基于球鉸結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)型多自由度超聲電機(jī)及其工作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
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[0001]本發(fā)明涉及一種基于球鉸結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)型多自由度超聲電機(jī)及其工作方法，其屬于超聲電機(jī)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
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[0002]超聲電機(jī)是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)和超聲振動(dòng)的新型動(dòng)力輸出裝置?；谇蜚q結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)型多自由度超聲電機(jī)屬于多自由度超聲電機(jī)的一種。
[0003]對(duì)于多自由度超聲電機(jī)來說，可以提供兩個(gè)或者兩個(gè)以上自由度的運(yùn)動(dòng)，且具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)快、低噪聲、無電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)。因而，它有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，如微型機(jī)器人的關(guān)節(jié)、工業(yè)或醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的內(nèi)窺鏡、微攝像機(jī)的掃描裝置等等。
[0004]目前來說多自由度超聲電機(jī)大多停留在實(shí)驗(yàn)室階段，成型的多自由度超聲電機(jī)不多，其中一個(gè)主要原因是沒有合適的預(yù)壓力方案。由于定子和轉(zhuǎn)子之間的傳動(dòng)是靠摩擦力獲得的，定轉(zhuǎn)子之間合適的界面摩擦力對(duì)于獲得驅(qū)動(dòng)器的較高的輸出力矩非常重要。而提供合適的預(yù)壓力對(duì)于產(chǎn)生合適的摩擦力來說至關(guān)重要，沒有合適的預(yù)壓力，電機(jī)的輸出力矩可能為零。在普通的單自由度超聲電機(jī)中，已經(jīng)建立了合適的預(yù)壓力方案，而對(duì)于轉(zhuǎn)子是球形的多自由度超聲電機(jī)，一直沒有合適的預(yù)壓力施加方式，一般是在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行的。

【發(fā)明內(nèi)容】

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[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷和不足，提供一種基于球鉸結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)型多自由度超聲電機(jī)及其工作方法，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，推重比大，效率高，響應(yīng)速度快，應(yīng)用范圍廣。
[0006]本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:一種基于球鉸結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)型多自由度超聲電機(jī)，其包括底板、滾珠、碟形彈簧、預(yù)壓力調(diào)節(jié)滑塊、定子基座、方形壓電陶瓷片、連接軸、球形動(dòng)子、環(huán)形壓電陶瓷片，所述底板為圓板結(jié)構(gòu)，在所述底板的中間位置開設(shè)有貫穿底板上下表面的螺紋孔，所述底板下端面上位于螺紋孔外圍的位置貼有四片均勻間隔開的環(huán)形壓電陶瓷片，上端面上位于螺紋孔外圍的位置開有四個(gè)均勻間隔開的半球孔，所述滾珠共包括有四個(gè)，其一一對(duì)應(yīng)的放置在底座上端面的四個(gè)半球孔上，所述碟形彈簧的下端面壓在滾珠上，上端面由預(yù)壓力調(diào)節(jié)滑塊壓住，所述預(yù)壓力調(diào)節(jié)滑塊與定子基座螺紋連接于一起，所述定子基座是外部為長方體，內(nèi)部為圓孔的結(jié)構(gòu)，在所述定子基座的每個(gè)外側(cè)面上分別貼有一片方形壓電陶瓷片，所述球形動(dòng)子位于定子基座的上方，所述連接軸的上末端為球鉸結(jié)構(gòu)，所述連接軸穿設(shè)于定子基座的圓孔后其下末端與底座螺紋連接，其上末端通過球鉸結(jié)構(gòu)與球形動(dòng)子相連接。
[0007]進(jìn)一步地，所述基于球鉸結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)型多自由度超聲電機(jī)包括有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊，所述定子基座和方形壓電陶瓷片為驅(qū)動(dòng)模塊一，所述底板、連接軸及環(huán)形壓電陶瓷片為驅(qū)動(dòng)模塊二。
[0008]本發(fā)明還采用如下技術(shù)方案:一種基于球鉸結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)型多自由度超聲電機(jī)的工作方法，其包括如下步驟:
[0009]步驟一:將四片方形壓電陶瓷片分別編號(hào)為6-1、6-2、6-3、6-4，在四片方形壓電陶瓷片上均設(shè)有激勵(lì)電極；
[0010]步驟二:工作時(shí)6-1、6-3(或6-2、6-4)電極施加相同相位正弦電壓，于此同時(shí)6-2、6-4(或6-1、6-3)電極施加大小相等，方向相反的正弦電壓；
[0011]步驟三:利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)中的d31效應(yīng)，6-1、6-3(或6-2、6-4)電極激發(fā)出基座的一階縱振模態(tài)，6-2、6-4 (或6_1、6_3)電極激發(fā)出基座的二階彎振模態(tài)，兩種模態(tài)耦合就會(huì)使得定子基座上端部產(chǎn)生橢圓運(yùn)動(dòng)，該運(yùn)動(dòng)通過定子基座與球形轉(zhuǎn)子之間的摩擦傳動(dòng)，驅(qū)動(dòng)球形動(dòng)子轉(zhuǎn)動(dòng)；
[0012]步驟四:將四片環(huán)形壓電陶瓷片分別編號(hào)為9-1、9-2、9-3、9-4，在四片環(huán)形壓電陶瓷片上均設(shè)有激勵(lì)電極；
[0013]步驟五:工作時(shí)9-1、9-3(或9-2、9-4)電極施加相位差為90度的正弦電壓；
[0014]步驟六:利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)中的d33效應(yīng)，9-1、9-3(或9-2、9-4)激發(fā)出連接軸的縱振和彎振模態(tài)，兩種模態(tài)耦合就會(huì)使得連接軸上部球面產(chǎn)生橢圓運(yùn)動(dòng)，通過球鉸結(jié)構(gòu)之間的摩擦傳動(dòng)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)球形動(dòng)子轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0015]本發(fā)明具有如下有益效果:
[0016](I).本發(fā)明基于球鉸結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)型多自由度超聲電機(jī)采用球鉸結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)預(yù)壓力調(diào)節(jié)滑塊進(jìn)而壓縮碟形彈簧的方式來調(diào)節(jié)預(yù)壓力，能夠在現(xiàn)有多自由度超聲電機(jī)中建立合適的預(yù)壓力方案；
[0017](2).本發(fā)明基于球鉸結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)型多自由度超聲電機(jī)采用雙驅(qū)動(dòng)模塊協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)，不僅解決了多自由度超聲電機(jī)預(yù)壓力調(diào)節(jié)困難的問題，而且由于兩個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊同時(shí)作用更增加了其驅(qū)動(dòng)性能，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，推重比大，響應(yīng)快速，應(yīng)用范圍廣。
【附圖說明】
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[0018]圖1(a)是本發(fā)明用到的方形壓電陶瓷d31效應(yīng)示意圖。
[0019]圖1(b)是本發(fā)明用到的環(huán)形壓電陶瓷d33效應(yīng)示意圖。
[0020]圖2是本發(fā)明基于球鉸結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)型多自由度超聲電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖3(a)是本發(fā)明中定子基座剖面圖。
[0022]圖3 (b)是本發(fā)明中定子基座俯視圖。
[0023]圖4(a)是定子基座縱向振動(dòng)有限元模態(tài)圖。
[0024]圖4(b)是定子基座彎曲振動(dòng)有限兀模態(tài)圖。
[0025]圖5(a)是底板與連接軸的主視圖。
[0026]圖5(b)是底板與連接軸的仰視圖。
[0027]圖6是底板與連接軸的有限元模態(tài)圖。
【具體實(shí)施方式】
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[0028]壓電陶瓷逆壓電效應(yīng)指的是對(duì)壓電陶瓷施加電場(chǎng)引起機(jī)械變形的現(xiàn)象，根據(jù)壓電陶瓷不同的極化方式，相對(duì)應(yīng)地誘發(fā)變形的方式也不同，而本發(fā)明基于球鉸結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)型多自由度超聲電機(jī)利用的是方形壓電陶瓷的d31效應(yīng)和環(huán)形壓電陶瓷的d33效應(yīng)。設(shè)與x、y、z坐標(biāo)軸對(duì)應(yīng)的方向分別為1、2和3，d31效應(yīng)是指沿極化方向3施加電場(chǎng)，誘發(fā)的應(yīng)變沿I方向，如圖1(a)所示，在前后面施加激勵(lì)電壓，在上下面產(chǎn)生伸長(縮短)的機(jī)械變形；d33效應(yīng)是指沿極化方向3施加電場(chǎng)，誘發(fā)的應(yīng)變沿3方向，如圖1(b)所示，在上下面施加激勵(lì)電壓，在上下面產(chǎn)生伸長(縮短)的機(jī)械變形。
[0029]如圖2所示，本發(fā)明基于球鉸結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)型多自由度超聲電機(jī)包括底板1、滾珠2、碟形彈簧3、預(yù)壓力調(diào)節(jié)滑塊4、定子基座5、方形壓電陶瓷片6、連接軸7、球形動(dòng)子8、環(huán)形壓電陶瓷片9，其中，底板I為圓板結(jié)構(gòu)，在底板I的中間位置開設(shè)有貫穿底板I上下表面的螺紋孔(未標(biāo)示)，在下端面上位于螺紋孔外圍的位置貼有四片均勻間隔開的環(huán)形壓電陶瓷片9，上端面上位于螺紋孔外圍的位置開有四個(gè)均勻間隔開的半球孔(未標(biāo)示)，滾珠2共包括有四個(gè)，其一一對(duì)應(yīng)的放置在底座I上端面的四個(gè)半球孔上，碟形彈簧3的下端面壓在滾珠2上，上端面由預(yù)壓力調(diào)節(jié)滑塊4壓住，預(yù)壓力調(diào)節(jié)滑塊4與定子基座5螺紋連接于一起，定子基座5是外部為長方體，內(nèi)部為圓孔的結(jié)構(gòu)，在定子基座5的每個(gè)外側(cè)面上分別貼有一片方形壓電陶瓷片6，球形動(dòng)子8位于定子基座5的上方，連接軸7的上末端為球鉸結(jié)構(gòu)，連接軸7穿設(shè)于定子基座5的圓孔后其下末端與底座I螺紋連接，其上末端通過球鉸結(jié)構(gòu)與球形動(dòng)子8相連接。
[0030]本發(fā)明基于球鉸結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)型多自由度超聲電機(jī)可以劃分為兩個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊，定子基座5和四片方形壓電陶瓷片6定義為驅(qū)動(dòng)模塊一；底板1、連接軸7及四片環(huán)形壓電陶瓷片9定義為驅(qū)動(dòng)模塊二。
[0031]本發(fā)明基于球鉸結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)型多自由度超聲電機(jī)的工作原理如下:
[0032]驅(qū)動(dòng)模塊一定子基座5上對(duì)稱布置四片方形壓電陶瓷片6，控制方式為相對(duì)的兩片方形壓電陶瓷片產(chǎn)生相同方向的縱向振動(dòng)，另外兩片方形壓電陶瓷片產(chǎn)生一個(gè)伸長一個(gè)縮短的縱向振動(dòng)，進(jìn)而使得定子基座上端面產(chǎn)生橢圓運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)球形動(dòng)子8旋轉(zhuǎn)；驅(qū)動(dòng)模塊二底板I上均布有四片環(huán)形壓電陶瓷片9，相對(duì)兩片環(huán)形壓電陶瓷片分別使得連接軸7上部球鉸結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)球形動(dòng)子8旋轉(zhuǎn)。兩個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)，不僅克服了彼此由于預(yù)壓力要求而對(duì)另外一方產(chǎn)生的阻力，而且兩個(gè)模塊同時(shí)驅(qū)動(dòng)更增加了其輸出性能。其通過連接軸7上部球鉸結(jié)構(gòu)施加了預(yù)壓力，將定子基座上端面產(chǎn)生的橢圓運(yùn)動(dòng)和連接軸上部球鉸結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的橢圓運(yùn)動(dòng)放大輸出。同時(shí)通過定子基座5與預(yù)壓力調(diào)節(jié)滑塊4之間的螺