基于h形压电换能结构驱动的平面超声电机的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种利用H形结构板的两相面内振动工作模态和一相面外振动工作模态复合驱动的两自由度平面超声电机，属于多自由度超声电机领域。
【背景技术】
[0002]超声电机是现代制造装备、航天器件、新式武器、家用及办公自动化设备不可或缺的重要执行部件，分为旋转型、直线型、单自由度、多自由度等多种形式。目前，旋转型和直线型超声电机技术日渐成熟，超声电机产业化也主要集中于这两类电机，而平面超声电机(PUSM)作为多自由度电机的一种特定型式，因存在运动和动力耦联特征，而使其技术冲突激增、设计复杂、驱动控制困难，从而造成其发展相对迟缓。迄今，已推出的PUSM主要有柱杆式、平板式、组合式等结构。国外研究方面，2001年，韩国Hong基于矩形板一纵和四弯模态实现一种平面超声电机，但该电机结构复杂。2006年，法国Dembele研制出一种小型三自由度平面超声电机，尺寸64mmX38mmX2.5mm ;同年，比利时的Vijver研制出一种压电三自由度平面工作平台，精度达10nm。2007年日本青山尚基于压电电致伸缩效应研制出一种具有纳米级定位精度平面电机，但电机速度极慢，只适于显微操作平台驱动；2012年Scuor设计出基于超声电机的五自由度定位平台。在国内，2002年刘俊标推出圆柱杆振动驱动的平面电机。2008年，时运来基于变截杆在正交方向上两个四阶弯振，研制出一种柱杆式两自由度平面电机，该电机最高速度190mm/s，最大推力19N。2009年，哈工大陈维山推出基于十字正交聚能器驱动的平面超声电机，推力达100N。2014年，严亮等研制出单定子两自由度平面超声驱动器。总体地看，由于发展时间不长，现已推出的平面超声电机结构型式还极其有限，电机的性能上普遍处于较低。尽管如此，由于平面超声电机实现了平面运动直接驱动，响应快、动力密度大、定位精密高，故在大集成度硅加工、精密光整加工、光纤装配、显微医学操作等众多领域内有着特殊重要的应用前景，在微驱动、微装配、机器人等许多高新技术领域中可发挥出其它电机难以替代的重要作用。基于上述背景，本实用新型提出一种利用H形结构板的面内面外弯振复合模态推动电机动子做平面运动的两自由度平面运动超声电机。迄今，在国内外还未见与本实用新型具有类似原理和结构的其他超声电机。
【实用新型内容】
[0003]本实用新型的目的在于提出了一种利用H形结构板面内纵弯振动模态以及面外弯振模态驱动的平面超声电机，该电机具有微米级、亚微米级运动分辨率，毫秒级响应速度，能产生较大运动速度，并输出较大推力，在精密平面运动定位、小型和微型伺服执行机构驱动等应用中存在广泛应用前景。
[0004]鉴于上述目的，本实用新型采用以下技术方案。基于H形压电换能结构驱动的平面超声电机，包括定子组件、动子组件和支座组件，所述支座组件通过其底板一侧固定的立板与所述动子组件连接，所述定子组件位于所述支座组件与所述动子组件之间，通过驱动足与动子组件连接，并通过所述支座组件的定子固定螺钉与底板连接；
[0005]所述定子组件包括H形结构板和压电陶瓷激励组件，H形结构板由两纵杆及位于纵杆中段连接的横杆构成，纵杆上设置有调整孔，横杆的中间设置有螺纹孔；纵杆呈方形条状结构，且方形的四面均粘帖有压电陶瓷激励组件，压电陶瓷激励组件由面内纵振激励陶瓷、面内弯振激励陶瓷和面外弯振激励陶瓷组成；所述面内纵振激励陶瓷分别粘贴于的两纵杆与横杆交汇处的正、反面，所述面内弯振激励陶瓷分别粘贴于两纵杆端部的左、右侧面，所述面外弯振激励陶瓷分别粘贴于两纵杆端部的正、反面；纵杆正、反面的末端设置有驱动足，驱动足的厚度高于压电陶瓷激励组件的面内纵振激励陶瓷和面外弯振激励陶瓷的厚度，且驱动足平行于H形结构板平面的表面涂覆有高性能耐磨擦材料，纵杆正面末端的驱动足与平面滑板的底面接触；
[0006]所述动子组件由平面滑板、滚珠和动子支座构成，动子支座与平面滑板之间夹装有滚珠，动子支座面向平面滑板的一面设置有凹坑，凹坑呈半球形结构，滚珠装于凹坑内；
[0007]所述支座组件包括立板、底板、橡胶块、侧板和碟簧，底板上面的一侧固定有立板，立板上设置有立板固定螺钉，底板上面的另一侧固定有侧板，侧板呈方框形且左右相对的内侧装有橡胶块，侧板方框形的中心安装有定子固定螺钉，侧板上设置有侧板固定螺钉和定位销，定子固定螺钉的外周套装有碟簧，碟簧位于定子组件与支座组件的底板之间，碟簧的高度高于H形结构板纵杆上驱动足的厚度，底板装有支座固定螺钉。
[0008]本实用新型的技术效果是:1、采用简单的H形结构定子，同时实现动子两直线自由度方向的直接驱动，避免了传统XY平面移动装置中采用运动变换机构所带来的平面运动误差，从而使电机能产生微米级甚至更高精度等级的精密运动性，并使电机具有快速响应特性；2、定子组件的两对驱动足交替地推动动子组件作平面运动，能成倍增大电机输出动力，并使电机运行更趋稳定；3、电机利用设置在H形结构板平面内的驱动足对动子进行驱动，有利于实现电机微型化、平板化设计。
【附图说明】
[0009]图1为本实用新型的立体结构局部剖视图；
[0010]图2为本实用新型中定子组件的立体结构示意图；
[0011]图3为本实用新型中动子组件的立体结构示意图；
[0012]图4为本实用新型中支座组件的立体结构示意图；
[0013]图5为工作模态的面内一阶反对称纵振示意图；
[0014]图6为工作模态的面外二阶反对称弯振示意图；
[0015]图7为工作模态的面内二阶对称弯振示意图；
[0016]图8为压电陶瓷位置布置及其压电极化供电配置主视图；
[0017]图9为压电陶瓷位置布置及其压电极化供电配置左视图；
[0018]图10为Y向运动驱动原理面内一阶纵振示意图；
[0019]图11为Y向运动驱动原理面外二阶弯振示意图；
[0020]图12为X向运动驱动原理面内二阶弯振示意图(一)；
[0021]图13为X向运动驱动原理面内二阶弯振示意图(二)；
[0022]图14为X向运动驱动原理面外二阶弯振示意图；
[0023]图15为驱动足推动动子X向运动驱动原理俯视图。
【具体实施方式】
[0024]以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。参见图1至图7，基于H形压电换能结构驱动的平面超声电机，包括定子组件1、动子组件2和支座组件3，所述定子组件I包括H形结构板11和压电陶瓷激励组件12，H形结构板11由两纵杆114及位于两纵杆114中段并与两纵杆114连为一体的横杆115构成，纵杆114上设置有调整孔112，横杆115的中间设置有螺纹孔113 ;两纵杆114的四周表面粘帖有压电陶瓷激励组件12 ;所述纵杆114呈方形条状结构，纵杆114两端的正、反面均设置有驱动足111，驱动足111的厚度高于压电陶瓷激励组件12的面内纵振激励陶瓷121和面外弯振激励陶瓷123的厚度，且驱动足111平行于H形结构板11平面的表面涂覆有高性能耐磨擦材料，纵杆114正面末端的驱动足111与平面滑板21的底面接触；
[0025]所述动子组件2包括平面滑板21、滚珠22和动子支座23，滚珠22夹装在动子支座23与平面滑板21之间，动子支座23面向平面滑板21的一面设置有凹坑231，凹坑231呈半球形结构，滚珠22装于凹坑231内；
[0026]所述支座组件3包括立板31、底板32、橡胶块33、侧板34和碟簧35，底板32上面的一侧固定有立板31，立板31上设置有螺钉，底板32上面的另一侧固定有侧板34，侧板34呈方框形且左右相对的内侧装有橡胶块33，侧板34方框形的中心安装有定子固定螺钉37，侧板34上设置有螺钉和定位销，定子固定螺钉37的外周固定套装有碟簧35，底板32装有支座固定螺钉36 ；
[0027]所述支座组件3通过其底板32 —侧固定的立板31与所述动子组件2的动子支座23连接，所述定子组件I的H形结构板11通过螺纹孔113用定子固定螺钉37固定于侧板34内，侧板34左右相对内侧的橡胶块33顶于H形结构板11的外侧，碟簧35位于H形结构板11与底板32之间，驱动足111与动子组件2的平面滑板21底面连接。
[0028]所述压电陶瓷激励组件12由多片压电陶瓷片组成，包括面内纵振激励陶瓷121、面内弯振激励陶瓷122和面外弯振激励陶瓷