[實(shí)用新型]一種三自由度旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201220633191.1
• 申請(qǐng)日: 2012-11-27
• 公開（公告）號(hào): CN202940749U
• 公開（公告）日: 2013-05-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王亮;金家楣;黃翀;張建輝;楊穎
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): H02N2/02
• 分類號(hào): H02N2/02
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標(biāo)代理有限公司 32200
• 代理人: 王斌

技術(shù)領(lǐng)域：

本實(shí)用新型涉及一種三自由度旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)，屬于多自由度超聲電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

多自由度超聲電機(jī)是一種利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，激發(fā)彈性體在超聲頻段產(chǎn)生微幅振動(dòng)，并通過定、轉(zhuǎn)子（動(dòng)子）之間的摩擦作用驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子（動(dòng)子）在多個(gè)自由度上的回轉(zhuǎn)（直線）運(yùn)動(dòng)的新型微特電機(jī)。多自由度超聲電機(jī)作為最近幾年發(fā)展起來的一類新型超聲電機(jī)，具有運(yùn)動(dòng)的多元化、結(jié)構(gòu)簡單、加工難度小等優(yōu)點(diǎn)，頗受工程應(yīng)用的歡迎，但是由于現(xiàn)有的多自由度超聲電機(jī)仍無法突破一些關(guān)鍵技術(shù)問題，存在結(jié)構(gòu)冗余、尺寸過大和驅(qū)動(dòng)控制不穩(wěn)定等問題，無法較好地實(shí)現(xiàn)工程上的推廣應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容：

本實(shí)用新型的目的在于針對(duì)現(xiàn)有多自由度超聲電機(jī)存在的技術(shù)缺陷，提出了一種結(jié)構(gòu)簡單、易于加工，能實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的新型結(jié)構(gòu)的三自由度旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)。

為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下：

一種三自由度旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)，由定子組件、動(dòng)子、拉緊裝置及底座構(gòu)成，所述的定子組件設(shè)置在底座上，所述的動(dòng)子設(shè)置在所述的定子組件上端，在所述動(dòng)子與所述底座之間設(shè)置所述的拉緊裝置，其特征在于：所述定子組件包括定子圓筒、定子圓盤和四組壓電陶瓷片，所述的定子圓筒和四組壓電陶瓷片設(shè)置在定子圓盤的上表面，所述的四組壓電陶瓷片均布在所述的定子圓盤上；所述動(dòng)子為一個(gè)底面加工形成凹球面的圓柱塊；所述的定子圓筒的上端面的外邊線與所述的凹球面接觸。

所述底座表面加工形成了一圈凸起的三角錐，在所述定子圓盤底部加工形成支撐槽，該支撐槽位于定子圓盤的工作模態(tài)的節(jié)圓處，用于嵌套所述的三角錐。

所述拉緊裝置由設(shè)置在動(dòng)子上的第一固定栓、設(shè)置在底座上的軸承、設(shè)置在軸承上的第二固定栓以及連接第一固定栓和第二固定栓并通過定子圓筒中心孔的中間連接件構(gòu)成。

所述的動(dòng)子的頂面設(shè)置有第一安裝孔，在所述的底座背面設(shè)置有第二安裝孔，所述的第一固定栓位于所述的第一安裝孔內(nèi)，所述的軸承位于所述的第二安裝孔內(nèi)。

所述的中間連接件為鋼絲或拉伸彈簧。

所述的動(dòng)子上的小角度凹球面的球心位于底座的上表面正中央位置。

本實(shí)用新型三自由度旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制方法是：當(dāng)給在一個(gè)方向（假定為X方向）上且相對(duì)的兩組壓電陶瓷片（假定編號(hào)為1、3號(hào)）施加相位差90°的正弦信號(hào)時(shí)，定子圓盤被激勵(lì)出B₁₁模態(tài)（1個(gè)節(jié)圓和1個(gè)節(jié)徑），定子圓筒被激勵(lì)出沿著X方向的擺動(dòng)，并且定子圓筒上端面的質(zhì)點(diǎn)沿著X方向做微幅的橢圓運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)壓在其上的動(dòng)子作以Z軸為對(duì)稱軸、沿著X軸方向運(yùn)動(dòng)的偏轉(zhuǎn)角度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)動(dòng)子在Y軸方向上沒有偏轉(zhuǎn)角度；同理，在同一個(gè)平面與X方向垂直的Y方向（即放置了編號(hào)為2、4號(hào)的兩組壓電陶瓷片的方向）施加上述的電信號(hào)，定子圓盤也能被激勵(lì)出B₁₁模態(tài)，定子圓筒沿著Y方向擺動(dòng)，并且上端面質(zhì)點(diǎn)沿著Y方向做橢圓運(yùn)動(dòng)，即驅(qū)動(dòng)動(dòng)子作以Z軸為對(duì)稱軸、沿著Y軸方向運(yùn)動(dòng)的偏轉(zhuǎn)角度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)動(dòng)子在X軸方向上沒有偏轉(zhuǎn)角度；當(dāng)在X、Y方向上各選一組壓電陶瓷施加相位差為90°的正弦信號(hào)，或者對(duì)四組壓電陶瓷分別施加sinwt、coswt、-sinwt、-coswt電信號(hào)，定子圓盤將被激勵(lì)出B₁₂模態(tài)（1個(gè)節(jié)圓和2個(gè)節(jié)徑），定子圓筒在沿著垂直于XY平面的Z軸方向被激勵(lì)出兩相空間相位差為π/2的B₃彎振模態(tài)，使得定子圓筒上端部以Z軸為對(duì)稱軸、同時(shí)又繞著Z軸做旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)，即兩列在時(shí)間和空間上均相差為90°的駐波在定子圓筒上端面處疊加形成旋轉(zhuǎn)的行波，因此上端部質(zhì)點(diǎn)做微幅的橢圓運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)動(dòng)子繞Z軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

采用上述方案后，本實(shí)用新型的三自由度旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)自由度的有限角度偏轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和一個(gè)自由度的自由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，不僅提高了電機(jī)的定位精度，同時(shí)對(duì)電機(jī)的加工沒有苛刻的工藝要求，便于微小型化。此外，本實(shí)用新型的三自由度旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的定、動(dòng)子之間的接觸采用的是線接觸，在一定程度上減小了摩擦驅(qū)動(dòng)帶來的摩擦損耗，并且充分發(fā)揮了振動(dòng)體下的線接觸的最大優(yōu)勢。

發(fā)明三自由度旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)，不僅具有傳統(tǒng)超聲電機(jī)的無電磁干擾、結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)快、斷電自鎖、低速大力矩等優(yōu)點(diǎn)，而且能實(shí)現(xiàn)無導(dǎo)軌多自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)及其高精度的定位，因而在航空、航天、醫(yī)療、機(jī)器人、微機(jī)電系統(tǒng)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

附圖說明：

圖1是三自由度旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)圖。

圖2是三自由度旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的動(dòng)子結(jié)構(gòu)圖。