定子内置型多自由度压电驱动器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种定子内置型多自由度压电驱动器，包括球转子、三个结构相同的定子机构、输出轴、预紧机构、滚转机构、外壳和底座。三个结构相同的定子机构设置在球转子内，环绕球转子两两相差120°对称分布，预紧机构同时为三个定子机构提供预紧力，使三个定子和转子之间的预紧力均匀一致。同时给3个压电陶瓷片提供一定频率的交流信号时，就会在定子弹性体表面齿端形成行波，在预紧力的作用下，定转子紧密接触，通过定、转子之间的摩擦作用，带动球转子转动，并通过输出轴输出转速和力矩。本发明的定子内置型多自由度压电驱动器结构简单紧凑，空间利用率高，不受电磁干扰，能够在多个自由度上运动。
【专利说明】
定子内置型多自由度压电驱动器
技术领域
[0001]本发明涉及压电驱动技术领域，特别是一种定子内置型多自由度压电驱动器。
【背景技术】
[0002]压电驱动器是20世纪80年代开始发展起来的一种新型微驱动器，与传统的电磁驱动器相比，具有结构紧凑、输出力矩大、响应速度快、工作噪声小、不受电磁干扰等优点。在一些较为复杂的机电系统中，需要在多个方向进行驱动，相对于使用多个单自由度压电驱动器，使用多自由度压电驱动器可以使机构更加紧凑。多自由度压电驱动器在工业摄像头、航空航天、机器人关节、医疗器械等领域都有良好的应用前景。
[0003]球形多自由度压电驱动器是目前发展前景较好的一种多自由度压电驱动器，现有的球形多自由度压电驱动器的3个环形定子环绕球转子外表面两两相差120°均匀分布，每个环形定子都有单独的预紧力机构和支撑机构，使得整个驱动器结构尺寸偏大;球转子为空心球转子，内部没有设置任何机构，空间利用率低；定子机构轴线和水平面之间存在夹角，在预紧力的作用下环形定子表面质点上的压力分布不均，接触状况复杂。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种定子内置型多自由度压电驱动器。
[0005]实现本发明目的的技术解决方案为:一种定子内置型多自由度压电驱动器，其特征在于，包括球转子、三个结构相同的定子机构、输出轴、预紧机构、滚转机构、外壳和底座；
[0006]所述外壳和底座相固连，预紧机构设置在外壳内，预紧机构下端与底座内圈固连，预紧机构上端设置三个结构相同的定子机构，三个结构相同的定子机构在预紧机构上两两相差120°环形分布，定子机构轴线和外壳轴线之间存在夹角，球转子设置在三个定子机构上且能够相对于三个定子机构转动，球转子的内壁与三个定子机构相紧靠，输出轴设置在球转子上端且与球转子固连;所述滚转机构位于外壳和球转子之间，用于抵消预紧机构作用在定转子之间的预紧力在外壳轴线上的分力。
[0007]本发明与现有技术相比，其显著优点为:I)本发明的定子内置型多自由度压电驱动器结构紧凑、空间利用率高；2)本发明的定子内置型多自由度压电驱动器定转子之间接触状况良好，便于建立数学模型以预测输出性能；3)三个定子和转子之间的预紧力由同一个预紧机构提供，使得定转子之间的预紧力均匀一致;4)本发明的定子内置型多自由度压电驱动器不产生磁场，也不受电磁干扰，适用于需要不受电磁干扰的场合。
[0008]下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
【附图说明】
[0009]图1为本发明的定子内置型多自由度压电驱动器局部剖视图。
[0010]图2为本发明的预紧机构局部剖视图。
[0011 ]图3为本发明的定子机构机构剖视图。
[0012]图4为本发明中预紧力传递示意图。
[0013]图5为本发明的滚转机构结构图。
[0014]图6为本发明中定子的面外弯曲模态图。
[0015]图7为本发明中定子驱动球转子示意图。
[0016]图中标号所代表的含义为:1.输出轴，2.滚转机构，3.球转子，4.三个结构相同的定子机构，5.外壳，5-a.球形槽，6.预紧机构，7.底座，8.三个相同的连杆，9.工字型空心圆板，10.推杆，11.调整螺母，12.球转子上壳，13.球转子下壳，14.支撑板，15.压板，16.碟形弹簧，17.定子导向轴，18.定子弹性体，19.压电陶瓷片，20.滚珠，21，夹持环。
【具体实施方式】
[0017]结合附图，本发明的一种定子内置型多自由度压电驱动器，包括球转子3、三个结构相同的定子机构4、输出轴1、预紧机构6、滚转机构2、外壳5和底座7;
[0018]所述外壳5和底座7相固连，预紧机构6设置在外壳5内，预紧机构6下端与底座7内圈固连，预紧机构6上端设置三个结构相同的定子机构4，三个结构相同的定子机构4在预紧机构6上两两相差120°环形分布，定子机构4轴线和外壳5轴线之间存在夹角，球转子3设置在三个定子机构4上且能够相对于三个定子机构4转动，球转子3的内壁与三个定子机构4相紧靠，输出轴I设置在球转子3上端且与球转子3固连;所述滚转机构2位于外壳5和球转子3之间，用于抵消预紧机构6作用在定转子之间的预紧力在外壳5轴线上的分力。
[0019]所述的预紧机构6包括工字型空心圆板9、调整螺母11、推杆10和三个相同的连杆8，所述工字型空心圆板9下端与底座7内圈固连，调整螺母11设置在工字型空心圆板9内且与工字型空心圆板9螺纹连接，推杆10也设置在工字型空心圆板9内，推杆10位于调整螺母11上方，推杆1与工字型空心圆板9之间为间隙配合，三个相同的连杆8设置在推杆1上，三个相同的连杆8在推杆10上两两相差120°环形分布，连杆8和推杆10之间通过销连接，连杆8可相对于推杆10转动。
[0020]所述每个定子机构4均包括定子弹性体18、压电陶瓷片19、定子导向轴17、碟形弹簧16、压板15、支撑板14，所述支撑板14固定在工字型空心圆板9上端，压板15设置在支撑板14上且与支撑板14之间为间隙配合，定子导向轴17也设置在支撑板14上且位于压板15前方，定子导向轴17与支撑板14之间也为间隙配合，定子导向轴17和压板15之间设置一对碟形弹簧16，定子导向轴17前端设置定子弹性体18且与定子弹性体18内圈固连，压电陶瓷片19设置在定子弹性体18外圈的背面，定子弹性体18的前端为齿端，该齿端与球转子3的内壁相接触。
[0021]所述的球转子3包括球转子上壳12和球转子下壳13，用于将三个定子机构4和预紧机构6放置在球转子3内，球转子上壳12和球转子下壳13相固连。
[0022]定子机构4轴线和外壳5轴线之间的夹角为72°。
[0023]压板15上设置有两个U型块，每个U型块上开有供销轴穿过的孔，压板15通过销轴与推杆8相连，压板15可相对于推杆8转动。
[0024]所述滚转机构2包括滚珠20和夹持环21，外壳5的内壁开有球面环形槽5-a，夹持环21与外壳5固连，夹持环21上开有若干球型槽，每个球形槽上放置一个滚珠20，滚珠20位于外壳5的球面环形槽5-a和夹持环21之间，滚珠20可沿球面环形槽5-a滚动，滚珠20与球面环形槽5-a之间为线接触，与夹持环21之间为面接触，滚珠20还与球转子3相接触。
[0025]下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述。
[0026]实施例
[0027]结合图1，本发明的一种定子内置型多自由度压电驱动器，包括球转子3、三个结构相同的定子机构4、输出轴1、预紧机构6、滚转机构2、外壳5和底座7;外壳5和底座7通过四个螺栓固连，预紧机构6设置在外壳5内，预紧机构6下端与底座7内圈通过螺纹固连，三个结构相同的定子机构4设置在预紧机构6上，并环绕预紧机构6两两相差120°对称分布，通过六个沉头螺钉与预紧机构6固连，定子机构4轴线和外壳5轴线之间夹角为72°;球转子3设置在三个定子机构4上且能够相对于三个定子机构4转动，在预紧机构6的作用下，定子机构4和球转子3的内壁紧密接触，输出轴I设置在球转子3上端且与球转子3通过螺纹固连;滚转机构2位于外壳5和球转子3之间，滚转机构2与外壳5之间为线接触，与球转子3之间为点接触。
[0028]如图2所示，预紧机构6包括工字型空心圆板9、调整螺母11、推杆10和三个相同的连杆8，工字型空心圆板9的下端与底座7内圈通过螺纹连接，调整螺母11设置在工字型空心圆板9下方且与工字型空心圆板9螺纹连接，推杆设置在工字型空心圆板9内且位于调整螺母11上方，推杆10与工字型空心圆板9之间为间隙配合，三个相同的连杆8设置在推杆10上方，三个相同的连杆8在推杆10上两两相差120°环形分布，连杆8和推杆10之间通过销连接，连杆8可相对于推杆10转动，预紧机构6的作用是为整个定子内置型多自由度压电驱动器提供预紧力。
[0029]三个定子机构4结构相同，本实施例中以其中一个为例介绍其内部结构如图3所示。定子机构4包括定子弹性体18、压电陶瓷片19、定子导向轴17、碟形弹簧16、压板15、支撑板14，支撑板14通过两个沉头螺钉与工字型空心圆板9上端固连，压板15设置在支撑板14上且与支撑板14之间为间隙配合，压板15上设置有两个U型块，每个U型块上挖有圆孔，压板15通过销在这两个U型块上与推杆8相连，压板15可相对于推杆8转动;定子导向轴17也设置在支撑板14上且位于压板15前方，定子导向轴17与支撑板14之间也为间隙配合，定子导向轴17和压板15之间设置一对碟形弹簧16，定子导向轴17前端设置定子弹性体18且与定子弹性体18内圈通过4个半沉头螺钉固连，压电陶瓷片19粘贴在定子弹性体18外圈的背面，定子弹性体18的前端为齿端，定子弹性体18通过齿端与球转子3接触。
[0030]图4为本发明的定子内置型多自由度压电驱动器预紧力传递示意图，调节调整螺母11逆时针转动，推杆10在调整螺母11的作用下向上运动;如图所示，推杆10、连杆8和压板15通过两个销连接，构成了一个双滑块机构，推杆10向上的运动通过连杆8传递给压板15，使得压板15沿支撑板14的内孔轴线方向运动，碟形弹簧16被压缩，产生了驱动器所需的预紧力，通过预紧导向轴17，传递给了定子弹性体18和球转子3，定子弹性体18和球转子3紧密接触。
[0031]图5为滚转机构2结构图，滚转机构2包括滚珠20和夹持环21，在外壳5的内壁开有球面环形槽5-a，夹持环21通过八个螺钉与外壳5固连，夹持环21上开有八个球型槽，每个球形槽上放置一个滚珠20，滚珠20位于外壳5的球面环形槽5-a和夹持环21之间，滚珠20可沿球面环形槽5-a滚动，滚珠20与球面环形槽5-a之间为线接触，与夹持环21之间为面接触，此夕卜，滚珠20还与球转子3相接触。如果不设置滚转机构2，为了使预紧机构6最终施加在球转子3上的力平衡(只有三个环形定子弹性体18与球转子3接触)，那么每个环形定子弹性体18上与球转子3接触的各个质点处压力分布不均，难以建立准确的数学模型以分析其输出性能。滚转机构2可以用来抵消球转子3上的轴向力，使定转子接触状况良好。
[0032]压电陶瓷片19在一个驱动信号的作用下，定子弹性体18只能获得驻波运动，图6为定子弹性体18和压电陶瓷片19组成的压电体在一定频率交流信号下激发出的面外弯曲模态。当两相同频等幅，相位差为90°交流信号同时作用在压电陶瓷片19时，就能在定子弹性体18上激发出两个幅值相等，在时间和空间上均相差90°的模态响应，这两个模态响应在定子弹性体18表面叠加形成行波。图7为定子驱动转子示意图，在预紧力的作用下，定子弹性体18的齿端外圈和球转子3紧密接触，在行波定子齿端各个质点的作用下，球转子3获得了与定子弹性体18行波前进方向相反的运动，也就是说，球转子13可以围绕定子弹性体18轴线转动。当三个定子机构4同时驱动球转子3时，球转子3就获得了多自由度运动，并通过输出轴I向外输出转速和力矩。
[0033]由上可知，本发明的定子内置型多自由度压电驱动器结构紧凑、空间利用率高，可广泛应用于工业摄像头、航空航天、机器人关节、医疗器械等领域。
【主权项】
1.一种定子内置型多自由度压电驱动器，其特征在于，包括球转子[3]、三个结构相同的定子机构[4]、输出轴[1]、预紧机构[6]、滚转机构[2]、外壳[5]和底座[7]; 所述外壳[5]和底座[7]相固连，预紧机构[6]设置在外壳[5]内，预紧机构[6]下端与底座[7]内圈固连，预紧机构[6]上端设置三个结构相同的定子机构[4]，三个结构相同的定子机构[4]在预紧机构[6]上两两相差120°环形分布，定子机构[4]轴线和外壳[5]轴线之间存在夹角，球转子[3]设置在三个定子机构[4]上且能够相对于三个定子机构[4]转动，球转子[3]的内壁与三个定子机构[4]相紧靠，输出轴[I]设置在球转子[3]上端且与球转子[3]固连;所述滚转机构[2]位于外壳[5]和球转子[3]之间，用于抵消预紧机构[6]作用在定转子之间的预紧力在外壳[5]轴线上的分力。2.根据权利要求1所述的定子内置型多自由度压电驱动器，其特征在于，所述的预紧机构[6]包括工字型空心圆板[9]、调整螺母[11]、推杆[10]和三个相同的连杆[8]，所述工字型空心圆板[9]下端与底座[7]内圈固连，调整螺母[11]设置在工字型空心圆板[9]内且与工字型空心圆板[9]螺纹连接，推杆[10]也设置在工字型空心圆板[9]内，推杆[10]位于调整螺母[11]上方，推杆[10]与工字型空心圆板[9]之间为间隙配合，三个相同的连杆[8]设置在推杆[10]上，三个相同的连杆[8]在推杆[10]上两两相差120°环形分布，连杆[8]和推杆[10]之间通过销连接，连杆[8]可相对于推杆[10]转动。3.根据权利要求1所述的定子内置型多自由度压电驱动器，其特征在于，所述每个定子机构[4]均包括定子弹性体[18]、压电陶瓷片[19]、定子导向轴[17]、碟形弹簧[16]、压板[15]、支撑板[14]，所述支撑板[14]固定在工字型空心圆板[9]上端，压板[15]设置在支撑板[14]上且与支撑板[14]之间为间隙配合，定子导向轴[17]也设置在支撑板[14]上且位于压板[15]前方，定子导向轴[17]与支撑板[14]之间也为间隙配合，定子导向轴[17]和压板[15]之间设置一对碟形弹簧[16]，定子导向轴[17]前端设置定子弹性体[18]且与定子弹性体[18]内圈固连，压电陶瓷片[19]设置在定子弹性体[18]外圈的背面，定子弹性体[18]的前端为齿端，该齿端与球转子[3 ]的内壁相接触。4.根据权利要求1所述的定子内置型多自由度压电驱动器，其特征在于，所述的球转子[3]包括球转子上壳[12]和球转子下壳[13]，用于将三个定子机构[4]和预紧机构[6]放置在球转子[3]内，球转子上壳[12]和球转子下壳[13]相固连。5.根据权利要求1所述的定子内置型多自由度压电驱动器，其特征在于，定子机构[4]轴线和外壳[5]轴线之间的夹角为72°。6.根据权利要求1所述的定子内置型多自由度压电驱动器，其特征在于，压板[15]上设置有两个U型块，每个U型块上开有供销轴穿过的孔，压板[15]通过销轴与推杆[8]相连，压板[15 ]可相对于推杆[8 ]转动。7.根据权利要求1所述的定子内置型多自由度压电驱动器，其特征在于，所述滚转机构[2]包括滚珠[20]和夹持环[21]，外壳[5]的内壁开有球面环形槽[5-a]，夹持环[21]与外壳[5]固连，夹持环[21]上开有若干球型槽，每个球形槽上放置一个滚珠[20]，滚珠[20]位于外壳[5]的球面环形槽[5-a]和夹持环[21]之间，滚珠[20]可沿球面环形槽[5-a]滚动，滚珠[20]与球面环形槽[5-a]之间为线接触，与夹持环[21]之间为面接触，滚珠[20]还与球转子[3]相接触。
【文档编号】H02N2/12GK105939130SQ201610475861
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年6月24日
【发明人】王炅, 杨建春, 孙栋
【申请人】南京理工大学