專利名稱：一種三自由度旋轉(zhuǎn)工作臺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種三自由度旋轉(zhuǎn)工作臺技術(shù)領(lǐng)域:本實(shí)用新型涉及一種三自由度旋轉(zhuǎn)工作臺，屬于多自由度超聲電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
:多自由度超聲電機(jī)是一種利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，激發(fā)彈性體在超聲頻段產(chǎn)生微幅振動(dòng)，并通過定、轉(zhuǎn)子(動(dòng)子)之間的摩擦作用驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子(動(dòng)子)在多個(gè)自由度上的回轉(zhuǎn)(直線)運(yùn)動(dòng)的新型微特電機(jī)。多自由度超聲電機(jī)作為最近幾年發(fā)展起來的一類新型超聲電機(jī)，具有運(yùn)動(dòng)的多元化、結(jié)構(gòu)簡單、加工難度小等優(yōu)點(diǎn)，頗受工程應(yīng)用的歡迎，但是由于現(xiàn)有的多自由度超聲電機(jī)仍無法突破一些關(guān)鍵技術(shù)問題，存在結(jié)構(gòu)冗余、尺寸過大和驅(qū)動(dòng)控制不穩(wěn)定等問題，無法較好地實(shí)現(xiàn)工程上的推廣應(yīng)用。發(fā)明內(nèi)容:本實(shí)用新型的目的在于針對現(xiàn)有多自由度超聲電機(jī)存在的技術(shù)缺陷，提出了一種結(jié)構(gòu)簡單、易于加工，能實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的新型結(jié)構(gòu)的三自由度旋轉(zhuǎn)工作臺。為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下:一種三自由度旋轉(zhuǎn)工作臺，由定子組件、動(dòng)子、拉緊裝置及底座構(gòu)成，所述的定子組件設(shè)置在底座上，所述的動(dòng)子設(shè)置在所述的定子組件上端，在所述動(dòng)子與所述底座之間設(shè)置所述的拉緊裝置，其特征在于:所述定子組件包括定子圓筒、定子圓盤和四組壓電陶瓷片，所述的定子圓筒和四組壓電陶瓷片設(shè)置在定子圓盤的上表面，所述的四組壓電陶瓷片均布在所述的定子圓盤上；所述動(dòng)子為一個(gè)底面加工形成凹球面的圓柱塊；所述的定子圓筒的上端面的外邊線與所述的凹球面接觸。所述底座表面加工形成了一圈凸起的三角錐,在所述定子圓盤底部加工形成支撐槽，該支撐槽位于定子圓盤的工作模態(tài)的節(jié)圓處，用于嵌套所述的三角錐。所述拉緊裝置由設(shè)置在動(dòng)子上的第一固定栓、設(shè)置在底座上的軸承、設(shè)置在軸承上的第二固定栓以及連接第一固定栓和第二固定栓并通過定子圓筒中心孔的中間連接件構(gòu)成。所述的動(dòng)子的頂面設(shè)置有第一安裝孔，在所述的底座背面設(shè)置有第二安裝孔，所述的第一固定栓位于所述的第一安裝孔內(nèi)，所述的軸承位于所述的第二安裝孔內(nèi)。所述的中間連接件為鋼絲或拉伸彈簧。所述的動(dòng)子上的小角度凹球面的球心位于底座的上表面正中央位置。本實(shí)用新型三自由度旋轉(zhuǎn)工作臺的運(yùn)動(dòng)控制方法是:當(dāng)給在一個(gè)方向(假定為X方向)上且相對的兩組壓電陶瓷片(假定編號為1、3號)施加相位差90°的正弦信號時(shí)，定子圓盤被激勵(lì)出B11模態(tài)(I個(gè)節(jié)圓和I個(gè)節(jié)徑)，定子圓筒被激勵(lì)出沿著X方向的擺動(dòng)，并且定子圓筒上端面的質(zhì)點(diǎn)沿著X方向做微幅的橢圓運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)壓在其上的動(dòng)子作以Z軸為對稱軸、沿著X軸方向運(yùn)動(dòng)的偏轉(zhuǎn)角度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)動(dòng)子在Y軸方向上沒有偏轉(zhuǎn)角度；同理，在同一個(gè)平面與X方向垂直的Y方向(即放置了編號為2、4號的兩組壓電陶瓷片的方向)施加上述的電信號，定子圓盤也能被激勵(lì)出B11模態(tài)，定子圓筒沿著Y方向擺動(dòng)，并且上端面質(zhì)點(diǎn)沿著Y方向做橢圓運(yùn)動(dòng)，即驅(qū)動(dòng)動(dòng)子作以Z軸為對稱軸、沿著Y軸方向運(yùn)動(dòng)的偏轉(zhuǎn)角度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)動(dòng)子在X軸方向上沒有偏轉(zhuǎn)角度；當(dāng)在X、Y方向上各選一組壓電陶瓷施加相位差為90°的正弦信號，或者對四組壓電陶瓷分別施加sinwt、coswt、-sinwt、-COSWt電信號，定子圓盤將被激勵(lì)出B12模態(tài)(I個(gè)節(jié)圓和2個(gè)節(jié)徑)，定子圓筒在沿著垂直于XY平面的Z軸方向被激勵(lì)出兩相空間相位差為π /2的B3彎振模態(tài)，使得定子圓筒上端部以Z軸為對稱軸、同時(shí)又繞著Z軸做旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)，即兩列在時(shí)間和空間上均相差為90°的駐波在定子圓筒上端面處疊加形成旋轉(zhuǎn)的行波，因此上端部質(zhì)點(diǎn)做微幅的橢圓運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)動(dòng)子繞Z軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。采用上述方案后，本實(shí)用新型的三自由度旋轉(zhuǎn)工作臺能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)自由度的有限角度偏轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和一個(gè)自由度的自由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，不僅提高了電機(jī)的定位精度，同時(shí)對電機(jī)的加工沒有苛刻的工藝要求，便于微小型化。此外，本實(shí)用新型的三自由度旋轉(zhuǎn)工作臺的定、動(dòng)子之間的接觸采用的是線接觸，在一定程度上減小了摩擦驅(qū)動(dòng)帶來的摩擦損耗，并且充分發(fā)揮了振動(dòng)體下的線接觸的最大優(yōu)勢。發(fā)明三自由度旋轉(zhuǎn)工作臺，不僅具有傳統(tǒng)超聲電機(jī)的無電磁干擾、結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)快、斷電自鎖、低速大力矩等優(yōu)點(diǎn)，而且能實(shí)現(xiàn)無導(dǎo)軌多自由度運(yùn)動(dòng)平臺及其高精度的定位，因而在航空、航天、醫(yī)療、機(jī)器人、微機(jī)電系統(tǒng)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。
:圖1是三自由度旋轉(zhuǎn)工作臺的結(jié)構(gòu)圖。圖2是三自由度旋轉(zhuǎn)工作臺的動(dòng)子結(jié)構(gòu)圖。圖3是動(dòng)子的前視圖。圖4是動(dòng)子沿前視圖A-A面的剖面圖。圖5是三自由度旋轉(zhuǎn)工作臺的定子組件結(jié)構(gòu)圖。圖6是定子組件的前視圖。圖7是定子組件沿前視圖A-A面的剖面圖。圖8是三自由度旋轉(zhuǎn)工作臺的底座結(jié)構(gòu)圖。圖9是底座的前視圖。圖10是底座沿前視圖A-A面的剖面圖。圖11是三自由度旋轉(zhuǎn)工作臺的拉緊裝置示意圖。圖12是三自由度旋轉(zhuǎn)工作臺在一個(gè)周期內(nèi)沿X、Y軸方向上的工作原理圖。圖13是X軸方向三自由度旋轉(zhuǎn)工作臺繞Z軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的示意圖。圖14是Y軸方向三自由度旋轉(zhuǎn)工作臺繞Z軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的示意圖。其中:1、動(dòng)子，1.1、第一安裝孔，1.2、凹球面，2、定子組件，2.1、定子圓盤，2.2、定子圓筒，2.3、壓電陶瓷片，2.4、支撐槽，3、底座，3.1、三角錐，3.2、第二安裝孔，4、拉緊裝置，4.1、第一固定栓，4.2、鋼絲，4.3、軸承，4.4、第二固定栓。
具體實(shí)施方式
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以下結(jié)合附圖，對本實(shí)用新型作詳細(xì)說明:本實(shí)用新型的三自由度旋轉(zhuǎn)工作臺，由圖1可知，包括動(dòng)子、定子組件、拉緊裝置和底座，動(dòng)子設(shè)置在定子組件上端，底座設(shè)置在定子組件下端，拉緊裝置上連動(dòng)子，下連底座，并貫穿定子組件。其中，動(dòng)子內(nèi)表面加工形成了球心位于底座上表面正中心的小角度凹球面，其上表面加工形成了通孔第一安裝孔，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，動(dòng)子的前視圖如圖3所示，動(dòng)子沿其前視圖A-A面的剖面圖如圖4所示；定子組件由定子圓盤、定子圓筒及4組壓電陶瓷組成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示，4組壓電陶瓷片陣列分布在定子圓盤上，定子圓筒下端與定子圓盤固連，其前視圖如圖6所示，定子圓盤在在背面的工作模態(tài)的節(jié)圓處加工形成了一個(gè)環(huán)形的小尺寸支撐槽，如圖7所示，定子圓筒上端面的外邊線與動(dòng)子的小角度凹球面接觸，接觸類型屬于線接觸，而傳統(tǒng)的超聲電機(jī)的定轉(zhuǎn)子之間接觸均為面接觸，由于定子振動(dòng)面上的各點(diǎn)振動(dòng)速度不一致，面接觸會在一定程度上降低電機(jī)效率，增大摩擦損耗，因此本實(shí)用新型的三自由度旋轉(zhuǎn)工作平臺采用定、動(dòng)子之間線接觸摩擦驅(qū)動(dòng)動(dòng)子運(yùn)動(dòng)，避免了面接觸的缺陷，具有振動(dòng)能量傳遞的高效性和摩擦驅(qū)動(dòng)的一致性；底座的上表面加工形成了一圈凸起的三角錐，用于嵌套在定子圓盤的支撐槽中，與支撐槽緊密配合，以用來支撐定子組件，此外，底座下表面加工形成了一個(gè)通孔第二安裝孔，結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示，底座的前視圖如圖9所示,其沿前視圖A-A面的剖面圖如圖10所示；拉緊裝置由兩個(gè)固定栓、軸承和鋼絲組成，其中第一固定栓安裝在動(dòng)子的第一安裝孔中，軸承安裝在底座的第二安裝孔中，第二固定栓安裝在軸承上，鋼絲的上端與第一固定栓固連，下端與第二固定栓固連，如圖11所示。本實(shí)用新型通過對不同壓電陶瓷片的組合施加電信號來激勵(lì)三自由度旋轉(zhuǎn)工作臺的定子圓筒端面質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行橢圓運(yùn)動(dòng)，在拉緊裝置的作用下產(chǎn)生一定的預(yù)壓力，定子圓筒端面與動(dòng)子小角度凹球面之間界面產(chǎn)生摩擦作用，可驅(qū)動(dòng)動(dòng)子產(chǎn)生2個(gè)自由度的有限角度偏轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和I個(gè)自由度的自由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。假設(shè)四組壓電陶瓷片設(shè)置在XY平面，沿著定子圓筒軸向方向?yàn)閆軸，其中1、3號壓電陶瓷片沿著X軸方向設(shè)置且關(guān)于Y軸對稱，2、4號壓電陶瓷片沿著Y軸方向設(shè)置且關(guān)于X軸對稱。當(dāng)分別施加給1、3號壓電陶瓷片兩相相位差為90°的正弦激勵(lì)電信號時(shí)，此時(shí)2、4號壓電陶瓷片不工作，定子圓盤將振動(dòng)產(chǎn)生B11模態(tài)，定子圓筒將沿著X軸方向擺動(dòng)，且其上端面的質(zhì)點(diǎn)形成橢圓運(yùn)動(dòng)，在預(yù)壓力的作用下與動(dòng)子球面線接觸從而驅(qū)動(dòng)動(dòng)子作以Z軸為對稱軸、沿著X軸方向運(yùn)動(dòng)的偏轉(zhuǎn)角度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)動(dòng)子在Y軸方向上沒有偏轉(zhuǎn)角度，并且在X軸方向上的偏轉(zhuǎn)角度與凹球面的加工弧度有關(guān)，如圖12所示。通過交換施加給1、3號壓電陶瓷片的激勵(lì)信號，可以改變動(dòng)子的運(yùn)動(dòng)方向。同理，當(dāng)分別施加給2、4號壓電陶瓷片兩相相位差為90°的正弦激勵(lì)電信號時(shí)，此時(shí)1、3號壓電陶瓷片不工作，定子圓盤也將振動(dòng)產(chǎn)生B11模態(tài)，定子圓筒將沿著Y軸方向擺動(dòng)，且其上端面的質(zhì)點(diǎn)形成橢圓運(yùn)動(dòng)，在預(yù)壓力的作用下與動(dòng)子球面線接觸從而驅(qū)動(dòng)動(dòng)子作以Z軸為對稱軸、沿著Y軸方向運(yùn)動(dòng)的偏轉(zhuǎn)角度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)動(dòng)子在X軸方向上沒有偏轉(zhuǎn)角度，并且在Y軸上片偏轉(zhuǎn)的角度與在X軸方向偏轉(zhuǎn)的角度相同。通過交換施加給
2、4號壓電陶瓷片的激勵(lì)信號，可以改變動(dòng)子的運(yùn)動(dòng)方向。當(dāng)分別施加給1、2或者2、3或者
3、4或者4、1號壓電陶瓷片兩相相位差為90°的正弦激勵(lì)電信號或者分別給1、2、3、4號壓電陶瓷片施加sinwt、coswt、-sinwt、-coswt的激勵(lì)電信號時(shí),定子圓盤將振動(dòng)產(chǎn)生B12的工作模態(tài)，定子圓筒將沿著Z軸方向產(chǎn)生B3模態(tài)的彎曲振動(dòng)，且從X軸方向和Y軸方向看去均是B3模態(tài)的彎曲振動(dòng)，如圖13、14所示，因此將使得定子圓筒上端部以Z軸為對稱抽、同時(shí)又繞著Z軸做旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)，即兩列在時(shí)間和空間上的相位差均相差為90°的駐波在定子圓筒上端面處疊加形成旋轉(zhuǎn)的行波，因此上端部質(zhì)點(diǎn)做微幅的橢圓運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)動(dòng)子做繞Z軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，鋼絲也將隨著動(dòng)子旋轉(zhuǎn)，第二固定栓是采用過盈配合安裝在軸承的內(nèi)孔中，因此隨著鋼絲旋轉(zhuǎn)。[0037]上述就是本實(shí)用新型的三自由度旋轉(zhuǎn)工作臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)控制方式。本實(shí)用新型具有以下幾個(gè)特點(diǎn):1、由于傳統(tǒng)的壓電振子多自由度超聲電機(jī)的結(jié)構(gòu)冗余，軸向尺寸一般較大，導(dǎo)致占用空間大，無法滿足應(yīng)用需求，而本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡單，軸向尺寸小，加工工藝要求低，運(yùn)動(dòng)過程中具有較大的靈活性；2、本實(shí)用新型采用圓柱塊作為動(dòng)子進(jìn)行三自由度運(yùn)動(dòng)，不僅可以實(shí)現(xiàn)無導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)平臺，而且可以實(shí)現(xiàn)高精度平臺定位功能；3.本實(shí)用新型通過采用合適的激勵(lì)方式可以獲得直線和旋轉(zhuǎn)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)；4.本實(shí)用新型采用定動(dòng)子之間的線接觸的驅(qū)動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)能量的高效傳遞，避免了摩擦驅(qū)動(dòng)的過度磨損以及能量損耗。
權(quán)利要求1.一種三自由度旋轉(zhuǎn)工作臺，由動(dòng)子(I)、定子組件(2)、底座(3)及拉緊裝置(4)構(gòu)成，所述的定子組件(2)設(shè)置在底座(3)上，所述的動(dòng)子(I)設(shè)置在所述的定子組件(2)上端，在所述動(dòng)子(I)與所述底座(3)之間設(shè)置所述的拉緊裝置，其特征在于:所述定子組件(2)包括定子圓筒(2.2)、定子圓盤(2.1)和四組壓電陶瓷片(2.3)，所述的定子圓筒(2.2)和四組壓電陶瓷片(2.3)設(shè)置在定子圓盤(2.1)的上表面，所述的四組壓電陶瓷片均布在所述的定子圓盤(2.1)上；所述動(dòng)子(I)為一個(gè)底面加工形成凹球面(1.2)的圓柱塊；所述的定子圓筒(2.2)的上端面的外邊線與所述的凹球面(1.2)接觸。
2.如權(quán)利要求1所述的三自由度旋轉(zhuǎn)工作臺，其特征在于:所述底座(3)表面加工形成了一圈凸起的三角錐(3.1)，在所述定子圓盤(2.1)底部加工形成支撐槽(2.4)，該支撐槽(2.4)位于定子圓盤(2.1)的工作模態(tài)的節(jié)圓處，用于嵌套所述的三角錐(3.1)。
3.如權(quán)利要求1所述的三自由度旋轉(zhuǎn)工作臺，其特征在于:所述拉緊裝置(4)由設(shè)置在動(dòng)子上的第一固定栓(4.1)、設(shè)置在底座上的軸承(4.3)、設(shè)置在軸承上的第二固定栓(4.4)以及連接第一固定栓(4.1)和第二固定栓(4.2)并通過定子圓筒(2.2)中心孔的中間連接件構(gòu)成。
4.如權(quán)利要求3所述的三自由度旋轉(zhuǎn)工作臺，其特征在于:所述的動(dòng)子(I)的頂面設(shè)置有第一安裝孔(1.1)，在所述的底座(3)背面設(shè)置有第二安裝孔(3.2)，所述的第一固定栓(4.1)位于所述的第一安裝孔(1.1)內(nèi)，所述的軸承位于所述的第二安裝孔(3.2)內(nèi)。
5.如權(quán)利要求3所述的三自由度旋轉(zhuǎn)工作臺，其特征在于:所述的中間連接件為鋼絲(4.2)或拉伸彈簧。
6.如權(quán)利要求1所述的三自由度旋轉(zhuǎn)工作臺，其特征在于:動(dòng)子(I)上的小角度凹球面(1.2)的球心位于底座(3)的上表面正中央位置。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種三自由度旋轉(zhuǎn)工作臺，由定子組件、動(dòng)子、拉緊裝置及底座構(gòu)成，所述的定子組件設(shè)置在底座上，所述的動(dòng)子設(shè)置在所述的定子組件上端，在所述動(dòng)子與所述底座之間設(shè)置所述的拉緊裝置，其特征在于所述定子組件包括定子圓筒、定子圓盤和四組壓電陶瓷片，所述的定子圓筒和四組壓電陶瓷片設(shè)置在定子圓盤的上表面，所述的四組壓電陶瓷片均布在所述的定子圓盤上；所述動(dòng)子為一個(gè)底面加工形成凹球面的圓柱塊；所述的定子圓筒的上端面的外邊線與所述的凹球面接觸。通過施加不同的電信號在壓電陶瓷片上，可以激勵(lì)定子圓筒頂端端面的質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行微幅的橢圓運(yùn)動(dòng)，并依靠定、動(dòng)子之間的摩擦作用實(shí)現(xiàn)三個(gè)自由度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
文檔編號H02N2/02GK202940749SQ20122063319
公開日2013年5月15日 申請日期2012年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月27日
發(fā)明者王亮, 金家楣, 黃翀, 張建輝, 楊穎 申請人:南京航空航天大學(xué)