基于h形壓電換能結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的平面超聲電機(jī)及其工作模態(tài)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種利用H形結(jié)構(gòu)板的兩相面內(nèi)振動(dòng)工作模態(tài)和一相面外振動(dòng)工作模態(tài)復(fù)合驅(qū)動(dòng)的兩自由度平面超聲電機(jī)，屬于多自由度超聲電機(jī)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]超聲電機(jī)是現(xiàn)代制造裝備、航天器件、新式武器、家用及辦公自動(dòng)化設(shè)備不可或缺的重要執(zhí)行部件，分為旋轉(zhuǎn)型、直線型、單自由度、多自由度等多種形式。目前，旋轉(zhuǎn)型和直線型超聲電機(jī)技術(shù)日漸成熟，超聲電機(jī)產(chǎn)業(yè)化也主要集中于這兩類電機(jī)，而平面超聲電機(jī)(PUSM)作為多自由度電機(jī)的一種特定型式，因存在運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力耦聯(lián)特征，而使其技術(shù)沖突激增、設(shè)計(jì)復(fù)雜、驅(qū)動(dòng)控制困難，從而造成其發(fā)展相對遲緩。迄今，已推出的PUSM主要有柱桿式、平板式、組合式等結(jié)構(gòu)。國外研究方面，2001年，韓國Hong基于矩形板一縱和四彎模態(tài)實(shí)現(xiàn)一種平面超聲電機(jī)，但該電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。2006年，法國Dembele研制出一種小型三自由度平面超聲電機(jī)，尺寸64mmX38mmX2.5mm ;同年，比利時(shí)的Vijver研制出一種壓電三自由度平面工作平臺(tái)，精度達(dá)10nm。2007年日本青山尚基于壓電電致伸縮效應(yīng)研制出一種具有納米級定位精度平面電機(jī)，但電機(jī)速度極慢，只適于顯微操作平臺(tái)驅(qū)動(dòng)；2012年Scuor設(shè)計(jì)出基于超聲電機(jī)的五自由度定位平臺(tái)。在國內(nèi)，2002年劉俊標(biāo)推出圓柱桿振動(dòng)驅(qū)動(dòng)的平面電機(jī)。2008年，時(shí)運(yùn)來基于變截桿在正交方向上兩個(gè)四階彎振，研制出一種柱桿式兩自由度平面電機(jī)，該電機(jī)最高速度190mm/s，最大推力19N。2009年，哈工大陳維山推出基于十字正交聚能器驅(qū)動(dòng)的平面超聲電機(jī)，推力達(dá)100N。2014年，嚴(yán)亮等研制出單定子兩自由度平面超聲驅(qū)動(dòng)器?？傮w地看，由于發(fā)展時(shí)間不長，現(xiàn)已推出的平面超聲電機(jī)結(jié)構(gòu)型式還極其有限，電機(jī)的性能上普遍處于較低。盡管如此，由于平面超聲電機(jī)實(shí)現(xiàn)了平面運(yùn)動(dòng)直接驅(qū)動(dòng)，響應(yīng)快、動(dòng)力密度大、定位精密高，故在大集成度硅加工、精密光整加工、光纖裝配、顯微醫(yī)學(xué)操作等眾多領(lǐng)域內(nèi)有著特殊重要的應(yīng)用前景，在微驅(qū)動(dòng)、微裝配、機(jī)器人等許多高新技術(shù)領(lǐng)域中可發(fā)揮出其它電機(jī)難以替代的重要作用?；谏鲜霰尘?，本發(fā)明提出一種利用H形結(jié)構(gòu)板的面內(nèi)面外彎振復(fù)合模態(tài)推動(dòng)電機(jī)動(dòng)子做平面運(yùn)動(dòng)的兩自由度平面運(yùn)動(dòng)超聲電機(jī)。迄今，在國內(nèi)外還未見與本發(fā)明具有類似原理和結(jié)構(gòu)的其他超聲電機(jī)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提出了一種利用H形結(jié)構(gòu)板面內(nèi)縱彎振動(dòng)模態(tài)以及面外彎振模態(tài)驅(qū)動(dòng)的平面超聲電機(jī)，該電機(jī)具有微米級、亞微米級運(yùn)動(dòng)分辨率，毫秒級響應(yīng)速度，能產(chǎn)生較大運(yùn)動(dòng)速度，并輸出較大推力，在精密平面運(yùn)動(dòng)定位、小型和微型伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)等應(yīng)用中存在廣泛應(yīng)用前景。
[0004]鑒于上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案?；贖形壓電換能結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的平面超聲電機(jī)，包括定子組件、動(dòng)子組件和支座組件，所述支座組件通過其底板一側(cè)固定的立板與所述動(dòng)子組件連接，所述定子組件位于所述支座組件與所述動(dòng)子組件之間，通過驅(qū)動(dòng)足與動(dòng)子組件連接，并通過所述支座組件的定子固定螺釘與底板連接；
[0005]所述定子組件包括H形結(jié)構(gòu)板和壓電陶瓷激勵(lì)組件，H形結(jié)構(gòu)板由兩縱桿及位于縱桿中段連接的橫桿構(gòu)成，縱桿上設(shè)置有調(diào)整孔，橫桿的中間設(shè)置有螺紋孔；縱桿呈方形條狀結(jié)構(gòu)，且方形的四面均粘帖有壓電陶瓷激勵(lì)組件，壓電陶瓷激勵(lì)組件由面內(nèi)縱振激勵(lì)陶瓷、面內(nèi)彎振激勵(lì)陶瓷和面外彎振激勵(lì)陶瓷組成；所述面內(nèi)縱振激勵(lì)陶瓷分別粘貼于的兩縱桿與橫桿交匯處的正、反面，所述面內(nèi)彎振激勵(lì)陶瓷分別粘貼于兩縱桿端部的左、右側(cè)面，所述面外彎振激勵(lì)陶瓷分別粘貼于兩縱桿端部的正、反面；縱桿正、反面的末端設(shè)置有驅(qū)動(dòng)足，驅(qū)動(dòng)足的厚度高于壓電陶瓷激勵(lì)組件的面內(nèi)縱振激勵(lì)陶瓷和面外彎振激勵(lì)陶瓷的厚度，且驅(qū)動(dòng)足平行于H形結(jié)構(gòu)板平面的表面涂覆有高性能耐磨擦材料，縱桿正面末端的驅(qū)動(dòng)足與平面滑板的底面接觸；
[0006]所述動(dòng)子組件由平面滑板、滾珠和動(dòng)子支座構(gòu)成，動(dòng)子支座與平面滑板之間夾裝有滾珠，動(dòng)子支座面向平面滑板的一面設(shè)置有凹坑，凹坑呈半球形結(jié)構(gòu)，滾珠裝于凹坑內(nèi)；
[0007]所述支座組件包括立板、底板、橡膠塊、側(cè)板和碟簧，底板上面的一側(cè)固定有立板，立板上設(shè)置有立板固定螺釘，底板上面的另一側(cè)固定有側(cè)板，側(cè)板呈方框形且左右相對的內(nèi)側(cè)裝有橡膠塊，側(cè)板方框形的中心安裝有定子固定螺釘，側(cè)板上設(shè)置有側(cè)板固定螺釘和定位銷，定子固定螺釘?shù)耐庵芴籽b有碟簧，碟簧位于定子組件與支座組件的底板之間，碟簧的高度高于H形結(jié)構(gòu)板縱桿上驅(qū)動(dòng)足的厚度，底板裝有支座固定螺釘。
[0008]—種基于H形壓電換能結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的平面超聲電機(jī)的工作模態(tài)，利用定子組件特定的三相工作模態(tài)振動(dòng)，其中，面外二階反對稱彎振模態(tài)用于實(shí)現(xiàn)動(dòng)子組件與定子組件之間的接觸與脫離，面內(nèi)一階反對稱縱振模態(tài)和面內(nèi)二階對稱彎振模態(tài)則分別實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)動(dòng)子組件的平面滑板沿Y向和X向的運(yùn)動(dòng)；
[0009]所述面外二階反對稱彎振模態(tài)是基于壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，通過對面外彎振激勵(lì)陶瓷施加特定的激勵(lì)電壓，激發(fā)兩縱桿基于H形結(jié)構(gòu)板平面的面外二階彎曲振動(dòng)，驅(qū)使同一縱桿兩末端分別沿垂直于H形結(jié)構(gòu)板平面的兩反方向彎曲并高出H形結(jié)構(gòu)板平面，左桿與右桿的面外二階彎曲振動(dòng)振型相反，使得H形結(jié)構(gòu)板的兩縱桿沿對角線方向分為兩組的驅(qū)動(dòng)足交替的保持和動(dòng)子組件的平面滑板接觸與分離；
[0010]所述面內(nèi)一階反對稱縱振模態(tài)是通過對面內(nèi)縱振激勵(lì)陶瓷施加特定的激勵(lì)電壓，激發(fā)H形結(jié)構(gòu)板的兩縱桿沿桿長方向伸長或收縮振動(dòng)，左桿與右桿分別保持其中一桿伸長而另一桿收縮的振動(dòng)狀態(tài)，使得兩組驅(qū)動(dòng)足交替的推動(dòng)動(dòng)子組件的平面滑板沿Y向移動(dòng)；[0011 ] 所述面內(nèi)二階對稱彎振模態(tài)是通過對面內(nèi)彎振激勵(lì)陶瓷施加特定的激勵(lì)電壓，激發(fā)兩縱桿基于H形結(jié)構(gòu)板平面的面內(nèi)二階彎曲振動(dòng)，左桿與右桿的面內(nèi)二階彎曲振動(dòng)振型對稱，使得兩組驅(qū)動(dòng)足交替的推動(dòng)動(dòng)子組件的平面滑板沿X向移動(dòng)。
[0012]本發(fā)明的技術(shù)效果是:1、采用簡單的H形結(jié)構(gòu)定子，同時(shí)實(shí)現(xiàn)動(dòng)子兩直線自由度方向的直接驅(qū)動(dòng)，避免了傳統(tǒng)XY平面移動(dòng)裝置中采用運(yùn)動(dòng)變換機(jī)構(gòu)所帶來的平面運(yùn)動(dòng)誤差，從而使電機(jī)能產(chǎn)生微米級甚至更高精度等級的精密運(yùn)動(dòng)性，并使電機(jī)具有快速響應(yīng)特性；2、定子組件的兩對驅(qū)動(dòng)足交替地推動(dòng)動(dòng)子組件作平面運(yùn)動(dòng)，能成倍增大電機(jī)輸出動(dòng)力，并使電機(jī)運(yùn)行更趨穩(wěn)定；3、電機(jī)利用設(shè)置在H形結(jié)構(gòu)板平面內(nèi)的驅(qū)動(dòng)足對動(dòng)子進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，有利于實(shí)現(xiàn)電機(jī)微型化、平板化設(shè)計(jì)。
【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明的立體結(jié)構(gòu)局部剖視圖；
[0014]圖2為本發(fā)明中定子組件的立體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖3為本發(fā)明中動(dòng)子組件的立體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖4為本發(fā)明中支座組件的立體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖5為工作模態(tài)的面內(nèi)一階反對稱縱振示意圖；
[0018]圖6為工作模態(tài)的面外二階反對稱彎振示意圖；
[0019]圖7為工作模態(tài)的面內(nèi)二階對稱彎振示意圖；
[0020]圖8為壓電陶瓷位置布置及其壓電極化供電配置主視圖；
[0021]圖9為壓電陶瓷位置布置及其壓電極化供電配置左視圖；
[0022]圖10為Y向運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)原理面內(nèi)一階縱振示意圖；
[0023]圖11為Y向運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)原理面外二階彎振示意圖；
[0024]圖12為X向運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)原理面內(nèi)二階彎振示意圖(一)；
[0025]圖13為X向運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)原理面內(nèi)二階彎振示意圖(二)；
[0026]圖14為X向運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)原理面外二階彎振示意圖；
[0027]圖15為驅(qū)動(dòng)足推動(dòng)動(dòng)子X向運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)原理俯視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028]以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。參見圖1至圖7，基于H形壓電換能結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的平面超聲電機(jī)，包括定子組件1、動(dòng)子組件2和支座組件3，所述定子組件I包括H形結(jié)構(gòu)板11和壓電陶瓷激勵(lì)組件12，H形結(jié)構(gòu)板11由兩縱桿114及位于兩縱桿114中段并與兩縱桿114連為一體的橫桿115構(gòu)成，縱桿114上設(shè)置有調(diào)整孔112，橫桿115的中間設(shè)置有螺紋孔113 ;兩縱桿114的四周表面粘帖有壓電陶瓷激勵(lì)組件12 ;所述縱桿114呈方形條狀結(jié)構(gòu)，縱桿114兩端的正、反面均設(shè)置有驅(qū)動(dòng)足111，驅(qū)動(dòng)足111的厚度高于壓電陶瓷激勵(lì)組件12的面內(nèi)縱振激勵(lì)陶瓷121和面外彎振激勵(lì)陶瓷123的厚度，且驅(qū)動(dòng)足111平行于H形結(jié)構(gòu)板11平面的表面涂覆有高性能耐磨擦材料，縱桿114正面末端的驅(qū)動(dòng)足111與平面滑板21的底面接觸；
[0029]所述動(dòng)子組件2包括平面滑板21、滾珠22和動(dòng)子支座23，滾珠22夾裝在動(dòng)子支座23與平面滑板21之間，動(dòng)子支座23面向平面滑板21的一面設(shè)置有凹坑231，凹坑231呈半球形結(jié)構(gòu)，滾珠22裝于凹坑231內(nèi)；
[0030]所述支座組件3包括立板31、底板32、橡膠塊33、側(cè)板34和碟簧35，底板32上面的一側(cè)固定有立板31，立板31上設(shè)置有螺釘，底板32上面的另一側(cè)固定有側(cè)板34，側(cè)板34呈方框形且左右相對的內(nèi)側(cè)裝有橡膠塊33，側(cè)板34方框形的中心安裝有定子固定螺釘37，側(cè)板34上設(shè)置有螺釘和定位銷，定子固定