專利名稱：自鎖型高精度旋轉(zhuǎn)驅(qū)動馬達的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種壓電型馬達，是微型、大力矩、任意行程、高精度、帶自鎖、雙向旋轉(zhuǎn)型壓電馬達，屬于機電技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
壓電馬達是近年來發(fā)展起來的新型驅(qū)動馬達，是一種利用壓電陶瓷逆壓電效應(yīng)制作的微驅(qū)動馬達，具有體積小，推力大，精度高，位移分辨力高，響應(yīng)快等特點。對于旋轉(zhuǎn)型壓電馬達，目前主要集中于超聲電機USM(包括行波電機和駐波電機等)的研究，共同的特點是其輸出力矩較小、無法制動，不能滿足一些需要大的驅(qū)動力和需要自鎖制動的場合。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單、輸出力矩大、任意行程、帶自鎖、高精度微型壓電型旋轉(zhuǎn)型驅(qū)動馬達，以適應(yīng)多應(yīng)用領(lǐng)域的實際需要。廣泛應(yīng)用于機器人回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、工業(yè)驅(qū)動、機械加工、生物儀器等領(lǐng)域。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案自鎖型高精度旋轉(zhuǎn)驅(qū)動馬達，其特征在于有一摩擦圓盤，摩擦圓盤上有輸出軸，在摩擦圓盤上表面放置有一個縱向自鎖伸縮元件、一個弧形伸縮元件、一個縱向箝位伸縮元件構(gòu)成的驅(qū)動復(fù)合機構(gòu)，所述的縱向自鎖伸縮元件和縱向箝位伸縮元件之間連接有弧形伸縮元件，縱向自鎖伸縮元件和縱向箝位伸縮元件位于摩擦圓盤上，縱向自鎖伸縮元件和縱向箝位伸縮元件上有一固定的平行板，弧形伸縮元件與摩擦圓盤、平行板均不接觸。
所述的驅(qū)動復(fù)合機構(gòu)由一個縱向自鎖伸縮元件、二個弧形伸縮元件、二個縱向箝位伸縮元件構(gòu)成，縱向自鎖伸縮元件兩端分別連接一個弧形伸縮元件，每個弧形伸縮元件的端部分別連接一個縱向箝位伸縮元件。
所述的驅(qū)動復(fù)合機構(gòu)為一個或多個。
所述的驅(qū)動復(fù)合機構(gòu)為二個或三個，在摩擦圓盤上對稱分布。
在摩擦圓盤的下表面也有驅(qū)動復(fù)合機構(gòu)，位于下平行板上，和上表面分布的驅(qū)動復(fù)合機構(gòu)對稱分布。
所述的縱向自鎖伸縮元件、弧形伸縮元件、縱向箝位伸縮元件均為壓電陶瓷堆。但放置的方向不同，分別根據(jù)其伸縮方向設(shè)置。
本發(fā)明的弧形伸縮元件一端與自鎖伸縮元件固定聯(lián)接，另一端與由弧形伸縮元件帶動的可伸長/縮短一定距離而產(chǎn)生角位移的箝位伸縮元件固定聯(lián)接，也對稱地分布。在一定的控制時序下通過壓電陶瓷的縱向伸縮產(chǎn)生的箝位制動和壓電陶瓷的弧形伸縮驅(qū)動，在控制電壓時序下形成壓推關(guān)系，使得在摩擦力作用下摩擦圓盤產(chǎn)生一定的角位移，從而帶動輸出軸轉(zhuǎn)動，輸出一定轉(zhuǎn)速下的力矩。而在不需要轉(zhuǎn)動的時候又能通過自鎖伸縮元件保持位姿。即當(dāng)箝位伸縮元件在正電場作用下伸長而夾緊摩擦圓盤時，自鎖伸縮元件即可施加負電場而縮短、與圓盤分離；同時弧形伸縮元件加正電場推動箝位伸縮元件產(chǎn)生弧形角位移，在自鎖伸縮元件另一端的弧形伸縮元件既可施加負電場、也可不施加任何電場拉動箝位伸縮元件產(chǎn)生弧形角位移，對應(yīng)端的箝位伸縮元件可施加正電場夾緊摩擦圓盤，也可施加負電場以松開摩擦圓盤；如此循環(huán)往復(fù)，可以步進式連續(xù)產(chǎn)生同一方向的角位移。
本發(fā)明可以將多個驅(qū)動復(fù)合機構(gòu)對，在摩擦圓盤上相對軸心對稱分布放置，既可加大馬達的驅(qū)動力，又增加運行的平穩(wěn)性。
對自鎖伸縮元件可以施加預(yù)應(yīng)力，可使得在無外電場時自鎖伸縮元件始終保持在伸長狀態(tài)，即保持摩擦圓盤的制動狀態(tài)。這種特性特別適用于安全性、可靠性要求很高的場合使用，在意外失去電力的情形下，即使存在較大的負載，也由于具有自鎖能力可以保持原有的位姿，不會造成驅(qū)動裝置失穩(wěn)和負載的突然跌落。
本發(fā)明的箝位伸縮元件與弧形伸縮元件以及自鎖伸縮元件均選用壓電陶瓷堆。弧形伸縮元件的圓弧形結(jié)構(gòu)，保證在電場的作用下，沿圓周方向產(chǎn)生線性的角度變化，同時保證輸出力矩始終對稱地分布于摩擦圓盤切線方向，從而使得輸出效率最高。
弧形伸縮元件施加的由箝位伸縮元件傳遞的對摩擦圓盤的對稱輸出力矩通過鍵(或花鍵)聯(lián)接的同心輸出軸傳遞到從動部件，或者由輸出軸來直接驅(qū)動負載。
本發(fā)明的優(yōu)越性和創(chuàng)新點主要表現(xiàn)在1、利用對稱分布的壓電陶瓷堆成對構(gòu)成的位于摩擦圓盤兩個表面的自鎖伸縮元件和箝位伸縮元件，可以產(chǎn)生更大的軸向夾緊力。無源狀態(tài)下的位姿保持能力、箝位單元與摩擦圓盤之間更大的靜摩擦力使得對負載的驅(qū)動能力都大大增強；2、采用對稱分布的弧形伸縮元件，可在正負電場的驅(qū)動下，產(chǎn)生推、拉雙重作用的雙倍的力矩，大大提高了帶負載能力，可以無需減速機構(gòu)來直接帶動負載；3、驅(qū)動元件的對稱分布所帶來的另外的優(yōu)勢在于，可以產(chǎn)生任意的角位移和相反方向的旋轉(zhuǎn)力矩；作為一種直接驅(qū)動馬達，無需安裝機械換向機構(gòu)，簡化了結(jié)構(gòu)，減輕了重量和體積；4、在安裝時用負電壓進行預(yù)壓縮，提供自鎖伸縮元件的預(yù)應(yīng)力，迫使自鎖伸縮元件在無預(yù)加電壓時縱向預(yù)伸長，使得在無源的狀態(tài)下保持自鎖或制動狀態(tài)，該特點使得在需要動、靜態(tài)位姿保持的場合有真正的應(yīng)用價值。
本發(fā)明易于實現(xiàn)標準化和模塊化，結(jié)構(gòu)簡單，輸出力矩大，能夠達到數(shù)百N·cm，甚至更大。


圖1為本發(fā)明的驅(qū)動馬達結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的驅(qū)動馬達結(jié)構(gòu)俯視圖；圖3為中心對稱的復(fù)合結(jié)構(gòu)剖視圖；圖4為壓電驅(qū)動馬達工作過程示意圖；圖5為驅(qū)動時序圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作詳細描述。
如圖1所示，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)主要包括摩擦圓盤1，輸出軸2，弧形伸縮元件3、4，自鎖伸縮元件6，以及箝位伸縮元件5、7。在箝位伸縮元件5、7，自鎖伸縮元件6與摩擦圓盤1相接觸的表面均安裝一定厚度的摩擦片8、9、10。從圖中可以看到，相應(yīng)機構(gòu)對稱安裝于摩擦圓盤的上下表面，在同一表面相應(yīng)機構(gòu)也成對稱形式安裝，均勻分布。這樣既增大了輸出力矩，又可以保證輸出對稱的力偶矩。
摩擦圓盤1和輸出軸2同心，由鍵或花鍵聯(lián)接于一體傳遞動力到輸出軸，通過安裝于機架上的軸承(未示出)支承輸出軸2，把輸出力矩傳送給從動部件或負載。其中的驅(qū)動機構(gòu)如圖3所示。具體包括箝位伸縮元件5與弧形伸縮元件3的一端聯(lián)接于一體，并隨著弧形伸縮元件3的弧形伸長、縮短而相應(yīng)逆時針、順時針轉(zhuǎn)動；箝位伸縮元件7與弧形伸縮元件4的一端聯(lián)接于一體，并隨著弧形伸縮元件4的弧形伸長、縮短而相應(yīng)順時針、逆時針轉(zhuǎn)動；弧形伸縮元件3、4的另一端固定在自鎖伸縮元件6上，而自鎖伸縮元件6固定在機架殼體11上，即摩擦圓盤1和輸出軸2相對于靜止的機架殼體11轉(zhuǎn)動。
可以通過特定方式給自鎖伸縮元件加上預(yù)應(yīng)力，從而使得摩擦片9能夠和摩擦圓盤1之間產(chǎn)生足夠的自鎖力，從而可用于一些需要恒常自鎖或者動、靜態(tài)姿態(tài)保持的場合。具體的方式是，在安裝時，給自鎖伸縮元件6施加一定的負電場，使得整個自鎖伸縮元件6長度縮短，調(diào)整自鎖伸縮元件6與摩擦圓盤1之間的距離，使自鎖伸縮元件6上的摩擦片9與摩擦圓盤1表面恰好接觸，然后從機架殼體11(與磨擦圓盤平行的板面)上固定自鎖伸縮元件6，再撤除施加的負電場，則自鎖伸縮元件6恢復(fù)原長，推動摩擦片9壓緊摩擦圓盤1，產(chǎn)生足夠的壓緊力，在靜摩擦力的作用下實現(xiàn)自鎖。在需要解除自鎖時，給自鎖伸縮元件6施加更大的負電場，使得自鎖伸縮元件6縮短的長度大于原預(yù)伸長的長度，摩擦片9與摩擦圓盤1脫離接觸，則解除自鎖，摩擦圓盤1可在弧形伸縮元件3、4和箝位伸縮元件5、7的聯(lián)動作用下產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動。
箝位單元，圖3左側(cè)所示，安裝有箝位伸縮元件5和摩擦片8，其伸縮方向垂直于摩擦圓盤1的表面，與輸出軸2的軸向平行。箝位伸縮元件的一個表面安裝了摩擦片，在初始條件下，另一表面與機架11平面光滑接觸。為了增大在無源初始條件下的自鎖力，可以對箝位伸縮元件施加預(yù)應(yīng)力，做法與自鎖伸縮元件類似。即，在安裝時，給箝位伸縮元件施加一定的負電場使箝位伸縮元件的長度縮短，調(diào)整機架殼體1平面在軸向空間的位置，使之與箝位單元的上下表面接觸，再撤除施加的電場，則箝位伸縮元件恢復(fù)原長，產(chǎn)生一定的對摩擦圓盤1表面的初始預(yù)緊力。
其工作原理是通過對壓電陶瓷構(gòu)成的箝位伸縮元件、弧形伸縮元件在一定的時序下的驅(qū)動組合來實現(xiàn)對摩擦圓盤的動力驅(qū)動，從而在輸出軸上得到輸出力矩。由控制系統(tǒng)產(chǎn)生激勵信號，實現(xiàn)馬達的步進運動。
具體工作過程，如圖4所示，以順時針旋轉(zhuǎn)驅(qū)動為例，如下(1)初始狀態(tài)，各元件均無外加電場，由于施加的預(yù)應(yīng)力，在無負載或負載產(chǎn)生的力矩不足以克服靜摩擦力矩時，保持自鎖狀態(tài)；(2)給箝位伸縮元件5、7施加正電場(以“+”示出)，箝位伸縮元件伸長，則產(chǎn)生對摩擦圓盤的箝位力；同時給自鎖伸縮元件6施加負電場(以“-”示出)，雖然自鎖伸縮元件對摩擦圓盤的預(yù)緊力已解除，但因弧形伸縮元件不動作，馬達仍處于自鎖狀態(tài)；(3)保持箝位伸縮元件、自鎖伸縮元件的電場不變，給兩側(cè)的弧形伸縮元件3、4分別同時施加正(+)、負(-)電場。施加正電場的弧形伸縮元件4伸長，推動摩擦圓盤順時針旋轉(zhuǎn)一個步距角；同時施加負電場的弧形伸縮元件3縮短，拉動摩擦圓盤順時針同步旋轉(zhuǎn)一個步距角；(4)保持箝位伸縮元件、弧形伸縮元件的電場不變，給自鎖伸縮元件6施加正(+)電場(或撤除負電場)，自鎖伸縮元件伸長，則產(chǎn)生自鎖力鎖定摩擦圓盤；(5)保持自鎖伸縮元件6的電場不變，給箝位伸縮元件5、7施加負(-)電場，撤除弧形伸縮元件3、4的電場，則弧形伸縮元件可自由回復(fù)原長。仍處于自鎖狀態(tài)；(6)保持自鎖伸縮元件6的電場不變，給箝位伸縮元件5、7施加正(+)電場，則箝位伸縮元件伸長，產(chǎn)生對摩擦圓盤的箝位力。仍處于自鎖狀態(tài)。
重復(fù)步驟(2)-(6)，則使得摩擦圓盤不斷步進順時針旋轉(zhuǎn)。
如果要實現(xiàn)逆時針轉(zhuǎn)動，則只需要在步驟(3)中給弧形伸縮元件施加與順時針旋轉(zhuǎn)極性相反的電場，其他步驟所施加的電場極性相同。
按圖1所示的結(jié)構(gòu)，可以構(gòu)成實際的應(yīng)用裝置。如圖1所示，摩擦圓盤1的直徑為60mm，厚度為5mm，材料為鋼。輸出軸2直徑為15mm，長度為30mm，材料為鋼。弧形伸縮元件3、4的內(nèi)徑為46mm，外徑為66mm，厚度為5mm的壓電陶瓷堆，所對應(yīng)的圓心角為30°，它們均由日本NEC公司提供，其最大電壓為±150V，推薦電壓為-100V-+100V，在最大電壓下的伸長為14±1.5um，所能提供的最大輸出力為200N。箝位伸縮元件5和7是長、寬、高分別為7mm、7mm、10mm的壓電陶瓷堆，它們同樣是由日本NEC公司提供，其最大電壓為±150V，推薦電壓為-100V-+100V，在最大電壓下的伸長為9±1.5um，所能提供的最大輸出力為200N。自鎖伸縮元件6是長、寬、高分別為7mm、7mm、14mm的壓電陶瓷堆，由日本NEC公司提供，其所加最大電壓為±150V，推薦電壓為-100V-+100V，在最大電壓下的伸長為13±1.5um，所能提供的最大輸出力為200N。對于摩擦片8、9、10，其厚度為0.5mm，主要成分為高錳鋼ZGM13。機架殼體11材料為#45鋼。
權(quán)利要求
1.自鎖型高精度旋轉(zhuǎn)驅(qū)動馬達，其特征在于有一摩擦圓盤，摩擦圓盤上有輸出軸，在摩擦圓盤上表面放置有一個縱向自鎖伸縮元件、一個弧形伸縮元件、一個縱向箝位伸縮元件構(gòu)成的驅(qū)動復(fù)合機構(gòu)，所述的縱向自鎖伸縮元件和縱向箝位伸縮元件之間連接有弧形伸縮元件，縱向自鎖伸縮元件和縱向箝位伸縮元件位于摩擦圓盤上，縱向自鎖伸縮元件和縱向箝位伸縮元件上有一固定的平行板，弧形伸縮元件與摩擦圓盤、平行板均不接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的驅(qū)動馬達，其特征在于所述的驅(qū)動復(fù)合機構(gòu)由一個縱向自鎖伸縮元件、二個弧形伸縮元件、二個縱向箝位伸縮元件構(gòu)成，縱向自鎖伸縮元件兩端分別連接一個弧形伸縮元件，每個弧形伸縮元件的端部分別連接一個縱向箝位伸縮元件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的驅(qū)動馬達，其特征在于所述的驅(qū)動復(fù)合機構(gòu)為一個或多個。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的驅(qū)動馬達，其特征在于所述的驅(qū)動復(fù)合機構(gòu)為二個或三個，在摩擦圓盤上對稱分布。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的驅(qū)動馬達，其特征在于在摩擦圓盤的下表面也有驅(qū)動復(fù)合機構(gòu)，位于下平行板上，和上表面分布的驅(qū)動復(fù)合機構(gòu)對稱分布。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5之一所述的驅(qū)動馬達，其特征在于所述的縱向自鎖伸縮元件、弧形伸縮元件、縱向箝位伸縮元件均為壓電陶瓷堆。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種自鎖型高精度旋轉(zhuǎn)驅(qū)動馬達，適用于微型或小型、大力矩、任意行程、高精度、帶自鎖、雙向旋轉(zhuǎn)場合，屬于機電技術(shù)領(lǐng)域。在本發(fā)明的技術(shù)方案中，采用了縱向自鎖伸縮元件、弧形伸縮元件、縱向箝位伸縮元件構(gòu)成的驅(qū)動復(fù)合機構(gòu)，這些復(fù)合機構(gòu)成組對稱地分布，這些伸縮元件在一定的控制時序下通過箝位、伸縮和自鎖，實現(xiàn)對摩擦圓盤的直接驅(qū)動，從而帶動輸出軸的旋轉(zhuǎn)。而在不需要旋轉(zhuǎn)的場合，能通過自鎖機構(gòu)保持位姿。輸出力矩在數(shù)百N·cm以上。本發(fā)明可用于工業(yè)驅(qū)動、機械加工、生物儀器等領(lǐng)域，尤其適合作為各型機器人關(guān)節(jié)驅(qū)動和動靜態(tài)姿態(tài)保持場合使用。
文檔編號H02N2/10GK1832325SQ20061003894
公開日2006年9月13日 申請日期2006年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月16日
發(fā)明者關(guān)勝曉, 汪增福, 張江濤 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)