定子內置型多自由度壓電驅動器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種定子內置型多自由度壓電驅動器，包括球轉子、三個結構相同的定子機構、輸出軸、預緊機構、滾轉機構、外殼和底座。三個結構相同的定子機構設置在球轉子內，環繞球轉子兩兩相差120°對稱分布，預緊機構同時為三個定子機構提供預緊力，使三個定子和轉子之間的預緊力均勻一致。同時給3個壓電陶瓷片提供一定頻率的交流信號時，就會在定子彈性體表面齒端形成行波，在預緊力的作用下，定轉子緊密接觸，通過定、轉子之間的摩擦作用，帶動球轉子轉動，并通過輸出軸輸出轉速和力矩。本發明的定子內置型多自由度壓電驅動器結構簡單緊湊，空間利用率高，不受電磁干擾，能夠在多個自由度上運動。
【專利說明】
定子內置型多自由度壓電驅動器
技術領域
[0001]本發明涉及壓電驅動技術領域，特別是一種定子內置型多自由度壓電驅動器。
【背景技術】
[0002]壓電驅動器是20世紀80年代開始發展起來的一種新型微驅動器，與傳統的電磁驅動器相比，具有結構緊湊、輸出力矩大、響應速度快、工作噪聲小、不受電磁干擾等優點。在一些較為復雜的機電系統中，需要在多個方向進行驅動，相對于使用多個單自由度壓電驅動器，使用多自由度壓電驅動器可以使機構更加緊湊。多自由度壓電驅動器在工業攝像頭、航空航天、機器人關節、醫療器械等領域都有良好的應用前景。
[0003]球形多自由度壓電驅動器是目前發展前景較好的一種多自由度壓電驅動器，現有的球形多自由度壓電驅動器的3個環形定子環繞球轉子外表面兩兩相差120°均勻分布，每個環形定子都有單獨的預緊力機構和支撐機構，使得整個驅動器結構尺寸偏大;球轉子為空心球轉子，內部沒有設置任何機構，空間利用率低；定子機構軸線和水平面之間存在夾角，在預緊力的作用下環形定子表面質點上的壓力分布不均，接觸狀況復雜。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于提供一種定子內置型多自由度壓電驅動器。
[0005]實現本發明目的的技術解決方案為:一種定子內置型多自由度壓電驅動器，其特征在于，包括球轉子、三個結構相同的定子機構、輸出軸、預緊機構、滾轉機構、外殼和底座；
[0006]所述外殼和底座相固連，預緊機構設置在外殼內，預緊機構下端與底座內圈固連，預緊機構上端設置三個結構相同的定子機構，三個結構相同的定子機構在預緊機構上兩兩相差120°環形分布，定子機構軸線和外殼軸線之間存在夾角，球轉子設置在三個定子機構上且能夠相對于三個定子機構轉動，球轉子的內壁與三個定子機構相緊靠，輸出軸設置在球轉子上端且與球轉子固連;所述滾轉機構位于外殼和球轉子之間，用于抵消預緊機構作用在定轉子之間的預緊力在外殼軸線上的分力。
[0007]本發明與現有技術相比，其顯著優點為:I)本發明的定子內置型多自由度壓電驅動器結構緊湊、空間利用率高；2)本發明的定子內置型多自由度壓電驅動器定轉子之間接觸狀況良好，便于建立數學模型以預測輸出性能；3)三個定子和轉子之間的預緊力由同一個預緊機構提供，使得定轉子之間的預緊力均勻一致;4)本發明的定子內置型多自由度壓電驅動器不產生磁場，也不受電磁干擾，適用于需要不受電磁干擾的場合。
[0008]下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述。
【附圖說明】
[0009]圖1為本發明的定子內置型多自由度壓電驅動器局部剖視圖。
[0010]圖2為本發明的預緊機構局部剖視圖。
[0011 ]圖3為本發明的定子機構機構剖視圖。
[0012]圖4為本發明中預緊力傳遞示意圖。
[0013]圖5為本發明的滾轉機構結構圖。
[0014]圖6為本發明中定子的面外彎曲模態圖。
[0015]圖7為本發明中定子驅動球轉子示意圖。
[0016]圖中標號所代表的含義為:1.輸出軸，2.滾轉機構，3.球轉子，4.三個結構相同的定子機構，5.外殼，5-a.球形槽，6.預緊機構，7.底座，8.三個相同的連桿，9.工字型空心圓板，10.推桿，11.調整螺母，12.球轉子上殼，13.球轉子下殼，14.支撐板，15.壓板，16.碟形彈簧，17.定子導向軸，18.定子彈性體，19.壓電陶瓷片，20.滾珠，21，夾持環。
【具體實施方式】
[0017]結合附圖，本發明的一種定子內置型多自由度壓電驅動器，包括球轉子3、三個結構相同的定子機構4、輸出軸1、預緊機構6、滾轉機構2、外殼5和底座7;
[0018]所述外殼5和底座7相固連，預緊機構6設置在外殼5內，預緊機構6下端與底座7內圈固連，預緊機構6上端設置三個結構相同的定子機構4，三個結構相同的定子機構4在預緊機構6上兩兩相差120°環形分布，定子機構4軸線和外殼5軸線之間存在夾角，球轉子3設置在三個定子機構4上且能夠相對于三個定子機構4轉動，球轉子3的內壁與三個定子機構4相緊靠，輸出軸I設置在球轉子3上端且與球轉子3固連;所述滾轉機構2位于外殼5和球轉子3之間，用于抵消預緊機構6作用在定轉子之間的預緊力在外殼5軸線上的分力。
[0019]所述的預緊機構6包括工字型空心圓板9、調整螺母11、推桿10和三個相同的連桿8，所述工字型空心圓板9下端與底座7內圈固連，調整螺母11設置在工字型空心圓板9內且與工字型空心圓板9螺紋連接，推桿10也設置在工字型空心圓板9內，推桿10位于調整螺母11上方，推桿1與工字型空心圓板9之間為間隙配合，三個相同的連桿8設置在推桿1上，三個相同的連桿8在推桿10上兩兩相差120°環形分布，連桿8和推桿10之間通過銷連接，連桿8可相對于推桿10轉動。
[0020]所述每個定子機構4均包括定子彈性體18、壓電陶瓷片19、定子導向軸17、碟形彈簧16、壓板15、支撐板14，所述支撐板14固定在工字型空心圓板9上端，壓板15設置在支撐板14上且與支撐板14之間為間隙配合，定子導向軸17也設置在支撐板14上且位于壓板15前方，定子導向軸17與支撐板14之間也為間隙配合，定子導向軸17和壓板15之間設置一對碟形彈簧16，定子導向軸17前端設置定子彈性體18且與定子彈性體18內圈固連，壓電陶瓷片19設置在定子彈性體18外圈的背面，定子彈性體18的前端為齒端，該齒端與球轉子3的內壁相接觸。
[0021]所述的球轉子3包括球轉子上殼12和球轉子下殼13，用于將三個定子機構4和預緊機構6放置在球轉子3內，球轉子上殼12和球轉子下殼13相固連。
[0022]定子機構4軸線和外殼5軸線之間的夾角為72°。
[0023]壓板15上設置有兩個U型塊，每個U型塊上開有供銷軸穿過的孔，壓板15通過銷軸與推桿8相連，壓板15可相對于推桿8轉動。
[0024]所述滾轉機構2包括滾珠20和夾持環21，外殼5的內壁開有球面環形槽5-a，夾持環21與外殼5固連，夾持環21上開有若干球型槽，每個球形槽上放置一個滾珠20，滾珠20位于外殼5的球面環形槽5-a和夾持環21之間，滾珠20可沿球面環形槽5-a滾動，滾珠20與球面環形槽5-a之間為線接觸，與夾持環21之間為面接觸，滾珠20還與球轉子3相接觸。
[0025]下面結合實施例對本發明做進一步詳細的描述。
[0026]實施例
[0027]結合圖1，本發明的一種定子內置型多自由度壓電驅動器，包括球轉子3、三個結構相同的定子機構4、輸出軸1、預緊機構6、滾轉機構2、外殼5和底座7;外殼5和底座7通過四個螺栓固連，預緊機構6設置在外殼5內，預緊機構6下端與底座7內圈通過螺紋固連，三個結構相同的定子機構4設置在預緊機構6上，并環繞預緊機構6兩兩相差120°對稱分布，通過六個沉頭螺釘與預緊機構6固連，定子機構4軸線和外殼5軸線之間夾角為72°;球轉子3設置在三個定子機構4上且能夠相對于三個定子機構4轉動，在預緊機構6的作用下，定子機構4和球轉子3的內壁緊密接觸，輸出軸I設置在球轉子3上端且與球轉子3通過螺紋固連;滾轉機構2位于外殼5和球轉子3之間，滾轉機構2與外殼5之間為線接觸，與球轉子3之間為點接觸。
[0028]如圖2所示，預緊機構6包括工字型空心圓板9、調整螺母11、推桿10和三個相同的連桿8，工字型空心圓板9的下端與底座7內圈通過螺紋連接，調整螺母11設置在工字型空心圓板9下方且與工字型空心圓板9螺紋連接，推桿設置在工字型空心圓板9內且位于調整螺母11上方，推桿10與工字型空心圓板9之間為間隙配合，三個相同的連桿8設置在推桿10上方，三個相同的連桿8在推桿10上兩兩相差120°環形分布，連桿8和推桿10之間通過銷連接，連桿8可相對于推桿10轉動，預緊機構6的作用是為整個定子內置型多自由度壓電驅動器提供預緊力。
[0029]三個定子機構4結構相同，本實施例中以其中一個為例介紹其內部結構如圖3所示。定子機構4包括定子彈性體18、壓電陶瓷片19、定子導向軸17、碟形彈簧16、壓板15、支撐板14，支撐板14通過兩個沉頭螺釘與工字型空心圓板9上端固連，壓板15設置在支撐板14上且與支撐板14之間為間隙配合，壓板15上設置有兩個U型塊，每個U型塊上挖有圓孔，壓板15通過銷在這兩個U型塊上與推桿8相連，壓板15可相對于推桿8轉動;定子導向軸17也設置在支撐板14上且位于壓板15前方，定子導向軸17與支撐板14之間也為間隙配合，定子導向軸17和壓板15之間設置一對碟形彈簧16，定子導向軸17前端設置定子彈性體18且與定子彈性體18內圈通過4個半沉頭螺釘固連，壓電陶瓷片19粘貼在定子彈性體18外圈的背面，定子彈性體18的前端為齒端，定子彈性體18通過齒端與球轉子3接觸。
[0030]圖4為本發明的定子內置型多自由度壓電驅動器預緊力傳遞示意圖，調節調整螺母11逆時針轉動，推桿10在調整螺母11的作用下向上運動;如圖所示，推桿10、連桿8和壓板15通過兩個銷連接，構成了一個雙滑塊機構，推桿10向上的運動通過連桿8傳遞給壓板15，使得壓板15沿支撐板14的內孔軸線方向運動，碟形彈簧16被壓縮，產生了驅動器所需的預緊力，通過預緊導向軸17，傳遞給了定子彈性體18和球轉子3，定子彈性體18和球轉子3緊密接觸。
[0031]圖5為滾轉機構2結構圖，滾轉機構2包括滾珠20和夾持環21，在外殼5的內壁開有球面環形槽5-a，夾持環21通過八個螺釘與外殼5固連，夾持環21上開有八個球型槽，每個球形槽上放置一個滾珠20，滾珠20位于外殼5的球面環形槽5-a和夾持環21之間，滾珠20可沿球面環形槽5-a滾動，滾珠20與球面環形槽5-a之間為線接觸，與夾持環21之間為面接觸，此夕卜，滾珠20還與球轉子3相接觸。如果不設置滾轉機構2，為了使預緊機構6最終施加在球轉子3上的力平衡(只有三個環形定子彈性體18與球轉子3接觸)，那么每個環形定子彈性體18上與球轉子3接觸的各個質點處壓力分布不均，難以建立準確的數學模型以分析其輸出性能。滾轉機構2可以用來抵消球轉子3上的軸向力，使定轉子接觸狀況良好。
[0032]壓電陶瓷片19在一個驅動信號的作用下，定子彈性體18只能獲得駐波運動，圖6為定子彈性體18和壓電陶瓷片19組成的壓電體在一定頻率交流信號下激發出的面外彎曲模態。當兩相同頻等幅，相位差為90°交流信號同時作用在壓電陶瓷片19時，就能在定子彈性體18上激發出兩個幅值相等，在時間和空間上均相差90°的模態響應，這兩個模態響應在定子彈性體18表面疊加形成行波。圖7為定子驅動轉子示意圖，在預緊力的作用下，定子彈性體18的齒端外圈和球轉子3緊密接觸，在行波定子齒端各個質點的作用下，球轉子3獲得了與定子彈性體18行波前進方向相反的運動，也就是說，球轉子13可以圍繞定子彈性體18軸線轉動。當三個定子機構4同時驅動球轉子3時，球轉子3就獲得了多自由度運動，并通過輸出軸I向外輸出轉速和力矩。
[0033]由上可知，本發明的定子內置型多自由度壓電驅動器結構緊湊、空間利用率高，可廣泛應用于工業攝像頭、航空航天、機器人關節、醫療器械等領域。
【主權項】
1.一種定子內置型多自由度壓電驅動器，其特征在于，包括球轉子[3]、三個結構相同的定子機構[4]、輸出軸[1]、預緊機構[6]、滾轉機構[2]、外殼[5]和底座[7]; 所述外殼[5]和底座[7]相固連，預緊機構[6]設置在外殼[5]內，預緊機構[6]下端與底座[7]內圈固連，預緊機構[6]上端設置三個結構相同的定子機構[4]，三個結構相同的定子機構[4]在預緊機構[6]上兩兩相差120°環形分布，定子機構[4]軸線和外殼[5]軸線之間存在夾角，球轉子[3]設置在三個定子機構[4]上且能夠相對于三個定子機構[4]轉動，球轉子[3]的內壁與三個定子機構[4]相緊靠，輸出軸[I]設置在球轉子[3]上端且與球轉子[3]固連;所述滾轉機構[2]位于外殼[5]和球轉子[3]之間，用于抵消預緊機構[6]作用在定轉子之間的預緊力在外殼[5]軸線上的分力。2.根據權利要求1所述的定子內置型多自由度壓電驅動器，其特征在于，所述的預緊機構[6]包括工字型空心圓板[9]、調整螺母[11]、推桿[10]和三個相同的連桿[8]，所述工字型空心圓板[9]下端與底座[7]內圈固連，調整螺母[11]設置在工字型空心圓板[9]內且與工字型空心圓板[9]螺紋連接，推桿[10]也設置在工字型空心圓板[9]內，推桿[10]位于調整螺母[11]上方，推桿[10]與工字型空心圓板[9]之間為間隙配合，三個相同的連桿[8]設置在推桿[10]上，三個相同的連桿[8]在推桿[10]上兩兩相差120°環形分布，連桿[8]和推桿[10]之間通過銷連接，連桿[8]可相對于推桿[10]轉動。3.根據權利要求1所述的定子內置型多自由度壓電驅動器，其特征在于，所述每個定子機構[4]均包括定子彈性體[18]、壓電陶瓷片[19]、定子導向軸[17]、碟形彈簧[16]、壓板[15]、支撐板[14]，所述支撐板[14]固定在工字型空心圓板[9]上端，壓板[15]設置在支撐板[14]上且與支撐板[14]之間為間隙配合，定子導向軸[17]也設置在支撐板[14]上且位于壓板[15]前方，定子導向軸[17]與支撐板[14]之間也為間隙配合，定子導向軸[17]和壓板[15]之間設置一對碟形彈簧[16]，定子導向軸[17]前端設置定子彈性體[18]且與定子彈性體[18]內圈固連，壓電陶瓷片[19]設置在定子彈性體[18]外圈的背面，定子彈性體[18]的前端為齒端，該齒端與球轉子[3 ]的內壁相接觸。4.根據權利要求1所述的定子內置型多自由度壓電驅動器，其特征在于，所述的球轉子[3]包括球轉子上殼[12]和球轉子下殼[13]，用于將三個定子機構[4]和預緊機構[6]放置在球轉子[3]內，球轉子上殼[12]和球轉子下殼[13]相固連。5.根據權利要求1所述的定子內置型多自由度壓電驅動器，其特征在于，定子機構[4]軸線和外殼[5]軸線之間的夾角為72°。6.根據權利要求1所述的定子內置型多自由度壓電驅動器，其特征在于，壓板[15]上設置有兩個U型塊，每個U型塊上開有供銷軸穿過的孔，壓板[15]通過銷軸與推桿[8]相連，壓板[15 ]可相對于推桿[8 ]轉動。7.根據權利要求1所述的定子內置型多自由度壓電驅動器，其特征在于，所述滾轉機構[2]包括滾珠[20]和夾持環[21]，外殼[5]的內壁開有球面環形槽[5-a]，夾持環[21]與外殼[5]固連，夾持環[21]上開有若干球型槽，每個球形槽上放置一個滾珠[20]，滾珠[20]位于外殼[5]的球面環形槽[5-a]和夾持環[21]之間，滾珠[20]可沿球面環形槽[5-a]滾動，滾珠[20]與球面環形槽[5-a]之間為線接觸，與夾持環[21]之間為面接觸，滾珠[20]還與球轉子[3]相接觸。
【文檔編號】H02N2/12GK105939130SQ201610475861
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年6月24日
【發明人】王炅, 楊建春, 孫棟
【申請人】南京理工大學