大功率精密壓電超聲驅動平臺及其驅動方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種大功率精密壓電超聲驅動平臺及其驅動方法，屬于精密驅動與微定位技術領域。
【背景技術】
[0002]壓電超聲驅動技術由于其特有的定位精度高、無電磁干擾、結構簡單緊湊等技術優勢，被廣泛應用于精密驅動平臺中。其中超聲電機是利用壓電元件的逆壓電效應激勵彈性體產生微幅超聲振動，通過摩擦耦合實現機械能輸出的微特電機。與傳統電磁電機相比，因其具有結構易于微型化、響應速度快、無電磁干擾等技術優勢，廣泛應用于精密驅動與微定位技術領域。根據彈性體(或稱為定子)的結構形式與驅動激勵模式的不同，超聲電機主要有梁結構彈性體超聲電機和板結構彈性體超聲電機等幾種類型。
[0003]中國專利《桿式行波型超聲電機》，授權公告號為CN 100525057 C，授權公告日為2009年8月5日，公開的一種桿式行波型超聲電機，其定子組件由底座和上配重塊將壓電陶瓷片組和電極片組通過底座的螺桿旋緊連接，上配重塊呈圓盤狀，上端部有一尺寸相對較小的內槽凸臺，底座外緣具有四個安裝用的螺紋孔，電機轉子組件由柔性轉子、銷、壓蓋、軸等構成，電機定轉子之間的預壓力通過壓緊彈簧來獲得和調節，當電機通入超聲頻域內一定的交流電壓時，電子定子部分上配重塊與轉子接觸的表面的質點做橢圓運動，由于定轉子之間存在預壓力，定轉子間會產生摩擦力，這種摩擦力會推動轉子轉動；中國專利《彎振模態梁式直線超聲電機振子》，授權公告號為CN 101626203 B，授權公告日為2011年7月20日，公開的一種彎振模態梁式直線超聲電機振子由兩個驅動足、兩個端蓋、兩個絕緣套、兩對極化方向為厚度方向的壓電陶瓷片、法蘭盤、兩個薄壁梁和安裝座組成，法蘭盤的端面上沿其軸線各伸出一根螺柱，每個螺柱上套有一對壓電陶瓷片，每個螺柱的懸伸端端部旋合有端蓋，每個端蓋的末端上都設置一個驅動足，所述每片壓電陶瓷片由切分后組合的、對稱的兩個半片壓電陶瓷片組成，兩個半片壓電陶瓷片之間極化方向相反，法蘭兩側的兩對壓電陶瓷片的切分線相互垂直，每對壓電陶瓷片中的壓電陶瓷片的極化方向相反；中國專利《圓盤型非接觸超聲電機》，授權公告號為CN 100525056 C，授權公告日為2009年8月5日，公開的一種圓盤型非接觸超聲電機，主要由定子組件、轉子組件和制作組件構成，定子組件由圓盤形定子基體和壓電陶瓷粘貼構成，電機的轉子組件由轉子基體、軸、彈簧、螺母等構成，電機支座組件由底座、外殼、螺釘構成，當電機通入超聲頻率范圍內一定的交變電壓時，電機定子產生超聲頻率的轉動，通過粘性力驅動轉子轉動，動力由軸輸出；中國專利《新型旋轉型行波超聲電機》，申請公告號為CN 102437787 A，申請公告日為2012年5月2日，公開的一種新型旋轉型行波超聲電機，其主要部件有二個定子、轉子、底座、摩擦襯墊、擋圈以及軸承等，其中，兩個形狀相同的定子對稱布置并且壓緊轉子兩個端面，保證兩定子的工作面可靠實現與轉子表面平行接觸，使定轉子接觸面受力均勻，這樣可以克服目前基于單定子結構的旋轉型行波超聲電機定轉子存在徑向接觸不均勻、接觸范圍小、定轉子存在徑向滑移摩擦損耗等缺陷，有望提高旋轉型行波超聲電機的最大輸出轉矩和效率，并且延長旋轉型行波超聲電機的使用壽命。
[0004]由超聲電機的驅動原理可知，相同條件下電機定子的振動幅值越大，定子與轉子間有效接觸面積越大，越有利于電機整機性能的提高。而上述采用梁結構彈性體的超聲電機，雖然電機定子振動幅值較大，但定子與轉子間有效接觸面積較小，使得梁結構超聲電機的機械輸出性能受限；對于采用板結構彈性體的超聲電機，與梁結構超聲電機相比，雖然電機定子與轉子間有效接觸面積較大，但定子的振動幅值一般較小，同樣表現為限制了超聲電機機械功率的強力輸出。由此可見，對于單獨采用梁結構彈性體或板結構彈性體的超聲電機，由于定、轉子間有效接觸面積小或振動幅值不大等技術問題，導致超聲電機整體輸出性能不理想，限制了其在精密驅動與微定位平臺裝置中的應用與發展。
【發明內容】
[0005]為解決單獨采用梁結構彈性體或板結構彈性體超聲電機作為驅動器的定位平臺，由電機定、轉子間有效接觸面積小或振動幅值不大所導致超聲電機整體輸出性能不理想等技術問題，本發明公開了一種大功率精密壓電超聲驅動平臺及其驅動方法。
[0006]本發明采用的技術方案是:所述大功率精密壓電超聲驅動平臺主要由固定外架、第一彈性體、第二彈性體、轉動平臺、滾動體、推力球軸承、蝶形彈簧、緊固連接件和內六角螺栓組成。
[0007]所述固定外架為一側端部設置有法蘭的薄壁圓環體結構，所述固定外架法蘭四周沿圓周方向均勻設置有q個通孔結構，其中q為大于等于I的整數；所述固定外架薄壁圓環體靠近法蘭部分設置有通孔結構，所述固定外架薄壁圓環體靠近懸臂端部內側設置有圓弧狀滑道結構，所述固定外架法蘭一側端部表面中心位置設有階梯孔結構，所述所述固定外架法蘭另一側端部表面中心位置設有階梯孔結構，所述固定外架法蘭端部表面階梯孔結構中心位置設有通孔結構。所述第二彈性體為梳齒型第二彈性體。所述轉動平臺為板結構，所述轉動平臺一側端部表面中心位置設有圓形凹槽結構，其與第二彈性體的圓形凹槽結構相對布置；所述轉動平臺另一側端部表面中心位置設有沉頭孔結構，所述轉動平臺圓形凹槽結構與沉頭孔結構之間設置有通孔結構，所述轉動平臺外圓周表面設置有圓弧形滑道結構，所述轉動平臺另一側端部表面沿圓周方向均勻設置有r個螺紋孔結構。所述緊固連接件為一側端部設有內六角孔的圓柱體結構，所述緊固連接件另一側端部設置有外螺紋結構，所述緊固連接件內六角孔與外螺紋結構之間的外圓柱表面與推力球軸承緊密配合連接。
[0008]本發明的有益效果是:本發明采用梁板復合方式的彈性體對驅動平臺進行激振，利用梁結構第一彈性體與板結構第二彈性體振動模態的疊加耦合，在實現平臺梁結構第一彈性體較大振動幅值的同時，可獲得平臺板結構第二彈性體與轉動平臺間較大的有效接觸面積，使得驅動平臺的整機輸出性能獲得大幅度提升。本發明具有輸出功率大、運行平穩、定位精度高、環境適應性強以及應用范圍廣等技術優勢，在精密驅動與微定位技術領域中具有較大的應用與發展前景。
【附圖說明】
[0009]圖1所示為本發明提出的一種大功率精密壓電超聲驅動平臺的剖視圖； 圖2所示為本發明提出的一種大功率精密壓電超聲驅動平臺的固定底座的主視圖；
圖3所示為本發明提出的一種大功率精密壓電超聲驅動平臺的固定底座的剖視圖；
圖4所示為本發明提出的一種大功率精密壓電超聲驅動平臺的第二彈性體的主視圖；圖5所示為本發明提出的一種大功率精密壓電超聲驅動平臺的第二彈性體的剖視圖；圖6所示為本發明提出的一種大功率精密壓電超聲驅動平臺的粘接有矩形壓電陶瓷片的第二彈性體的主視圖；
圖7所示為本發明提出的一種大功率精密壓電超聲驅動平臺的粘接有矩形壓電陶瓷片的第二彈性體的剖視圖；
圖8所示為本發明提出的一種大功率精密壓電超聲驅動平臺的轉動體的主視圖；
圖9所示為本發明提出的一種大功率精密壓電超聲驅動平臺的轉動體的剖視圖；
圖10所示為本發明提出的一種大功率精密壓電超聲驅動平臺的緊固連接件的局部剖視圖；
圖11所示為本發明提出的一種貼片式梁板復合激振的大功率精密壓電超聲驅動平臺的第一彈性體的局部剖視圖；
圖12所示為本發明提出的一種縱振夾心式梁板復合激振的大功率精密壓電超聲驅動平臺的第一彈性體的主視圖與剖視圖；
圖13所示為本發明提出的一種縱振夾心式梁板復合激振或扭振夾心式梁板復合激振或夾心式復合激振的大功率精密壓電超聲驅動平臺第一彈性體中前匹配端與后匹配端的剖視圖；
圖14所示為本發明提出的一種扭振夾心式梁板復合激振的大功率精密壓電超聲驅動平臺的第一彈性體的主視圖與剖視圖；
圖15所示為本發明提出的一種強力輸出夾心式梁板復合激振的大功率精密壓電超聲驅動平臺的第一彈性體的主視圖；
圖16所示為本發明提出的一種強力輸出夾心式梁板復合激振的大功率精密壓電超聲驅動平臺的第一彈性體中前匹配端、后匹配端的剖視圖及壓電疊堆的結構示意圖；
圖17所示本發明提出的一種貼片式大功率精密壓電超聲驅動平臺的第一彈性體的局部剖視圖；
圖18所示為本發明提出的一種夾心式復合激振的大功率精密壓電超聲驅動平臺的第一彈性體的主視圖與剖視圖；
圖19所示為本發明提出的一種縱扭復合激振的大功率精密壓電超聲驅動平臺的第一彈性體的主視圖與剖視圖；
圖20所示為本發明提出的一種縱扭復合激振的大功率精密壓電超聲驅動平臺的第一彈性體中前匹配快與后匹配快的剖視圖；
圖21所示為本發明提出的一種貼片式模態轉換的大功率精密壓電超聲驅動平臺的第一彈性體的局部剖視圖；
圖22所示為本發明提出的一種夾心式模態轉換的大功率精密壓電超聲驅動平臺的第一彈性體的主視圖與剖視圖；
圖23所示為本發明提出的一種夾心式模態轉換的大功率精密壓電超聲驅動平臺的第一彈性體中前匹配端與后匹配端的剖視圖； 圖24所示為本發明提出的一種強力輸出夾心式模態轉換的大功率精密壓電超聲驅動平臺的第一彈性體的主視圖；
圖25所示為本發明提出的一種強力輸出夾心式模態轉換的大功率精密壓電超聲驅動平臺的第一彈性體中前匹配端與后匹配端的剖視圖；
圖26所示為本發明提出的一種大功率精密壓電超聲驅動平臺中43激振模式的環形壓電陶瓷片的布置方式與激勵方法示意圖；
圖27所示為本發明提出的一種大功率精密壓電超聲驅動平臺中1激振模式的環形壓電陶瓷片的布置方式與激勵方法示意圖；
圖28所示為本發明提出的一種大功率精密壓電超聲驅動平臺中43激振模式與I激振模式的環形壓電陶瓷片的布置方式與激勵方法示意圖。
【具體實施方式】
[0010]【具體實施方式】一:結合圖1~圖3、圖6~圖11說明本實施方式。本實施方式提供了一種貼片式梁板復合激振的大功率精密壓電超聲驅動平臺及其驅動方法的具體實施方案。所述貼片式梁板復合激振的大功率精密壓電超聲驅動平臺主要由固定外架1、第一彈性體2、第二彈性體3、轉動平臺4、滾動體5、推力球軸承6、蝶形彈簧7、緊固連接件8和內六角螺栓9組成。
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