基于矩形板弯振驱动的两直线自由度超声电机的制作方法

专利名称：基于矩形板弯振驱动的两直线自由度超声电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用矩形板多个弯曲振动模态驱动的两直线自由度超声 电机，尤其涉及一种基于矩形板弯振驱动的两直线自由度超声电机。
背景技术：
超声电机分为单自由度式和多(含两)自由度式两大类。迄今，单自由度 超声电机技术已取得了长足进步，其中有些已进行批量生产并得到成功的应
用。但在某些场合，如精密XY工作台驱动、全方位仿生机器入关节驱动等应 用场合，人们需要提供两个和两个以上自由度运动和动力，此时，单自由度电 机就显得无能为力。在这种背景下，上世纪90年代未，多自由度超声电机应运 而生并逐渐进入超声研究者的视线。在2007年，国内超声电机技术首席科学家 赵淳生院士在其经典的《超声电机技术及应用》中对多自由度超声电机的技术 现状与发展进行了系统分析和总结。从该作可以看出，国内外已推出的为数不 多的多自由度超声电机几乎都属多旋转自由度式，多直线自由度超声电机研究 成果几近空白。只是进入2008年之后，苏州职业大学的李志荣教授推出过一种 利用杆式定子驱动的两直线自由度超声电机。从李教授的论文中不难看出，目 前该电机的性能尚不理想。尽管目前两直线自由度超声电机研究进展缓慢，但 是这类电机因能作平面运动、响应快、精密定位，而在集成半导体制造、精密 加工等技术领域内有着特殊重要的应用前景，在精密驱动、机器人等高新技术 领域中可发挥出其他电机难以替代重要的作用。正因如此，本发明提出了一种 用弹性矩形薄板的多个弯振模态推动电机动子做平面运动的两直线自由度超 声电机。迄今，在国内外还未见与本发明具有类似原理和结构的其他超声电机。

发明内容
本发明的目的在于提供了一种基于矩形板弯曲振动模态驱动的两直 线自由度超声电机。该电机具有运动灵活、运动精度高、响应快和动力密 度大等优点，在精密定位、伺服控制等应用中存在的明显优势，该电机具有亚 微米级(甚至更高)位置分辨率、毫秒级响应速度、有较大速度并能卑产生较 大推力，应用范围广。
本发明是这样实现的，它包括定子组件、动子组件、支座组件和预紧加压 组件，其特征是预紧加压组件连接支座组件，支座组件上连接定子组件，定子组 件与动子组件配合连接。定子组件通过柔性铰支座固定在支座组件上，动子组 件通过滚珠与支座组件构成高副连接，预紧加压组件压紧在定子组件上。
所述定子组件由矩形板、压电陶瓷、X向驱动齿、Y向驱动齿组成，其特 征是矩形板的正、反两面分别连有两层压电陶瓷，压电陶瓷上分别对称连有四
个X向驱动齿和四个Y向驱动齿，X向驱动齿和四个Y向驱动齿的顶面分别
涂敷增摩减磨材料。
所述的动子组件由滑板、滚动体、盖板组成，其特征是盖板固定连接滑板， 滑板上开有若干个阶梯孔，阶梯孔内有滚动体。
所述的支座组件由上安装盖、下安装座、柔性支座组成，其特征是上安装 盖连接下安装座，下安装座连有若干个柔性支座，下安装座上钻有若干个安装 孔。
所述的预紧加压组件由碟形弹簧和加压调整螺钉组成，其特征是调整螺钉 连接调节碟形弹簧。
所述的压电陶瓷，其特征是压电陶瓷由多个压电晶片组成，各压电晶片之
间在矩形板的X向和Y向均留有间隙，矩形板正面和背面上的两层压电陶瓷中的各压电晶片的极化方向相同。
本发明的技术效果是1、采用单个平板定子同时实现两个方向直线自由 度运动直接驱动，避免了传统XY移动装置中的变换运动机构所带来的传递误 差，使电机具有快速精密(亚微米级甚至更高精度)定位性，同时也简化了电 机结构、减小了电机尺寸；2、运动灵活、双功能，能产生较大推力，工作性
能更趋稳定，运动阻力小。3、采用平面薄板式定子结构，有利于平面运动电 机薄型化和轻量化；


图l为本发明的结构示意图。
图2为为本发明定子组件的结,示意图。
图3为本发明动子组件的结构示意图。
图4为本发明支座组件的结构示意图。
图5为本发明驱动的的配置示意图。
图6为本发明动子组件驱动原理图。
具体实施例方式
如图1所示，本发明是这样来实现的，它包括定子组件l、动子组件2、 支座组件3和预紧加压组件4，其特征是预紧加压组件4连接支座组件3，支座 组件3上连接定子组件1 ，定子组件1与动子组件2配合连接；
如图2所示，所述定子组件由矩形板5、压电陶瓷6、 X向驱动齿7、 Y向 个驱动齿8组成，其特征是矩形板5的正、反两面分别连有两层压电陶瓷6， 压电陶瓷6上分别对称连有四个X向驱动齿7和四个Y向个驱动齿8， X向驱 动齿7和Y向个驱动齿8的顶面分别涂敷增摩减磨材料9;所述的压电陶瓷6， 特征是它由多个压电晶片组成，各压电晶片之间在定子板5的X向和Y向上均留有间隙，定子矩形板5正面和背面上的两层压电陶瓷中的各压电晶片的
极化方向相同；
如图3所示，所述的动子组件由滑板10、滚动体11、盖板12和螺钉13 组成，其特征是盖板12与滑板10固定地连接在一起，滑板10上开有若干个 阶梯孔，阶梯孔内装有滚动体lh
如图4所示，所述的支座组件由上安装盖14、下安装座15、柔性铰支座16 和螺钉17组成。上安装盖14连接下安装座15，下安装座15上钻有若干个安 装孔；所述的预紧加压组件，它包括碟形弹簧18和加压调整螺钉19，其特征 是旋转调整螺钉19连接调节碟形弹簧18。
两直线自由度超声电机通过定子组件1的做超声机械振动推动动子作 XY平面运动。为了有效地激发定子组件l的弯曲工作模态的振动，需在定子 矩形板5的正面和背面粘贴高性能的压电陶瓷6，并需在这些压电陶瓷6上施 加高频谐波激励功率信号，使压电陶瓷6产生逆压电效应，从而引起矩形板5 机械振动。为了激发出矩形板5在X方向上的B(^模态，粘贴于定子矩形板5 正面外层的压电陶瓷6需进行极化处理和供电配置；为了激发定子的X方向上 的B。，8模态，贴于定子矩形板5正面里层的压电陶瓷6进行极化处理和供电配 置；为了激发出矩形板5的Y向的B^模态，贴于定子矩形板5背面外层的压 电陶瓷6进行极化处理和供电配置；为了激发定子矩形板的Y向B8,。模态，贴 于定子矩形板5背面上里层的压电陶瓷6进行极化处理和供电配置。
两直线自由度超声电机的定子板5上设置了 8个驱动齿，这些齿分成X向 驱动齿7和Y向驱动齿8等两组。每组中均有4个齿，X向驱动齿7用于推 动动子沿X轴方向做直线运动，Y向驱动齿8用于推动动子沿Y轴方向做直 线运动。如图5所示，所述的X向驱动齿7沿定子矩形板5的X方向上的安装位 置是:驱动齿7必须处于X向弯曲模态Bo，s和Bo,8的非波峰和波谷的适当位置。 并且为了避免或尽量减小X向驱动齿7的运动对动子组件的Y向直线自由度 产生干扰，X向驱动齿7在矩形板5的Y轴方向上位置是处在B^和B8，o的 公共节线上。
所述的Y向驱动齿8沿定子矩形板5的Y轴方向上的安装位置是必须
处于Y向弯曲模态B^和B8,(3的非波峰和波谷的适当位置。同样，为了避免或
减小Y向驱动齿的8运动对动子的X向自由度运动产生干扰，Y向驱动齿8 在矩形板5上的沿X向位置是处在B。，5和B。,8r的公共节线处。
电机的工作原理是通过在压电陶瓷I组上施加高频谐波激励信号，激发 定子X向的B。,5 (或B。，8)弯振模态，驱使X向驱动齿7的顶面处质点沿X向 作正(或反)向椭圆运动，再借助驱动齿7与动子组件2之间的摩擦推动动子 组件2沿X轴作正(或反)向直线运动；通过在压电陶瓷II组上施加高频谐 波激励信号，激发定子Y向的B^ (或B^)弯振模态，驱使Y向驱动齿8的 顶面处质点沿Y向作正(或反)向椭圆运动，并借助Y向驱动齿8与动子组 件2之间的摩擦推动动子组件2沿Y轴作正(或反)向直线运动。当同时激励 定子X向和Y向两个方向上的工作模态时，就实现了电机的XY平面运动。
图6所示，图中给出了电机利用单相高频谐波信号对定子进行激励，驱使 X向驱动齿7推动动子组件2沿X轴方向运动的情况。由于四个X向驱动齿7 沿定子板Y轴方向分成了前后两排，两排齿对动子的驱动情况完全一样，因此， 可以其中一排齿为例说明其X向自由度的驱动。动子组件2沿X轴的正向驱 动是通过定子的Bo，5模态实现，在定子按B。,5模态进行弯振的前半周期，两个 X向驱动齿7与动子组件2接触且作顺时针摆动，通过驱动齿与动子组件2之间的摩擦作用推动动子作正向运动；在定子按B。，5模态进行弯振的后半周期， 两个X向驱动齿7与转子脱离接触，不向动子组件传递动力，此时，动子组件
2在惯性作用下继续滑移。动子组件2沿X轴的反方向运动是通过矩形板5的 Bo，8模态实现，在定子按Bo,8模态弯振的前半周期，两个X向驱动齿7与动子 组件2接触且作逆时针摆动，通过驱动齿与动子组件2之间的摩擦作用推动动 子反向运动；在定子按Bo，8模态进行弯振的后半周期，两个X向驱动齿与转子 脱离接触，不向动子组件传递动力，此时，动子组件2在惯性作用下继续滑移。 值得说明的是，在X向驱动齿7驱动X向自由度的同时，Y向驱动齿8也在 驱动Y向由度运动。由于Y向驱动齿8沿矩形板5的X轴方向布置在B。，5与 B。,8的公共节线处，因此，Y向驱动齿8对动子组件的X向自由度运动几乎不 产生干扰。
矩形板5上的Y向驱动齿8对动子组件2的驱动是利用了矩形板5的B5，。 或Bs,o模态，其中，B^用于驱动动子组件2沿Y轴正向运动，Bs，。用于驱动 动子组件2沿Y轴的负方向运动。Y向驱动齿8推动动子Y向自由度的情况 与X向驱动齿7推动X向自由度的情况完全一样。同样，由于X向驱动齿7 沿矩形板5的Y轴方向布置在Bs，o与B8,()的公共节线处，因此，X向驱动齿7 对动子组件2的Y向自由度运动也不产生干扰。
权利要求
1、一种基于矩形板弯振驱动的两直线自由度超声电机，它包括定子组件、动子组件、支座组件和预紧加压组件，其特征是预紧加压组件连接支座组件，支座组件上连接定子组件，定子组件与动子组件配合连接。定子组件通过柔性铰支座固定在支座组件上，动子组件通过滚珠与支座组件构成高副连接，预紧加压组件压紧在定子组件上。
2、 根据权利要求1所述的基于矩形板弯振驱动的两直线自由度超声电机， 所述定子组件由矩形板、压电陶瓷、X向驱动齿、Y向驱动齿组成，其特征是 矩形板的正、反两面分别连有两层压电陶瓷，压电陶瓷上分别对称连有四个X 向驱动齿和四个Y向驱动齿，X向驱动齿和四个Y向驱动齿的顶面分别涂敷 增摩减磨材料。
3、 根据权利要求1所述的基于矩形板弯振驱动的两直线自由度超声电机， 所述的动子组件由滑板、滚动体、盖板组成，其特征是盖板固定连接滑板，滑 板上开有若干个阶梯孔，阶梯孔内有滚动体。
4、 根据权利要求1所述的基于矩形板弯振驱动的两直线自由度超声电机， 所述的支座组件由上安装盖、下安装座、柔性支座组成，其特征是上安装盖连 接下安装座，下安装座连有若干个柔性支座，下安装座上钻有若干个安装孔。
5、 根据权利要求1所述的基于矩形板弯振驱动的两直线自由度超声电机， 所述的预紧加压组件由碟形弹簧和加压调整螺钉组成，其特征是调整螺钉连接 调节碟形弹簧。
6、根据权利要求2所述的基于矩形板弯振驱动的两直线自由度超声电机， 所述的压电陶瓷，其特征是压电陶瓷由多个压电晶片组成，各压电晶片之间在 矩形板的X向和Y向均留有间隙，矩形板正面和背面上的两层压电陶瓷中的 各压电晶片的极化方向相同。
全文摘要
一种基于矩形板弯振驱动的两直线自由度超声电机，其特征是定子组件连接支座组件并通过驱动齿与动子组件配合，动子组件与支座组件形成高副联接。定子的主体为矩形板，板上设置驱动齿。电机选取矩形板X向的B_0，5、B_0，8和Y向B_5，0和B_8，0为工作模态，通过激发这些模态驱使驱齿上质点分别沿X向、Y向作椭圆运动。本发明的技术效果是1.用单个平板定子同时实现两个直线自由度直接驱动，避免了传统XY移动装置的运动传递误差，使电机具有快速精密定位性；2.采用薄板式定子便于电机薄型化、轻量化；3.运动灵活、双功能、大推力，性能更趋稳定。
文档编号H02N2/02GK101582653SQ20091011556
公开日2009年11月18日 申请日期2009年6月19日 优先权日2009年6月19日
发明者翔 周, 贺红林, 龙玉繁 申请人:南昌航空大学