大功率精密压电超声驱动平台及其驱动方法

文档序号:9455431
大功率精密压电超声驱动平台及其驱动方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种大功率精密压电超声驱动平台及其驱动方法,属于精密驱动与微定位技术领域。
【背景技术】
[0002]压电超声驱动技术由于其特有的定位精度高、无电磁干扰、结构简单紧凑等技术优势,被广泛应用于精密驱动平台中。其中超声电机是利用压电元件的逆压电效应激励弹性体产生微幅超声振动,通过摩擦耦合实现机械能输出的微特电机。与传统电磁电机相比,因其具有结构易于微型化、响应速度快、无电磁干扰等技术优势,广泛应用于精密驱动与微定位技术领域。根据弹性体(或称为定子)的结构形式与驱动激励模式的不同,超声电机主要有梁结构弹性体超声电机和板结构弹性体超声电机等几种类型。
[0003]中国专利《杆式行波型超声电机》,授权公告号为CN 100525057 C,授权公告日为2009年8月5日,公开的一种杆式行波型超声电机,其定子组件由底座和上配重块将压电陶瓷片组和电极片组通过底座的螺杆旋紧连接,上配重块呈圆盘状,上端部有一尺寸相对较小的内槽凸台,底座外缘具有四个安装用的螺纹孔,电机转子组件由柔性转子、销、压盖、轴等构成,电机定转子之间的预压力通过压紧弹簧来获得和调节,当电机通入超声频域内一定的交流电压时,电子定子部分上配重块与转子接触的表面的质点做椭圆运动,由于定转子之间存在预压力,定转子间会产生摩擦力,这种摩擦力会推动转子转动;中国专利《弯振模态梁式直线超声电机振子》,授权公告号为CN 101626203 B,授权公告日为2011年7月20日,公开的一种弯振模态梁式直线超声电机振子由两个驱动足、两个端盖、两个绝缘套、两对极化方向为厚度方向的压电陶瓷片、法兰盘、两个薄壁梁和安装座组成,法兰盘的端面上沿其轴线各伸出一根螺柱,每个螺柱上套有一对压电陶瓷片,每个螺柱的悬伸端端部旋合有端盖,每个端盖的末端上都设置一个驱动足,所述每片压电陶瓷片由切分后组合的、对称的两个半片压电陶瓷片组成,两个半片压电陶瓷片之间极化方向相反,法兰两侧的两对压电陶瓷片的切分线相互垂直,每对压电陶瓷片中的压电陶瓷片的极化方向相反;中国专利《圆盘型非接触超声电机》,授权公告号为CN 100525056 C,授权公告日为2009年8月5日,公开的一种圆盘型非接触超声电机,主要由定子组件、转子组件和制作组件构成,定子组件由圆盘形定子基体和压电陶瓷粘贴构成,电机的转子组件由转子基体、轴、弹簧、螺母等构成,电机支座组件由底座、外壳、螺钉构成,当电机通入超声频率范围内一定的交变电压时,电机定子产生超声频率的转动,通过粘性力驱动转子转动,动力由轴输出;中国专利《新型旋转型行波超声电机》,申请公告号为CN 102437787 A,申请公告日为2012年5月2日,公开的一种新型旋转型行波超声电机,其主要部件有二个定子、转子、底座、摩擦衬垫、挡圈以及轴承等,其中,两个形状相同的定子对称布置并且压紧转子两个端面,保证两定子的工作面可靠实现与转子表面平行接触,使定转子接触面受力均匀,这样可以克服目前基于单定子结构的旋转型行波超声电机定转子存在径向接触不均匀、接触范围小、定转子存在径向滑移摩擦损耗等缺陷,有望提高旋转型行波超声电机的最大输出转矩和效率,并且延长旋转型行波超声电机的使用寿命。
[0004]由超声电机的驱动原理可知,相同条件下电机定子的振动幅值越大,定子与转子间有效接触面积越大,越有利于电机整机性能的提高。而上述采用梁结构弹性体的超声电机,虽然电机定子振动幅值较大,但定子与转子间有效接触面积较小,使得梁结构超声电机的机械输出性能受限;对于采用板结构弹性体的超声电机,与梁结构超声电机相比,虽然电机定子与转子间有效接触面积较大,但定子的振动幅值一般较小,同样表现为限制了超声电机机械功率的强力输出。由此可见,对于单独采用梁结构弹性体或板结构弹性体的超声电机,由于定、转子间有效接触面积小或振动幅值不大等技术问题,导致超声电机整体输出性能不理想,限制了其在精密驱动与微定位平台装置中的应用与发展。

【发明内容】

[0005]为解决单独采用梁结构弹性体或板结构弹性体超声电机作为驱动器的定位平台,由电机定、转子间有效接触面积小或振动幅值不大所导致超声电机整体输出性能不理想等技术问题,本发明公开了一种大功率精密压电超声驱动平台及其驱动方法。
[0006]本发明采用的技术方案是:所述大功率精密压电超声驱动平台主要由固定外架、第一弹性体、第二弹性体、转动平台、滚动体、推力球轴承、蝶形弹簧、紧固连接件和内六角螺栓组成。
[0007]所述固定外架为一侧端部设置有法兰的薄壁圆环体结构,所述固定外架法兰四周沿圆周方向均匀设置有q个通孔结构,其中q为大于等于I的整数;所述固定外架薄壁圆环体靠近法兰部分设置有通孔结构,所述固定外架薄壁圆环体靠近悬臂端部内侧设置有圆弧状滑道结构,所述固定外架法兰一侧端部表面中心位置设有阶梯孔结构,所述所述固定外架法兰另一侧端部表面中心位置设有阶梯孔结构,所述固定外架法兰端部表面阶梯孔结构中心位置设有通孔结构。所述第二弹性体为梳齿型第二弹性体。所述转动平台为板结构,所述转动平台一侧端部表面中心位置设有圆形凹槽结构,其与第二弹性体的圆形凹槽结构相对布置;所述转动平台另一侧端部表面中心位置设有沉头孔结构,所述转动平台圆形凹槽结构与沉头孔结构之间设置有通孔结构,所述转动平台外圆周表面设置有圆弧形滑道结构,所述转动平台另一侧端部表面沿圆周方向均匀设置有r个螺纹孔结构。所述紧固连接件为一侧端部设有内六角孔的圆柱体结构,所述紧固连接件另一侧端部设置有外螺纹结构,所述紧固连接件内六角孔与外螺纹结构之间的外圆柱表面与推力球轴承紧密配合连接。
[0008]本发明的有益效果是:本发明采用梁板复合方式的弹性体对驱动平台进行激振,利用梁结构第一弹性体与板结构第二弹性体振动模态的叠加耦合,在实现平台梁结构第一弹性体较大振动幅值的同时,可获得平台板结构第二弹性体与转动平台间较大的有效接触面积,使得驱动平台的整机输出性能获得大幅度提升。本发明具有输出功率大、运行平稳、定位精度高、环境适应性强以及应用范围广等技术优势,在精密驱动与微定位技术领域中具有较大的应用与发展前景。
【附图说明】
[0009]图1所示为本发明提出的一种大功率精密压电超声驱动平台的剖视图; 图2所示为本发明提出的一种大功率精密压电超声驱动平台的固定底座的主视图;
图3所示为本发明提出的一种大功率精密压电超声驱动平台的固定底座的剖视图;
图4所示为本发明提出的一种大功率精密压电超声驱动平台的第二弹性体的主视图;图5所示为本发明提出的一种大功率精密压电超声驱动平台的第二弹性体的剖视图;图6所示为本发明提出的一种大功率精密压电超声驱动平台的粘接有矩形压电陶瓷片的第二弹性体的主视图;
图7所示为本发明提出的一种大功率精密压电超声驱动平台的粘接有矩形压电陶瓷片的第二弹性体的剖视图;
图8所示为本发明提出的一种大功率精密压电超声驱动平台的转动体的主视图;
图9所示为本发明提出的一种大功率精密压电超声驱动平台的转动体的剖视图;
图10所示为本发明提出的一种大功率精密压电超声驱动平台的紧固连接件的局部剖视图;
图11所示为本发明提出的一种贴片式梁板复合激振的大功率精密压电超声驱动平台的第一弹性体的局部剖视图;
图12所示为本发明提出的一种纵振夹心式梁板复合激振的大功率精密压电超声驱动平台的第一弹性体的主视图与剖视图;
图13所示为本发明提出的一种纵振夹心式梁板复合激振或扭振夹心式梁板复合激振或夹心式复合激振的大功率精密压电超声驱动平台第一弹性体中前匹配端与后匹配端的剖视图;
图14所示为本发明提出的一种扭振夹心式梁板复合激振的大功率精密压电超声驱动平台的第一弹性体的主视图与剖视图;
图15所示为本发明提出的一种强力输出夹心式梁板复合激振的大功率精密压电超声驱动平台的第一弹性体的主视图;
图16所示为本发明提出的一种强力输出夹心式梁板复合激振的大功率精密压电超声驱动平台的第一弹性体中前匹配端、后匹配端的剖视图及压电叠堆的结构示意图;
图17所示本发明提出的一种贴片式大功率精密压电超声驱动平台的第一弹性体的局部剖视图;
图18所示为本发明提出的一种夹心式复合激振的大功率精密压电超声驱动平台的第一弹性体的主视图与剖视图;
图19所示为本发明提出的一种纵扭复合激振的大功率精密压电超声驱动平台的第一弹性体的主视图与剖视图;
图20所示为本发明提出的一种纵扭复合激振的大功率精密压电超声驱动平台的第一弹性体中前匹配快与后匹配快的剖视图;
图21所示为本发明提出的一种贴片式模态转换的大功率精密压电超声驱动平台的第一弹性体的局部剖视图;
图22所示为本发明提出的一种夹心式模态转换的大功率精密压电超声驱动平台的第一弹性体的主视图与剖视图;
图23所示为本发明提出的一种夹心式模态转换的大功率精密压电超声驱动平台的第一弹性体中前匹配端与后匹配端的剖视图; 图24所示为本发明提出的一种强力输出夹心式模态转换的大功率精密压电超声驱动平台的第一弹性体的主视图;
图25所示为本发明提出的一种强力输出夹心式模态转换的大功率精密压电超声驱动平台的第一弹性体中前匹配端与后匹配端的剖视图;
图26所示为本发明提出的一种大功率精密压电超声驱动平台中43激振模式的环形压电陶瓷片的布置方式与激励方法示意图;
图27所示为本发明提出的一种大功率精密压电超声驱动平台中1激振模式的环形压电陶瓷片的布置方式与激励方法示意图;
图28所示为本发明提出的一种大功率精密压电超声驱动平台中43激振模式与I激振模式的环形压电陶瓷片的布置方式与激励方法示意图。
【具体实施方式】
[0010]【具体实施方式】一:结合图1~图3、图6~图11说明本实施方式。本实施方式提供了一种贴片式梁板复合激振的大功率精密压电超声驱动平台及其驱动方法的具体实施方案。所述贴片式梁板复合激振的大功率精密压电超声驱动平台主要由固定外架1、第一弹性体2、第二弹性体3、转动平台4、滚动体5、推力球轴承6、蝶形弹簧7、紧固连接件8和内六角螺栓9组成。
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