本發(fā)明涉及一種諧振型慣性沖擊壓電馬達(dá)，屬于壓電驅(qū)動器，涉及雙向直線壓電驅(qū)動領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

壓電馬達(dá)廣泛用于機(jī)器人、航空航天及醫(yī)療設(shè)備等。不同類型的馬達(dá)如：行波、駐波、尺蠖、沖擊馬達(dá)得到了廣泛的研究和發(fā)展，都有各自的優(yōu)缺點和相應(yīng)的應(yīng)用領(lǐng)域。

沖擊式壓電馬達(dá)，也稱為“黏滑驅(qū)動器”，是利用慣性沖擊來實現(xiàn)微位移的一種驅(qū)動機(jī)構(gòu)，根據(jù)運動方式，可分為旋轉(zhuǎn)型和直線型。與其他類型的壓電馬達(dá)相比，沖擊式壓電馬達(dá)具有結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡單、分辨率高、步距精確等優(yōu)點。自20世紀(jì)80年代沖擊馬達(dá)誕生以來，得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。

傳統(tǒng)沖擊馬達(dá)大多工作在準(zhǔn)靜態(tài)下，工作頻率和速度均不高，且輸出力或力矩較低。例如：加拿大瑞爾森大學(xué)的Zhang等研制的驅(qū)動器長為105mm旋轉(zhuǎn)直線兩用沖擊馬達(dá)的最大速度為7.3mm/s，最大負(fù)載能力為2.09N；韓國國立中北大學(xué)的Lim等研制的直徑為2mm的沖擊馬達(dá)的最大速度為6mm/s，最大負(fù)載能力為0.02N；中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的Han等研制的基于Φ24mm×115mm驅(qū)動器的沖擊馬達(dá)，最大扭矩僅為30μN·m。盡管日本的Morita等利用蘭杰文振子研制了兩款諧振平滑沖擊馬達(dá)，其速度和輸出力分別可達(dá)110mm/s，1.8N和280mm/s，3.1N，由于其結(jié)構(gòu)龐大復(fù)雜，也限制了其實用性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對上述問題提出了一種諧振型慣性沖擊壓電馬達(dá)，解決了傳統(tǒng)沖擊型壓電馬達(dá)工作在準(zhǔn)靜態(tài)下，頻率和速度低的問題。

具體的技術(shù)方案如下：

本發(fā)明提供一種諧振型慣性沖擊壓電馬達(dá)，即一種工作在諧振狀態(tài)下的慣性沖擊馬達(dá)，所述壓電馬達(dá)包括壓電振子、固定機(jī)構(gòu)、光軸、預(yù)緊結(jié)構(gòu)和基座，壓電振子和光軸至少有一個與預(yù)緊結(jié)構(gòu)直接或間接固連；光軸垂直穿過壓電振子并與壓電振子接觸，通過預(yù)緊結(jié)構(gòu)在壓電振子和光軸之間施加預(yù)緊力；所述壓電振子至少設(shè)有一個驅(qū)動振子，驅(qū)動振子包括金屬懸臂梁和至少一片壓電陶瓷，所述金屬懸臂梁通過改變自由端寬度、改變厚度或開槽三種方法中的至少兩種來調(diào)整前n階固有頻率的比值，以滿足鋸齒波的傅里葉變換中前n級諧波的頻率比，n大于等于2；所述光軸垂直穿過金屬懸臂梁上的驅(qū)動孔，并與壓電振子之間有預(yù)緊力，可以利用兩者之間的摩擦力驅(qū)動光軸；所述光軸與壓電振子之間預(yù)緊力的調(diào)節(jié)通過預(yù)緊結(jié)構(gòu)實現(xiàn)；所述預(yù)緊結(jié)構(gòu)包括螺栓、彈性元件和預(yù)緊座，調(diào)整彈性元件形變量可以調(diào)節(jié)預(yù)緊力大??；分別用頻率、幅值和相位信號激勵壓電振子的前n階共振模態(tài)；壓電振子的振動波形為鋸齒波形，通過壓電振子的驅(qū)動孔來驅(qū)動光軸直線運動；第一階驅(qū)動信號相位改變90°，可使鋸齒波反轉(zhuǎn)，壓電馬達(dá)反向運動。

上述一種諧振型慣性沖擊壓電馬達(dá)，其中，所述壓電振子包括設(shè)有第一通孔的矩形板和驅(qū)動振子，驅(qū)動振子包括等腰梯形結(jié)構(gòu)的金屬懸臂梁和以PZT-4為材料的壓電陶瓷，金屬懸臂梁通過自由端變窄形成等腰梯形結(jié)構(gòu)，金屬懸臂梁的自由端上設(shè)有第一凹槽，金屬懸臂梁下方設(shè)有驅(qū)動孔，所述壓電陶瓷對稱的貼合設(shè)置在驅(qū)動孔兩側(cè)，光軸4垂直穿過驅(qū)動孔并與之接觸，通過驅(qū)動孔和光軸之間的摩擦力來驅(qū)動光軸運動，壓電振子通過第一通孔和螺紋孔用螺栓緊固在固定結(jié)構(gòu)上。

上述一種諧振型慣性沖擊壓電馬達(dá)，其中，所述固定結(jié)構(gòu)包括主固定板、副固定板，主固定板截面為L形結(jié)構(gòu)，壓電振子設(shè)置在主固定板和副固定板之間，通過螺栓連接固定，其中主固定板通過沉孔用螺栓連接于基座。

上述一種諧振型慣性沖擊壓電馬達(dá)，其中，所述預(yù)緊結(jié)構(gòu)包括預(yù)緊座、彈簧、推板、預(yù)緊螺桿、直線軸承、預(yù)緊輥子、活動直線軸承座，預(yù)緊座為U型金屬件，由四個支撐板和一個底板組成，四個支撐板上分別設(shè)有輥子滑槽和推桿支撐凸臺,底板設(shè)有彈簧槽和第二通孔，第二通孔通過螺栓可將整個預(yù)緊結(jié)構(gòu)固定于基座；

所述活動直線軸承座一面設(shè)有用于裝配直線軸承的弧形凹槽，另一面設(shè)有兩個用于裝配彈簧的圓柱凹槽，側(cè)面對稱設(shè)有用于卡在預(yù)緊座四個支撐板上的第二滑槽；

所述預(yù)緊輥子的數(shù)量為兩個，兩個預(yù)緊輥子和直線軸承相切接觸，并能通過支撐桿裝配于預(yù)緊座的輥子滑槽內(nèi)，光軸穿過直線軸承；

所述推板的數(shù)量為兩個，兩個推板通過推板支撐凸臺固定在預(yù)緊座上，預(yù)緊螺桿穿過兩個推板，通過調(diào)節(jié)螺母加以固定，旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺母使兩個推板相互靠近時，預(yù)緊輥子壓迫直線軸承下降，彈簧縮短，同時帶動光軸下移，此時光軸與壓電振子之間的預(yù)緊力變大；若反向旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺母使兩個推板分開，在彈簧的彈力作用下直線軸承自動上移，帶動光軸上移，此時光軸和壓電振子之間的預(yù)緊力減??；即可達(dá)到調(diào)節(jié)預(yù)緊力的目的。

由于壓電振子工作在共振模態(tài)下，工作頻率和光軸的工作速度較高，并且諧振型慣性沖擊壓電馬達(dá)結(jié)構(gòu)也比較簡單、緊湊。

本發(fā)明方案通過傅里葉變換原理合成鋸齒波，使壓電振子工作在諧振狀態(tài)下，能夠解決傳統(tǒng)沖擊型壓電馬達(dá)工作頻率和速度比較低的問題，并且所述諧振型慣性沖擊壓電馬達(dá)結(jié)構(gòu)比較簡單、緊湊。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖。

圖1是本發(fā)明實施例的裝配示意圖。

圖2是本發(fā)明實施例提出的壓電振子結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明實施例的壓電振子和固定結(jié)構(gòu)裝配示意圖。

圖4是本發(fā)明實施例的活動軸承座示意圖。

圖5是本發(fā)明實施例的預(yù)緊結(jié)構(gòu)裝配圖一。

圖6是本發(fā)明實施例預(yù)緊結(jié)構(gòu)裝配圖二。

圖7是本發(fā)明實施例預(yù)緊結(jié)構(gòu)裝配圖三。

圖8是本發(fā)明實施例的直線軸承和預(yù)緊輥子結(jié)構(gòu)圖。

圖9是本發(fā)明實施例中沖擊型壓電馬達(dá)工作原理示意圖一。

圖10是本發(fā)明實施例中沖擊型壓電馬達(dá)工作原理示意圖二。

圖11是本發(fā)明實施例所提出的近似鋸齒波合成示意圖。

圖12是本發(fā)明實施例空載時不同激勵電壓下壓電馬達(dá)速度與預(yù)緊力的關(guān)系。

圖13是本發(fā)明實施例在有負(fù)載的情況下，壓電馬達(dá)速度與負(fù)載的關(guān)系。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

附圖標(biāo)記

基座1、預(yù)緊結(jié)構(gòu)2、壓電振子3、光軸4、固定結(jié)構(gòu)5、第一通孔306、矩形板301、金屬懸臂梁303、壓電陶瓷305、第一凹槽304、驅(qū)動孔302、螺紋孔504、主固定板501、副固定板502、沉孔503、預(yù)緊座201、彈簧202、推板203、預(yù)緊螺桿204、直線軸承205、預(yù)緊輥子2051、活動直線軸承座206、輥子滑槽2012、推桿支撐凸臺2013、第二通孔2011、弧形凹槽2061、圓柱凹槽2062、第二滑槽2063、支撐桿2052、調(diào)節(jié)螺母2041。

如圖1所示，一種諧振型慣性沖擊壓電馬達(dá),包括基座1、預(yù)緊結(jié)構(gòu)2、壓電振子3、光軸4和固定結(jié)構(gòu)5；將壓電馬達(dá)整體固定在工作平臺上，基座底部設(shè)有螺紋孔，螺紋孔可用于固定放置預(yù)緊座201和固定結(jié)構(gòu)5。

根據(jù)鋸齒波的傅里葉變換：

$f\left(t\right)=Asin\mathrm{\ω}t+\frac{A}{2}sin2\mathrm{\ω}t+\frac{A}{3}sin3\mathrm{\ω}t+...---\left(1\right)$

式中f(t)為鋸齒波函數(shù)；A為振幅。

鋸齒波由不同幅值且頻率為基頻整數(shù)倍的諧波組成，考慮到設(shè)計的復(fù)雜性以及三級以上高次諧波的振幅系數(shù)較小，忽略三級以上諧波，本實施例用僅利用傅里葉分解的前兩級諧波來合成近似諧振鋸齒波。

利用壓電振子的前兩階共振頻率作為近似鋸齒波合成的前兩級諧波頻率，根據(jù)式(1)，振子的第一、第二階共振頻率比必須為1:2，此外，計算結(jié)果顯示，當(dāng)振幅比為4:1時，合成的近似鋸齒波形狀比較理想。

由振動理論可知，各向同性等截面懸臂梁端部自由時，其第一、第二階彎曲固有頻率比不能滿足鋸齒波合成所需要的1:2的比例。因此，需要采用一些方法進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)。由于改變金屬懸臂梁自由端結(jié)構(gòu)時，對兩階振動固有頻率都會產(chǎn)生影響，但對第二階頻率影響較大，因此它們的頻率比會發(fā)生改變。本實施例采用了自由端變窄和割槽兩種方式。

如圖2所示，壓電振子包括設(shè)有第一通孔306的矩形板301和驅(qū)動振子，驅(qū)動振子包括等腰梯形結(jié)構(gòu)的金屬懸臂梁303和以PZT-4為材料的壓電陶瓷305，金屬懸臂梁通過自由端變窄形成等腰梯形結(jié)構(gòu)，金屬懸臂梁的自由端上設(shè)有第一凹槽304，金屬懸臂梁303下發(fā)設(shè)有驅(qū)動孔302，所述壓電陶瓷對稱的貼合設(shè)置在驅(qū)動孔兩側(cè)，光軸4垂直穿過驅(qū)動孔302并與之接觸，通過驅(qū)動孔302和光軸4之間的摩擦力來驅(qū)動光軸4運動，壓電振子通過第一通孔306和螺紋孔504用螺栓緊固在固定結(jié)構(gòu)5上；根據(jù)壓電振子的特性，驅(qū)動孔302的位置距離壓電振子的固定部分越近，馬達(dá)的負(fù)載能力越大，宏觀速度即固定部分振幅越小、驅(qū)動孔302對光軸的接觸情況對共振頻率的影響越小，綜合考慮頻率比變化及輸出特性，驅(qū)動孔位于矩形板的中垂線上。

如圖3所示，所述固定結(jié)構(gòu)包括主固定板501、副固定板502，主固定板截面為L形結(jié)構(gòu)，壓電振子設(shè)置在主固定板和副固定板之間，通過螺栓連接固定，其中主固定板通過沉孔503用螺栓連接于基座。

如圖4-圖8所示，所述預(yù)緊結(jié)構(gòu)包括預(yù)緊座201、彈簧202、推板203、預(yù)緊螺桿204、直線軸承205、預(yù)緊輥子2051、活動直線軸承座206，預(yù)緊座201為U型金屬件，由四個支撐板和一個底板組成，四個支撐板上分別設(shè)有輥子滑槽2012和推桿支撐凸臺2013,底板設(shè)有彈簧槽和第二通孔2011，第二通孔2011通過螺栓可將整個預(yù)緊結(jié)構(gòu)固定于基座1；

所述活動直線軸承座206一面設(shè)有用于裝配直線軸承的弧形凹槽2061，另一面設(shè)有兩個用于裝配彈簧202的圓柱凹槽2062，側(cè)面對稱設(shè)有用于卡在預(yù)緊座四個支撐板上的第二滑槽2063；

所述預(yù)緊輥子的數(shù)量為兩個，兩個預(yù)緊輥子2051和直線軸承相切接觸，并能通過支撐桿2052裝配于預(yù)緊座的輥子滑槽2012內(nèi)，光軸穿過直線軸承；

所述推板203的數(shù)量為兩個，兩個推板通過推板支撐凸臺2013固定在預(yù)緊座上，預(yù)緊螺桿204穿過兩個推板，通過調(diào)節(jié)螺母2041加以固定，旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺母2041使兩個推板203相互靠近時，預(yù)緊輥子壓迫直線軸承下降，彈簧縮短，同時帶動光軸4下移，此時光軸4與壓電振子3之間的預(yù)緊力變大；若反向旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺母使兩個推板203分開，在彈簧的彈力作用下直線軸承自動上移，帶動光軸4上移，此時光軸4和壓電振子3之間的預(yù)緊力減小；即可達(dá)到調(diào)節(jié)預(yù)緊力的目的。

圖9、圖10是本發(fā)明所提出的諧振型慣性沖擊壓電馬達(dá)工作過程示意圖,如圖9所示，壓電馬達(dá)一個工作周期由兩個階段組成：“緩慢前進(jìn)黏貼階段①”和“快速后退打滑階段②”。

粘貼階段①：壓電振子3緩慢向右擺動，光軸4與壓電振子3之間的靜摩擦力大于光軸4的慣性力，光軸4隨壓電振子3的擺動而向右移動；打滑階段②：壓電振子3迅速向左回擺至初始位置，光軸4的慣性力大于摩擦力，光軸4與壓電振子3之間產(chǎn)生相對滑動，停留在黏貼階段時的位置；經(jīng)過階段①和②，光軸2產(chǎn)生一個向右的微小步距；連續(xù)重復(fù)上述兩個階段，壓電馬達(dá)實現(xiàn)向右的連續(xù)運動，光軸4和壓電振子3的位移分別如圖10所示，同理，如果改變黏貼和打滑階段的順序，所述壓電馬達(dá)可實現(xiàn)反向運動。

圖11是本發(fā)明實施例中所提出的近似鋸齒波合成示意圖，根據(jù)傅里葉變換當(dāng)壓電振子前兩階固有頻率滿足諧振頻率比為1:2，且幅值比為4:1時，所合成的波形比較好。

圖12是本發(fā)明實施例空載時不同激勵電壓下所述壓電馬達(dá)速度與預(yù)緊力的關(guān)系，由圖12可以看出，在一定范圍內(nèi)，光軸4的速度與驅(qū)動電壓成正比，并且其速度會隨著預(yù)緊力的增大而減小。

圖13是本發(fā)明實施例在有負(fù)載的情況下，壓電馬達(dá)速度與負(fù)載的關(guān)系；第一、二階驅(qū)動電壓信號分別為592.5Hz，400V_p-p和1185.0Hz，160V_p-p，一階驅(qū)動信號超前二階驅(qū)動信號+8°，預(yù)緊力為10N時；隨著負(fù)載增加，馬達(dá)的速度迅速減小，當(dāng)負(fù)載力為1N時所述壓電馬達(dá)幾乎靜止不動；由此可得，在10N預(yù)緊力下，所述馬達(dá)的最大負(fù)載能力為1N。

本發(fā)明方案通過根據(jù)傅里葉變換原理合成鋸齒波，使壓電振子工作在諧振狀態(tài)下，并解決傳統(tǒng)沖擊型壓電馬達(dá)工作頻率和速度比較低的問題，并且所述諧振型慣性沖擊壓電馬達(dá)結(jié)構(gòu)比較簡單緊湊。