一種行走式壓電旋轉(zhuǎn)馬達(dá)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及驅(qū)動(dòng)器領(lǐng)域，具體是一種應(yīng)用新型壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器和壓電箝位軸承驅(qū)動(dòng)模塊的行走式壓電旋轉(zhuǎn)馬達(dá)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著微納米科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，在物理化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、航天航空、新型能源等多種領(lǐng)域中，迫切需要微納米級(jí)精密定位和微納米級(jí)精密驅(qū)動(dòng)技術(shù)。在現(xiàn)有微納定位操作機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，串聯(lián)式旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)操控機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)多自由度運(yùn)動(dòng)，繼承了工業(yè)機(jī)器手、關(guān)節(jié)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，具有整體結(jié)構(gòu)緊湊、三維運(yùn)動(dòng)范圍大、操控靈活性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，受到廣泛的關(guān)注。在精密旋轉(zhuǎn)定位驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)器對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能有著決定性的影響。與傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器相比，以智能材料為核心功能材料的微型驅(qū)動(dòng)器脫穎而出。
[0003]以電磁式驅(qū)動(dòng)為核心的驅(qū)動(dòng)器在小尺寸下輸出功率較小，發(fā)熱較嚴(yán)重；以形狀記憶合金為核心的驅(qū)動(dòng)器可控性較難，發(fā)熱影響控制精度，響應(yīng)速度較慢；壓電驅(qū)動(dòng)器具有換能效率高，體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)剛度大，優(yōu)良的力(力矩)和輸出保持能力，亞毫秒級(jí)以上的響應(yīng)速度，動(dòng)態(tài)范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，在微型驅(qū)動(dòng)中優(yōu)勢(shì)明顯。目前，國(guó)內(nèi)外壓電精密驅(qū)動(dòng)器按照運(yùn)動(dòng)方式一般分為直接驅(qū)動(dòng)式、尺蠖式和沖擊式。直接驅(qū)動(dòng)式壓電驅(qū)動(dòng)器通常將壓電元件與柔性鉸鏈結(jié)合，通過柔性鉸鏈放大壓電元件的位移輸出；尺蠖式壓電驅(qū)動(dòng)器一般采取兩個(gè)箝位機(jī)構(gòu)和一個(gè)伸縮機(jī)構(gòu)，利用箝位單元的靜摩擦力和位移單元的伸縮變形，實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)桿與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)之間的相對(duì)步進(jìn)運(yùn)動(dòng)；沖擊式驅(qū)動(dòng)器是利用壓電元件快速變形產(chǎn)生的慣性沖擊來實(shí)現(xiàn)微位移的一種步進(jìn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。直接驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，需要合理設(shè)計(jì)柔性鉸鏈放大結(jié)構(gòu)，尺寸往往較大；尺蠖式壓電驅(qū)動(dòng)器通常驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，控制困難；沖擊式壓電驅(qū)動(dòng)器存在步距非線性、輸出力矩小，以及磨擦磨損、振動(dòng)干擾造成的穩(wěn)定性差、定位精度低等問題。
[0004]這些不同驅(qū)動(dòng)方式的壓電驅(qū)動(dòng)器能實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)位移的驅(qū)動(dòng)，但是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，輸出力矩不穩(wěn)定，效率不高，且難以實(shí)現(xiàn)微型化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種應(yīng)用新型壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器和壓電箝位軸承驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)行走式旋轉(zhuǎn)步進(jìn)運(yùn)動(dòng)的行走式壓電旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，以解決現(xiàn)有技術(shù)不同驅(qū)動(dòng)方式壓電旋轉(zhuǎn)馬達(dá)微型化程度低、驅(qū)動(dòng)力不足、精度較低、穩(wěn)定性差的問題。
[0006]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為:
[0007]一種行走式壓電旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，其特征在于:包括壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器，壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器兩端分別通過套筒安裝有壓電箝位軸承驅(qū)動(dòng)模塊，壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器中設(shè)置有旋轉(zhuǎn)軸，且旋轉(zhuǎn)軸兩端分別穿過套筒并安裝于壓電箝位軸承驅(qū)動(dòng)模塊內(nèi)，其中:
[0008]所述壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器由壓電陶瓷圓管和設(shè)置在壓電陶瓷圓管外表面上的螺旋叉指電極構(gòu)成，所述旋轉(zhuǎn)軸設(shè)置在壓電陶瓷圓管中心軸線處，所述套筒分別安裝在壓電陶瓷圓管兩管端上；
[0009]每個(gè)壓電箝位軸承驅(qū)動(dòng)模塊包括環(huán)形的軸承座，軸承座的左、右半圓內(nèi)壁分別設(shè)置有壓電堆座對(duì)，每個(gè)壓電堆座對(duì)分別由兩壓電堆座組成，每個(gè)壓電堆座以懸臂方式連接在軸承座內(nèi)壁上，且軸承座左、右半圓內(nèi)的壓電堆座對(duì)相互對(duì)稱，每個(gè)壓電堆座對(duì)中兩壓電推座之間分別連接有支架，軸承座左、右半圓內(nèi)的支架呈相互對(duì)稱并相對(duì)向軸承座圓心拱起，且每個(gè)支架拱起頂點(diǎn)處分別設(shè)置為半圈，軸承座左、右半圓內(nèi)支架上的半圈相對(duì)構(gòu)成整圓的并與軸承座共圓心的軸承套圈，由軸承座、壓電堆座、支架、軸承套圈構(gòu)成軸承單元，軸承單元中左、右半圓內(nèi)壓電堆座對(duì)各自兩壓電堆座之間分別連接有壓電堆，且兩壓電堆相互對(duì)稱并分別與軸承座內(nèi)同一徑向平行，由軸承單元和兩壓電堆構(gòu)成壓電箝位軸承驅(qū)動(dòng)模塊，兩壓電箝位軸承驅(qū)動(dòng)模塊中的軸承座分別安裝在套筒上，且旋轉(zhuǎn)軸兩端分別穿過套筒并安裝在對(duì)應(yīng)端電箝位軸承驅(qū)動(dòng)模塊的軸承套圈中，由軸承套圈對(duì)旋轉(zhuǎn)軸施加一定的預(yù)夾緊力。
[0010]所述的一種行走式壓電旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，其特征在于:壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器采用多對(duì)螺旋叉指電極設(shè)計(jì)以降低驅(qū)動(dòng)電壓，多對(duì)螺旋叉指電極通過刻槽方式設(shè)置在壓電陶瓷圓管外表面上，通過刻槽電極結(jié)構(gòu)以改善驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)分布，同時(shí)優(yōu)化刻槽電極結(jié)構(gòu)參數(shù)平衡對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響。
[0011]所述的一種行走式壓電旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，其特征在于:每個(gè)套筒朝向壓電陶瓷圓管的一面分別設(shè)置有與壓電陶瓷圓管管內(nèi)徑匹配的環(huán)臺(tái)，兩套筒采用環(huán)氧樹脂膠或AB膠與壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器中壓電陶瓷圓管管端粘接，套筒上環(huán)臺(tái)分別插入壓電陶瓷圓管管端中，且環(huán)臺(tái)側(cè)面分別采用環(huán)氧樹脂膠或AB膠與壓電陶瓷圓管管端內(nèi)側(cè)面粘接。
[0012]所述的一種行走式壓電旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，其特征在于:每個(gè)套筒中分別沿平行于套筒中心軸線方向設(shè)置有對(duì)稱分布的四個(gè)螺紋孔，對(duì)應(yīng)端的軸承座上亦對(duì)應(yīng)開設(shè)有通孔，壓電箝位軸承驅(qū)動(dòng)模塊安裝在對(duì)應(yīng)端套筒上時(shí)，壓電箝位軸承驅(qū)動(dòng)模塊中軸承座通過螺釘與套筒緊密連接。
[0013]所述的一種行走式壓電旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，其特征在于:所述軸承單元采用不銹鋼材料整體線切割加工而成，在與旋轉(zhuǎn)軸相接觸的軸承套圈的內(nèi)側(cè)端面作表面耐磨處理或噴涂耐磨材料。
[0014]所述的一種行走式壓電旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，其特征在于:所述軸承座中對(duì)應(yīng)每個(gè)壓電堆座位置分別開設(shè)有通孔，每個(gè)壓電堆座中分別開設(shè)左右螺紋通孔，每個(gè)壓電堆兩端分別連接有緊定螺釘，軸承座上通孔孔徑比緊定螺釘公稱直徑稍大，且緊定螺釘分別從位置對(duì)應(yīng)的軸承座通孔中穿過后螺合入壓電堆座中位置對(duì)應(yīng)的螺紋孔中，通過緊定螺釘調(diào)節(jié)軸承套圈對(duì)旋轉(zhuǎn)軸的預(yù)夾緊力。
[0015]所述的一種行走式壓電旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，其特征在于:所述軸承套圈、支架、壓電堆座和軸承座內(nèi)側(cè)通過整體線切割加工而成，并且在它們相互連接處切割出鉸鏈形式降低軸承單元的剛度。
[0016]本發(fā)明中，壓電箝位軸承驅(qū)動(dòng)模塊中的壓電堆在電壓驅(qū)動(dòng)下伸縮變形，驅(qū)動(dòng)軸承套圈實(shí)現(xiàn)夾緊、松開等微小運(yùn)動(dòng)，通過控制壓電箝位軸承驅(qū)動(dòng)模塊的夾緊、松開時(shí)序以及壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的時(shí)序，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)軸步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。
[0017]與已有技術(shù)相比本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0018]本發(fā)明壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器采用刻槽螺旋電極壓電管結(jié)構(gòu)，扭轉(zhuǎn)位移大，驅(qū)動(dòng)力矩高，微型化難度低，壓電箝位軸承驅(qū)動(dòng)模塊采用柔性鉸鏈放大機(jī)構(gòu)，可有效放大壓電堆的驅(qū)動(dòng)位移，降低驅(qū)動(dòng)電壓，關(guān)節(jié)整體機(jī)構(gòu)采用對(duì)稱布局，結(jié)構(gòu)緊湊，適宜于微型化，可以有效提高其運(yùn)行效率和穩(wěn)定性。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)的軸測(cè)示意圖。
[0020]圖2為本發(fā)明的壓電箝位軸承驅(qū)動(dòng)模塊結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖3為本發(fā)明的壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖4為本發(fā)明的壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器主剖示意圖。
[0023]圖5為本發(fā)明的箝位和旋轉(zhuǎn)控制的信號(hào)波形圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]圖1-圖4所示，一種行走式壓電旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，包括壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器13，壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器13兩端分別通過套筒14安裝有壓電箝位軸承驅(qū)動(dòng)模塊11、12，壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器13中設(shè)置有旋轉(zhuǎn)軸6，且旋轉(zhuǎn)軸6兩端分別穿過套筒14并安裝于壓電箝位軸承驅(qū)動(dòng)模塊11、12內(nèi)，其中:
[0025]壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器13由壓電陶瓷圓管7和設(shè)置在壓電陶瓷圓管7外表面上的螺旋叉指電極8構(gòu)成，旋轉(zhuǎn)軸6設(shè)置在壓電陶瓷圓管7中心軸線處，兩套筒14分別安裝在壓電陶瓷圓管7兩管端上；
[0026]每個(gè)壓電箝位軸承驅(qū)動(dòng)模塊包括環(huán)形的軸承座1，軸承座I的左、右半圓內(nèi)壁分別設(shè)置有壓電堆座對(duì)，每個(gè)壓電堆座對(duì)分別由兩壓電堆座2組成，每個(gè)壓電堆座2以懸臂方式連接在軸承座I內(nèi)壁上，且軸承座I左、右半圓內(nèi)的壓電堆座對(duì)相互對(duì)稱，每個(gè)壓電堆座對(duì)中兩壓電推座2之間分別連接有支架3，軸承座I左、右半圓內(nèi)的支架3呈相互對(duì)稱并相對(duì)向軸承I座圓心拱起，且每個(gè)支架3拱起頂點(diǎn)處分別設(shè)置為半圈，軸承座I左、右半圓內(nèi)支架3上的半圈相對(duì)構(gòu)成整圓的并與軸承座共圓心的軸承套圈4，由軸承座1、壓電堆座2、支架3、軸承套圈4構(gòu)成軸承單元9，軸承單元9中左、右半圓內(nèi)壓電堆座對(duì)各自兩壓電堆座2之間分別連接有壓電堆5，且兩壓電堆5相互對(duì)稱并分別與軸承座I內(nèi)同一徑向平行，由軸承單元9和兩壓電堆5構(gòu)成壓電箝位軸承驅(qū)動(dòng)模塊11和12，兩壓電箝位軸承驅(qū)動(dòng)模塊11、12中的軸承座I分別安裝在套筒14上，且旋轉(zhuǎn)軸6兩端分別穿過套筒14并安裝在對(duì)應(yīng)端電箝位軸承驅(qū)動(dòng)模塊的軸承套圈4中，由軸承套圈4對(duì)旋轉(zhuǎn)軸6施加一定的預(yù)夾緊力。
[0027]壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器13采用多對(duì)螺旋叉指電極8設(shè)計(jì)以降低驅(qū)動(dòng)電壓，多對(duì)螺旋叉指電極8通過刻槽方式設(shè)置在壓電陶瓷圓管7外表面上，通過刻槽電極結(jié)構(gòu)以改善驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)分布，同時(shí)優(yōu)化刻槽電極結(jié)構(gòu)參數(shù)平衡對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響。
[0028]每個(gè)套筒14朝向壓電陶瓷圓管7的一面分別設(shè)置有與壓電陶瓷圓管7管內(nèi)徑匹配的環(huán)臺(tái)，兩套筒14采用環(huán)氧樹脂膠或AB膠與壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器13中壓電陶瓷圓管7管端粘接，套筒14上環(huán)臺(tái)分別插入壓電陶瓷圓管7管端中，且環(huán)臺(tái)側(cè)面分別采用環(huán)氧樹脂膠或AB膠與壓電陶瓷圓管7管端內(nèi)側(cè)面粘接。
[0029]每個(gè)套筒14中分別沿平行于套筒14中心軸線方向設(shè)置有對(duì)稱分布的四個(gè)螺紋孔，對(duì)應(yīng)端的軸承座I上亦對(duì)應(yīng)開設(shè)有通孔，壓電箝位軸承驅(qū)動(dòng)模塊安裝在對(duì)應(yīng)端套筒14上時(shí)，壓電箝位軸承驅(qū)動(dòng)模塊中軸承座I通過螺釘15與套筒14緊密連接。
[0030]軸承單元9采用不銹鋼材料整體線切割加工而成，在與旋轉(zhuǎn)軸