一種夾心式駐波旋轉(zhuǎn)型壓電作動(dòng)器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種壓電作動(dòng)器，尤其涉及一種夾心式駐波旋轉(zhuǎn)型壓電作動(dòng)器，屬于壓電精密致動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]壓電作動(dòng)器是利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，激發(fā)彈性體產(chǎn)生微幅振動(dòng)，并通過定、轉(zhuǎn)子之間的摩擦將其轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)負(fù)載，是一種全新概念的微型作動(dòng)器。目前的壓電作動(dòng)器主要以壓電超聲電機(jī)、壓電疊堆驅(qū)動(dòng)器等為代表，而壓電超聲電機(jī)作為一種共振式壓電作動(dòng)器，已經(jīng)在航空航天、武器、生物醫(yī)學(xué)、光學(xué)、機(jī)器人等領(lǐng)域推廣應(yīng)用并產(chǎn)業(yè)化。大部分的壓電超聲電機(jī)都是采用兩相模態(tài)耦合的原理進(jìn)行工作，即定子系統(tǒng)采用縱彎模態(tài)耦合或者縱扭模態(tài)耦合或者彎彎模態(tài)耦合或者彎扭模態(tài)耦合，而最為典型的是駐波直線/旋轉(zhuǎn)型壓電超聲電機(jī)，在兩相模態(tài)一致的情況下能輸出較大的速度與推力，近年來受到了研究人員的青睞。盡管兩相模態(tài)耦合型壓電超聲電機(jī)具有許多優(yōu)點(diǎn)，但是這類作動(dòng)器也存在致命缺點(diǎn)，就是兩相模態(tài)頻率一致性問題始終沒法解決。即使通過仿真計(jì)算優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸能夠最大限度減少兩相模態(tài)的頻率差，但是無法完全使兩相模態(tài)頻率一致，并且由于加工裝配誤差，導(dǎo)致兩相工作模態(tài)始終存在一定的差異，因此作動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)控制部分變得復(fù)雜，同時(shí)性能也大打折扣。特別是夾心式蘭杰文結(jié)構(gòu)的壓電作動(dòng)器，激勵(lì)壓電陶瓷片在定子基體上產(chǎn)生兩相同頻的駐波模態(tài)使得驅(qū)動(dòng)足部分做橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡，但是實(shí)際上無法做到兩相模態(tài)同頻率，特別是加工與安裝帶來的誤差，導(dǎo)致大多數(shù)情況下兩相模態(tài)的頻率相差甚大。為了解決傳統(tǒng)夾心式壓電作動(dòng)器頻率一致性的問題，本發(fā)明提出了一種夾心式駐波旋轉(zhuǎn)型壓電作動(dòng)器，采用了兩個(gè)同形的夾心式蘭杰文振子，利用兩相縱向振動(dòng)模態(tài)在時(shí)間和空間上存在η /2相位差來驅(qū)動(dòng)圓柱滾軸旋轉(zhuǎn)，解決了兩相模態(tài)頻率不一致的問題，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、易于加工、裝配和微型化的特點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)【背景技術(shù)】中的不足提供了一種夾心式駐波旋轉(zhuǎn)型壓電作動(dòng)器，其解決了傳統(tǒng)壓電作動(dòng)器存在的兩相模態(tài)頻率不一致的問題，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、易于加工、裝配和微小型化的特點(diǎn)。
[0004]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案
一種夾心式駐波旋轉(zhuǎn)型壓電作動(dòng)器，包含固定裝置2、圓柱滾軸5和兩個(gè)同形夾心式蘭杰文振子，所述夾心式蘭杰文振子包含矩形板1、配重塊4、預(yù)緊螺栓6和多個(gè)壓電陶瓷片3 ;所述預(yù)緊螺栓6用于將壓電陶瓷片3和配重塊4固定在矩形板I端部，所述圓柱滾軸5設(shè)置在兩個(gè)同形夾心式蘭杰文振子之間，其中，所述壓電陶瓷片3用于接收電信號(hào)激勵(lì)夾心式蘭杰文振子產(chǎn)生2η+1階縱向振動(dòng)模態(tài)。
[0005]作為本發(fā)明一種夾心式駐波旋轉(zhuǎn)型壓電作動(dòng)器的進(jìn)一步優(yōu)選方案，所述兩個(gè)同形夾心式蘭杰文振子由上夾心式蘭杰文振子和下夾心式蘭杰文振子構(gòu)成，所述固定裝置2設(shè)置在夾心式蘭杰文振子振動(dòng)節(jié)面處，所述固定裝置2用于固定和調(diào)節(jié)兩個(gè)夾心式蘭杰文振子與圓柱滾軸5之間的接觸壓力。
[0006]作為本發(fā)明一種夾心式駐波旋轉(zhuǎn)型壓電作動(dòng)器的進(jìn)一步優(yōu)選方案，所述圓柱滾軸5的位于上夾心式蘭杰文振子2n+l階縱向振動(dòng)的節(jié)面處和下夾心式蘭杰文振子2n+l階縱向振動(dòng)的波峰或波谷處。
[0007]作為本發(fā)明一種夾心式駐波旋轉(zhuǎn)型壓電作動(dòng)器的進(jìn)一步優(yōu)選方案，在與圓柱滾軸4接觸位置的兩個(gè)夾心式蘭杰文振子上還設(shè)有用于固定圓柱滾軸5的V型凹槽1.1。
[0008]本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果:
本發(fā)明提出了一種夾心式駐波旋轉(zhuǎn)型壓電作動(dòng)器，采用了兩個(gè)同形夾心式蘭杰文振子，利用其結(jié)構(gòu)以及振動(dòng)特性的一致性特點(diǎn)，解決了傳統(tǒng)夾心式壓電作動(dòng)器單一定子組件存在的兩相模態(tài)頻率不一致的問題，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、易于加工、裝配和微小型化的特點(diǎn)。
【附圖說明】
[0009]圖1是本發(fā)明夾心式旋轉(zhuǎn)型壓電作動(dòng)器的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明夾心式旋轉(zhuǎn)型壓電作動(dòng)器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖；
圖3是本發(fā)明夾心式旋轉(zhuǎn)型壓電作動(dòng)器蘭杰文陣子的局部剖視圖；
圖4是本發(fā)明夾心式旋轉(zhuǎn)型壓電作動(dòng)器圓柱滾軸的局部安裝細(xì)節(jié)圖；
圖5是本發(fā)明夾心式旋轉(zhuǎn)型壓電作動(dòng)器t=0時(shí)的工作狀態(tài)示意圖；
圖6是本發(fā)明夾心式旋轉(zhuǎn)型壓電作動(dòng)器t=l/4T時(shí)的工作狀態(tài)示意圖；
圖7是本發(fā)明夾心式旋轉(zhuǎn)型壓電作動(dòng)器t=l/2T時(shí)的工作狀態(tài)示意圖；
圖8是本發(fā)明夾心式旋轉(zhuǎn)型壓電作動(dòng)器t=3/4T時(shí)的工作狀態(tài)示意圖；
圖9是本發(fā)明可變預(yù)壓力的周期性變化曲線；
圖10是本發(fā)明可變摩擦推力的周期性變化曲線。
[0010]其中:1_矩形板，2-固定裝置，3-壓電陶瓷片，4-配重塊，5-圓柱滾軸，6-螺栓
1.1-V形凹槽，1.2-節(jié)面位置，1.3-夾心式蘭杰文振子縱向振動(dòng)的波峰，1.4-夾心式蘭杰文振子縱向振動(dòng)的波谷。
【具體實(shí)施方式】
[0011]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說明:
如圖1所示，一種夾心式駐波旋轉(zhuǎn)型壓電作動(dòng)器，包含固定裝置(2)、圓柱滾軸(5)和兩個(gè)同形夾心式蘭杰文振子，所述夾心式蘭杰文振子包含矩形板(1)、配重塊(4)、預(yù)緊螺栓
(6)和多個(gè)壓電陶瓷片(3);所述預(yù)緊螺栓(6)用于將壓電陶瓷片(3)和配重塊(4)固定在矩形板(I)端部，所述圓柱滾軸(5)設(shè)置在兩個(gè)同形夾心式蘭杰文振子之間，其中，所述壓電陶瓷片(3)用于接收電信號(hào)激勵(lì)夾心式蘭杰文振子產(chǎn)生2n+l階縱向振動(dòng)模態(tài)，所述固定裝置(2)設(shè)置在夾心式蘭杰文振子振動(dòng)節(jié)面處，所述固定裝置(2)用于固定和調(diào)節(jié)兩個(gè)夾心式蘭杰文振子與圓柱滾軸(5)之間的接觸壓力，所述圓柱滾軸(5)的位于上夾心式蘭杰文振子階縱向的節(jié)面處和下夾心式蘭杰文振子階縱向振動(dòng)的波峰或波谷處，在與圓柱滾軸
(4)接觸位置的兩個(gè)夾心式蘭杰文振子上還設(shè)有用于固定圓柱滾軸(5)的V型凹槽(1.1)。
[0012]本發(fā)明提出了一種夾心式駐波旋轉(zhuǎn)型壓電作動(dòng)器，采用了兩個(gè)同形夾心式蘭杰文振子，利用其結(jié)構(gòu)以及振動(dòng)特性的一致性特點(diǎn)，解決了傳統(tǒng)夾心式壓電作動(dòng)器單一定子組件存在的兩相模態(tài)頻率不一致的問題，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、易于加工、裝配和微小型化的特點(diǎn)。
[0013]所述的壓電陶瓷片沿厚度方向上極化，兩片壓電陶瓷片組成一組，并且兩者的極化方向相反；所述的預(yù)緊螺栓用于矩形板、若干壓電陶瓷片和配重塊裝配在一起；所述的圓柱滾軸設(shè)置在兩個(gè)夾心式蘭杰文振子之間。所述的矩形板可根據(jù)應(yīng)用設(shè)計(jì)為矩形梁或者圓柱桿，同樣壓電陶瓷片和配重塊根據(jù)矩形板的結(jié)構(gòu)變化而重新設(shè)計(jì)；所述的兩個(gè)同形夾心式蘭杰文振子具有相同的結(jié)構(gòu)以及振動(dòng)特性，當(dāng)壓電陶瓷片被施加電信號(hào)后會(huì)激發(fā)出夾心式蘭杰文振子的2η+1 (η多1，η為正整數(shù))階縱向振動(dòng)模態(tài)；所述兩個(gè)同形夾心式蘭杰文振子分別設(shè)置在圓柱滾軸的上下區(qū)域，分別為上夾心式蘭杰文振子和下夾心式蘭杰文振子，其中上、下夾心式蘭杰文振子分別在正弦電壓和余弦電壓的激勵(lì)下產(chǎn)生2η+1 (η多1，η為正整數(shù))階縱向振動(dòng)模態(tài)。
[0014]所述的圓柱滾軸設(shè)置在兩個(gè)夾心式蘭杰文振子的中間，并且兩個(gè)夾心式蘭杰文振子的位置錯(cuò)開，具體位置是位于上夾心式蘭杰文振子縱向振動(dòng)的節(jié)面處和下夾心式蘭杰文振子縱向振動(dòng)的波峰或波谷處，同時(shí)，為了使圓柱滾軸固定在上述位置，在兩個(gè)夾心式蘭杰文振子與圓柱滾軸接觸的位置設(shè)置了 V型凹槽。
[0015]所述的固定裝置設(shè)置在夾心式蘭杰文振子的節(jié)面位置，并且在節(jié)線位置上均勻分布，用于固定和調(diào)節(jié)上、下夾心式蘭杰文振子與圓柱滾軸之間的接觸壓力。所述的圓柱滾軸始終與上夾心式蘭杰文振子的縱向振動(dòng)節(jié)面位置接觸，而與下夾心式蘭杰文振子的縱向振動(dòng)波峰或波谷位置交替接觸，其中與上夾心式蘭杰文振子的縱向振動(dòng)節(jié)面位置接觸，受到上夾心式蘭杰文振子施加在圓柱滾軸沿切向的可變摩擦推力，而與下夾心式蘭杰文振子的縱向振動(dòng)波谷或波峰位置周期性接觸時(shí)，受到下夾心式蘭杰文振子施加在圓柱滾軸上法向的可變預(yù)壓力