基于框架板结构定子驱动的压电平面电机的制作方法

本实用新型涉及压电精密驱动技术领域，具体涉及一种基于框架板结构定子驱动的压电平面电机。

背景技术：

随着科技的进步，精密定位控制及科学仪器等领域对电机驱动的要求越来越高，单一方向的驱动已经满足不了需求。压电平面电机作为一种新型驱动器，是在单自由度超声电机的基础上发展起来的，其利用压电陶瓷的逆压电效应，将交变电压转换为压电陶瓷的周期性变形，进一步激励出压电平面电机定子的振动，通过定子共振实现振动的放大，并使驱动区域内的点形成椭圆或者斜线振动轨迹；当压电驱动器定子预压在动子上时，由于接触面上的摩擦耦合，椭圆或斜线轨迹会被转换为动子的宏观连续运动。基于其工作原理，压电平面电机具有低速大转矩、功率密度高、定位精度高、响应速度快、断电自锁和无电磁干扰等诸多优点；此外，压电超声电机通过摩擦耦合可以实现对动子的直接驱动，并能够通过合理的设计实现对动子的平面驱动，可有效地简化驱动系统。此外，电磁平面电机结构复杂，在设计和工艺上都存在很多困难，不易小型化，且不适合低速、直接驱动的应用场合，而压电平面电机正好填补了这方面的空缺；因而压电平面电机在近30年得到了广泛的研究与发展，比如刘俊标推出圆柱杆振动驱动的平面电机，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；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；严亮等研制出单定子两自由度平面超声的新原理及动力学结构；虽然压电平面电机是当前超声电机研究领域的一大热点，在某些方面，已初步显示出其优越性。但是当前对压电平面电机还缺少深入系统的研究，同时也存在输出性能较差，运行控制复杂，电机结构样式有限等缺点，故更多地发明压电平面电机新原理及其定子压电换能结构仍是压电平面电机研究的重要方面。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的问题是：提供一种基于框架板结构定子驱动的压电平面电机，结构简单、响应速度快、效率高、应用范围更广泛。

本实用新型为解决上述问题所提供的技术方案为：一种基于框架板结构定子驱动的压电平面电机，包括定子组件、动子组件和底座；所述定子组件连接动子组件并置于底座上，所述动子组件与定子组件之间形成两向运动的滚动副；

所述定子组件包括定子基体、压电陶瓷片和驱动头，所述定子基体包括口字形结构板及其内部上下两两沿中线对称分布的四根纵杆、左右两两沿中线对称分布的四根横杆，所述压电陶瓷片贴附于纵杆和横杆的四个侧面，所述驱动头设置在纵杆和横杆远离口字形结构板的一端。

优选的，其中粘贴在横杆与纵杆上、下表面的压电陶瓷片为面外反对称弯振激励陶瓷，粘贴在纵杆左、右表面的压电陶瓷片为纵杆面内弯振激励陶瓷，粘贴在横杆左、右表面的压电陶瓷片为横杆面内弯振激励陶瓷。

优选的，所述动子组件由移动平台，平台支撑件构成，所述移动平台呈矩形板结构，所述平台支撑件包括设有一定数量呈半球形结构凹坑的矩形板及安装于凹坑内的滚珠，所述移动平台与滚珠直接接触并构成滚动副。

优选的，所述底座包括方形板及安装于方形板上的定子组件连接件、动子组件连接件，所述定子组件连接件由四个l形垫台组成，所述l形垫台垂直端设有橡皮顶针且四个l形垫台沿矩形的四个角放置并通过螺钉与方形板固定连接，所述橡皮顶针和口字形结构板四个角上的定子固定安装孔配合；所述动子组件连接件包括u形立板、弹性垫片，所述u形立板通过沉头螺钉固定安装在方形板左侧且u形口朝右，通过调节螺钉连接平台支撑件且连接面压入了弹性垫片。

优选的，所述方形板四个边角处装有底座固定螺钉。

优选的，所述驱动头呈长方体状。

与现有技术相比，本实用新型的优点是：1、采用简单的框架板结构定子直接驱动移动平台沿x向和y向运动，可实现电机具有快速响应特性和微米级定位精度；2、本发明电机所有振动形式均为弯振，电机的运行控制方式较为简单，陶瓷片的利用效率高；3、本发明电机采用橡皮顶针作为电机夹持，减少了装夹部件对电机振动的负面影响，也提高电机运行的稳定性。4、定子组件的四对驱动头两两交替地推动移动平台作平面运动，能成倍增大电机输出动力，并使电机运行更趋稳定；5、相比于多定子平面电机，本发明电机体积更小，结构更加紧凑，机械集成度更高；6、采用框架板结构定子驱动的压电平面电机，在高精度平台、航天、机器人、医疗机械等领域中存在广阔应用前景。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本实用新型的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。

图1为本实用新型的立体结构局部剖视图；

图2为本实用新型中定子组件的结构示意图；

图3为本实用新型中动子组件的结构示意图；

图4为本实用新型中底座的结构示意图；

图5为本实用新型定子组件的面外反对称弯振工作振型示意图；

图6为本实用新型定子组件的横杆面内弯振工作振型示意图；

图7为本实用新型定子组件的纵杆面内弯振工作振型示意图；

图8为本实用新型定子组件中压电陶瓷位置布置及其极化方向配置图；

图9为本实用新型定子组件中压电陶瓷位置布置及其供电配置图；

图10为定子组件在一个振动周期内推动移动平台做平面运动的第一步；图10a为xoy平面杆体面内运动状态示意，其中图10b为xoz平面纵杆驱动状态示意，其中图10c为yoz平面横杆驱动状态示意；

图11为定子组件在一个振动周期内推动移动平台做平面运动的第二步，其中图11a为xoy平面杆体面内运动状态示意，其中图11b为xoz平面纵杆驱动状态示意，其中图11c为yoz平面横杆驱动状态示意；

图12为定子组件在一个振动周期内推动移动平台做平面运动的第三步，其中图12a为xoy平面杆体面内运动状态示意，其中图12b为xoz平面纵杆驱动状态示意，其中图12c为yoz平面横杆驱动状态示意；

图13为定子组件在一个振动周期内推动移动平台做平面运动的第四步，其中图13a为xoy平面杆体面内运动状态示意，其中图13b为xoz平面纵杆驱动状态示意，其中图13c为yoz平面横杆驱动状态示意；

附图标注：1-定子组件，11-定子基体，111-口字形结构板，112-纵杆，113-横杆，12-压电陶瓷片，13-驱动头；2-动子组件，21-移动平台，22-平台支撑件，221-矩形板，222-滚珠；3-底座，31-方形板，32-定子组件连接件，33-动子组件连接件，34-底座固定螺钉，321-l形垫台，322-橡皮顶针，331-u形立板，332-弹性垫片。

具体实施方式

以下将配合附图及实施例来详细说明本实用新型的实施方式，藉此对本实用新型如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。

参见图1～图4，基于框架板结构定子压电驱动的平面电机由定子组件1、动子组件2和底座3构成，所述定子组件1连接动子组件2并置于底座3上，所述动子组件2与定子组件1之间形成两向运动的滚动副。

参见图2，所述定子组件1由定子基体11、压电陶瓷片12和驱动头13组成；所述定子基体11整体呈框架板结构，包含口字形结构板111及其内部上下两两沿中线对称分布的四根纵杆112、左右两两沿中线对称分布的四根横杆113，其中口字形结构板111四个边角处设有通孔用以改善工作振型、侧边拐角处设有圆角且在四个圆角面中心处设有定子固定安装孔；所述纵杆112、横杆113均呈方形长条结构状，其内部钻有一定深度的孔且端部正面中间位置设置有驱动头13，所述驱动头13呈长方体状；所述压电陶瓷片12成对设置且粘贴于纵杆112、横杆113沿框架板中心方向同一位置的四周，其中粘贴在各杆上、下表面的压电陶瓷片为面外反对称弯振激励陶瓷，粘贴在纵杆112左、右表面的压电陶瓷片为纵杆面内弯振激励陶瓷，粘贴在横杆113左、右表面的压电陶瓷片为横杆面内弯振激励陶瓷；

参见图3，所述动子组件包括移动平台21，平台支撑件22，所述移动平台21呈矩形板结构，所述平台支撑件22包括设有一定数量呈半球形结构凹坑的矩形板221及安装于凹坑内的滚珠222，所述移动平台21与滚珠222直接接触并构成滚动副；

参见图4，所述底座3包括方形板31及安装于方形板上的定子组件连接件32、动子组件连接件33，所述定子组件连接件32由沿矩形四个角放置的四个垫台321组成，所述垫台321呈l形立体状且垂直端设有橡皮顶针322，所述l形垫台321通过螺钉与方形板31固定连接；所述动子组件连接件33包括立板331，弹性垫片332，所述立板331呈u形立体结构状且通过沉头螺钉固定安装在方形板31左侧且u形口朝右，通过调节螺钉连接平台支撑件22且连接面压入了弹性垫片332；所述定子组件1置于l形垫台321水平端且定子组件1的定位孔与l形垫台321垂直端设有的橡皮顶针322相对应，从而实现定子组件1的固定安装，所述移动平台21介于定子组件1与平台支撑件22之间且上表面与滚珠222接触并构成滚动副、下表面与驱动头13直接接触并提供摩擦力，由于移动平台21介于定子组件1与平台支撑件22之间，因此利用调节螺钉和弹性垫片332可调整平台支撑件22的压紧程度，从而达到调节定子组件1和移动平台21之间预压力的目的。

参见图5至图7，一种基于框架板结构定子驱动的压电平面电机的工作振型包括定子组件特定的横、纵杆面外反对称弯振、横杆面内弯振、纵杆面内弯振，其特征在于，定子组件1做面外反对称弯振振动时使得纵杆112、横杆113沿定子基体11的法(或z)向方向往复振动，且任意时刻，纵杆与横杆振动方向对称相反，从而使纵杆112、横杆113上的驱动头13与移动平台21动态接触与分离且保证任意时刻有且只有两对驱动头13与移动平台21接触。定子组件1做纵杆面内弯振振动时使得纵杆112在所处定子基体面内沿x向往复振动，从而使纵杆上的驱动头13能够推动移动平台21沿x向滑移。定子组件1做横杆面内弯振振动时使得横杆113在所处定子基体面内沿y向往复振动，从而使横杆上的驱动头13能够推动移动平台21沿y向滑移。

参见图8至图9，一种基于框架板结构定子驱动的压电平面电机的运行方式，其特征在于当对定子组件上压电陶瓷片12内的三组压电陶瓷片分别通入具有一定幅度的、频率与定子基体三相工作振型频率接近的三相交流电功率简谐信号，并且使施加在面外反对称弯振激励陶瓷组的电功率信号与施加在横杆面内弯振激励陶瓷组以及纵杆面内弯振激励陶瓷组上的电功率信号在时间上相差90o相位差时，即可激发定子做三相工作振型谐振并利用振动耦合，使得定子组件纵杆112、横杆113的驱动头13分别合成出沿xoz、yoz面行进的椭圆轨迹，进而借助驱动头13与移动平台21之间的摩擦耦合作用推动移动平台21沿x、y向运动，进而推动移动平台21作平面运动。

参见图10至图13，若将定子的一个振动周期t均分为四时段，且假设定子的初始状态为：纵杆112处于面内最大左弯，横杆113处于面内最大右弯，纵杆112、横杆113均处于面外零弯状态，由于四根纵杆的运动情况一致，四根横杆的运动情况一致，以其中一根横杆、一根纵杆示意，则定子推动移动平台21作平面运动的过程如下：

参见图10(step1)，在0～t/4时段内，定子组件1的面外反对称弯振使上下对称的纵杆112由面外零弯状弯成面外最大上弯状，纵杆上的驱动头13与移动平台21接触，面内弯振使纵杆112由面内最大左弯状恢复成零弯状，纵杆上的驱动头13由a行至b，从而推动移动平台21沿x向移动一步；与此同时，定子组件1的面外反对称弯振使横杆113由面外零弯状弯成面外最大下弯状，横杆上的驱动头13与移动平台21脱离，面内弯振使横杆113由面内最大右弯恢复成零弯状，横杆上的驱动头13由e行至f。

参见图11(step2)，在t/4～t/2时段内，定子组件1的面外反对称弯振使上下对称的纵杆112由面外最大上弯状恢复成零弯状，纵杆上的驱动头13与移动平台21接触，面内弯振使纵杆112由面内零弯状弯成面内最大右弯状，纵杆上的驱动头13由b行至c，从而推动移动平台21沿x向移动一步；与此同时，定子组件1的面外反对称弯振使横杆113由面外最大下弯状恢复成零弯状。横杆上的驱动头13与移动平台21脱离，面内弯振使横杆113由面内零弯状弯成面内最大左弯状，横杆上的驱动头13由f行至g。

参见图12(step3)，在t/2～3t/4时段内，定子组件1的面外反对称弯振使上下对称的纵杆112由面外零弯状弯成面外最大下弯状，纵杆上的驱动头13与移动平台21分离，面内弯振使纵杆112由面内最大右弯状恢复成零弯状，纵杆上的驱动头13由c行至d；与此同时，定子组件1的面外反对称弯振使横杆113由面外零弯状弯成面外最大上弯状。横杆上的驱动头13与移动平台21接触，面内弯振使横杆由面内最大左弯状恢复成零弯状，横杆上的驱动头13由g行至h，从而推动移动平台21沿y向移动一步。

参见图13(step4)，在3t/4～t时段内，定子组件1的面外反对称弯振使上下对称的纵杆112由面外最大下弯状恢复成零弯状，纵杆上的驱动头13与移动平台21分离，面内弯振使纵杆112由面内零弯状弯成最大左弯状，纵杆上的驱动头13由d行至a；与此同时，定子组件1的面外反对称弯振使横杆113由面外最大上弯状恢复成零弯状。横杆上的驱动头13与移动平台21接触，面内弯振使横杆113由面内零弯状弯成面内最大右弯状，横杆上的驱动头13由h行至e。从而推动移动平台21沿y向移动一步。

参见图10至图13，定子组件1每完成一个上述振动周期t，横杆、纵杆上的驱动头各完成一个椭圆运动轨迹，并且纵杆、横杆上的驱动头交替推动移动平台2沿x、y向各移进两步。当定子组件1不断重复上述振动循环时，就将推动移动平台2不断沿x、y向前移。如果逆转面外反对称弯振振型与纵杆面内弯振振型、横杆面内弯振振型驱动电压的超前滞后相位关系，则移动平台的运动方向将发生逆转。

实施例：本发明基于框架板结构定子驱动的压电平面电机由定子组件1、动子组件2和底座3构成，所述定子组件1连接动子组件2并置于底座3上，所述动子组件2与定子组件1之间形成两向运动的滚动副；所述底座装有固定螺栓34用于将电机固定安装在其他机构上。

如图2所示，定子组件1包括定子基体11、压电陶瓷片12和驱动头13，所述定子基体11由尺寸为59.2mm×59.2mm×4.7mm的45号钢板切割而成，整体呈框架板结构，包含口字形结构板111及其内部上下两两沿中线对称分布的四根纵杆112、左右两两沿中线对称分布的四根横杆113；所述定子基体11四个边角处钻有孔径为φ5mm的通孔用以改善定子结构的柔性，侧面拐角处设有圆角且圆角面中心处设有孔径为φ2.5mm的定子安装孔用以供定子组件1的固定。所述横杆113、纵杆112均为方形杆体且尺寸一致，各杆截面尺寸为6mm×4.7mm，长度为16.85mm，且各杆体中心处均制出孔径为φ2.6mm、深度为14mm的细长孔以利于实现定子三相工作振型的频率一致性以及减小杆体的刚度。所述压电陶瓷片12共计32片，材料选定为ptz-8，尺寸为5mm×4mm×0.45mm，这些陶瓷片对称分布于杆体同一位置的四周且粘贴在定子基体工作振型振型应变最大处以使电机最大化，其中粘贴在各杆上、下表面的压电陶瓷片为面外反对称弯振激励陶瓷，粘贴在纵杆112左、右表面的压电陶瓷片为纵杆面内弯振激励陶瓷，粘贴在横杆113左、右表面的压电陶瓷片为横杆面内弯振激励陶瓷；所述驱动头13呈长方体状，尺寸3mm×1.5mm×0.8mm，通过焊接或粘贴的方式置于杆端中间位置，在驱动头13的表面涂覆有一层高性能耐摩擦材料，如聚偏氟乙烯基摩擦材料，旨在增大定子组件的驱动头13与移动平台2间的摩擦驱动力和延长电机使用寿命；

如图3所示，动子组件2由移动平台21，平台支撑件22构成，所述移动平台21呈矩形板结构，尺寸为104mm×86mm，其下表面涂覆一层大摩擦耐磨系数材料、上表面光滑，所述平台支撑件22包括矩形板221、滚珠222，其中，矩形板221的外围尺寸为150mmⅹ110mm，所述矩形板221下表面加工出16个直径为3.3mm，深度为1.6mm的凹坑，所述滚珠222的直径为3.2mm，共计16个，安装于矩形板221的凹坑内。所述移动平台2与滚珠222直接接触并构成滚动副，所述移动平台2与驱动头13直接接触提供摩擦力；

如图4所示，所述底座3包括方形板31及安装于方形板上的定子组件连接件32、动子组件连接件33，所述方形板31四个边角处设有底座固定螺钉34，所述定子组件连接件32由四个l形垫台321组成，所述l形垫台321沿矩形的四个角放置并通过螺钉与方形板31固定连接，其中l形垫台321水平端用于定子组件的安放，垂直端设有橡皮顶针322且与定子组件固定安装孔相对应，橡皮顶针322顶进四个定子固定安装孔从而实现定子组件1的固定安装；所述动子组件连接件33包括u形立板331、弹性垫片332，所述u形立板331通过沉头螺钉固定安装在方形板31左侧且u形口朝右，通过调节螺钉连接平台支撑件22且连接面压入了弹性垫片332；所述移动平台21介于定子组件1与平台支撑件22之间，因此利用调节螺钉和弹性垫片332可调整平台支撑件22的压紧程度，从而达到调节定子组件1和移动平台21之间预压力的目的；

如图5～7所示，本发明的平面电机的运行方式是通过激发定子组件1特定的振动工作振型，驱使置于纵杆端部中间位置的驱动头13沿xoz平面作椭圆运动，横杆端部中间位置的驱动头13沿yoz平面作椭圆运动，进而借助驱动头13与移动平台21之间的摩擦耦合作用，推动移动平台2沿x、y向滑移，进而推动移动平台21作平面运动。所述的定子组件1特定工作振型包括定子基体纵杆112、横杆113的面外反对称弯振、纵杆112面内弯振和横杆113面内弯振等三相工作振型。其中，面外反对称弯振主要用于实现定子组件1与移动平台21之间动态接触与分离，纵杆112、横杆113面内弯振则分别用于实现驱动移动平台21沿x向和y向的运动。电机基于纵杆112面内弯振与面外反对称弯振，在纵杆的驱动头13上合成出沿xoz面的椭圆运动轨迹，并据此推动移动平台21沿x向移动；利用横杆113面内弯振与面外反对称弯振，在横杆的驱动头13上合成出沿yoz面的椭圆运动轨迹，并据此推动移动平台21沿y向移动。

如图8～9所示，为了有效，正确的激发出定子组件1的三相工作振型，需对压电陶瓷片12进行合理极化供电配置，针对16片面外反对称弯振激励陶瓷，要求粘贴在纵杆112上表面的面外反对称弯振激励陶瓷12均垂直于粘贴表面且与法线方向相反指向定子组件1方向极化(用“+”示意)；纵杆112下表面的面外反对称弯振激励陶瓷12则垂直于粘贴表面且与法线方向相同背离定子组件1方向极化(用“-”示意)；粘贴在横杆113上表面的面外反对称弯振激励陶瓷12均垂直于粘贴表面且与法线方向相同背向定子组件1方向极化(用“-”示意)；横杆113下表面的面外反对称弯振激励陶瓷12则垂直于粘贴表面且与法线方向相反指向定子组件1方向极化(用“+”示意)。针对16片面内弯振激励陶瓷，要求粘贴在纵杆112左表面的面内弯振激励陶瓷13均垂直于粘贴表面且与法线方向相同背向定子组件1方向极化(用“-”示意)；粘贴在纵杆112右表面的面内弯振激励陶瓷13均垂直于粘贴表面且与法线方向相反指向定子组件1方向极化(用“+”示意)；粘贴在横杆113左表面的面内弯振激励陶瓷13则垂直于粘贴表面且与法线方向相反指向定子组件1方向极化(用“+”示意)；粘贴在横杆113右表面的面内弯振激励陶瓷13则垂直于粘贴表面且与法线方向相同背向定子组件1方向极化(用“-”示意)。由于驱动面外反对称弯振的电信号与驱动面内反对称弯振的电信号的相位之间应该相差90°，为此要求所有面外反对称弯振激励陶瓷的表面均通入同频正弦激励电压usinωt。所有面内弯振激励陶瓷的表面均通入同频余弦激励电压ucosωt。同时要求压电陶瓷片与定子基体11的粘贴面均接地接入零激励电压。其中u为交变电源的幅值且控制在150v～300v之间，ω为交变电源的激励频率且与定子的工作振型的频率非常接近。

本实用新型的工作原理：当对定子组件压电陶瓷片内的三组压电陶瓷片分别通入具有一定幅度且与定子基体三相工作振型频率接近的三相交流电功率简谐信号，并且使施加在面外反对称弯振激励陶瓷组的电功率信号与施加在横杆面内弯振激励陶瓷组以及纵杆面内弯振激励陶瓷组上的电功率信号在时间上相差90°，即可激发出杆体面外反对称弯振、横杆面内弯振、纵杆面内弯振三种工作振型，以框架板的中心为原点，以框架板平行于横杆的中线为x轴，以框架板平行于纵杆的中线为y轴，以过原点且垂直于框架板的轴线为z轴；其特征在于纵杆112沿x轴方向往复弯曲振动(纵杆面内弯振)和沿z轴方向往复弯曲振动(面外反对称弯振)的线性叠加将使纵杆端部驱动头13上的质点在xoz面产生椭圆运动轨迹；横杆113沿y轴方向往复弯曲振动(横杆面内弯振)和沿z轴方向往复弯曲振动(面外反对称弯振)的线性叠加将使横杆端部驱动头13上的质点在yoz面产生椭圆运动轨迹且横杆、纵杆端部的驱动头13是交替无间隔的与移动平台21接触。压电定子利用杆体端部驱动头在xoz、yoz面耦合出的椭圆运动轨迹并借助驱动头13与移动平台21之间的摩擦耦合作用推动移动平台21沿x、y向运动，进而推动移动平台21作平面运动。

以上仅就本实用新型的最佳实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本实用新型不仅局限于以上实施例，其具体结构允许有变化。凡在本实用新型独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本实用新型保护范围内。