本發明專利技術公開了一種基于H形壓電換能結構驅動的平面超聲電機及其工作模態，支座組件通過其底板一側固定的立板與所述動子組件連接，定子組件位于所述支座組件與動子組件之間，通過驅動足與動子組件連接，并通過支座組件的定子固定螺釘與底板連接。本發明專利技術采用簡單的H形結構定子，同時實現動子兩直線自由度方向的直接驅動，從而使電機能產生微米級甚至更高精度等級的精密運動性，并使電機具有快速響應特性；定子組件的兩對驅動足交替地推動動子組件作平面運動，能成倍增大電機輸出動力，并使電機運行更趨穩定；利用設置在H形結構板平面內的驅動足對動子進行驅動，有利于實現電機微型化、平板化設計。
【技術實現步驟摘要】
基于H形壓電換能結構驅動的平面超聲電機及其工作方法
本專利技術涉及一種利用H形結構板的兩相面內振動工作模態和一相面外振動工作模態復合驅動的兩自由度平面超聲電機，屬于多自由度超聲電機領域。
技術介紹
超聲電機是現代制造裝備、航天器件、新式武器、家用及辦公自動化設備不可或缺的重要執行部件，分為旋轉型、直線型、單自由度、多自由度等多種形式。目前，旋轉型和直線型超聲電機技術日漸成熟，超聲電機產業化也主要集中于這兩類電機，而平面超聲電機(PUSM)作為多自由度電機的一種特定型式，因存在運動和動力耦聯特征，而使其技術沖突激增、設計復雜、驅動控制困難，從而造成其發展相對遲緩。迄今，已推出的PUSM主要有柱桿式、平板式、組合式等結構。國外研究方面，2001年，韓國Hong基于矩形板一縱和四彎模態實現一種平面超聲電機，但該電機結構復雜。2006年，法國Dembele研制出一種小型三自由度平面超聲電機，尺寸64mm×38mm×2.5mm；同年，比利時的Vijver研制出一種壓電三自由度平面工作平臺，精度達l0nm。2007年日本青山尚基于壓電電致伸縮效應研制出一種具有納米級定位精度平面電機，但電機速度極慢，只適于顯微操作平臺驅動；2012年Scuor設計出基于超聲電機的五自由度定位平臺。在國內，2002年劉俊標推出圓柱桿振動驅動的平面電機。2008年，時運來基于變截桿在正交方向上兩個四階彎振，研制出一種柱桿式兩自由度平面電機，該電機最高速度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動的平面超聲電機，推力達100N。2014年，嚴亮等研制出單定子兩自由度平面超聲驅動器。總體地看，由于發展時間不長，現已推出的平面超聲電機結構型式還極其有限，電機的性能上普遍處于較低。盡管如此，由于平面超聲電機實現了平面運動直接驅動，響應快、動力密度大、定位精密高，故在大集成度硅加工、精密光整加工、光纖裝配、顯微醫學操作等眾多領域內有著特殊重要的應用前景，在微驅動、微裝配、機器人等許多高新
中可發揮出其它電機難以替代的重要作用。基于上述背景，本專利技術提出一種利用H形結構板的面內面外彎振復合模態推動電機動子做平面運動的兩自由度平面運動超聲電機。迄今，在國內外還未見與本專利技術具有類似原理和結構的其他超聲電機。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提出了一種利用H形結構板面內縱彎振動模態以及面外彎振模態驅動的平面超聲電機，該電機具有微米級、亞微米級運動分辨率，毫秒級響應速度，能產生較大運動速度，并輸出較大推力，在精密平面運動定位、小型和微型伺服執行機構驅動等應用中存在廣泛應用前景。鑒于上述目的，本專利技術采用以下技術方案。基于H形壓電換能結構驅動的平面超聲電機，包括定子組件、動子組件和支座組件，所述支座組件通過其底板一側固定的立板與所述動子組件連接，所述定子組件位于所述支座組件與所述動子組件之間，通過驅動足與動子組件連接，并通過所述支座組件的定子固定螺釘與底板連接；所述定子組件包括H形結構板和壓電陶瓷激勵組件，H形結構板由兩縱桿及位于縱桿中段連接的橫桿構成，縱桿上設置有調整孔，橫桿的中間設置有螺紋孔；縱桿呈方形條狀結構，且方形的四面均粘帖有壓電陶瓷激勵組件，壓電陶瓷激勵組件由面內縱振激勵陶瓷、面內彎振激勵陶瓷和面外彎振激勵陶瓷組成；所述面內縱振激勵陶瓷分別粘貼于的兩縱桿與橫桿交匯處的正、反面，所述面內彎振激勵陶瓷分別粘貼于兩縱桿端部的左、右側面，所述面外彎振激勵陶瓷分別粘貼于兩縱桿端部的正、反面；縱桿正、反面的末端設置有驅動足，驅動足的厚度高于壓電陶瓷激勵組件的面內縱振激勵陶瓷和面外彎振激勵陶瓷的厚度，且驅動足平行于H形結構板平面的表面涂覆有高性能耐磨擦材料，縱桿正面末端的驅動足與平面滑板的底面接觸；所述動子組件由平面滑板、滾珠和動子支座構成，動子支座與平面滑板之間夾裝有滾珠，動子支座面向平面滑板的一面設置有凹坑，凹坑呈半球形結構，滾珠裝于凹坑內；所述支座組件包括立板、底板、橡膠塊、側板和碟簧，底板上面的一側固定有立板，立板上設置有立板固定螺釘，底板上面的另一側固定有側板，側板呈方框形且左右相對的內側裝有橡膠塊，側板方框形的中心安裝有定子固定螺釘，側板上設置有側板固定螺釘和定位銷，定子固定螺釘的外周套裝有碟簧，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形結構板縱桿上驅動足的厚度，底板裝有支座固定螺釘。一種基于H形壓電換能結構驅動的平面超聲電機的工作模態，利用定子組件特定的三相工作模態振動，其中，面外二階反對稱彎振模態用于實現動子組件與定子組件之間的接觸與脫離，面內一階反對稱縱振模態和面內二階對稱彎振模態則分別實現驅動動子組件的平面滑板沿Y向和X向的運動；所述面外二階反對稱彎振模態是基于壓電陶瓷的逆壓電效應，通過對面外彎振激勵陶瓷施加特定的激勵電壓，激發兩縱桿基于H形結構板平面的面外二階彎曲振動，驅使同一縱桿兩末端分別沿垂直于H形結構板平面的兩反方向彎曲并高出H形結構板平面，左桿與右桿的面外二階彎曲振動振型相反，使得H形結構板的兩縱桿沿對角線方向分為兩組的驅動足交替的保持和動子組件的平面滑板接觸與分離；所述面內一階反對稱縱振模態是通過對面內縱振激勵陶瓷施加特定的激勵電壓，激發H形結構板的兩縱桿沿桿長方向伸長或收縮振動，左桿與右桿分別保持其中一桿伸長而另一桿收縮的振動狀態，使得兩組驅動足交替的推動動子組件的平面滑板沿Y向移動；所述面內二階對稱彎振模態是通過對面內彎振激勵陶瓷施加特定的激勵電壓，激發兩縱桿基于H形結構板平面的面內二階彎曲振動，左桿與右桿的面內二階彎曲振動振型對稱，使得兩組驅動足交替的推動動子組件的平面滑板沿X向移動。本專利技術的技術效果是：1、采用簡單的H形結構定子，同時實現動子兩直線自由度方向的直接驅動，避免了傳統XY平面移動裝置中采用運動變換機構所帶來的平面運動誤差，從而使電機能產生微米級甚至更高精度等級的精密運動性，并使電機具有快速響應特性；2、定子組件的兩對驅動足交替地推動動子組件作平面運動，能成倍增大電機輸出動力，并使電機運行更趨穩定；3、電機利用設置在H形結構板平面內的驅動足對動子進行驅動，有利于實現電機微型化、平板化設計。附圖說明圖1為本專利技術的立體結構局部剖視圖；圖2為本專利技術中定子組件的立體結構示意圖；圖3為本專利技術中動子組件的立體結構示意圖；圖4為本專利技術中支座組件的立體結構示意圖；圖5為工作模態的面內一階反對稱縱振示意圖；圖6為工作模態的面外二階反對稱彎振示意圖；圖7為工作模態的面內二階對稱彎振示意圖；圖8為壓電陶瓷位置布置及其壓電極化供電配置主視圖；圖9為壓電陶瓷位置布置及其壓電極化供電配置左視圖；圖10為Y向運動驅動原理面內一階縱振示意圖；圖11為Y向運動驅動原理面外二階彎振示意圖；圖12為X向運動驅動原理面內二階彎振示意圖(一)；圖13為X向運動驅動原理面內二階彎振示意圖(二)；圖14為X向運動驅動原理面外二階彎振示意圖；圖15為驅動足推動動子X向運動驅動原理俯視圖。具體實施方式以下結合附圖和實施例對本專利技術作進一步說明。參見圖1至圖7，基于H形壓電換能結構驅動的平面超聲電機，包括定子組件1、動子組件2和支座組件3，所述定子組件1包括H形結構板11和壓電陶瓷激勵組件12，H形結構本文檔來自技高網...
【技術保護點】
基于H形壓電換能結構驅動的平面超聲電機，包括定子組件、動子組件和支座組件，其特征在于，所述支座組件通過其底板一側固定的立板與所述動子組件連接，所述定子組件位于所述支座組件與所述動子組件之間，通過驅動足與動子組件連接，并通過所述支座組件的定子固定螺釘與底板連接；所述定子組件包括H形結構板和壓電陶瓷激勵組件，H形結構板由兩縱桿及位于縱桿中段連接的橫桿構成，縱桿上設置有調整孔，橫桿的中間設置有螺紋孔；縱桿呈方形條狀結構，且方形的四面均粘帖有壓電陶瓷激勵組件，壓電陶瓷激勵組件由面內縱振激勵陶瓷、面內彎振激勵陶瓷和面外彎振激勵陶瓷組成；所述面內縱振激勵陶瓷分別粘貼于兩縱桿與橫桿交匯處的正、反面，所述面內彎振激勵陶瓷分別粘貼于兩縱桿端部的左、右側面，所述面外彎振激勵陶瓷分別粘貼于兩縱桿端部的正、反面；縱桿正、反面的末端設置有驅動足，驅動足的厚度高于壓電陶瓷激勵組件的面內縱振激勵陶瓷和面外彎振激勵陶瓷的厚度，且驅動足平行于H形結構板平面的表面涂覆有高性能耐磨擦材料，縱桿正面末端的驅動足與平面滑板的底面接觸；所述動子組件由平面滑板、滾珠和動子支座構成，動子支座與平面滑板之間夾裝有滾珠，動子支座面向平面滑板的一面設置有凹坑，凹坑呈半球形結構，滾珠裝于凹坑內；所述支座組件包括立板、底板、橡膠塊、側板和碟簧，底板上面的一側固定有立板，立板上設置有立板固定螺釘，底板上面的另一側固定有側板，側板呈方框形且左右相對的內側裝有橡膠塊，側板方框形的中心安裝有定子固定螺釘，側板上設置有側板固定螺釘和定位銷，定子固定螺釘的外周套裝有碟簧，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形結構板縱桿上驅動足的厚度，底板裝有支座固定螺釘。...
【技術特征摘要】
1.基于H形壓電換能結構驅動的平面超聲電機，包括定子組件、動子組件和支座組件，其特征在于，所述支座組件通過其底板一側固定的立板與所述動子組件連接，所述定子組件位于所述支座組件與所述動子組件之間，通過驅動足與動子組件連接，并通過所述支座組件的定子固定螺釘與底板連接；所述定子組件包括H形結構板和壓電陶瓷激勵組件，H形結構板由兩縱桿及位于縱桿中段連接的橫桿構成，縱桿上設置有調整孔，橫桿的中間設置有螺紋孔；縱桿呈方形條狀結構，且方形的四面均粘帖有壓電陶瓷激勵組件，壓電陶瓷激勵組件由面內縱振激勵陶瓷、面內彎振激勵陶瓷和面外彎振激勵陶瓷組成；所述面內縱振激勵陶瓷分別粘貼于兩縱桿與橫桿交匯處的正、反面，所述面內彎振激勵陶瓷分別粘貼于兩縱桿端部的左、右側面，所述面外彎振激勵陶瓷分別粘貼于兩縱桿端部的正、反面；縱桿正、反面的末端設置有驅動足，驅動足的厚度高于壓電陶瓷激勵組件的面內縱振激勵陶瓷和面外彎振激勵陶瓷的厚度，且驅動足平行于H形結構板平面的表面涂覆有高性能耐磨擦材料，縱桿正面末端的驅動足與平面滑板的底面接觸；所述動子組件由平面滑板、滾珠和動子支座構成，動子支座與平面滑板之間夾裝有滾珠，動子支座面向平面滑板的一面設置有凹坑，凹坑呈半球形結構，滾珠裝于凹坑內；所述支座組件包括立板、底板、橡膠塊、側板和碟簧，底板上面的一側固定有立板，立板上設置有立板固定螺釘，底板上面的另一側固定有側板，側板呈方框形且左右相對的內側裝有橡膠塊，側板方框形的中心安裝有定子固定螺釘，...
【專利技術屬性】
技術研發人員：賀紅林，肖智勇，劉文光，廖永林，
申請(專利權)人：南昌航空大學，
類型：發明
國別省市：江西;36
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