CN102969935B - 一种三自由度旋转工作台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三自由度旋转工作台，由定子组件、动子、拉紧装置及底座构成，所述的定子组件设置在底座上，所述的动子设置在所述的定子组件上端，在所述动子与所述底座之间设置所述的拉紧装置，其特征在于：所述定子组件包括定子圆筒、定子圆盘和四组压电陶瓷片，所述的定子圆筒和四组压电陶瓷片设置在定子圆盘的上表面，所述的四组压电陶瓷片均布在所述的定子圆盘上；所述动子为一个底面加工形成凹球面的圆柱块；所述的定子圆筒的上端面的外边线与所述的凹球面接触。通过施加不同的电信号在压电陶瓷片上，可以激励定子圆筒顶端端面的质点进行微幅的椭圆运动，并依靠定、动子之间的摩擦作用实现三个自由度的旋转运动。
Description
技术领域：
本发明涉及一种三自由度旋转工作台，属于多自由度超声电机技术领域。
背景技术：
多自由度超声电机是一种利用压电材料的逆压电效应，激发弹性体在超声频段产生微幅振动，并通过定、转子（动子）之间的摩擦作用驱动转子（动子）在多个自由度上的回转（直线）运动的新型微特电机。多自由度超声电机作为最近几年发展起来的一类新型超声电机，具有运动的多元化、结构简单、加工难度小等优点，颇受工程应用的欢迎，但是由于现有的多自由度超声电机仍无法突破一些关键技术问题，存在结构冗余、尺寸过大和驱动控制不稳定等问题，无法较好地实现工程上的推广应用。
发明内容：
本发明的目的在于针对现有多自由度超声电机存在的技术缺陷，提出了一种结构简单、易于加工，能实现旋转运动的新型结构的三自由度旋转工作台。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种三自由度旋转工作台，由定子组件、动子、拉紧装置及底座构成，所述的定子组件设置在底座上，所述的动子设置在所述的定子组件上端，在所述动子与所述底座之间设置所述的拉紧装置，其特征在于：所述定子组件包括定子圆筒、定子圆盘和四组压电陶瓷片，所述的定子圆筒和四组压电陶瓷片设置在定子圆盘的上表面，所述的四组压电陶瓷片均布在所述的定子圆盘上；所述动子为一个底面加工形成凹球面的圆柱块；所述的定子圆筒的上端面的外边线与所述的凹球面接触。
所述底座表面加工形成了一圈凸起的三角锥，在所述定子圆盘底部加工形成支撑槽，该支撑槽位于定子圆盘的工作模态的节圆处，用于嵌套所述的三角锥。
所述拉紧装置由设置在动子上的第一固定栓、设置在底座上的轴承、设置在轴承上的第二固定栓以及连接第一固定栓和第二固定栓并通过定子圆筒中心孔的中间连接件构成。
所述的动子的顶面设置有第一安装孔，在所述的底座背面设置有第二安装孔，所述的第一固定栓位于所述的第一安装孔内，所述的轴承位于所述的第二安装孔内。
所述的中间连接件为钢丝或拉伸弹簧。
所述的动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。
本发明三自由度旋转工作台的运动控制方法是：当给在一个方向（假定为X方向）上且相对的两组压电陶瓷片（假定编号为1、3号）施加相位差90°的正弦信号时，定子圆盘被激励出B11模态（1个节圆和1个节径），定子圆筒被激励出沿着X方向的摆动，并且定子圆筒上端面的质点沿着X方向做微幅的椭圆运动，驱动压在其上的动子作以Z轴为对称轴、沿着X轴方向运动的偏转角度的旋转运动，此时动子在Y轴方向上没有偏转角度；同理，在同一个平面与X方向垂直的Y方向（即放置了编号为2、4号的两组压电陶瓷片的方向）施加上述的电信号，定子圆盘也能被激励出B11模态，定子圆筒沿着Y方向摆动，并且上端面质点沿着Y方向做椭圆运动，即驱动动子作以Z轴为对称轴、沿着Y轴方向运动的偏转角度的旋转运动，此时动子在X轴方向上没有偏转角度；当在X、Y方向上各选一组压电陶瓷施加相位差为90°的正弦信号，或者对四组压电陶瓷分别施加sinwt、coswt、-sinwt、-coswt电信号，定子圆盘将被激励出B12模态（1个节圆和2个节径），定子圆筒在沿着垂直于XY平面的Z轴方向被激励出两相空间相位差为π/2的B3弯振模态，使得定子圆筒上端部以Z轴为对称轴、同时又绕着Z轴做旋转摆动，即两列在时间和空间上均相差为90°的驻波在定子圆筒上端面处叠加形成旋转的行波，因此上端部质点做微幅的椭圆运动驱动动子绕Z轴做旋转运动。
采用上述方案后，本发明的三自由度旋转工作台能实现两个自由度的有限角度偏转的旋转运动和一个自由度的自由旋转运动，不仅提高了电机的定位精度，同时对电机的加工没有苛刻的工艺要求，便于微小型化。此外，本发明的三自由度旋转工作台的定、动子之间的接触采用的是线接触，在一定程度上减小了摩擦驱动带来的摩擦损耗，并且充分发挥了振动体下的线接触的最大优势。
发明三自由度旋转工作台，不仅具有传统超声电机的无电磁干扰、结构简单、响应快、断电自锁、低速大力矩等优点，而且能实现无导轨多自由度运动平台及其高精度的定位，因而在航空、航天、医疗、机器人、微机电***等领域有着广泛的应用前景。
附图说明：
图1是三自由度旋转工作台的结构图。
图2是三自由度旋转工作台的动子结构图。
图3是动子的前视图。
图4是动子沿前视图A-A面的剖面图。
图5是三自由度旋转工作台的定子组件结构图。
图6是定子组件的前视图。
图7是定子组件沿前视图A-A面的剖面图。
图8是三自由度旋转工作台的底座结构图。
图9是底座的前视图。
图10是底座沿前视图A-A面的剖面图。
图11是三自由度旋转工作台的拉紧装置示意图。
图12是三自由度旋转工作台在一个周期内沿X、Y轴方向上的工作原理图。
图13是X轴方向三自由度旋转工作台绕Z轴做旋转运动的示意图。
图14是Y轴方向三自由度旋转工作台绕Z轴做旋转运动的示意图。
其中： 1、动子，1.1、第一安装孔，1.2、 凹球面，2、定子组件，2.1、定子圆盘，2.2、定子圆筒，2.3、压电陶瓷片，2.4、支撑槽，3、底座，3.1、三角锥，3.2、第二安装孔，4、拉紧装置，4.1、第一固定栓，4.2、钢丝，4.3、轴承，4.4、第二固定栓。
具体实施方式：
下面结合附图，对本发明作详细说明：
本发明的三自由度旋转工作台，由图1可知，包括动子、定子组件、拉紧装置和底座，动子设置在定子组件上端，底座设置在定子组件下端，拉紧装置上连动子，下连底座，并贯穿定子组件。其中，动子内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装孔，结构示意图如图2所示，动子的前视图如图3所示，动子沿其前视图A-A面的剖面图如图4所示；定子组件由定子圆盘、定子圆筒及4组压电陶瓷组成，结构示意图如图5所示，4组压电陶瓷片阵列分布在定子圆盘上，定子圆筒下端与定子圆盘固连，其前视图如图6所示，定子圆盘在在背面的工作模态的节圆处加工形成了一个环形的小尺寸支撑槽，如图7所示，定子圆筒上端面的外边线与动子的小角度凹球面接触，接触类型属于线接触，而传统的超声电机的定转子之间接触均为面接触，由于定子振动面上的各点振动速度不一致，面接触会在一定程度上降低电机效率，增大摩擦损耗，因此本发明的三自由度旋转工作平台采用定、动子之间线接触摩擦驱动动子运动，避免了面接触的缺陷，具有振动能量传递的高效性和摩擦驱动的一致性；底座的上表面加工形成了一圈凸起的三角锥，用于嵌套在定子圆盘的支撑槽中，与支撑槽紧密配合，以用来支撑定子组件，此外，底座下表面加工形成了一个通孔第二安装孔，结构示意图如图8所示，底座的前视图如图9所示，其沿前视图A-A面的剖面图如图10所示；拉紧装置由两个固定栓、轴承和钢丝组成，其中第一固定栓安装在动子的第一安装孔中，轴承安装在底座的第二安装孔中，第二固定栓安装在轴承上，钢丝的上端与第一固定栓固连，下端与第二固定栓固连，如图11所示。
本发明通过对不同压电陶瓷片的组合施加电信号来激励三自由度旋转工作台的定子圆筒端面质点进行椭圆运动，在拉紧装置的作用下产生一定的预压力，定子圆筒端面与动子小角度凹球面之间界面产生摩擦作用，可驱动动子产生2个自由度的有限角度偏转的旋转运动和1个自由度的自由旋转运动。假设四组压电陶瓷片设置在XY平面，沿着定子圆筒轴向方向为Z轴，其中1、3号压电陶瓷片沿着X轴方向设置且关于Y轴对称，2、4号压电陶瓷片沿着Y轴方向设置且关于X轴对称。当分别施加给1、3号压电陶瓷片两相相位差为90°的正弦激励电信号时，此时2、4号压电陶瓷片不工作，定子圆盘将振动产生B11模态，定子圆筒将沿着X轴方向摆动，且其上端面的质点形成椭圆运动，在预压力的作用下与动子球面线接触从而驱动动子作以Z轴为对称轴、沿着X轴方向运动的偏转角度的旋转运动，此时动子在Y轴方向上没有偏转角度，并且在X轴方向上的偏转角度与凹球面的加工弧度有关，如图12所示。通过交换施加给1、3号压电陶瓷片的激励信号，可以改变动子的运动方向。同理，当分别施加给2、4号压电陶瓷片两相相位差为90°的正弦激励电信号时，此时1、3号压电陶瓷片不工作，定子圆盘也将振动产生B11模态，定子圆筒将沿着Y轴方向摆动，且其上端面的质点形成椭圆运动，在预压力的作用下与动子球面线接触从而驱动动子作以Z轴为对称轴、沿着Y轴方向运动的偏转角度的旋转运动，此时动子在X轴方向上没有偏转角度，并且在Y轴上片偏转的角度与在X轴方向偏转的角度相同。通过交换施加给2、4号压电陶瓷片的激励信号，可以改变动子的运动方向。当分别施加给1、2或者2、3或者3、4或者4、1号压电陶瓷片两相相位差为90°的正弦激励电信号或者分别给1、2、3、4号压电陶瓷片施加sinwt、coswt、-sinwt、-coswt的激励电信号时，定子圆盘将振动产生B12的工作模态，定子圆筒将沿着Z轴方向产生B3模态的弯曲振动，且从X轴方向和Y轴方向看去均是B3模态的弯曲振动，如图13、14所示，因此将使得定子圆筒上端部以Z轴为对称抽、同时又绕着Z轴做旋转摆动，即两列在时间和空间上的相位差均相差为90°的驻波在定子圆筒上端面处叠加形成旋转的行波，因此上端部质点做微幅的椭圆运动驱动动子做绕Z轴的旋转运动。此时，钢丝也将随着动子旋转，第二固定栓是采用过盈配合安装在轴承的内孔中，因此随着钢丝旋转。
上述就是本发明的三自由度旋转工作台的结构设计和运动控制方式。
本发明具有以下几个特点：
1、由于传统的压电振子多自由度超声电机的结构冗余，轴向尺寸一般较大，导致占用空间大，无法满足应用需求，而本发明结构简单，轴向尺寸小，加工工艺要求低，运动过程中具有较大的灵活性；
2、本发明采用圆柱块作为动子进行三自由度运动，不仅可以实现无导轨运动平台，而且可以实现高精度平台定位功能；
3.本发明通过采用合适的激励方式可以获得直线和旋转的复合运动；
4.本发明采用定动子之间的线接触的驱动方式，实现了振动能量的高效传递，避免了摩擦驱动的过度磨损以及能量损耗。
Claims (6)
1.一种三自由度旋转工作台，由动子（1）、定子组件（2）、底座（3）及拉紧装置（4）构成，所述的定子组件（2）设置在底座（3）上，所述的动子（1）设置在所述的定子组件（2）上端，在所述动子（1）与所述底座（3）之间设置所述的拉紧装置，其特征在于：所述定子组件（2）包括定子圆筒（2.2）、定子圆盘（2.1）和四组压电陶瓷片（2.3），所述的定子圆筒（2.2）和四组压电陶瓷片（2.3）设置在定子圆盘（2.1）的上表面，所述的四组压电陶瓷片均布在所述的定子圆盘（2.1）上；所述动子（1）为一个底面加工形成凹球面（1.2）的圆柱块；所述的定子圆筒（2.2）的上端面的外边线与所述的凹球面（1.2）接触。
2.如权利要求1所述的三自由度旋转工作台，其特征在于：所述底座（3）表面加工形成了一圈凸起的三角锥(3.1)，在所述定子圆盘（2.1）底部加工形成支撑槽（2.4），该支撑槽（2.4）位于定子圆盘（2.1）的工作模态的节圆处，用于嵌套所述的三角锥（3.1）。
3.如权利要求1所述的三自由度旋转工作台，其特征在于：所述拉紧装置（4）由设置在动子上的第一固定栓（4.1）、设置在底座上的轴承（4.3）、设置在轴承上的第二固定栓（4.4）以及连接第一固定栓（4.1）和第二固定栓（4.4）并通过定子圆筒（2.2）中心孔的中间连接件构成。
4.如权利要求3所述的三自由度旋转工作台，其特征在于：所述的动子（1）的顶面设置有第一安装孔（1.1），在所述的底座（3）背面设置有第二安装孔（3.2），所述的第一固定栓（4.1）位于所述的第一安装孔（1.1）内，所述的轴承位于所述的第二安装孔（3.2）内。
5.如权利要求3所述的三自由度旋转工作台，其特征在于：所述的中间连接件为钢丝（4.2）或拉伸弹簧。
6.如权利要求1所述的三自由度旋转工作台，其特征在于：动子（1）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。
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