一种单自由度压电转台及其激励方法技术

本发明专利技术提供了一种单自由度压电转台及其激励方法，属于压电驱动技术领域。单自由度压电转台包括一个环形基座、N个二维压电致动器、一个圆盘动子、2N个轴向固定螺钉、N个轴向压紧块和N个径向紧定螺钉，其中N为大于或等于6的偶数；通过设计施加在N个二维压电致动器的一路激励电压信号，控制其时序和幅值，激励N个二维压电致动器产生沿着圆盘动子外沿切线方向的弯曲运动，利用摩擦力驱动圆盘动子实现单自由度转动；通过调整施加在二维压电致动器上的另一路电压信号幅值，控制二维压电致动器与圆盘动子之间的摩擦力。本发明专利技术的单自由度压电转台具有无支承、摩擦力可控、大行程、运动分辨力高的优点，在精密驱动和定位领域有着广阔的应用前景。

A single degree of freedom piezoelectric turntable and its excitation method

【技术实现步骤摘要】
一种单自由度压电转台及其激励方法
本专利技术属于压电驱动
，尤其是涉及一种单自由度压电转台及其激励方法。
技术介绍
压电驱动技术是指利用压电材料的逆压电效应将电能转化为机械能，通过特定致动原理实现压电装置的运动输出的一种精密驱动技术，该技术具有运动精度高、抗电磁干扰、响应速度快、断电自锁等优点。近年来，随着生物医学、光学工程、精密加工领域的快速发展，它们对精密旋转运动平台提出了迫切需求。鉴于利用压电驱动技术的精密旋转运动平台具有高位移分辨力、大行程、结构简单、断电自锁、无电磁干扰等显著优势，其在精密驱动和定位领域具备广阔的应用前景，为此，国内外众多学者针对精密压电旋转运动平台开展了广泛研究。根据工作原理的不同，当前的压电旋转运动平台主要包括共振式和非共振式两类。共振式压电旋转运动平台利用超声频率的激励电压信号激励定子产生超声振动，进而通过摩擦耦合驱动动子实现旋转运动输出；其具备大行程、高速度、大力矩运动输出能力，但是此类压电旋转运动平台工作在高频状态，其运行时伴随着严重的摩擦磨损和发热问题，且运动精度较低，通常只能达到微米量级。非共振式的压电旋转运动平台主要是利用动子和定子之间动、静摩擦的交替变化实现运动输出，其工作频率较低；虽然此类压电旋转平台输出速度和力矩低于共振式的压电旋转运动平台，但是其实现了更高的运动分辨力和定位精度；由于此类压电旋转平台工作在低频范围，弱化了摩擦磨损问题，避免了高速高频运行产生的发热问题；总之，非共振式的压电旋转运动平台更适用于运动精度要求高、稳定性较好、间歇性运行的应用需求，逐渐成为目前研究的热点。对于上述压电旋转运动平台而言，动子的支承方式以及动子与定子之间的摩擦力是决定其运动输出特性的两个关键因素；为了支承动子并限制其冗余运动自由度，现有压电旋转运动平台通常需要设计支承结构实现动子的支承；为了保证动子与定子之间形成工作所需的摩擦力，往往需要配置复杂的预紧机构，以此调节动子和定子之间的预紧力，进一步调整二者之间的摩擦力，从而保证定子能够稳定地驱动动子实现运动输出；但是预紧机构通常是固定的机械装置，难以在运行中调节预紧力，进而控制摩擦力的大小。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术旨在提出一种单自由度压电转台及其激励方法，解决现有单自由度压电驱动装置支承和限位结构复杂、难以实现运行中摩擦力的调控等问题。为达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：一种单自由度压电转台，包括一个环形基座、N个二维压电致动器、一个圆盘动子、2N个轴向固定螺钉、N个轴向压紧块、N个径向紧定螺钉，其中N为大于或等于6的偶数；N个二维压电致动器分为上、下两层均布在环形基座的圆周上，上下两层各包括N/2个二维压电致动器；所述N个二维压电致动器的结构相同；所述每个二维压电致动器包括矩形基座、压电元件和驱动足，矩形基座、压电元件和驱动足依次固定联接；分别沿所述环形基座上、下两个端面的圆周方向各均匀分布N个矩形缺口和N个环形缺口，且环形基座每个端面上的矩形缺口和环形缺口均一一对应设置，其中环形缺口为从环形基座的相应端面去除部分环形体后形成，矩形缺口位于环形缺口的底面上，在每个环形缺口的底面上设有2个轴向螺纹孔；在环形基座外圆柱面上且过每个矩形缺口中心的径向方向上，设有一个径向紧定螺纹孔；上端面的所述环形缺口、矩形缺口、轴向螺纹孔和径向紧定螺纹孔与下端面的所述环形缺口、矩形缺口、轴向螺纹孔和径向紧定螺纹孔以环形基座的轴向对称面为中心呈镜像关系布置；所述环形缺口与轴向压紧块的结构相适应，且轴向压紧块嵌入环形缺口中，通过轴向固定螺钉与环形基座固定联接；二维压电致动器的矩形基座与环形基座上的矩形缺口形状特征相同，矩形基座嵌入矩形缺口中；径向紧定螺钉通过径向紧定螺纹孔与环形基座相连，且与二维压电致动器的矩形基座相接触，通过调整径向紧定螺钉的位置，实现二维压电致动器沿环形基座的径向分布位置的微调；所述圆盘动子外沿设置上锥形环面和下锥形环面，上层N/2个二维压电致动器的驱动足与圆盘动子的上锥形环面相接触，而下层N/2个二维压电致动器的驱动足与圆盘动子的下锥形环面相接触。进一步的，通过均匀布置在环形基座上的N个二维压电致动器支承圆盘动子，通过N个二维压电致动器与圆盘动子之间的接触，限制圆盘动子除去绕自身轴线旋转运动之外的所有运动自由度。进一步的，利用一路电压信号，通过控制N个二维弯曲致动器沿圆盘动子轴线方向的弯曲运动，控制二维压电致动器与圆盘动子之间的正压力大小，进一步控制二维压电致动器与圆盘动子之间摩擦力。进一步的，每个二维压电致动器产生独立的、沿着两个正交方向的弯曲运动。进一步的，在环形基座上加工有螺纹孔、沉头孔或通孔，用于将单自由度压电转台与其它零部件固定连接。一种单自由度压电转台的激励方法，该方法用于激励N个二维压电致动器实现同时沿圆盘动子外沿圆周切线方向的弯曲运动，驱动圆盘动子实现单自由度旋转运动；即，驱动圆盘动子实现绕Z轴逆时针或顺时针方向旋转运动；其中，驱动圆盘动子绕Z轴逆时针方向旋转运动的具体过程如下：步骤一、在N个二维压电致动器的压电元件上施加缓慢下降的激励电压信号，N个二维压电致动器在沿着绕Z轴逆时针的切线方向上产生缓慢弯曲变形至负极限位置，N个二维压电致动器的驱动足在沿着绕Z轴逆时针的切线方向上产生缓慢微小位移，通过静摩擦力驱动圆盘动子绕Z轴逆时针方向产生微小角位移；步骤二、在N个二维压电致动器的压电元件上施加快速上升的激励电压信号，N个二维压电致动器在沿着绕Z轴顺时针的切线方向上产生快速弯曲变形至正极限位置，N个二维压电致动器的驱动足在沿着绕Z轴顺时针的切线方向上产生快速微小位移，圆盘动子由于惯性保持静止；步骤三、重复步骤一至步骤二，实现圆盘动子绕Z轴逆时针方向的连续旋转运动；驱动圆盘动子绕Z轴顺时针方向旋转运动的具体过程如下：步骤一、在N个二维压电致动器的压电元件上施加缓慢上升的激励电压信号，N个二维压电致动器在沿着绕Z轴顺时针的切线方向上产生缓慢弯曲变形至正极限位置，N个二维压电致动器的驱动足在沿着绕Z轴顺时针的切线方向上产生缓慢微小位移，通过静摩擦力驱动圆盘动子绕Z轴顺时针方向产生微小角位移；步骤二、在N个二维压电致动器的压电元件上施加快速下降的激励电压信号，N个二维压电致动器在沿着绕Z轴逆时针的切线方向上产生快速弯曲变形至负极限位置，N个二维压电致动器的驱动足在沿着绕Z轴逆时针的切线方向上产生快速微小位移，圆盘动子由于惯性保持静止；步骤三、重复步骤一至步骤二，实现圆盘动子绕Z轴顺时针方向的连续旋转运动。进一步的，实现该方法所需的激励电压信号为周期性的、非对称的锯齿状或梯形波形，激励电压信号每个周期中上升和下降过程可以是线性的，也可以是非线性的，但上升和下降过程所持续的时长不相等。相对于现有技术，本专利技术所述的一种单自由度压电转台及其激励方法具有以下优势：可实现圆盘动子的单自由度旋转运动输出；其中，圆盘动子具有大行程、高分辨力运动输出能力；二维压电致动器在单自由度压电旋转台中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单自由度压电转台，其特征在于：包括一个环形基座(1)、N个二维压电致动器(2)、一个圆盘动子(3)、2N个轴向固定螺钉(4)、N个轴向压紧块(5)、N个径向紧定螺钉(6)，其中N为大于或等于6的偶数；N个二维压电致动器(2)分为上、下两层均布在环形基座(1)的圆周上，上下两层各包括N/2个二维压电致动器(2)；所述N个二维压电致动器(2)的结构相同；所述每个二维压电致动器(2)包括矩形基座(2-1)、压电元件(2-2)和驱动足(2-3)，矩形基座(2-1)、压电元件(2-2)和驱动足(2-3)依次固定联接；分别沿所述环形基座(1)上、下两个端面的圆周方向各均匀分布N个矩形缺口(1-1)和N个环形缺口(1-2)，且环形基座(1)每个端面上的矩形缺口(1-1)和环形缺口(1-2)均一一对应设置，其中环形缺口(1-2)为从环形基座(1)的相应端面去除部分环形体后形成，矩形缺口(1-1)位于环形缺口(1-2)的底面上，在每个环形缺口(1-2)的底面上设有2个轴向螺纹孔(1-3)；在环形基座(1)外圆柱面上且过每个矩形缺口(1-1)中心的径向方向上，设有一个径向紧定螺纹孔(1-4)；上端面的所述环形缺口(1-2)、矩形缺口(1-1)、轴向螺纹孔(1-3)和径向紧定螺纹孔(1-4)与下端面的所述环形缺口(1-2)、矩形缺口(1-1)、轴向螺纹孔(1-3)和径向紧定螺纹孔(1-4)以环形基座(1)的轴向对称面为中心呈镜像关系布置；所述环形缺口(1-2)与轴向压紧块(5)的结构相适应，且轴向压紧块(5)嵌入环形缺口(1-2)中，通过轴向固定螺钉(4)与环形基座(1)固定联接；二维压电致动器(2)的矩形基座(2-1)与环形基座(1)上的矩形缺口(1-1)形状特征相同，矩形基座(2-1)嵌入矩形缺口(1-1)中；径向紧定螺钉(6)通过径向紧定螺纹孔(1-4)与环形基座(1)相连，且与二维压电致动器(2)的矩形基座(2-1)相接触，通过调整径向紧定螺钉(6)的位置，实现二维压电致动器(2)沿环形基座(1)的径向分布位置的微调；所述圆盘动子(3)外沿设置上锥形环面(3-1)和下锥形环面(3-2)，上层N/2个二维压电致动器(2)的驱动足(2-3)与圆盘动子(3)的上锥形环面(3-1)相接触，而下层N/2个二维压电致动器(2)的驱动足(2-3)与圆盘动子(3)的下锥形环面(3-2)相接触。/n...

【技术特征摘要】
1.一种单自由度压电转台，其特征在于：包括一个环形基座(1)、N个二维压电致动器(2)、一个圆盘动子(3)、2N个轴向固定螺钉(4)、N个轴向压紧块(5)、N个径向紧定螺钉(6)，其中N为大于或等于6的偶数；N个二维压电致动器(2)分为上、下两层均布在环形基座(1)的圆周上，上下两层各包括N/2个二维压电致动器(2)；所述N个二维压电致动器(2)的结构相同；所述每个二维压电致动器(2)包括矩形基座(2-1)、压电元件(2-2)和驱动足(2-3)，矩形基座(2-1)、压电元件(2-2)和驱动足(2-3)依次固定联接；分别沿所述环形基座(1)上、下两个端面的圆周方向各均匀分布N个矩形缺口(1-1)和N个环形缺口(1-2)，且环形基座(1)每个端面上的矩形缺口(1-1)和环形缺口(1-2)均一一对应设置，其中环形缺口(1-2)为从环形基座(1)的相应端面去除部分环形体后形成，矩形缺口(1-1)位于环形缺口(1-2)的底面上，在每个环形缺口(1-2)的底面上设有2个轴向螺纹孔(1-3)；在环形基座(1)外圆柱面上且过每个矩形缺口(1-1)中心的径向方向上，设有一个径向紧定螺纹孔(1-4)；上端面的所述环形缺口(1-2)、矩形缺口(1-1)、轴向螺纹孔(1-3)和径向紧定螺纹孔(1-4)与下端面的所述环形缺口(1-2)、矩形缺口(1-1)、轴向螺纹孔(1-3)和径向紧定螺纹孔(1-4)以环形基座(1)的轴向对称面为中心呈镜像关系布置；所述环形缺口(1-2)与轴向压紧块(5)的结构相适应，且轴向压紧块(5)嵌入环形缺口(1-2)中，通过轴向固定螺钉(4)与环形基座(1)固定联接；二维压电致动器(2)的矩形基座(2-1)与环形基座(1)上的矩形缺口(1-1)形状特征相同，矩形基座(2-1)嵌入矩形缺口(1-1)中；径向紧定螺钉(6)通过径向紧定螺纹孔(1-4)与环形基座(1)相连，且与二维压电致动器(2)的矩形基座(2-1)相接触，通过调整径向紧定螺钉(6)的位置，实现二维压电致动器(2)沿环形基座(1)的径向分布位置的微调；所述圆盘动子(3)外沿设置上锥形环面(3-1)和下锥形环面(3-2)，上层N/2个二维压电致动器(2)的驱动足(2-3)与圆盘动子(3)的上锥形环面(3-1)相接触，而下层N/2个二维压电致动器(2)的驱动足(2-3)与圆盘动子(3)的下锥形环面(3-2)相接触。


2.根据权利要求1所述的一种单自由度压电转台，其特征在于：通过均匀布置在环形基座(1)上的N个二维压电致动器(2)支承圆盘动子(3)，通过N个二维压电致动器(2)与圆盘动子(3)之间的接触，限制圆盘动子(3)除去绕自身轴线旋转运动之外的所有运动自由度。


3.根据权利要求1所述的一种单自由度压电转台，其特征在于：利用一路电压信号，通过控制N个二维弯曲致动器(2)沿圆盘动子(3)轴线方向的弯曲运动，控制二维压电致动器(2)与圆盘动子(3)之间的正压力大小，进...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘英想，张仕静，邓杰，刘军考，陈维山，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙;23