一种基于多模态转换型压电振子的多自由度超声电机的制作方法

1.本发明涉及超声电机设计领域，具体为一种基于多模态转换型压电振子的多自由度超声电机。


背景技术：

2.众所周知，传统电磁电机已经发展了一百多年，电磁感应式的电机已经发展的十分成熟。然而电磁电机需要配合减速机构来实现低速大转矩，这将直接导致结构尺寸和重量增大；此外由于电磁电机的工作原理是利用磁场产生扭矩，如果电机在强磁场环境中工作，那么电机转自将无法正常运转，导致电磁电机无法正常工作。基于上述原因，电磁电机无法适用于某些特定领域，例如摄像头的旋转调节，照相机镜头的聚焦，微型驱动器等等。
3.随着科学技术的发展，在生物医学、机器人、航空航天等高新技术领域，对于驱动技术人们提出了更高要求，如微米级甚至纳米级精度、微型体积、无电磁干扰以及良好的环境适应性等。因此研制出基于新型原理的电机从而代替电磁电机成为了当前的研究方向，而超声电机所具有的诸多优点使其备受关注。近四十年来，世界各国都在研制超声电机，使得超声电机理论愈加完善，且一部分技术已运用于特殊领域和民用领域。
4.相比于多自由度超声电机，人们对与单自由度超声电机的研究已日趋成熟，此外，随着人们对于多自由度驱动的需求不断增加，单自由度超声电机愈渐无法满足人们的要求。若每个自由度均有一台单自由度超声电机来完成，势必会造成电机体积过大，结构过于复杂，动态性能差等诸多问题。因此，若能研制出一种功能齐全，性能优良的多自由度超声电机来实现多个自由度的驱动显得格外重要。
5.随着科技的发展，越来越多的领域对多自由度超声电机需求的增加，使得各种基于不同类型，基于不同原理的多自由度电机得到重视和发展。这些多自由度电机的驱动方式主要分为：电磁驱动和摩擦驱动。多自由度电磁电机具有体积较大，结构复杂，工艺性较差等缺陷，而基于摩擦驱动的多自由度超声电机正好可以弥补这些不足，并具有超声电机自身带来的以下优点：低速大转矩、无电磁干扰且不受电磁干扰、断电自锁、响应快、噪声小、定位精度高、力矩密度大等。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于针对现有技术的缺陷或问题，提供一种基于多模态转换型压电振子的多自由度超声电机，解决了电机输出性能降低、电机加持对运行造成影响、驱动定子性能一致性的问题。
7.本发明的技术方案如下：一种基于多模态转换型压电振子的多自由度超声电机，包括万象牛眼轮、转子、压电陶瓷片、振子、底座、支架、螺钉、弹簧、连接件和轴；所述万象牛眼轮、转子、压电陶瓷片、螺钉、弹簧均为标准件；所述压电陶瓷片贴在振子上，所述振子安装在连接件上，所述支架安装在底座上，所述万象牛眼轮安装在支架上，所述连接件可绕轴旋转。
8.优选地，所述振子尺寸外形、固定方式由模态分析、动力学分析、压电分析的仿真与优化得出。
9.优选地，所述压电陶瓷片的贴片位置由模态分析、动力学分析、压电分析的仿真得出。
10.优选地，所述振子根据压电效应需要在实验室接通交流电源。
11.本发明提供的技术方案具有如下有益效果：首先选择了贴片式的超声电机，利用了其结构简单的优点，通过改善定子的结构来改善激励强度和能量转化效率低的问题；其次，使用了两个振子四组压电陶瓷，避免了仅有单个振子导致的输出力矩不足的缺点，同时通过巧妙的模态叠加缓和了多个振子驱动时导致的效率下降和可靠性和稳定性的降低；再然后，通过四点夹持球转子，而非使用定子直接夹持，降低了转子由于定子振动带来的电机输出降低的影响；最后，通过定子的对称性与模态的一致性尽量弥补模态组合时导致的能量转换效率的降低。
附图说明
12.图1为一种基于多模态转换型压电振子的多自由度超声电机的装配图；图2为振子示意图；图3为一种基于多模态转换型压电振子的多自由度超声电机的结构示意图。
具体实施方式
13.为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都应当属于本申请保护的范围。
14.除非上下文另有特定清楚的描述，本发明中的元件和组件，数量既可以单个的形式存在，也可以多个的形式存在，本发明并不对此进行限定。本发明中的步骤虽然用标号进行了排列，但并不用于限定步骤的先后次序，除非明确说明了步骤的次序或者某步骤的执行需要其他步骤作为基础，否则步骤的相对次序是可以调整的。可以理解，本文中所使用的术语“和/或”涉及且涵盖相关联的所列项目中的一者或一者以上的任何和所有可能的组合。
15.图1至图3所示为本发明的结构示意图：其中附图标记为：万象牛眼轮1、转子2、连接件3、压电陶瓷片4、振子5、轴6、螺钉7、方形螺母8、弹簧9、垫片10、薄螺母11、底座12、立柱13。
16.如图1、2、3所示，一种基于多模态转换型压电振子的多自由度超声电机，包括连接件3、压电陶瓷片4、振子5、轴6，压电陶瓷片4贴在振子5上，振子5固定在连接件3上，连接件3装在轴6上并且保证其相对旋转的运动，螺钉7穿过连接件3，且通过方形螺母8固定在底座12上，薄螺母11与垫片10使弹簧9压在连接件上，在拧紧螺钉7的同时，通过杠杆原理使振子3压在转子2上，转子2通过4个分别固定在底座12与立柱13上的万象牛眼轮1对其三个平移的自由度进行约束。
17.实施例中，固定在立柱上的万象牛眼轮的数量为三个，相应的，立柱的数量也为三个。
18.实施例中，振子的数量为两个，每个振子的四个侧面均贴有压电陶瓷片，因此，压电陶瓷片的数量为八片。
19.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
20.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。


技术特征：
1.一种基于多模态转换型压电振子的多自由度超声电机，其特征在于，包括万象牛眼轮、转子、压电陶瓷片、振子、底座、支架、螺钉、弹簧、连接件和轴；所述万象牛眼轮、转子、压电陶瓷片、螺钉、弹簧均为标准件；所述压电陶瓷片贴在振子上，所述振子安装在连接件上，所述支架安装在底座上，所述万象牛眼轮安装在支架上，所述连接件可绕轴旋转。2.根据权利要求1所述的一种基于多模态转换型压电振子的多自由度超声电机，其特征在于，所述振子尺寸外形、固定方式由模态分析、动力学分析、压电分析的仿真与优化得出。3.根据权利要求1所述的一种基于多模态转换型压电振子的多自由度超声电机，其特征在于，所述压电陶瓷片的贴片位置由模态分析、动力学分析、压电分析的仿真得出。4.根据权利要求1所述的一种基于多模态转换型压电振子的多自由度超声电机，其特征在于，所述振子根据压电效应需要在实验室接通交流电源。

技术总结
本发明提供了一种基于多模态转换型压电振子的多自由度超声电机，包括万象牛眼轮、转子、压电陶瓷片和振子；施加预紧力的不同会影响超声电机的输出性能，通过杠杆原理来调节振子与转子之间的预紧力，从而获得合适的预紧力；在4个万象牛眼轮约束转子的同时，保证了转子3个自由度的转动；对振子进行初步的设计与仿真，根据仿真与优化结果对其进行合理设计，使其具有合适的模态与输出性能。使其具有合适的模态与输出性能。使其具有合适的模态与输出性能。


技术研发人员：崔海华 黄怡 刘昊瞳 廖永祥 王春梅
受保护的技术使用者：南京璟麒智能机器人系统控制研究院有限公司
技术研发日：2020.10.28
技术公布日：2022/4/29