一种三自由度压电作动器及其工作方法

技术领域

本发明涉及压电作动器技术领域，尤其涉及一种三自由度压电作动器及其工作方法。

背景技术

随着精密驱动技术的快速发展，对驱动系统中的执行器性能有了更高的要求和限制，要求其能够实现多自由度运动、响应迅速、无电磁干扰、小型化等。以往的多自由度作动器主要是采用多台单自由度电磁电机串联的形式实现三自由运动、多自由度球形电磁电机和多自由度空间并联机构等，这些结构都带有复杂的传动机构，往往会导致体积庞大、结构复杂。多自由度压电作动器是一种基于压电材料的逆压电效应来将电能转换为机械能，激励定子产生相应的共振模态，在摩擦作用的驱动下实现转子的多自由度运动。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种三自由度压电作动器及其工作方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种三自由度压电作动器，包含压电振子、球形转子、夹持框架、以及第一至第四连接杆；

所述压电振子包括定子、以及第一至第八压电陶瓷片；

所述定子为两端开口的空心球台，其关于两个底面之间的中性面对称；

所述第一至第八压电陶瓷片结构相同，均为块状球壳，均包含外壁、内壁、以及依次首尾相连的第一至第四侧壁，其中，所述内壁的直径和所述定子外球面的直径相等；

第一、第三、第五、第七压电陶瓷片周向均匀设置在所述定子的外球面上，第二、第四、第六、第八压电陶瓷片周向均匀设置在所述定子的外球面上，第一和第二压电陶瓷片、第三和第四压电陶瓷片、第五和第六压电陶瓷片、第七和第八压电陶瓷片均关于定子两个底面之间的中性面对称；第一至第八压电陶瓷片的第一、第三侧壁均和所述定子的底面平行，第一至第八压电陶瓷片的第二、第四侧壁均和所述定子的轴线共面；第一至第八压电陶瓷片均沿厚度方向极化且极化方向均朝内；

所述球形转子采用球体或者关于两个底面之间的中性面对称的球台，设置在所述定子内，和定子球面接触；

所述夹持框架将所述定子包含在内；所述第一至第四连接杆周向均匀设置在所述定子外，第一至第四连接杆的一端分别和定子工作模态时四个节圆和节径交界处一一对应固连，另一端和所述夹持框架固连。

作为本发明一种三自由度压电作动器进一步的优化方案，所述夹持框架采用正方形框架，其上四条边的四个中点处均设有用于和外界固连的螺纹通孔。

作为本发明一种三自由度压电作动器进一步的优化方案，所述第一至第四连接杆靠近定子的一端均为内凹的、和定子相配合的球面。

作为本发明一种三自由度压电作动器进一步的优化方案，所述球形转子采用关于两个底面之间的中性面对称的球台，其沿轴线设有用于设置输出轴的圆形通孔。

本发明还公开了一种该三自由度压电作动器的工作方法，包含以下步骤：

令定子的球心为笛卡尔坐标系原点，第一压电陶瓷片的第二、第四侧壁所在平面的角平分面为面A，第三压电陶瓷片的第二、第四侧壁所在平面的角平分面为面B，定子两个底面之间的中性面为C，从坐标原点沿面A和面C的交线朝外为X轴正方向，从坐标原点沿面B和面C的交线朝外为Y轴正方向，从坐标原点沿定子的轴线指向定子靠近第一压电陶瓷片的底面的方向为Z轴正方向；

如果需要驱动球面转子绕X轴旋转：

对第一、第二、第五、第六压电陶瓷片施加第一激励信号，对第三、第八压电陶瓷片施加第二激励信号，对第四、第七压电陶瓷片施加第三激励信号，第一至第三激励信号均为同频同幅的交流谐波信号，第一激励信号在时间相位差上超前第二激励信号π/2，第二激励信号与第三激励信号的相位相反,使压电振子同时激发径向弯曲振动模态和Y轴方向的轴向弯振动模态；通过径向弯曲振动模态和Y轴方向的轴向弯曲振动模态的耦合，在压电振子的驱动面形成垂直于X轴的微幅椭圆运动，经摩擦作用驱动球形转子绕X轴旋转；

如果需要绕X轴反向旋转，将第一激励信号的相位取反即可；

如果需要驱动球面转子绕Y轴旋转：

对第三、第四、第七、第八压电陶瓷片施加第一激励信号，对第一、第六压电陶瓷片施加第二激励信号，对第二、第五压电陶瓷片施加第三激励信号，第一至第三激励信号均为同频同幅的交流谐波信号，第一激励信号在时间相位差上超前第二激励信号π/2，第二激励信号与第三激励信号的相位相反,使压电振子同时激发径向弯曲振动模态和X轴方向的轴向弯振动模态；通过径向弯曲振动模态和X轴方向的轴向弯曲振动模态的耦合，在压电振子的驱动面形成垂直于Y轴的微幅椭圆运动，经摩擦作用驱动球形转子绕Y轴旋转；

如果需要绕Y轴反向旋转，将第一激励信号的相位取反即可；

如果需要驱动球面转子绕Z轴旋转：

对第一、第六压电陶瓷片施加第四激励信号，对第二、第五压电陶瓷片施加第五激励信号，对第三、第八压电陶瓷片施加第六激励信号，对第四、第七压电陶瓷片施加第七激励信号，第一至第七激励信号均为同频同幅的交流谐波信号，第四激励信号在时间相位差上超前第六激励信号π/2，第四激励信号与第六激励信号的相位相反,第五激励信号与第七激励信号的相位相反，使压电振子同时两个正交的轴向弯振动模态；通过两个正交的轴向弯曲振动模态的耦合，在压电振子的驱动面形成垂直于Z轴的微幅椭圆运动，经摩擦作用驱动球形转子绕Z轴旋转；

如果需要绕Z轴反向旋转，第四激励信号改变成在时间相位差上落后第六激励信号π/2即可。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1. 采用贴片式结构将压电陶瓷片粘贴在定子外球面，能够简化压电振子结构，有效减小作动器尺寸；

2. 采用定子与球形转子进行球面接触，这有利于增大驱动面实现提高作动器的效率。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中压电振子的结构示意图；

图3是本发明中第一至第八压电陶瓷片的极化方向示意图；

图4是本发明中球形转子的结构示意图；

图5是本发明中夹持框架、第一至第四连接杆相配合的结构示意图；

图6是本发明中压电振子在XOY平面上两个相位差为180度的径向弯曲振动模态对比示意图

图7是本发明中压电振子在XOZ平面上两个相位差为180度的Y轴方向的轴向弯振动模态模态对比示意图；

图8是本发明中压电振子在XOZ平面上两个相位差为180度的X轴方向的轴向弯振动模态模态对比示意图；

图9是本发明绕X轴转动时的压电振子工作状态示意图；

图10是本发明绕Y轴转动时的压电振子工作状态示意图；

图11是本发明绕X轴转动时的压电振子工作状态示意图。

图中，1-压电振子，2-球形转子，3-夹持框架，4-定子，5-第五压电陶瓷片，6-球形转子上的圆形通孔，7-矩形方架，8-第一连接杆，9-夹持框架上的螺纹通孔。

实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

应当理解，尽管这里可以使用术语第一、第二、第三等描述各个元件、组件和/或部分，但这些元件、组件和/或部分不受这些术语限制。这些术语仅仅用于将元件、组件和/或部分相互区分开来。因此，下面讨论的第一元件、组件和/或部分在不背离本发明教学的前提下可以成为第二元件、组件或部分。

如图1所示，本发明公开了一种三自由度压电作动器，包含压电振子、球形转子、夹持框架、以及第一至第四连接杆；

如图2所示，所述压电振子包括定子、以及第一至第八压电陶瓷片；

所述定子为两端开口的空心球台，其关于两个底面之间的中性面对称；

所述第一至第八压电陶瓷片结构相同，均为块状球壳，均包含外壁、内壁、以及依次首尾相连的第一至第四侧壁，其中，所述内壁的直径和所述定子外球面的直径相等；

第一、第三、第五、第七压电陶瓷片周向均匀设置在所述定子的外球面上，第二、第四、第六、第八压电陶瓷片周向均匀设置在所述定子的外球面上，第一和第二压电陶瓷片、第三和第四压电陶瓷片、第五和第六压电陶瓷片、第七和第八压电陶瓷片均关于定子两个底面之间的中性面对称；第一至第八压电陶瓷片的第一、第三侧壁均和所述定子的底面平行，第一至第八压电陶瓷片的第二、第四侧壁均和所述定子的轴线共面；第一至第八压电陶瓷片均沿厚度方向极化且极化方向均朝内，如图3所示；

所述球形转子采用球体或者关于两个底面之间的中性面对称的球台，设置在所述定子内，和定子球面接触；

所述夹持框架将所述定子包含在内；所述第一至第四连接杆周向均匀设置在所述定子外，第一至第四连接杆的一端分别和定子工作模态时四个节圆和节径交界处一一对应固连，另一端和所述夹持框架固连。

如图4所示，所述球形转子采用关于两个底面之间的中性面对称的球台时，其沿轴线设有用于设置输出轴的圆形通孔。

如图5所示，所述夹持框架采用正方形框架时，其上四条边的四个中点处均设有用于和外界固连的螺纹通孔。

所述第一至第四连接杆靠近定子的一端均为内凹的、和定子相配合的球面。

第一至第四连接杆与定子的外球面固连，连接处位于定子工作模态的节圆和节径交界处，即在定子的XOY平面中与X轴成45度和-45度夹角的两条直线所穿过的定子外球面的四个点。

球形转子的高度越大，可旋转角度范围也就越大，采用球体时可旋转角度范围最大。

本发明还公开了一种该三自由度压电作动器的工作方法，包含以下步骤：

令定子的球心为笛卡尔坐标系原点，第一压电陶瓷片的第二、第四侧壁所在平面的角平分面为面A，第三压电陶瓷片的第二、第四侧壁所在平面的角平分面为面B，定子两个底面之间的中性面为C，从坐标原点沿面A和面C的交线朝外为X轴正方向，从坐标原点沿面B和面C的交线朝外为Y轴正方向，从坐标原点沿定子的轴线指向定子靠近第一压电陶瓷片的底面的方向为Z轴正方向；

如果需要驱动球面转子绕X轴旋转：

对第一、第二、第五、第六压电陶瓷片施加第一激励信号，对第三、第八压电陶瓷片施加第二激励信号，对第四、第七压电陶瓷片施加第三激励信号，第一至第三激励信号均为同频同幅的交流谐波信号，第一激励信号在时间相位差上超前第二激励信号π/2，第二激励信号与第三激励信号的相位相反,使压电振子同时激发径向弯曲振动模态和Y轴方向的轴向弯振动模态，如图6和图7所示；通过径向弯曲振动模态和Y轴方向的轴向弯曲振动模态的耦合，在压电振子的驱动面形成垂直于X轴的微幅椭圆运动，经摩擦作用驱动球形转子绕X轴旋转，如图9所示；

如果需要绕X轴反向旋转，将第一激励信号的相位取反即可；

如果需要驱动球面转子绕Y轴旋转：

对第三、第四、第七、第八压电陶瓷片施加第一激励信号，对第一、第六压电陶瓷片施加第二激励信号，对第二、第五压电陶瓷片施加第三激励信号，第一至第三激励信号均为同频同幅的交流谐波信号，第一激励信号在时间相位差上超前第二激励信号π/2，第二激励信号与第三激励信号的相位相反,使压电振子同时激发径向弯曲振动模态和X轴方向的轴向弯振动模态，如图6和图8所示；通过径向弯曲振动模态和X轴方向的轴向弯曲振动模态的耦合，在压电振子的驱动面形成垂直于Y轴的微幅椭圆运动，经摩擦作用驱动球形转子绕Y轴旋转，如图10所示；

如果需要绕Y轴反向旋转，将第一激励信号的相位取反即可；

如果需要驱动球面转子绕Z轴旋转：

对第一、第六压电陶瓷片施加第四激励信号，对第二、第五压电陶瓷片施加第五激励信号，对第三、第八压电陶瓷片施加第六激励信号，对第四、第七压电陶瓷片施加第七激励信号，第一至第七激励信号均为同频同幅的交流谐波信号，第四激励信号在时间相位差上超前第六激励信号π/2，第四激励信号与第六激励信号的相位相反,第五激励信号与第七激励信号的相位相反，使压电振子同时两个正交的轴向弯振动模态，如图7和图8所示；通过两个正交的轴向弯曲振动模态的耦合，在压电振子的驱动面形成垂直于Z轴的微幅椭圆运动，经摩擦作用驱动球形转子绕Z轴旋转，如图11所示；

如果需要绕Z轴反向旋转，第四激励信号改变成在时间相位差上落后第六激励信号π/2即可。

多自由度压电作动器在保留压电作动器的结构简单灵活、响应迅速、无电磁干扰等优点下，还能实现多自由度运动。采用贴片式球壳定子能够简化压电振子结构，有效减小作动器尺寸，此外，采用球壳定子与球形转子球面接触进行驱动，有利于增大驱动面实现提高作动器的效率。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。