轮形结构螺纹副驱动型超声电机及其激励方法与流程

本发明涉及一种轮形结构螺纹副驱动型超声电机及其激励方法，属于精密驱动与定位技术领域。

背景技术：
超声电机（也可称为超声波马达）是一种利用压电元件的逆压电效应激发振子（或称定子）产生微幅高频的超声振动，通过振子与动子间的摩擦耦合实现机械能输出的微特电机。按照动子的输出形式不同，超声电机可分为直线、旋转与多自由度等几种输出类型。旋转直线超声电机作为目前诸多输出类型超声电机中的一种，其振子与动子间主要采用螺纹副进行传动，通过螺纹传动副实现旋转直线两自由度运动的输出。与其它类超声电机相比，旋转直线超声电机具有结构简单、易于微型化、定位精度高等优势，可广泛应用于精密驱动与传动的技术领域。根据振子的构成方式与驱动激励模式的不同，旋转直线超声电机主要有超声波导螺杆电动机、基于模态转换的金属方体定子旋转直线超声电机、螺纹驱动多面体超声电机以及压电片夹心式旋转直线超声电机等几种类型。其中美国专利《MECHANISMCOMPRISEDOFULTRASONICLEADSCREWMOTOR》，公开号为US2006049720-A1，公开日为Mar.9，2006，公开的超声波导螺杆电动机主要是将压电片粘贴于杆式结构定子外侧面，利用两端自由约束的柱体定子空间上正交的两个一阶弯曲振动相互耦合，在定子自由端的内表面产生驱动行波，定子与输出轴通过螺纹副传动，在轴向负载力的作用下实现输出轴的旋转直线运动输出。日本专利《超音波操作装置および微細管内検査システム》，公开号为JP2009261494-A，公开日为2009年11月12日，公开的基于模态转换的金属方体定子旋转直线超声电机主要是利用粘贴压电片的复合金属方体定子的径向收缩振动（R3振动模态）和轴向伸缩振动（T1振动模态）两种模态间的转换来实现旋转与直线运动的输出，并且这两种运动是相互独立的，可以实现单独控制。中国专利《螺纹驱动多面体超声电机》，公开号为CN1767347A，公开日为2006年5月3日，公开的螺纹驱动多面体超声电机主要是将压电片粘贴到金属薄壁圆筒定子外侧的平面上，转子与金属薄壁圆筒定子通过螺纹相啮合，通过激励压电片使定子中产生沿圆周方向的面内弯曲行波，该面内弯曲行波通过螺纹直接驱动转子旋转并转换成转子的轴向直线运动。中国专利《压电片夹心式旋转直线超声电机定子》，授权公告号CN102355157B，授权公告日2014年02月12日，公开的压电片夹心式旋转直线超声电机主要是将压电片以夹心式结构的方式布置于悬臂梁与自由梁定子中，激发定子的弯曲振动模态，利用模态耦合实现螺纹输出轴的旋转直线运动输出。上述几种实现方式的旋转直线超声电机虽然在振子的构成方式或驱动激励模式有所不同，但其共同点是振子中用于激发振动的压电激振元件均采用单层片状形式的压电片作为激振源，导致电机的输出力较小（一般不超过10N）、输出功率较低（一般不超过20mW）。这一问题在要求驱动器具有大输出力、高输出功率特性的航空航天、飞行器及军工技术等领域显得更为突出。

技术实现要素：
为解决已有旋转直线超声电机由于采用压电片作为激振源，所导致的电机输出力小、输出功率低等技术问题，本发明公开了一种轮形结构螺纹副驱动型超声电机及其激励方法。本发明所采用的技术方案是：所述的轮形结构螺纹副驱动型超声电机包括外架、压电驱动器、弹性轮、刚性轮、输出轴、键和预紧螺钉。所述的外架为轮形结构，压电驱动器为压电堆叠，压电驱动器内置于外架中，并通过预紧螺钉加压预紧于弹性轮的外槽，弹性轮为具有外槽和内螺纹的螺母结构弹性体，刚性轮为具有键槽的空心螺纹轴结构刚性体，弹性轮与刚性轮之间通过螺纹副传动，输出轴为具有键槽的圆轴结构，刚性轮与输出轴之间通过键传动。通过在压电驱动器上施加交变电信号，激发弹性轮的径向微幅伸缩振动模态，叠加耦合形成驱动行波，通过螺纹副传动产生驱动力，实现输出轴的旋转直线运动输出。本发明所提出的轮形结构螺纹副驱动型超声电机具有输出力大、输出功率高等优点，其输出力可达20N以上，并可获得50mW以上的输出功率，在航空航天、军工技术等领域具有广泛的应用前景。附图说明图1所示为本发明提出的一种单波长激振模式的轮形结构螺纹副驱动型超声电机的剖视图；图2所示为本发明提出的一种单波长激振模式的轮形结构螺纹副驱动型超声电机外架的示意图；图3所示为图2的A—A向剖视图；图4所示为本发明提出的一种单波长激振模式的轮形结构螺纹副驱动型超声电机弹性轮的示意图；图5所示为图4的B—B向剖视图；图6所示为本发明轮形结构螺纹副驱动型超声电机刚性轮的示意图；图7所示为本发明轮形结构螺纹副驱动型超声电机输出轴的示意图；图8所示为本发明提出的一种单波长激振模式的轮形结构螺纹副驱动型超声电机弹性轮的变形示意图；图9所示为本发明提出的一种两波长激振模式的轮形结构螺纹副驱动型超声电机的剖视图；图10所示为本发明提出的一种两波长激振模式的轮形结构螺纹副驱动型超声电机外架的示意图；图11所示为本发明提出的一种两波长激振模式的轮形结构螺纹副驱动型超声电机弹性轮的示意图；图12所示为本发明提出的一种两波长激振模式的轮形结构螺纹副驱动型超声电机弹性轮的变形示意图；图13所示为本发明提出的一种三波长激振模式的轮形结构螺纹副驱动型超声电机的剖视图；图14所示为本发明提出的一种三波长激振模式的轮形结构螺纹副驱动型超声电机外架的示意图；图15所示为本发明提出的一种三波长激振模式的轮形结构螺纹副驱动型超声电机弹性轮的示意图；图16所示为本发明提出的一种三波长激振模式的轮形结构螺纹副驱动型超声电机弹性轮的变形示意图。具体实施方式具体实施方式一：结合图1、图2、图4、图6、图7和图8说明本实施方式。本实施方式提供了一种单波长激振模式的轮形结构螺纹副驱动型超声电机及其激励方法的实施方案。该单波长激振模式的轮形结构螺纹副驱动型超声电机主要由外架1、压电驱动器2、弹性轮3、刚性轮4、输出轴5、键6和预紧螺钉7组成。所述的外架1为轮形结构，其外圆面上均布4个用于与预紧螺钉7配合的平面，具体为第一平面1-1、第二平面1-2、第三平面1-3和第四平面1-4；压电驱动器2为4个哈尔滨芯明天科技有限公司的型号为VS12系列的平头式柱形封装压电堆叠，具体为第一压电堆叠2-1、第二压电堆叠2-2、第三压电堆叠2-3和第四压电堆叠2-4；弹性轮3为具有外槽和内螺纹的螺母结构弹性体，4个外槽用于与压电驱动器2配合连接，具体为第一外槽3-1、第二外槽3-2、第三外槽3-3和第四外槽3-4；刚性轮4为具有键槽4-1的空心螺纹轴结构刚性体，弹性轮3与刚性轮4之间通过螺纹副传动，输出轴5为带有键槽5-1的圆轴结构，刚性轮4与输出轴5之间通过键6传动；其中第一平面1-1与预紧螺钉7配合预紧第一压电堆叠2-1作用于弹性轮3的第一外槽3-1上，第二平面1-2与预紧螺钉7配合预紧第二压电堆叠2-2作用于弹性轮3的第二外槽3-2上，第三平面1-3与预紧螺钉7配合预紧第三压电堆叠2-3作用于弹性轮3的第三外槽3-3上，第四平面1-4与预紧螺钉7配合预紧第四压电堆叠2-4作用于弹性轮3的第四外槽3-4上。所述的第一压电堆叠2-1与第三压电堆叠2-3对称布置，第一压电堆叠2-1构成激振组A1，第三压电堆叠2-3构成激振组A2，激振组A1与激振组A2构成激振组A；第二压电堆叠2-2与第四压电堆叠2-4对称布置，第二压电堆叠2-2构成激振组B1，第四压电堆叠2-4构成激振组B2，构成激振组B，激振组B1和激振组B2构成激振组B；激振组A与激振组B满足空间正交布置关系。本实施方式的激励方法：参照图1与图8进行说明。激振组A中激振组A1施加使其产生伸长或缩短变形的交变电信号，激振组A2施加同时使其产生相应缩短或伸长变形的交变电信号；激振组B中激振组B1施加使其产生伸长或缩短变形的交变电信号，激振组B2施加同时使其产生相应缩短或伸长变形的交变电信号；激振组A与激振组B通电交变电信号的频率相同，大于16kHz的超声频段，幅值相等，相位差满足90度或270度的正交关系；当激振组A与激振组B通电交变电信号的相位差分别为90度和270度时，激振组A与激振组B激发弹性轮3的径向微幅伸缩振动模态，叠加耦合形成驱动行波，通过螺纹副传动产生驱动力，实现输出轴5的旋转直线运动输出。具体实施方式二：结合图9、图10、图11和图12说明本实施方式。本实施方式提供了一种两波长激振模式的轮形结构螺纹副驱动型超声电机及其激励方法的实施方案。其组成部分和连接关系与具体实施方式一相同，区别在于压电驱动器2对弹性轮3的激励模式不同。所述的外架1为轮形结构，其外圆面上均布8个用于与预紧螺钉7配合的平面，具体为第一平面1-1、第二平面1-2、第三平面1-3、第四平面1-4、第五平面1-5、第六平面1-6、第七平面1-7和第八平面1-8；所述的压电驱动器2为8个哈尔滨芯明天科技有限公司的型号为VS12系列的平头式柱形封装压电堆叠，具体为第一压电堆叠2-1、第二压电堆叠2-2、第三压电堆叠2-3、第四压电堆叠2-4、第五压电堆叠2-5、第六压电堆叠2-6、第七压电堆叠2-7和第八压电堆叠2-8；弹性轮3为具有外槽和内螺纹的螺母结构弹性体，8个外槽用于与压电驱动器2配合连接，具体为第一外槽3-1、第二外槽3-2、第三外槽3-3、第四外槽3-4、第五外槽3-5、第六外槽3-6、第七外槽3-7和第八外槽3-8；所述的第一平面1-1与预紧螺钉7配合预紧第一压电堆叠2-1作用于弹性轮3的第一外槽3-1上，第二平面1-2与预紧螺钉7配合预紧第二压电堆叠2-2作用于弹性轮3的第二外槽3-2上，第三平面1-3与预紧螺钉7配合预紧第三压电堆叠2-3作用于弹性轮3的第三外槽3-3上，第四平面1-4与预紧螺钉7配合预紧第四压电堆叠2-4作用于弹性轮3的第四外槽3-4上，第五平面1-5与预紧螺钉7配合预紧第五压电堆叠2-5作用于弹性轮3的第五外槽3-5上，第六平面1-6与预紧螺钉7配合预紧第六压电堆叠2-6作用于弹性轮3的第六外槽3-6上，第七平面1-7与预紧螺钉7配合预紧第七压电堆叠2-7作用于弹性轮3的第七外槽3-7上，第八平面1-8与预紧螺钉7配合预紧第八压电堆叠2-8作用于弹性轮3的第八外槽3-8上。压电驱动器2中的第一压电堆叠2-1和第五压电堆叠2-5对称布置，第二压电堆叠2-2和第六压电堆叠2-6对称布置，第三压电堆叠2-3和第七压电堆叠2-7对称布置，第四压电堆叠2-4和第八压电堆叠2-8对称布置；第一压电堆叠2-1与第二压电堆叠2-2空间45度布置，第二压电堆叠2-2与第三压电堆叠2-3空间45度布置，第三压电堆叠2-3与第四压电堆叠2-4空间45度布置。压电驱动器2中的第一压电堆叠2-1和第五压电堆叠2-5构成激振组A1，第三压电堆叠2-3和第七压电堆叠2-7构成激振组A2，激振组A1和激振组A2构成激振组A；第二压电堆叠2-2和第六压电堆叠2-6构成激振组B1，第四压电堆叠2-4和第八压电堆叠2-8构成激振组B2，激振组B1和激振组B2构成激振组B；激振组A与激振组B满足空间45度布置关系。本实施方式的激励方法：参照图9和图12进行说明。激振组A中激振组A1施加使其产生伸长或缩短变形的交变电信号，激振组A2施加同时使其产生相应缩短或伸长变形的交变电信号；激振组B中激振组B1施加使其产生伸长或缩短变形的交变电信号，激振组B2施加同时使其产生相应缩短或伸长变形的交变电信号；激振组A与激振组B通电交变电信号的频率相同，大于16kHz的超声频段，幅值相等，相位差满足90度或270度的正交关系。当激振组A与激振组B通电交变电信号的相位差分别为90度和270度时，激振组A与激振组B激发弹性轮3的径向微幅伸缩振动模态，叠加耦合形成驱动行波，通过螺纹副传动产生驱动力，实现输出轴5的旋转直线运动输出。具体实施方式三：结合图13、图14、图15和图16说明本实施方式。本实施方式提供了一种三波长激振模式的轮形结构螺纹副驱动型超声电机及其激励方法的实施方案。其组成部分和连接关系与具体实施方式一和具体实施方式二相同，区别在于压电驱动器2对弹性轮3的激励模式不同。所述的外架1为轮形结构，其外圆面上均布12个用于与预紧螺钉7配合的平面，具体为第一平面1-1、第二平面1-2、第三平面1-3、第四平面1-4、第五平面1-5、第六平面1-6、第七平面1-7、第八平面1-8、第九平面1-9、第十平面1-10、第十一平面1-11和第十二平面1-12；所述的压电驱动器2为12个哈尔滨芯明天科技有限公司的型号为VS12系列的平头式柱形封装压电堆叠，具体为第一压电堆叠2-1、第二压电堆叠2-2、第三压电堆叠2-3、第四压电堆叠2-4、第五压电堆叠2-5、第六压电堆叠2-6、第七压电堆叠2-7、第八压电堆叠2-8、第九压电堆叠2-9、第十压电堆叠2-10、第十一压电堆叠2-11和第十二压电堆叠2-12；弹性轮3为具有外槽和内螺纹的螺母结构弹性体，12个外槽用于与压电驱动器2配合连接，具体为第一外槽3-1、第二外槽3-2、第三外槽3-3、第四外槽3-4、第五外槽3-5、第六外槽3-6、第七外槽3-7、第八外槽3-8、第九外槽3-2、第十外槽3-10、第十一外槽3-11和第十二外槽3-12；所述的第一平面1-1与预紧螺钉7配合预紧第一压电堆叠2-1作用于弹性轮3的第一外槽3-1上，第二平面1-2与预紧螺钉7配合预紧第二压电堆叠2-2作用于弹性轮3的第二外槽3-2上，第三平面1-3与预紧螺钉7配合预紧第三压电堆叠2-3作用于弹性轮3的第三外槽3-3上，第四平面1-4与预紧螺钉7配合预紧第四压电堆叠2-4作用于弹性轮3的第四外槽3-4上，第五平面1-5与预紧螺钉7配合预紧第五压电堆叠2-5作用于弹性轮3的第五外槽3-5上，第六平面1-6与预紧螺钉7配合预紧第六压电堆叠2-6作用于弹性轮3的第六外槽3-6上，第七平面1-7与预紧螺钉7配合预紧第七压电堆叠2-7作用于弹性轮3的第七外槽3-7上，第八平面1-8与预紧螺钉7配合预紧第八压电堆叠2-8作用于弹性轮3的第八外槽3-8上，第九平面1-9与预紧螺钉7配合预紧第九压电堆叠2-9作用于弹性轮3的第九外槽3-9上，第十平面1-10与预紧螺钉7配合预紧第十压电堆叠2-10作用于弹性轮3的第十外槽3-10上，第十一平面1-11与预紧螺钉7配合预紧第十一压电堆叠2-11作用于弹性轮3的第十一外槽3-11上，第十二平面1-12与预紧螺钉7配合预紧第十二压电堆叠2-12作用于弹性轮3的第十二外槽3-12上。压电驱动器2中的第一压电堆叠2-1和第七压电堆叠2-7对称布置，第二压电堆叠2-2和第八压电堆叠2-8对称布置，第三压电堆叠2-3和第九压电堆叠2-9对称布置，第四压电堆叠2-4和第十压电堆叠2-10对称布置，第五压电堆叠2-5和第十一压电堆叠2-11对称布置，第六压电堆叠2-6和第十二压电堆叠2-12对称布置；第一压电堆叠2-1与第二压电堆叠2-2空间30度布置，第二压电堆叠2-2与第三压电堆叠2-3空间30度布置，第三压电堆叠2-3与第四压电堆叠2-4空间30度布置，第四压电堆叠2-4与第五压电堆叠2-5空间30度布置，第五压电堆叠2-5与第六压电堆叠2-6空间30度布置。压电驱动器2中的第一压电堆叠2-1、第五压电堆叠2-5和第九压电堆叠2-9构成激振组A1，第三压电堆叠2-3、第七压电堆叠2-7和第十一压电堆叠2-11构成激振组A2，激振组A1和激振组A2构成激振组A；第二压电堆叠2-2、第六压电堆叠2-6和第十压电堆叠2-10构成激振组B1，第四压电堆叠2-4、第八压电堆叠2-8和第十二压电堆叠2-12构成激振组B2，激振组B1和激振组B2构成激振组B；激振组A与激振组B满足空间30度布置关系。本实施方式的激励方法：参照图13和图16进行说明。激振组A中激振组A1施加使其产生伸长或缩短变形的交变电信号，激振组A2施加同时使其产生相应缩短或伸长变形的交变电信号；激振组B中激振组B1施加使其产生伸长或缩短变形的交变电信号，激振组B2施加同时使其产生相应缩短或伸长变形的交变电信号；激振组A与激振组B通电交变电信号的频率相同，大于16kHz的超声频段，幅值相等，相位差满足90度或270度的正交关系。当激振组A与激振组B通电交变电信号的相位差分别为90度和270度时，激振组A与激振组B激发弹性轮3的径向微幅伸缩振动模态，叠加耦合形成驱动行波，通过螺纹副传动产生驱动力，实现输出轴5的旋转直线运动输出。