CN109831116B - 一种由合成方波驱动的直线压电马达 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种由合成方波驱动的直线压电马达，属于精密驱动与定位技术领域。包括定子机构和动子机构；定子机构的定子为薄片状的定子悬臂梁振子，两侧面上分别设有定子压电片；动子机构包括动子和滑动机构；动子为薄片状的动子悬臂梁振子，一侧面上设有动子压电片，动子设于滑块上；动子悬臂振子和定子悬臂梁振子呈直角相邻；定子的一侧边上设有接触足。工作时，在正弦波合成方波电压信号的激励下，定子悬臂振子和动子悬臂振子的输出机械波形近似方波；在一个周期内，通过定子和动子之间的静摩擦力驱动动子沿直线滑轨直线移动一个步距，高频周期性重复，实现马达的宏观直线定向运动。本发明定子和动子之间无磨损，提高了直线压电马达的寿命。

Description

一种由合成方波驱动的直线压电马达

技术领域

本发明属于精密驱动与定位技术领域，具体地说，它涉及一种由合成方波驱动的直线压电马达。

背景技术

压电马达利用压电陶瓷的逆压电效应将电能转化为机械能。由于其尺寸小、力矩大、精度高、低速性能好、无电磁干扰等优点在航天、导弹、机器人及精密仪器等领域有着广阔的应用前景。直线压电马达具有直接输出直线运动、断电自锁的特点，目前已应用在精密定位系统、生物注射仪器、手机摄像头、汽车电动遥控反光镜中。

压电马达分为可以分为谐振型压电马达和非谐振型压电马达。郑文灿等人研制的一种以薄板面内振动的纵弯振动模式实现驻波驱动的直线型压电超声马达，其共振频率为43.2kHz，最佳预紧力为7N，当输入电压为9V时样机速度可达到最大值为41.7 mm/s，最大输出推力约为1N，这种马达属于谐振型压电马达，由单一谐波驱动，靠定子与动子之间的摩擦力驱动使动子运动，工作在谐振状态，频率高，速度快。因为由单一谐波驱动，定子驱动动子的过程是渐进的，定子与动子之间存在滑动摩擦力，磨损严重，寿命短。南京航空航天大学的张胜等人于2012年提出了一种基于尺蠖原理的S型直线压电电机，该电机在驱动电压为100V、驱动频率为20Hz下，速度为25

，精度可达0.6

。尺蠖马达依靠两个箱位单元和一个驱动单元实现步进，可知，尺蠖马达在驱动过程中两个箱位单元与固定支撑体之间仅存在静摩擦力，马达的运动通过静摩擦力和驱动单元的共同作用实现步进。理论上讲，尺蠖马达在运行过程中不存在滑动摩擦，不存在摩擦磨损，效率很高，寿命比较长。但是，一般来说尺蠖马达都是工作在准静态下，即工作在非谐振状态，频率比较低，在步距一定时频率低会导致速度低下。同时，这种类型的压电马达需要两个箱位单元和一个驱动单元同步交替动作，从控制的角度讲难度比较大，需要比较复杂的电路实现有效的控制。

发明内容

本发明针对谐振型压电马达摩擦磨损严重和非谐振型压电马达工作频率低速度低的缺点，提供了一种既能工作在谐振状态使得马达速度快又能克服摩擦磨损严重缺陷的新型直线压电马达-由合成方波驱动的直线压电马达。这种马达改善了超声马达磨损严重的缺点，有着比非谐振型压电马达速度快的优点。

一种由合成方波驱动的直线压电马达包括定子机构、动子机构和底座1；

所述定子机构包括定子7和定子座9；

所述定子7包括薄片状的定子悬臂梁振子，定子悬臂梁振子的上部为定子等腰三角形片73、中部为定子矩形片、下部为定子连接片；所述定子等腰三角形片73上开设有定子菱形孔74，定子矩形片的两侧面上分别设有定子压电片72；

所述定子7通过下部定子连接片固定设于定子座9上，定子7呈直立状；所述定子座9固定设于底座1上；

所述动子机构包括动子5和滑动机构；

所述动子5包括薄片状的动子悬臂梁振子，动子悬臂梁振子的上部为动子等腰三角形片54、中部为动子矩形片、下部为动子底座52；动子等腰三角形片54上开设有动子菱形孔55，动子矩形片的一侧面上设有动子压电片53，所述动子底座52垂直设于动子矩形片的一侧面下部，使动子底座52和动子矩形片之间呈直角；

所述滑动机构包括配合滑动的滑块4和直线滑轨3；所述动子5通过动子底座52固定设于滑块4上，所述直线滑轨3通过支撑架2固定设于底座1的一侧面上，使动子悬臂振子和定子悬臂梁振子呈直角相邻；

与动子悬臂梁振子相邻的定子悬臂梁振子中部一侧边上设有接触足6；

所述支撑架2的中部和定子座9对应，二者之间设有预紧机构，通过预紧机构的调节实现工作时定子悬臂梁振子上的接触足6与动子悬臂振子接触；

工作时，所述定子压电片72和动子压电片53由正弦波合成方波电压信号激励，定子悬臂振子和动子悬臂振子的输出机械波形近似方波；定子悬臂振子会沿Y轴振动，动子悬臂振子会沿X轴振动；在一个周期内，两组结构执行“贴合-驱动-分离-复位”动作，在这个过程中动子5执行贴合，分离动作，定子6执行驱动，复位动作；在一个周期内，接触足6与动子5接触时，通过之间的静摩擦力驱动动子5沿直线滑轨3直线移动一个步距，高频周期性重复，实现马达的宏观直线定向运动。

进一步限定的技术方案如下：

所述定子悬臂梁振子的前两阶特征频率比值和动子悬臂振子的前两阶特征频率比值相同，均为1：3。

所述定子连接片上开设有二个以上的腰形的定子安装孔71，定子7通过下部连接片上的定子安装孔71固定设于倒T形块的直立块的一侧面上。

所述定子座9为倒T形块，定子座9的直立块上开设有两个贯通的腰形孔92；定子7通过下部定子连接片固定设于定子座9的直立块的一侧面上；所述底座1上开设有倒T形槽，定子座9配合设于底座1的倒T形槽内，且通过两个贯通的腰形孔92内螺栓固定；定子座9的水平块一侧开设有预紧调节孔91。

所述接触足6为短圆柱，中部径向开设有安装槽61，接触足6通过安装槽61卡装在与动子5相邻的定子7的定子矩形片一侧边上部。

所述支撑架2为角钢状，一侧边板上开设有二个以上的滑轨安装孔25，另一侧边板上对称开设有二个腰形的调节孔21，二个调节孔21之间开设有一腰形的预紧孔23。

所述预紧机构包括螺杆103、螺母101和弹簧102，弹簧102套设在螺杆103上；所述螺杆103穿过支撑架2和定子座9，通过调节螺母101实现定子7和动子5之间预紧力的调节。

本发明的有益技术效果体现在以下方面：

1.本发明利用正弦波合成方波控制定子，动子的输出波形为方波，从而实现两者的接触和离开都是突变的，定子与动子之间靠静摩擦力驱动，不存在滑动摩擦力，定子与动子之间没有磨损，延长马达寿命。而超声马达由单一谐波信号激励，定子与动子之间接触和离开是渐进的，存在滑动滑动摩擦力，磨损严重，马达寿命短。

2.本发明所述直线压电马达由谐波合成方波激励，当定子和动子的基频激励电压分别为140 V和100V时马达的速度为6.62mm/s，牵引力为3.6N。该马达速度远远大于非谐振型压电马达的速度，略小于超声马达的速度。

3本发明所述直线压电马达在动子电压为200V时，合成方波驱动效率为12.2%，而正弦波驱动效率为7.6%，所以由合成方波驱动的直线压电马达要比单一谐波激励压电马达效率高。

4本发明所述直线压电马达结构简单，体积较小装配方便，可应用于机床的精密进给机构，刀具的磨损调节装置。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为图1的后视立体图。

图3为动子结构示意图。

图4为定子结构示意图。

图5为接触足与定子、动子的位置关系立体图。

图6为接触足与定子、动子的位置关系正视图。

图7为支撑架结构示意图。

图8为定子底座结构示意图。

图9为底座结构示意图。

图10为预紧机构结构示意图。

图11为直线滑轨和滑块示结构意图。

图12为本发明的近似方波合成示意图。

图13为本发明工作原理示意图。

上图中序号：底座1、支撑架2、直线滑轨3、滑块4、动子5、接触足6、定子7、夹板8、定子底座9、预紧机构10、调节孔21、预紧孔23、滑轨安装孔25、贯穿孔51、动子底座52、动子压电片53、动子等腰三角形片54、动子菱形孔55、安装槽61、定子安装孔71、定子压电片72、定子等腰三角形片73、定子菱形孔74、预紧调节孔91、腰形孔92、螺母101、弹簧102、螺杆103。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地说明。

参见图1和图2，一种由合成方波驱动的直线压电马达包括定子机构、动子机构和底座1。

参见图1，定子机构包括定子7和定子座9。

参见图5，定子7包括薄片状的定子悬臂梁振子，定子悬臂梁振子的上部为定子等腰三角形片73、中部为定子矩形片、下部为定子连接片；定子等腰三角形片73上开设有定子菱形孔74，定子矩形片的两侧面上分别设有定子压电片72。定子连接片上开设有三个腰形的定子安装孔71。参见图8，定子座9为倒T形块，定子座9的直立块上开设有两个贯通的腰形孔92。参见图9，底座1上开设有倒T形槽，定子座9配合安装于底座1的倒T形槽内，且通过两个贯通腰形孔92的螺栓固定；定子座9的水平块一侧开设有预紧调节孔91。定子7通过下部连接片上的定子安装孔71和夹板8固定安装于倒T形块的直立块的一侧面上，见图1，定子7呈直立状；定子座9固定安装于底座1上。

动子机构包括动子5和滑动机构。

参见图3，动子5包括薄片状的动子悬臂梁振子，动子悬臂梁振子的上部为动子等腰三角形片54、中部为动子矩形片、下部为动子底座52；动子等腰三角形片54上开设有动子菱形孔55，动子矩形片的一侧面上安装有动子压电片53；动子底座52垂直设于动子矩形片的一侧面下部，动子底座上开设有四个对称布置的贯穿孔51，用于将动子安装在滑块4上。使动子底座52和动子矩形片之间呈直角。

定子悬臂梁振子的前两阶特征频率比值和动子悬臂振子的前两阶特征频率比值相同，均为1：3。

参见图11，滑动机构包括配合滑动的滑块4和直线滑轨3。参见图2，动子5通过动子底座52固定安装于滑块4上，直线滑轨3通过支撑架2固定安装于底座1的一侧面上，使动子悬臂振子和定子悬臂梁振子呈直角相邻。

参见图5，与动子悬臂梁振子相邻的定子悬臂梁振子中部一侧边上安装有接触足6；接触足6为短圆柱，中部径向开设有安装槽61，接触足6通过安装槽61卡装在与动子5相邻的定子7的定子矩形片一侧边上部。

参见图5，支撑架2的中部和定子座9对应，二者之间设有预紧机构，通过预紧机构的调节实现工作时定子悬臂梁振子上的接触足6与动子悬臂振子接触。参见图10，预紧机构包括螺杆103、螺母101和弹簧102，弹簧102套装在螺杆103上。参见图1和图2，螺杆103穿过支撑架2上的预紧孔23和定子座9上的预紧调节孔91，调节螺母101实现调节定子7和动子5之间的预紧力，保证工作时接触足6与动子悬臂振子相切接触。

参见图7，支撑架2为角钢状，一侧边板上开设有四个滑轨安装孔25，另一侧边板上对称开设有二个腰形的调节孔21，二个调节孔21之间开设有一腰形的预紧孔23。通过调节支撑架2在底座1竖直面上的安装高度来调节接触足6与动子悬臂振子的接触位置。

本发明的工作原理详细说明如下：

本发明为谐波合成方波直线压电马达，谐波合成方波实现依据为方波的傅里叶变换。公式为：

从公式中可以看出，通过频率比为1:3:5:7…的一系列正弦波叠加就可以得到合成方波。对于机械波形来讲将弹性体的特征频率比调整为1:3:5:7…就可以使弹性体的输出机械波形为方波。在本发明中，为使定子悬臂振子与动子悬臂振子的输出机械波形为方波，需要不断调整其机械结构来调整其各阶特征频率之比。这个工作量很大，所以本发明中仅将动子和定子的前两阶特征频率比调整为1:3。如图12所示，由两个频率比为1:3，振幅比为3:1的正弦波形可以合成近似方波波形。

本发明采取增减材料的方法调节定子7和动子5的固有频率。图3中动子悬臂振子上端做变窄处理形成等腰三角形状，锐角处有动子菱形孔55，保证第一阶与第二阶弯曲振形固有频率比为1:3。图4中定子悬臂振子上端做变窄处理形成等腰三角形状，锐角处有定子菱形孔74，保证第一阶与第二阶弯曲振形固有频率比为1:3。

由两个信号发生器分别输出的两路频率比为1:3的正弦信号通过加法器叠加得到两路近似方波，然后两路近似方波分别经过两个功率放大器放大后施加在定子压电片72和动子压电片53上。工作时，定子压电片72和动子压电片53由正弦波合成方波电压信号激励，定子悬臂振子和动子悬臂振子的输出机械波形近似方波。定子悬臂梁振子会沿Y轴振动，动子悬臂振子会沿X轴振动。在一个周期内，两组结构执行“贴合-驱动-分离-复位”动作。在一个周期内，接触足6与动子5接触时，通过之间的静摩擦力驱动动子5沿直线滑轨3直线移动一个步距，高频周期性重复，实现马达的宏观直线定向运动。如图13所示为在一个周期内两组结构实现的动作：（X-Y坐标系在水平面内）

如图13（1）初始时刻，动子悬臂振子在X轴负方向上，定子悬臂振子在Y轴正方向上；

如图13（2）贴合动作，动子悬臂振子摆到X轴正方向上，与定子悬臂振子通过接触足6接触，二者之间有压力；

如图13（3）驱动动作，定子悬臂振子摆到Y轴负方向上，在此过程中，通过静摩擦力驱动动子5沿Y轴负方向移动一个步距；

如图13（4）分离动作，动子悬臂振子摆到X轴负方向上，与定子悬臂振子分离；

如图13（5）复位动作，定子悬臂振子摆到Y轴正方向上，回到初始位置。

Claims (7)

1.一种由合成方波驱动的直线压电马达，包括定子机构、动子机构和底座（1），其特征在于：

所述定子机构包括定子（7）和定子座（9）；

所述定子（7）包括薄片状的定子悬臂梁振子，定子悬臂梁振子的上部为定子等腰三角形片（73）、中部为定子矩形片、下部为定子连接片；所述定子等腰三角形片（73）上开设有定子菱形孔（74），定子矩形片的两侧面上分别设有定子压电片（72）；

所述定子（7）通过下部定子连接片固定设于定子座（9）上，定子（7）呈直立状；所述定子座（9）固定设于底座（1）上；

所述动子机构包括动子（5）和滑动机构；

所述动子（5）包括薄片状的动子悬臂梁振子，动子悬臂梁振子的上部为动子等腰三角形片（54）、中部为动子矩形片、下部为动子底座（52）；动子等腰三角形片（54）上开设有动子菱形孔（55），动子矩形片的一侧面上设有动子压电片（53），所述动子底座（52）垂直设于动子矩形片的一侧面下部，使动子底座（52）和动子矩形片之间呈直角；

所述滑动机构包括配合滑动的滑块（4）和直线滑轨（3）；所述动子（5）通过动子底座（52）固定设于滑块（4）上，所述直线滑轨（3）通过支撑架（2）固定设于底座（1）的一侧面上，使动子悬臂振子和定子悬臂梁振子呈直角相邻；

与动子悬臂梁振子相邻的定子悬臂梁振子中部一侧边上设有接触足（6）；

所述支撑架（2）的中部和定子座（9）对应，二者之间设有预紧机构，通过预紧机构的调节实现工作时定子悬臂梁振子上的接触足（6）与动子悬臂振子接触；

工作时，所述定子压电片（72）和动子压电片（53）由正弦波合成方波电压信号激励，定子悬臂振子和动子悬臂振子的输出机械波形近似方波；定子悬臂振子会沿Y轴振动，动子悬臂振子会沿X轴振动；在一个周期内，两组结构执行“贴合-驱动-分离-复位”动作，在这个过程中动子（5）执行贴合，分离动作，定子（6）执行驱动，复位动作；在一个周期内，接触足（6）与动子（5）接触时，通过之间的静摩擦力驱动动子（5）沿直线滑轨（3）直线移动一个步距，高频周期性重复，实现马达的宏观直线定向运动。

2.根据权利要求1所述一种由合成方波驱动的直线压电马达，其特征在于：所述定子悬臂梁振子的前两阶特征频率比值和动子悬臂振子的前两阶特征频率比值相同，均为1：3。

3.根据权利要求1所述一种由合成方波驱动的直线压电马达，其特征在于：所述定子连接片上开设有二个以上的腰形的定子安装孔（71），定子（7）通过下部连接片上的定子安装孔（71）固定设于倒T形块的直立块的一侧面上。

4.根据权利要求1所述一种由合成方波驱动的直线压电马达，其特征在于：所述定子座（9）为倒T形块，定子座（9）的直立块上开设有两个贯通的腰形孔（92）；定子（7）通过下部定子连接片固定设于定子座（9）的直立块的一侧面上；所述底座（1）上开设有倒T形槽，定子座（9）配合设于底座（1）的倒T形槽内，且通过两个贯通的腰形孔（92）内螺栓固定；定子座（9）的水平块一侧开设有预紧调节孔（91）。

5.根据权利要求1所述一种由合成方波驱动的直线压电马达，其特征在于：所述接触足（6）为短圆柱，中部径向开设有安装槽（61），接触足（6）通过安装槽（61）卡装在与动子（5）相邻的定子（7）的定子矩形片一侧边上部。

6.根据权利要求1所述一种由合成方波驱动的直线压电马达，其特征在于：所述支撑架（2）为角钢状，一侧边板上开设有二个以上的滑轨安装孔（25），另一侧边板上对称开设有二个腰形的调节孔（21），二个调节孔（21）之间开设有一腰形的预紧孔（23）。

7.根据权利要求1所述一种由合成方波驱动的直线压电马达，其特征在于：所述预紧机构包括螺杆（103）、螺母（101）和弹簧（102），弹簧（102）套设在螺杆（103）上；所述螺杆（103）穿过支撑架（2）和定子座（9），通过调节螺母（101）实现定子（7）和动子（5）之间预紧力的调节。

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