一种二自由度压电超声电机驱动的高精度微装配机器人的制作方法

本发明属于微操作机器人领域，特别是涉及一种二自由度压电超声电机驱动的高精度微装配机器人。

背景技术：

近年来，半导体光刻技术、微型机械、精密测量、超精密加工、微装配和纳米技术的迅速发展，对精密定位系统的行程、速度和精度等提出了越来越高的要求，其控制精度在微米级，甚至纳米级的范围内。精密运动系统是集精密位置检测技术、驱动技术、直线导向技术、控制技术为一体的有机综合体。其中，驱动控制技术直接决定了平台的速度、精度、行程和整个系统的效率。

超声电机作为一种新型驱动器，具有结构简单、响应快、断电自锁、运动精度高等优点，在航空航天、精密操作和智能制造等领域有着广泛的应用前景。其中，利用超声电机开发的精密操作机器人逐步在科学研究、生物医疗、微器件装配等领域获得了应用。但是，目前我国在该领域的研究与国外相比还有很大差距。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种二自由度压电超声电机驱动的高精度微装配机器人，该二自由度微装配机器人由一个二自由度超声电机直接驱动，无中间传动机构，结构紧凑。此外，该微装配机器人具有大行程、高精度等特点。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种二自由度压电超声电机驱动的高精度微装配机器人，包括安装底板、摩擦材料、x向运动平台、y向运动平台、x向导轨、y向导轨和二自由度超声电机；所述安装底板通过螺栓与隔振平台连接；所述安装底板上设有开有通孔的电机安装座，所述二自由度超声电机通过螺栓安装在所述电机安装座上；所述x向运动平台通过所述x向导轨安装于所述安装底板上；所述y向运动平台通过所述y向导轨安装于所述x向运动平台上；所述氧化铝陶瓷材料粘贴在所述y向运动平台底部，与所述二自由度超声电顶部的驱动足接触形成运动副。

进一步的，所述二自由度超声电机包括驱动足、定子、x向弯振压电陶瓷ⅰ、y向弯振压电陶瓷ⅱ、纵振压电陶瓷、安装螺栓和钢环；所述驱动足由氧化铝陶瓷材料制成，通过胶连接与所述定子连接；所述x向弯振压电陶瓷ⅰ和所述y向弯振压电陶瓷ⅱ通过胶连接贴在所述定子表面；所述纵振压电陶瓷和所述钢环通过所述安装螺栓安装于所述定子底部，其中所述钢环位于最下端，与所述安装螺栓接触，用于增大压电陶瓷片的受力面积，避免在预紧力作用下安装螺栓直接与压电陶瓷接触产生较大的应力损坏所述纵振压电陶瓷。

进一步的，所述x向弯振压电陶瓷ⅰ和y向弯振压电陶瓷ⅱ各设置有两片，两片x向弯振压电陶瓷关于所述定子对称分布，两片y向弯振压电陶瓷关于所述定子对称分布。

进一步的，利用所述x向弯振压电陶瓷ⅰ和所述纵振压电陶瓷同时施加激励电压信号，在所述驱动足处产生zox面内的椭圆运动轨迹驱动微装配机器人沿x向运动；利用所述y向弯振压电陶瓷ⅱ和所述纵振压电陶瓷同时施加激励电压信号，在所述驱动足处产生zoy面内的椭圆运动轨迹驱动微装配机器人沿y向运动。

进一步的，所述x向导轨和y向导轨为直线交叉的滚子导轨。

进一步的，所述二自由度超声电机与电机安装座之间设有预紧弹簧。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.本发明对超声电机结构进行了优化设计，使得所述超声电机x向弯振频率、y向弯振频率和纵向震动频率几乎相同，因此定子的一阶纵向振动模态和二阶弯曲模态能够以相同的电压频率激发；

2.因为该定子具有对称式结构，因此通过同时给不同组合的压电陶瓷片(x向弯振压电陶瓷ⅰ和纵振压电陶瓷，y向弯振压电陶瓷ⅱ和纵振压电陶瓷)施加相同共振频率的激励信号，可以在驱动足处产生二自由度运动形式；

3.该超声电机定子为一体式结构，使用时无需装配，不需要贵重材料，制作成本低，压电陶瓷片通过胶连接贴在定子表面，通过螺栓连接于定子底部；

4.该超声电机定子顶部设有半球形驱动足，无需额外购置驱动足；

5.本发明中的超声电机驱动器可以通过定子底端设有的螺栓孔与平台安装底板连接，不需要外加中间连接装置；

6.在所述超声电机定子和平台安装底板之间设有预紧力调整弹簧，用于调整超声电机驱动足与微装配机器人动平台之间的预紧力，以改变微装配机器人的自锁力和驱动力；

7.所述二自由度超声电机可以安装在微装配机器人内部，使得整体结构更加紧凑，符合微装配系统的要求；

8.所述微装配机器人x向运动平台中间设有方形通孔，超声电机穿过该通孔与y向运动平台接触；

9.通过调整所述二自由度超声电机激励信号的形式，可以改变微装配机器人的运动速度，实现微装配机器人大行程、高精度两自由度运动；

10.本发明通过一个超声电机驱动微装配机器人实现两自由度运动，减少了驱动器数量，减小了微装配机器人的体积，同时节省了成本。

附图说明

图1为微装配机器人三维结构示意图。

图2为微装配机器人装配爆炸图。

图3a和图3b为二自由度超声电机结构示意图。

图4为微装配机器人安装底板。

图5为驱动信号图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1至图4，一种二自由度压电超声电机驱动的高精度微装配机器人，包括安装底板1、二自由度超声电机2、x向运动平台3、y向运动平台5、x向导轨4、y向导轨6和氧化铝陶瓷材料8；安装底板1通过螺栓与隔振平台连接；二自由度超声电机2通过螺栓安装在安装底板1上的超声电机安装座1-1上；二自由度超声电机2与电机安装座1-1之间设有弹簧7，用于调节二自由度超声电机2与y向运动平台5之间的初始预紧力。x向运动平台3通过x向导轨4安装于安装底板1上，因此，当二自由度超声电机2给微操作机器人施加x作用向力时，x向运动平台3与安装底板1可在x向导轨4约束下做相对运动。y向运动平台5通过y向导轨6安装于x向运动平台3上，当二自由度超声电机2给微操作机器人施加y向作用力时，y向运动平台5与安装底板1可在y向导轨6约束下做相对运动。氧化铝陶瓷材料8粘贴在y向运动平台5底部，与二自由度超声电机2顶部的驱动足2-1接触形成运动副。该超声电机、各运动平台和安装底板均采用铣削加工而成；

二自由度超声电机2包括驱动足2-1、定子2-2、x向弯振压电陶瓷ⅰ2-3、y向弯振压电陶瓷ⅱ2-4、纵振压电陶瓷2-5、安装螺栓2-6和钢环2-7。驱动足2-1为氧化铝陶瓷材料，通过胶连接与定子2-2连接。x向弯振压电陶瓷ⅰ2-3和y向弯振压电陶瓷ⅱ2-4通过胶连接贴在定子2-2表面，两片x向弯振压电陶瓷关于定子2-2对称分布，同理，两片y向弯振压电陶瓷也关于定子2-2对称分布。纵振压电陶瓷2-5和钢环2-7通过安装螺栓2-6安装于定子2-2底部，其中钢环2-7位于最下端，与安装螺栓2-6接触，用于防止纵振压电陶瓷被损坏。

如图5所示为压电陶瓷的驱动电压信号，其中5-1所示激励电压信号和5-2所示激励电压信号相位相差π/2。因为超声电机在其共振模态下工作，因此，5-1所示激励电压信号和5-2所示激励电压信号的频率为二自由度超声电机2的弯振(或纵振)固有频率。当给x向弯振压电陶瓷ⅰ2-3施加激励电压信号5-1，给纵振压电陶瓷2-5施加激励电压信号5-2时，定子2-2会同时被激发沿x向的弯曲振动模态和沿z向的纵向振动模态，两阶振动模态叠加，在驱动足2-1处产生zox面内的椭圆运动轨迹，通过驱动足2-1和氧化铝陶瓷材料8之间的摩擦力，驱动x向运动平台运动，通过将激励电压信号5-1和电压激励信号5-2之间的相位差改为-π/2，可以改变驱动足2-1的运动方向，从而使x向运动平台做反向运动。同理，当给y向弯振压电陶瓷ⅱ2-4施加激励电压信号5-1，给纵振压电陶瓷2-5施加激励电压信号5-2时，定子2-2会同时被激发沿y向的弯曲振动模态和沿z向的纵向振动模态，两阶振动模态叠加，在驱动足2-1处产生zoy面内的椭圆运动轨迹，通过驱动足2-1和氧化铝陶瓷材料8之间的摩擦力，驱动y向运动平台运动，通过将激励电压信号5-1和电压激励信号5-2之间的相位差改为-π/2，可以改变驱动足2-1的运动方向，从而使y向运动平台做反向运动。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。