本發(fā)明涉及壓電作動領域，尤其涉及一種單定子三自由度超聲電機及其工作方式。

背景技術：

超聲電機作為一種新型的壓電作動器，在航空航天、醫(yī)療、機器人、武器系統(tǒng)等高端技術領域有著廣闊的應用前景。隨著科學技術的快速發(fā)展，特別是機器人領域?qū)Χ嘧杂啥瘸曤姍C的需求越來越迫切，不僅大大減小了系統(tǒng)的結構復雜程度，同時也提高了控制精度和定位精度。雖然國內(nèi)外自二十世紀九十年代就開始研究多自由度超聲電機，但大多結構復雜、成本高、不便于推廣應用。譬如專利（CN1388637A）提出的一種圓柱形定子和球形轉子的三自由度超聲電機結構。雖然上述電機的結構具有簡單緊湊的優(yōu)點，但是球形轉子與圓柱形定子之間的預壓力難以控制，而且該結構不方便倒置或平放使用。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題是針對背景技術中所涉及到的缺陷，提供一種單定子三自由度超聲電機及其工作方式。

本發(fā)明為解決上述技術問題采用以下技術方案：

一種單定子三自由度超聲電機，包括定子模塊和轉子模塊；

所述定子模塊包含作動頭、金屬質(zhì)量塊、底座、縱振壓電陶瓷組件、第一彎振壓電陶瓷組件、第二彎振壓電陶瓷組件和預緊螺栓；

所述作動頭包含驅(qū)動頭、連接部和圓柱，其中，所述驅(qū)動頭為球形；所述連接部為連續(xù)變截面結構，其截面為圓形，且其最小截面與驅(qū)動頭的下端固定相連、最大截面與圓柱的上端固定相連；

所述作動頭的軸線上設有和所述預緊螺栓相配合的螺紋孔；

所述底座為上端開口、下端封閉的空心圓柱，且半徑大于所述作動頭圓柱的半徑；

所述縱振壓電陶瓷組件、金屬質(zhì)量塊、第一彎振壓電陶瓷組件、第二彎振壓電陶瓷組件均為圓柱形，依次從上到下設置在所述底座內(nèi)；

所述縱振壓電陶瓷組件、金屬質(zhì)量塊、第一彎振壓電陶瓷組件、第二彎振壓電陶瓷組件、底座的底面同軸設置且在軸心均設有供所述預緊螺栓穿過的通孔；所述預緊螺栓依次穿過所述底座的底面、第二彎振壓電陶瓷組件、第一彎振壓電陶瓷組件、金屬質(zhì)量塊、縱振壓電陶瓷組件和所述作動頭上的螺紋孔螺紋連接，將所述縱振壓電陶瓷組件、金屬質(zhì)量塊、第一彎振壓電陶瓷組件、第二彎振壓電陶瓷組件夾緊在所述作動頭和所述底座的底面之間；

所述縱振壓電陶瓷組件用于產(chǎn)生縱振傳播至所述驅(qū)動頭；

所述第一彎振壓電陶瓷組件、第二彎振壓電陶瓷組件均用于產(chǎn)生彎振傳播至所述驅(qū)動頭，且所述第一彎振壓電陶瓷組件產(chǎn)生的彎振和所述第二彎振壓電陶瓷組件產(chǎn)生的彎振在空間上存在π/2相位差；

所述轉子模塊包含彈簧夾頭、接觸塊、端蓋和調(diào)節(jié)螺栓；

所述彈簧夾頭為上端開口、內(nèi)部中空的圓柱體，其上端內(nèi)壁上設有螺紋、下端設有用于鎖住所述驅(qū)動頭的圓孔；所述驅(qū)動頭通過彈簧夾頭下端的圓孔伸入彈簧夾頭內(nèi)；

所述端蓋包含端面和第一套接環(huán)，其中，所述第一套接環(huán)為上下開口的空心圓柱，和所述端面同軸設置，其上端面和端面固定相連；所述端面為圓柱體，其圓心處設有調(diào)節(jié)孔、柱面上設有和所述彈簧夾頭內(nèi)壁上的螺紋相匹配的螺紋；所述調(diào)節(jié)孔的內(nèi)壁上設有和所述調(diào)節(jié)螺栓相匹配的螺紋；所述端面和所述彈簧夾頭螺紋連接；

所述接觸塊包含連接板、第二套接環(huán)和接觸環(huán)，其中，所述第二套接環(huán)、接觸環(huán)均為上下開口的空心圓柱；所述第二套接環(huán)的下端通過所述連接板和所述接觸環(huán)的上端固定相連，且所述第二套接環(huán)、接觸環(huán)同軸設置；所述第二套接環(huán)和所述第一套接環(huán)通過套接進行間隙配合，使得所述接觸塊和所述端蓋之間能夠上下滑動；所述接觸環(huán)的下端和所述驅(qū)動頭相抵；

所述調(diào)節(jié)螺栓和所述端面通過調(diào)節(jié)孔螺紋連接，且調(diào)節(jié)螺栓穿過所述端面和所述接觸塊的連接板相抵，用于調(diào)節(jié)接觸塊和端蓋之間的距離，進而調(diào)節(jié)所述接觸塊與驅(qū)動頭之間的預壓力。

作為本發(fā)明一種單定子三自由度超聲電機進一步的優(yōu)化方案，所述作動頭在連接部和圓柱的連接處設有用于夾持作動頭的法蘭盤。

作為本發(fā)明一種單定子三自由度超聲電機進一步的優(yōu)化方案，所述底座底面下設有墊圈，所述墊圈為上下開口的空心圓柱，和所述底座底面同軸設置，其上端面和底座底面固定相連，將所述預緊螺栓的螺帽包含在內(nèi)。

作為本發(fā)明一種單定子三自由度超聲電機進一步的優(yōu)化方案，所述縱振壓電陶瓷組件包含兩片縱振陶瓷片和一片電極片，所述兩片縱振陶瓷片將電極片夾在中間，兩片縱振陶瓷片均為單一極化分區(qū)，極化方向分別垂直于所述電極片向外。

作為本發(fā)明一種單定子三自由度超聲電機進一步的優(yōu)化方案，所述第一彎振壓電陶瓷組件、第二彎振壓電陶瓷組件均包含兩片彎振陶瓷片和一片電極片，所述兩片彎振陶瓷片將電極片夾在中間，每片彎振壓電陶瓷片均有左右兩個極化方向相反的極化分區(qū)，且兩片彎振陶瓷片在同一端的極化分區(qū)的極化方向相反。

本發(fā)明還公開了一種基于該單定子三自由度超聲電機的工作方式，包含以下步驟：

令驅(qū)動頭的球心為原點、作動頭的軸線為Z軸、過原點且平行于第一彎振壓電陶瓷組件中任一彎振陶瓷片的兩個極化分區(qū)之間的界限的直線為Y軸、過原點且平行于第二彎振壓電陶瓷組件中任一彎振陶瓷片的兩個極化分區(qū)之間的界限的直線為X軸；

分別在縱振壓電陶瓷組件、第一彎振壓電陶瓷組件上施加具有π/2相位差的電信號，在定子模塊上激發(fā)出沿Z軸方向的縱向振動和在XOZ平面內(nèi)的彎曲振動，縱向振動和彎曲振動的耦合使驅(qū)動頭上的質(zhì)點在XOZ平面內(nèi)作橢圓運動，驅(qū)動頭通過摩擦作用驅(qū)動轉子模塊繞Y軸旋轉；

分別在縱振壓電陶瓷組件、第二彎振壓電陶瓷組件上施加具有π/2相位差的電信號，在定子模塊上激發(fā)出沿Z軸方向的縱向振動和在YOZ平面內(nèi)的彎曲振動，縱向振動和彎曲振動的耦合使驅(qū)動頭上的質(zhì)點在YOZ平面內(nèi)作橢圓運動，驅(qū)動頭通過摩擦作用驅(qū)動轉子模塊繞X軸旋轉；

分別在第一彎振壓電陶瓷組件和第二彎振壓電陶瓷組件上施加具有π/2相位差的電信號，將分別在定子模塊上激發(fā)出兩個在時間上和空間上都具有π/2相位差的彎曲振動模態(tài)，使得驅(qū)動頭上的質(zhì)點在XOY平面內(nèi)作橢圓運動，驅(qū)動頭通過摩擦作用驅(qū)動轉子模塊繞Z軸作360°旋轉。

本發(fā)明采用以上技術方案與現(xiàn)有技術相比，具有以下技術效果：

1. 結構簡單、緊湊、易于控制；

2. 能夠廣泛的應用在各種環(huán)境中。

附圖說明

圖1是本發(fā)明單定子三自由度超聲電機的結構示意圖；

圖2是本發(fā)明中定子作動頭結構示意圖；

圖3是本發(fā)明中縱振壓電陶瓷組件中陶瓷片的極化方式示意圖；

圖4是本發(fā)明中第一彎振壓電陶瓷組件中陶瓷片的極化方式示意圖；

圖5是本發(fā)明中第二彎振壓電陶瓷組件中陶瓷片的極化方式示意圖；

圖6是本發(fā)明中彈簧夾頭結構示意圖；

圖7是本發(fā)明中接觸塊結構示意圖；

圖8是本發(fā)明中轉子模塊與球形驅(qū)動頭的接觸示意圖；

圖9是本發(fā)明的彎曲振動振型圖；

圖10是本發(fā)明的縱向振動振型圖。

其中，1-作動頭，1.1-驅(qū)動頭，1.2-連接部，1.3-法蘭盤，1.4-圓柱，2-金屬質(zhì)量塊，3-底座，4-預緊螺栓，5.1-彈簧夾頭，5.2-接觸塊，5.3-端蓋，5.4-調(diào)節(jié)螺栓，6-縱振壓電陶瓷單元，7-第一彎振壓電陶瓷單元，8-第二彎振壓電陶瓷單元，9-電極片。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明的技術方案做進一步的詳細說明：

如圖1所示，本發(fā)明公開了一種單定子三自由度超聲電機，包括定子模塊和轉子模塊。

定子模塊包含作動頭、金屬質(zhì)量塊、底座、縱振壓電陶瓷組件、第一彎振壓電陶瓷組件、第二彎振壓電陶瓷組件和預緊螺栓。

如圖2所示，作動頭包含三個部分，分別為驅(qū)動頭、連接部和圓柱，其中，驅(qū)動頭為球形；連接部為連續(xù)變截面結構，其截面為圓形，且其最小截面與驅(qū)動頭的下端固定相連、最大截面與圓柱的上端固定相連。

作動頭的軸線上設有和預緊螺栓相配合的螺紋孔。

作動頭在連接部和圓柱的連接處設有用于夾持作動頭的法蘭盤。

底座為上端開口、下端封閉的空心圓柱，且半徑大于作動頭圓柱的半徑。

縱振壓電陶瓷組件、金屬質(zhì)量塊、第一彎振壓電陶瓷組件、第二彎振壓電陶瓷組件均為圓柱形，依次從上到下設置在底座內(nèi)。

縱振壓電陶瓷組件、金屬質(zhì)量塊、第一彎振壓電陶瓷組件、第二彎振壓電陶瓷組件、底座的底面同軸設置且在軸心均設有供預緊螺栓穿過的通孔；預緊螺栓依次穿過底座的底面、第二彎振壓電陶瓷組件、第一彎振壓電陶瓷組件、金屬質(zhì)量塊、縱振壓電陶瓷組件和作動頭上的螺紋孔螺紋連接，將縱振壓電陶瓷組件、金屬質(zhì)量塊、第一彎振壓電陶瓷組件、第二彎振壓電陶瓷組件夾緊在作動頭和底座的底面之間。

縱振壓電陶瓷組件用于產(chǎn)生縱振傳播至驅(qū)動頭。

第一彎振壓電陶瓷組件、第二彎振壓電陶瓷組件均用于產(chǎn)生彎振傳播至驅(qū)動頭，且第一彎振壓電陶瓷組件產(chǎn)生的彎振和第二彎振壓電陶瓷組件產(chǎn)生的彎振在空間上存在π/2相位差。

底座底面下設有墊圈，墊圈為上下開口的空心圓柱，和底座底面同軸設置，其上端面和底座底面固定相連，將預緊螺栓的螺帽包含在內(nèi)。

如圖3所示，縱振壓電陶瓷組件包含兩片縱振陶瓷片和一片電極片，兩片縱振陶瓷片將電極片夾在中間，兩片縱振陶瓷片均為單一極化分區(qū)，極化方向分別垂直于電極片向外。

第一彎振壓電陶瓷組件、第二彎振壓電陶瓷組件均包含兩片彎振陶瓷片和一片電極片，兩片彎振陶瓷片將電極片夾在中間，每片彎振壓電陶瓷片均有左右兩個極化方向相反的極化分區(qū)，且兩片彎振陶瓷片在同一端的極化分區(qū)的極化方向相反。

第一彎振壓電陶瓷組件、第二彎振壓電陶瓷組件的極化方向及組合方式分別如圖4、圖5所示。

轉子模塊包含彈簧夾頭、接觸塊、端蓋和調(diào)節(jié)螺栓。

如圖6所示，彈簧夾頭為上端開口、內(nèi)部中空的圓柱體，其上端內(nèi)壁上設有螺紋、下端設有用于鎖住驅(qū)動頭的圓孔；驅(qū)動頭通過彈簧夾頭下端的圓孔伸入彈簧夾頭內(nèi)。

端蓋包含端面和第一套接環(huán)，其中，第一套接環(huán)為上下開口的空心圓柱，和端面同軸設置，其上端面和端面固定相連；端面為圓柱體，其圓心處設有調(diào)節(jié)孔、柱面上設有和彈簧夾頭內(nèi)壁上的螺紋相匹配的螺紋；調(diào)節(jié)孔的內(nèi)壁上設有和調(diào)節(jié)螺栓相匹配的螺紋；端面和彈簧夾頭螺紋連接。

如圖7所示，接觸塊包含連接板、第二套接環(huán)和接觸環(huán)，其中，第二套接環(huán)、接觸環(huán)均為上下開口的空心圓柱；第二套接環(huán)的下端通過連接板和接觸環(huán)的上端固定相連，且第二套接環(huán)、接觸環(huán)同軸設置；第二套接環(huán)和第一套接環(huán)通過套接進行間隙配合，使得接觸塊和端蓋之間能夠上下滑動；接觸環(huán)的下端和驅(qū)動頭相抵。

如圖8所示，調(diào)節(jié)螺栓和端面通過調(diào)節(jié)孔螺紋連接，且調(diào)節(jié)螺栓穿過端面和接觸塊的連接板相抵，用于調(diào)節(jié)接觸塊和端蓋之間的距離，進而調(diào)節(jié)接觸塊與驅(qū)動頭之間的預壓力。

令驅(qū)動頭的球心為原點、作動頭的軸線為Z軸、過原點且平行于第一彎振壓電陶瓷組件中任一彎振陶瓷片的兩個極化分區(qū)之間的界限的直線為Y軸、過原點且平行于第二彎振壓電陶瓷組件中任一彎振陶瓷片的兩個極化分區(qū)之間的界限的直線為X軸。

分別在縱振壓電陶瓷組件、第一彎振壓電陶瓷組件上施加具有π/2相位差的電信號，在定子模塊上激發(fā)出沿Z軸方向的縱向振動和在XOZ平面內(nèi)的彎曲振動，縱向振動和彎曲振動的耦合使驅(qū)動頭上的質(zhì)點在XOZ平面內(nèi)作橢圓運動，驅(qū)動頭通過摩擦作用驅(qū)動轉子模塊繞Y軸旋轉。

分別在縱振壓電陶瓷組件、第二彎振壓電陶瓷組件上施加具有π/2相位差的電信號，在定子模塊上激發(fā)出沿Z軸方向的縱向振動和在YOZ平面內(nèi)的彎曲振動，縱向振動和彎曲振動的耦合使驅(qū)動頭上的質(zhì)點在YOZ平面內(nèi)作橢圓運動，驅(qū)動頭通過摩擦作用驅(qū)動轉子模塊繞X軸旋轉。

分別在第一彎振壓電陶瓷組件和第二彎振壓電陶瓷組件上施加具有π/2相位差的電信號，將分別在定子模塊上激發(fā)出兩個在時間和空間上都具有π/2相位差的彎曲振動模態(tài)，使得驅(qū)動頭上的質(zhì)點在XOY平面內(nèi)作橢圓運動，驅(qū)動頭通過摩擦作用驅(qū)動轉子模塊繞Z軸作360°旋轉。

由以上可知本發(fā)明通過三組陶瓷組件激勵出的三個振型之間的兩兩組合，可實現(xiàn)三個自由度的運動，彎曲振動時使球形驅(qū)動頭與連接部的連接處位于振型的節(jié)點處，以使驅(qū)動頭獲得最大的振幅，彎曲振動的振型圖如圖9所示（以二階彎振為例）?？v向振動時使法蘭盤位于振型節(jié)點處方便夾持，使球形驅(qū)動頭與連接部的連接處位于振幅最大處，以使球形驅(qū)動頭獲得最大的縱向振幅，縱向振動的振型圖如圖10所示（以一階縱振為例）。

本發(fā)明現(xiàn)具有結構簡單，環(huán)境適應性強等優(yōu)點，在航空航天、醫(yī)療、機器人、仿生學等高技術領域有廣闊的應用前景。

本技術領域技術人員可以理解的是，除非另外定義，這里使用的所有術語（包括技術術語和科學術語）具有與本發(fā)明所屬領域中的普通技術人員的一般理解相同的意義。還應該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術語應該被理解為具有與現(xiàn)有技術的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會用理想化或過于正式的含義來解釋。

以上所述的具體實施方式，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施方式而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。