擦片9能够和摩擦圆盘1之间产生足够的自锁力，从而可用于一些需要恒常自锁或者动、静态姿态保持的场合。具体的方式是，在安装时，给自锁伸缩元件6施加一定的负电场，使得整个自锁伸缩元件6长度缩短，调整自锁伸缩元件6与摩擦圆盘1之间的距离，使自锁伸缩元件6上的摩擦片9与摩擦圆盘1表面恰好接触，然后从机架壳体11(与磨擦圆盘平行的板面)上固定自锁伸缩元件6，再撤除施加的负电场，则自锁伸缩元件6恢复原长，推动摩擦片9压紧摩擦圆盘1，产生足够的压紧力，在静摩擦力的作用下实现自锁。在需要解除自锁时，给自锁伸缩元件6施加更大的负电场，使得自锁伸缩元件6缩短的长度大于原预伸长的长度，摩擦片9与摩擦圆盘1脱离接触，则解除自锁，摩擦圆盘1可在弧形伸缩元件3、4和箝位伸缩元件5、7的联动作用下产生旋转运动。
箝位单元，图3左侧所示，安装有箝位伸缩元件5和摩擦片8，其伸缩方向垂直于摩擦圆盘1的表面，与输出轴2的轴向平行。箝位伸缩元件的一个表面安装了摩擦片，在初始条件下，另一表面与机架11平面光滑接触。为了增大在无源初始条件下的自锁力，可以对箝位伸缩元件施加预应力，做法与自锁伸缩元件类似。即，在安装时，给箝位伸缩元件施加一定的负电场使箝位伸缩元件的长度缩短，调整机架壳体1平面在轴向空间的位置，使之与箝位单元的上下表面接触，再撤除施加的电场，则箝位伸缩元件恢复原长，产生一定的对摩擦圆盘1表面的初始预紧力。
其工作原理是通过对压电陶瓷构成的箝位伸缩元件、弧形伸缩元件在一定的时序下的驱动组合来实现对摩擦圆盘的动力驱动，从而在输出轴上得到输出力矩。由控制系统产生激励信号，实现马达的步进运动。
具体工作过程，如图4所示，以顺时针旋转驱动为例，如下(1)初始状态，各元件均无外加电场，由于施加的预应力，在无负载或负载产生的力矩不足以克服静摩擦力矩时，保持自锁状态；(2)给箝位伸缩元件5、7施加正电场(以“+”示出)，箝位伸缩元件伸长，则产生对摩擦圆盘的箝位力；同时给自锁伸缩元件6施加负电场(以“-”示出)，虽然自锁伸缩元件对摩擦圆盘的预紧力已解除，但因弧形伸缩元件不动作，马达仍处于自锁状态；(3)保持箝位伸缩元件、自锁伸缩元件的电场不变，给两侧的弧形伸缩元件3、4分别同时施加正(+)、负(-)电场。施加正电场的弧形伸缩元件4伸长，推动摩擦圆盘顺时针旋转一个步距角；同时施加负电场的弧形伸缩元件3缩短，拉动摩擦圆盘顺时针同步旋转一个步距角；(4)保持箝位伸缩元件、弧形伸缩元件的电场不变，给自锁伸缩元件6施加正(+)电场(或撤除负电场)，自锁伸缩元件伸长，则产生自锁力锁定摩擦圆盘；(5)保持自锁伸缩元件6的电场不变，给箝位伸缩元件5、7施加负(-)电场，撤除弧形伸缩元件3、4的电场，则弧形伸缩元件可自由回复原长。仍处于自锁状态；(6)保持自锁伸缩元件6的电场不变，给箝位伸缩元件5、7施加正(+)电场，则箝位伸缩元件伸长，产生对摩擦圆盘的箝位力。仍处于自锁状态。
重复步骤(2)-(6)，则使得摩擦圆盘不断步进顺时针旋转。
如果要实现逆时针转动，则只需要在步骤(3)中给弧形伸缩元件施加与顺时针旋转极性相反的电场，其他步骤所施加的电场极性相同。
按图1所示的结构，可以构成实际的应用装置。如图1所示，摩擦圆盘1的直径为60mm，厚度为5mm，材料为钢。输出轴2直径为15mm，长度为30mm，材料为钢。弧形伸缩元件3、4的内径为46mm，外径为66mm，厚度为5mm的压电陶瓷堆，所对应的圆心角为30°，它们均由日本NEC公司提供，其最大电压为±150V，推荐电压为-100V-+100V，在最大电压下的伸长为14±1.5um，所能提供的最大输出力为200N。箝位伸缩元件5和7是长、宽、高分别为7mm、7mm、10mm的压电陶瓷堆，它们同样是由日本NEC公司提供，其最大电压为±150V，推荐电压为-100V-+100V，在最大电压下的伸长为9±1.5um，所能提供的最大输出力为200N。自锁伸缩元件6是长、宽、高分别为7mm、7mm、14mm的压电陶瓷堆，由日本NEC公司提供，其所加最大电压为±150V，推荐电压为-100V-+100V，在最大电压下的伸长为13±1.5um，所能提供的最大输出力为200N。对于摩擦片8、9、10，其厚度为0.5mm，主要成分为高锰钢ZGM13。机架壳体11材料为#45钢。
权利要求
1.自锁型高精度旋转驱动马达，其特征在于有一摩擦圆盘，摩擦圆盘上有输出轴，在摩擦圆盘上表面放置有一个纵向自锁伸缩元件、一个弧形伸缩元件、一个纵向箝位伸缩元件构成的驱动复合机构，所述的纵向自锁伸缩元件和纵向箝位伸缩元件之间连接有弧形伸缩元件，纵向自锁伸缩元件和纵向箝位伸缩元件位于摩擦圆盘上，纵向自锁伸缩元件和纵向箝位伸缩元件上有一固定的平行板，弧形伸缩元件与摩擦圆盘、平行板均不接触。
2.根据权利要求1所述的驱动马达，其特征在于所述的驱动复合机构由一个纵向自锁伸缩元件、二个弧形伸缩元件、二个纵向箝位伸缩元件构成，纵向自锁伸缩元件两端分别连接一个弧形伸缩元件，每个弧形伸缩元件的端部分别连接一个纵向箝位伸缩元件。
3.根据权利要求1或2所述的驱动马达，其特征在于所述的驱动复合机构为一个或多个。
4.根据权利要求1或2所述的驱动马达，其特征在于所述的驱动复合机构为二个或三个，在摩擦圆盘上对称分布。
5.根据权利要求1或2所述的驱动马达，其特征在于在摩擦圆盘的下表面也有驱动复合机构，位于下平行板上，和上表面分布的驱动复合机构对称分布。
6.根据权利要求1-5之一所述的驱动马达，其特征在于所述的纵向自锁伸缩元件、弧形伸缩元件、纵向箝位伸缩元件均为压电陶瓷堆。
全文摘要
本发明涉及一种自锁型高精度旋转驱动马达，适用于微型或小型、大力矩、任意行程、高精度、带自锁、双向旋转场合，属于机电技术领域。在本发明的技术方案中，采用了纵向自锁伸缩元件、弧形伸缩元件、纵向箝位伸缩元件构成的驱动复合机构，这些复合机构成组对称地分布，这些伸缩元件在一定的控制时序下通过箝位、伸缩和自锁，实现对摩擦圆盘的直接驱动，从而带动输出轴的旋转。而在不需要旋转的场合，能通过自锁机构保持位姿。输出力矩在数百N·cm以上。本发明可用于工业驱动、机械加工、生物仪器等领域，尤其适合作为各型机器人关节驱动和动静态姿态保持场合使用。
文档编号H02N2/10GK1832325SQ20061003894
公开日2006年9月13日 申请日期2006年3月16日 优先权日2006年3月16日
发明者关胜晓, 汪增福, 张江涛 申请人:中国科学技术大学