仿生爬行多足直線壓電驅(qū)動(dòng)器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種仿生爬行多足直線壓電驅(qū)動(dòng)器，屬于壓電驅(qū)動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]壓電驅(qū)動(dòng)是一種利用壓電功能材料的逆壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)致動(dòng)輸出的新型驅(qū)動(dòng)方式，與傳統(tǒng)電磁驅(qū)動(dòng)相比，具有結(jié)構(gòu)多樣、定位精度高、分辨力高、斷電自鎖、無電磁干擾、響應(yīng)速度快、低速大推力/力矩、易于實(shí)現(xiàn)直線和多自由度驅(qū)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，是目前常用一種精密驅(qū)動(dòng)方式。
[0003]目前成熟的壓電驅(qū)動(dòng)一般通過兩個(gè)或者多個(gè)定子固有振動(dòng)的組合實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)齒或驅(qū)動(dòng)足處橢圓軌跡振動(dòng)的激勵(lì)，進(jìn)而通過定子和動(dòng)子之間的摩擦耦合實(shí)現(xiàn)動(dòng)子致動(dòng)。目前已經(jīng)有很多新結(jié)構(gòu)的足式壓電驅(qū)動(dòng)器被提出，但是他們普遍采用單足或者雙足實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，由于驅(qū)動(dòng)足數(shù)量有限，存在輸出不穩(wěn)定、預(yù)壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題；此外，目前壓電驅(qū)動(dòng)器采用的定子振動(dòng)大多屬于自由振動(dòng)的范疇，多數(shù)采用薄壁環(huán)或者薄壁梁的實(shí)現(xiàn)彈性支撐和振動(dòng)的隔離，實(shí)際工作過程中彈性環(huán)節(jié)存在高幅度振動(dòng)，而且彈性環(huán)節(jié)的存在也不利于施加大的預(yù)壓力；另外，壓電驅(qū)動(dòng)器一般工作在某一個(gè)共振模態(tài)，也就是只有一個(gè)最佳工作頻率，其工作頻率一般在共振頻率附近，這使得其工作頻率范圍較窄，不利于機(jī)械輸出特性的靈活調(diào)整。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明目的是為了解決現(xiàn)有壓電驅(qū)動(dòng)器存在輸出不穩(wěn)定、預(yù)壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、彈性支撐環(huán)節(jié)振動(dòng)幅度大、預(yù)壓力施加復(fù)雜、工作頻率范圍窄、機(jī)械輸出特性調(diào)整不靈活的問題，提供了一種仿生爬行多足直線壓電驅(qū)動(dòng)器。
[0005]本發(fā)明所述仿生爬行多足直線壓電驅(qū)動(dòng)器，它包括安裝座和η個(gè)彎曲換能器，η個(gè)彎曲換能器對(duì)稱安裝在安裝座的兩側(cè)，其中η為大于等于4的偶數(shù)；每個(gè)彎曲換能器包括四片壓電陶瓷、基梁、變幅桿和驅(qū)動(dòng)足，基梁的四個(gè)側(cè)面分別固定一片壓電陶瓷，變幅桿為截面逐漸變細(xì)的塊體，基梁的末端與變幅桿的寬端固定連接，驅(qū)動(dòng)足設(shè)置在變幅桿的窄端，彎曲換能器通過基梁的首端與安裝座的側(cè)面固定連接；η個(gè)彎曲換能器中的4η片壓電陶瓷均沿厚度方向極化，且相互平行的2η片壓電陶瓷極化方向相同。
[0006]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):本發(fā)明提出的仿生爬行多足直線壓電驅(qū)動(dòng)器采用貼片結(jié)構(gòu)，加工裝配十分簡(jiǎn)便，對(duì)零件加工精度要求較低，且易于實(shí)現(xiàn)集成化和系列化；采用仿多足生物的多足驅(qū)動(dòng)方式可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的輸出，且預(yù)壓系統(tǒng)較簡(jiǎn)單；工作過程中安裝座與外部結(jié)構(gòu)固定連接，換能器工作在懸臂彎曲振動(dòng)狀態(tài)，克服了薄壁構(gòu)件彈性支撐帶來的振幅大、預(yù)壓力提高受限等問題；此外，彎曲換能器可以基于一階彎振模態(tài)工作，也可以工作在其他高階彎振模態(tài)，這使得該驅(qū)動(dòng)器具有多個(gè)工作頻率，極大程度的提高了其工作頻率范圍，也使其可以獲得更加豐富的機(jī)械輸出特性。本發(fā)明的仿生爬行多足直線壓電驅(qū)動(dòng)器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)靈活、輸出穩(wěn)定、工作頻率范圍寬等突出優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說明】
[0007]圖1是本發(fā)明所述η = 4時(shí)仿生爬行多足直線壓電驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0008]圖2是圖1的俯視圖；
[0009]圖3是圖1的壓電陶瓷的極化方向示意圖；
[0010]圖4是兩個(gè)對(duì)稱的彎曲換能器的一階豎直彎曲振動(dòng)的振型圖；
[0011]圖5是兩個(gè)對(duì)稱的彎曲換能器的一階水平彎曲振動(dòng)的振型圖；
[0012]圖6是兩個(gè)對(duì)稱的彎曲換能器的二階豎直彎曲振動(dòng)的振型圖；
[0013]圖7是兩個(gè)對(duì)稱的彎曲換能器的二階水平彎曲振動(dòng)的振型圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014]【具體實(shí)施方式】一:下面結(jié)合圖1、圖2和圖3說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述夾心式T型雙足直線壓電超聲電機(jī)振子，它包括安裝座I和η個(gè)彎曲換能器2，η個(gè)彎曲換能器2對(duì)稱安裝在安裝座I的兩側(cè)，其中η為大于等于4的偶數(shù)；每個(gè)彎曲換能器2包括四片壓電陶瓷2-1、基梁2-2、變幅桿2-3和驅(qū)動(dòng)足2-4，基梁2_2的四個(gè)側(cè)面分別固定一片壓電陶瓷2-1，變幅桿2-3為截面逐漸變細(xì)的塊體，基梁2-2的末端與變幅桿2-3的寬端固定連接，驅(qū)動(dòng)足2-4設(shè)置在變幅桿2-3的窄端，彎曲換能器2通過基梁2-2的首端與安裝座I的側(cè)面固定連接；η個(gè)彎曲換能器2中的4η片壓電陶瓷2_1均沿厚度方向極化，且相互平行的2η片壓電陶瓷2-1極化方向相同。
[0015]【具體實(shí)施方式】二:下面結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式對(duì)實(shí)施方式一作進(jìn)一步說明，所述基梁2-2的截面為對(duì)稱結(jié)構(gòu)。
[0016]本實(shí)施方式中，對(duì)稱結(jié)構(gòu)能夠極大地簡(jiǎn)化超聲電機(jī)振子制作工藝。
[0017]【具體實(shí)施方式】三:本實(shí)施方式對(duì)實(shí)施方式二作進(jìn)一步說明，所述基梁2-2的截面為方形。
[0018]【具體實(shí)施方式】四:本實(shí)施方式對(duì)實(shí)施方式二作進(jìn)一步說明，所述基梁2-2的截面為正八邊形。
[0019]【具體實(shí)施方式】五:下面結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式對(duì)實(shí)施方式一作進(jìn)一步說明，所述安裝座1、基梁2-2、變幅桿2-3和驅(qū)動(dòng)足2-4為一體件。
[0020]本實(shí)施方式中，一體件結(jié)構(gòu)能夠簡(jiǎn)化壓電驅(qū)動(dòng)的制作工藝。
[0021]【具體實(shí)施方式】六:本實(shí)施方式對(duì)實(shí)施方式一作進(jìn)一步說明，所述η個(gè)彎曲換能器2的結(jié)構(gòu)參數(shù)均相同。
[0022]本實(shí)施方式中，η個(gè)彎曲換能器2的結(jié)構(gòu)參數(shù)均相同能夠保證所有驅(qū)動(dòng)足產(chǎn)生的推動(dòng)力一致。
[0023]【具體實(shí)施方式】七:下面結(jié)合圖1和圖2說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式對(duì)實(shí)施方式一作進(jìn)一步說明，安裝座I上設(shè)置有用于安裝緊固螺釘?shù)穆葆斂?-1。
[0024]下面結(jié)合圖1-圖7說明本發(fā)明的工作原理為:本發(fā)明的仿生爬行多足直線壓電驅(qū)動(dòng)器在應(yīng)用時(shí)，需要2η相激勵(lì)信號(hào)，所有基梁2-2均與驅(qū)動(dòng)電源的公共端(即為激勵(lì)信號(hào)公共端)連接，每一個(gè)基梁2-2左右兩個(gè)側(cè)面上固定的兩片壓電陶瓷2-1的外表面與一相驅(qū)動(dòng)信號(hào)連接，每一個(gè)基梁2-2上下兩個(gè)側(cè)面上固定的兩片壓電陶瓷2-1的外表面與另一相驅(qū)動(dòng)信號(hào)連接；本發(fā)明的壓電驅(qū)動(dòng)器可以基于以下兩種模式進(jìn)行工作:
[0025]第一種模式:直流開關(guān)激勵(lì)微驅(qū)動(dòng)模式，在該模式下，通過給基梁2-2左右兩個(gè)側(cè)面上固定的兩片壓電陶瓷2-1施加正向或者負(fù)向直流激勵(lì)電壓，可以引起驅(qū)動(dòng)足水平方向彎曲，從而獲得驅(qū)動(dòng)足左右的水平方向位移；通過給基梁2-2上下兩個(gè)側(cè)面上固定的兩片壓電陶瓷2-1施加正向或者負(fù)向直流激勵(lì)電壓，可以引起驅(qū)動(dòng)足豎直方向彎曲，從而獲得驅(qū)動(dòng)足上下的豎直方向位移；驅(qū)動(dòng)足水平方向的位移實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)子的推動(dòng)，豎直方向的位移則用于控制驅(qū)動(dòng)足與動(dòng)子的接觸狀態(tài)；每個(gè)驅(qū)動(dòng)足對(duì)動(dòng)子的狀態(tài)均是一個(gè)“壓-推-離-退”的周期性過程，通過控制各個(gè)換能器上壓電陶瓷激勵(lì)信號(hào)之間的相位差，可以實(shí)現(xiàn)多足交替蠕動(dòng)驅(qū)動(dòng)；通過調(diào)整激勵(lì)電壓幅值，可以實(shí)現(xiàn)單次蠕動(dòng)步距的精確調(diào)整，通過調(diào)整各壓電元件施加激勵(lì)信號(hào)的開關(guān)頻率可以實(shí)現(xiàn)輸出速度的調(diào)整；
[0026]第二種模式:高頻交流激勵(lì)共振模態(tài)，在該模式下，2η相激勵(lì)信號(hào)為同頻率的高頻交變信號(hào)，其頻率可以是換能器任意一個(gè)固有彎振模態(tài)的特征頻率(比如一階彎振模態(tài)特征頻率、二階彎振模態(tài)特征頻率、三階彎振模態(tài)特征頻率……)，從而保證所有換能器均工作在同頻的共振狀態(tài)；對(duì)于單個(gè)換能器而言，其所施加的兩相激勵(lì)信號(hào)在時(shí)間上具有90度相位差，從而保證振在時(shí)其豎直彎振和水平彎間上也具有90度相位差，通過兩個(gè)彎振的復(fù)合，在驅(qū)動(dòng)足處形成了高頻的橢圓軌跡振動(dòng)；驅(qū)動(dòng)足水平方向的振動(dòng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)子的推動(dòng)，豎直方向的振動(dòng)則用于克服動(dòng)子驅(qū)動(dòng)足之間的預(yù)壓力；每個(gè)驅(qū)動(dòng)足的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)均為同頻的橢圓軌跡振動(dòng)，通過控制各個(gè)換能器上壓電陶瓷激勵(lì)信號(hào)之間的相位差，可以實(shí)現(xiàn)多足同步或者交替致動(dòng)；這種工作模式通過換能器共振狀態(tài)，可以在驅(qū)動(dòng)足處獲得很高的振幅和振速，從而可以實(shí)現(xiàn)快速驅(qū)動(dòng)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.仿生爬行多足直線壓電驅(qū)動(dòng)器，其特征在于，它包括安裝座(I)和η個(gè)彎曲換能器(2)，η個(gè)彎曲換能器(2)對(duì)稱安裝在安裝座(I)的兩側(cè)，其中η為大于等于4的偶數(shù)；每個(gè)彎曲換能器(2)包括四片壓電陶瓷(2-1)、基梁(2-2)、變幅桿(2-3)和驅(qū)動(dòng)足(2-4)，基梁(2-2)的四個(gè)側(cè)面分別固定一片壓電陶瓷(2-1)，變幅桿(2-3)為截面逐漸變細(xì)的塊體，基梁(2-2)的末端與變幅桿(2-3)的寬端固定連接，驅(qū)動(dòng)足(2-4)設(shè)置在變幅桿(2-3)的窄端，彎曲換能器(2)通過基梁(2-2)的首端與安裝座(I)的側(cè)面固定連接；η個(gè)彎曲換能器(2)中的4η片壓電陶瓷(2-1)均沿厚度方向極化，且相互平行的2η片壓電陶瓷(2_1)極化方向相同。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿生爬行多足直線壓電驅(qū)動(dòng)器，其特征在于，所述基梁(2-2)的截面為對(duì)稱結(jié)構(gòu)。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的仿生爬行多足直線壓電驅(qū)動(dòng)器，其特征在于，所述基梁(2-2)的截面為方形。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的仿生爬行多足直線壓電驅(qū)動(dòng)器，其特征在于，所述基梁(2-2)的截面為正八邊形。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿生爬行多足直線壓電驅(qū)動(dòng)器，其特征在于，所述安裝座(I)、基梁(2-2)、變幅桿(2-3)和驅(qū)動(dòng)足(2-4)為一體件。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿生爬行多足直線壓電驅(qū)動(dòng)器，其特征在于，所述η個(gè)彎曲換能器(2)的結(jié)構(gòu)參數(shù)均相同。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿生爬行多足直線壓電驅(qū)動(dòng)器，其特征在于，安裝座(I)上設(shè)置有用于安裝緊固螺釘?shù)穆葆斂?1-1)。
【專利摘要】仿生爬行多足直線壓電驅(qū)動(dòng)器，屬于壓電驅(qū)動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明為解決現(xiàn)有壓電驅(qū)動(dòng)器輸出不穩(wěn)定、預(yù)壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、彈性支撐環(huán)節(jié)振動(dòng)幅度大、預(yù)壓力施加復(fù)雜、工作頻率范圍窄、機(jī)械輸出特性調(diào)整不靈活的問題。本發(fā)包括安裝座和n個(gè)彎曲換能器，n個(gè)彎曲換能器對(duì)稱安裝在安裝座的兩側(cè)，其中n為大于等于4的偶數(shù)；彎曲換能器包括四片壓電陶瓷、基梁、變幅桿和驅(qū)動(dòng)足，基梁四個(gè)側(cè)面分別固定一片壓電陶瓷，變幅桿為截面逐漸變細(xì)的塊體，基梁末端與變幅桿寬端固定連接，驅(qū)動(dòng)足設(shè)置在變幅桿窄端，彎曲換能器通過基梁首端與安裝座側(cè)面固定連接；彎曲換能器中的4片壓電陶瓷均沿厚度方向極化，且相互平行的2片壓電陶瓷極化方向相同。本發(fā)明用于壓電驅(qū)動(dòng)。
【IPC分類】H02N2/02
【公開號(hào)】CN104967355
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510428085
【發(fā)明人】劉英想, 徐冬梅, 陳維山, 馮培連, 劉軍考
【申請(qǐng)人】哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年10月7日
【申請(qǐng)日】2015年7月20日