基于盆架状定子的压电平面运动装置的制作方法

本实用新型涉及压电精密驱动技术和压电电机技术领域，具体涉及一种基于盆架状定子的压电平面运动装置。

背景技术：

平面电机是一类可以直接将电能转换为平面运动的新型电动机，它是大集成度ic制造、精密与超精密加工的核心技术。与传统的二维定位工作台相比，平面电动机的运动轨迹不是利用两个相互垂直的导轨经由运动方向的合成而实现，而是通过对电动机进行巧妙设计直接输出平面定位运动。与传统的二维工作台相比，平面电机摒弃了丝杆-螺母副等中间转换装置具有出力密度高、热耗低、精度高等特点，同时由于实现了控制对象和平面电动机的一体化，因而具有响应速度快、灵敏度高、随动性好、体积小等优点。根据电机所基于的电能到机械能的能量转换原理的不同，平面电机可分为电磁平面电机和压电平面电机两大类，前者利用电磁感应原理实现电能到平面运动态动力的转换；后者则基于逆压电效应实现电能转换到振动态机械能的转换。目前电磁平面电机技术的发展要相对成熟一些，并已推出了变磁阻型平面电动机、感应型平面电动机、永磁型平面电动机等不同电磁原理的电磁平面电机。但是囿于电磁耦合的非线性以电磁绕组的线端效应，电磁平面电机普遍存在发热较严重、动力波动大、运动精度受限、控制性不佳、稳定性欠佳、结构复杂等一系列问题。而压电平面电机是一种利用压电材料特有的逆压电性质促使电机内的定子发生有规律的振动，再通过定、动子间存在摩擦作用力将电能转变为促使平面运动发生的电动机组织形式，由于压电平面电机从原理上突破了电磁感应的框架，故与电磁平面电机相比，它具有结构简单、型式多样、小型轻量、响应快、噪声低、断电自锁、不受磁场干扰等特点，因而在生医操作、高精密ic蚀刻、光纤对接、精细化工、微操作等领域存在广阔的应用前景。正因如此，压电平面电机构成了超声电动机研究的重要方面且成为该领域近期的主要研究热点，并且人们为此做了不少工作，比如肖智勇提出一种基于h型定子推动的压电平面电机，该电机利用h型构型的面外二阶反对称弯振模以及两向面内一阶反对称纵振模态等三相特定模态为工作模态推动动子做平面运动；凌普推出一种基于十字定子形压电振子的平面电机，并探索该电机的动力学特性；江涛提出一种双十字耦合构型谐振驱动的压电平面电机，阐明了其运行原理；余九提出口齿式振子驱动的平面电机的新原理及动力学结构，并验证了电机的有效性。但是，尽管如此，目前的压电平面电机性能距离其广泛的工程应用尚有较大差距：一方面，压电平面电机还普遍存在动力小、效率不高、工作欠稳等问题；另一方面，目前其极其有限的结构样式使其还无法满足应用领域对其提出的多样需求，因推出更多的高性能压电平面电机原理及其动力学结构，成为压电平面电机研究的当务之急。本发明提出的基于盆架状构型定子驱动的压电平面运动装置就是适此背景所做出的一个创新，该装置本质上即是一种高性能压电平面电机。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的问题是：提供一种基于盆架状定子的压电平面运动装置，基于压电驱动方式推动滑台运行，使该滑台具有高精密运动特性，该平面运动装置采用多驱动足推动滑台，故能成倍增大平台的出力密度、运动速度并使其运行更趋稳定。

本实用新型为解决上述问题所提供的技术方案为：一种基于盆架状定子的压电平面运动装置，包括定子组件、滑台组件、机座组件；所述滑台组件连接定子组件并且构成两向运动的移动副，定子组件连接机座组件，滑台组件连接机座组件并且构成两向运动的滚-滑式运动副；

所述定子组件包括定子基体、压电陶瓷片组和驱动足，所述定子基体包括四根方形杆和一个十字块，各方形杆连接十字块，所述压电陶瓷片组由32片压电陶瓷组成，32片压电陶瓷均布在四根方形杆上，所述驱动足均呈球形凸起状且分别安装在各方形杆的上端。

优选的，所述滑台组件包括滑台和滑台运动导轨，滑台连接滑台运动导轨并构成滚动副。所述滑台运动导轨由盖板、滚珠和托珠板构成，在盖板上制出四个长条状沟槽，滚珠放置在长条形沟槽之内并用托珠板盖住滚珠，且托珠板粘贴在盖板上。

优选的，所述机座组件包括底板、下板框、中层板、上板框、圆形台柱、橡胶垫，下板框连接底板，中层板连接下板框，上板框连接中层板，圆形台柱固定在底板之上，橡胶垫置于圆形台柱上，定子组件经由橡胶垫而用螺钉连接在圆形台柱上。

优选的，所述定子基体呈现盆架状构型。

与现有技术相比，本实用新型的优点是：1.本发明采用盆架状结构压电定子驱动滑台做两向平面运动，可实现滑台的精密运动和定位，并使滑台沿x向和y向获得微米级甚至更高的重复定位精度。2.本发明中的压电平面运动装置中，由盆架状结构的压电振子对滑台进行直接驱动，从而可以在驱动件与执行件之间省却传动部件，这就大大改善了平面运动装置的动态特性，使滑台具有更快的响应速度和运行精度。3.本发明的压电平面运动装置采用多驱动足交替推动滑台两向自由度运动的驱动方式，这种多驱动足合力驱动的方式能成倍增大滑台输出推力和速度，并使其平台的运行更趋稳定。4.本发明的压电平面运动装置利用盆架状结构定子的纵向振动实现驱动足与滑台的动态接触与分离，这种运转方式有利于增大驱动足与滑台之间的动态正压力和摩擦力，从而有利于提高压电平面运动装置的动力输出。5.本发明的压电平面运动装置在精密和超精加工、大集成度ic制造、微小型伺服执行机构的精密驱动等领域中存在广阔的应用前景。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本实用新型的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。

图1为本实用新型基于盆架状定子的压电平面运动装置的三维装配结构；

图2为本实用新型压电平面运动装置中的盆架状定子组件结构示意图；

图3为本实用新型压电平面运动装置中的滑台组件的结构示意图；

图4为本实用新型压电平面运动装置中的机座组件的结构示意图；

图5为本实用新型压电平面运动装置的工作模态振型，其中图5a为前(后)方形杆与左(右)方形杆间的反对称纵向伸缩振动模态示意，图5b为左(右)方形杆同型“3”字型弯振模态示意，

图5c为前(后)方形杆同型“3”字型弯振模态示意。

图6为定子组件的压电陶瓷极化及供电配置，其中图6a为左(右)方形杆的压电陶瓷极化及供电配置示意，图6b为前(后)方形杆的压电陶瓷极化及供电配置示意；

图7为定子组件在其振动周期内推动滑台移进的第一步驱动示意，其中，图7a为zox平面内的驱动状态示意，图7b为zoy平面内的驱动状态示意。

图8为定子组件在其振动周期内推动滑台移进的第二步驱动示意，其中，图8a为zox平面内的驱动状态示意，图8b为zoy平面内的驱动状态示意。

图9为定子组件在其振动周期内推动滑台移进的第三步驱动示意，其中，图9a为zox平面内的驱动状态示意，图9b为zoy平面内的驱动状态示意。

图10为定子组件在其振动周期内推动滑台移进的第四步驱动示意，其中，图10a为zox平面内的驱动状态示意，图10b为zoy平面内的驱动状态示意

图中：1-定子组件，11-定子基体，111-方形杆，112-十字块，12-压电陶瓷，13-驱动足；2-滑台组件，21-滑台，22-滑台运动导轨，221-盖板，222-滚珠，223-托珠板；3-机座组件，31-底板，32-下板框，33-中层板，34-上板框，35-圆形台柱，36-橡胶垫，37-安装螺钉。

具体实施方式

以下将配合附图及实施例来详细说明本实用新型的实施方式，藉此对本实用新型如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。

如图1～图4，本发明基于盆架状构型定子驱动的压电平面运动装置由定子组件1、滑台组件2、机座组件3构成，滑台组件2连接定子组件1，并且两者之间构成能沿两自由度方向运动的移动副；定子组件1连接机座组件3；滑台组件2连接机座组件3，并且它们构成可以沿两自由度方向运动的滚-滑副。

如图2所示，所述定子组件1由定子基体11、压电陶瓷片组12、驱动足13构成，定子基体11具有盆架状构型，由四根方形杆111和一个十字块112组成，并且四根方形杆111均连接十字块112的端部，在每根方形杆111的中心处均制出细长孔，在方形杆111与十字块112连接处均制出方形槽，在十字块112的中心处也钻有通孔。所述压电陶瓷片组12由32片压电陶瓷所组成，这些压电陶瓷片分为三组，其中粘贴在前方形杆和后方形杆上靠近端部位置的8片陶瓷片构成前(后)方形杆弯振激励陶瓷组121，而粘贴在左方形杆和右方形杆上靠近端部位置的8片陶瓷片构成左(右)方形杆弯振激励陶瓷组122，而各杆上靠近中部位置的16片陶瓷片则构成纵振激励陶瓷组123，所述驱动足13包括了四个驱动足，各驱动足均呈球形凸起状且分别安装在各方形杆111的上端面。

如图3所示，所述滑台组件2由滑台21和滑台运动导轨22组成，滑台21连接平面运动导轨22，它们之间构成滚-滑运动副，而且滑台21呈现方形板结构；所述的平面运动导轨22则由盖板221、滚珠222以及托珠板223构成，在盖板221上设置有四个长条状的沟槽，滚珠222放置在这些沟槽之内并由托珠板223盖住，且保证滚珠222的部分表面露出，托珠板223用强力胶粘贴在盖板221表面。

如图4所示，所述机座组件3由底板31、下板框32、中层板33、上板框34、圆形台柱35、橡胶垫36组成，下板框32通过螺钉连接在底板31上，中层板33连接下板框32，上板框34连接中层板33，圆形台柱35通过螺钉固定在底板31之上，橡胶垫36置于圆形台柱35上。定子组件1经由橡胶垫36通过螺钉37紧固在圆形台柱35上，参见图1。

如图5所示，本发明基于盆架状定子的压电平面运动装置，选定盆架状弹性结构定子特定的三相振动模态作为工作模态以驱动滑台21的运行，这三相工作模态分别是定子基体的反对称纵向伸缩模态、左(右)方形杆面内同型“3”字型弯振模态、前(后)方形杆同型“3”字型弯振模态，三相工作模态的特征在于：当定子基体做前(后)方形杆与左(右)方形杆之间的反对称纵向伸缩模态振动时，定子前(后)方形杆与左(右)方形杆呈现交替地伸缩的振动状态；当定子基体做左(右)方形杆面内同型“3”字型弯振模态振动时，左、右方形杆做“3”字形振型的弯曲变形振动，而前、后方形杆呈直杆状而且不作伸缩运动；当定子基体做前(后)方形杆面内同型“3”字型弯振模态振动时，前(后)方形杆均做“3”字形振型的弯曲变形振动，而左、右方形杆呈直杆状而且不作伸缩运动。

如图6所示，本发明基于盆架状定子的压电平面运动装置，利用定子基体三相工作模态的谐振推动滑台行进，其运行控制方式为：当对定子组件上压电陶瓷12内的三组压电陶瓷分别施加具有一定幅度的、且驱动频率与定子基体工作模态频率接近的三相简谐电功率驱动信号，并使作用在纵振激励陶瓷组123的电功率驱动信号与作用在前(后)方形杆弯振激励陶瓷组121以及左(右)杆弯振激励陶瓷组122上的电功率驱动信号分别相差90o的时间位差，就能激发定子基体做三相工作模态的谐振，从而使定子左(右)方形杆上驱动足13沿xoz平面内做椭圆轨迹运动，并使定子前(后)方形杆的驱动足13均沿yoz平面做椭圆轨迹运动。本发明正是利用驱动足13沿xoz面行进的椭圆运动轨迹和沿yoz面行进的椭圆轨迹，并借助驱动足13与滑台21之间的摩擦耦合推动滑台21沿x、y向移动，并实现该平面运动装置的2个运动自由度。如果逆转通入到纵振激励陶瓷组123与通入到左(右)方形杆弯振激励陶瓷组121上的电功率信号之间的超前/滞后关系，将使滑台21沿x轴的反方向运行；同样，若逆转通入到纵振激励陶瓷组123与通入到前(后)方形杆弯振激励陶瓷组122上的电功率信号间的超前滞后相位关系，将使滑台21沿y轴的反方向运动。

如图8～10所示，对于本发明的压电平面运动装置，其定子组件1在一个振动周期(t)内对滑台21的驱动过程是：在0～t/4时段，左、右方形杆的纵振使它们分别由初始杆长伸张成最大长度，致使左、右方形杆上的驱动足13与滑台组件上的滑台21相接触，而左、右方形杆的弯曲模态振动使两杆由最大左弯状态恢复成直杆态，从而使左、右杆上的驱动足13分别由a1、b1运行至a2、b2位置并推动滑台21沿x向移进一个步矩λ1；与此同时，前、后方形杆的纵振则使它们由初始长度收缩至最小杆长，使前、后方形杆上的驱动足13与滑台21脱离接触，前、后方形杆的弯曲模态振动则使前、后方形杆由最大前弯状恢复成直杆状，从而使前、后方形杆上的驱动足13由f1、g1行进到f2、g2位置。在t/4～t/2时段，左、右方形杆的纵振使它们均由最大杆长恢复到初始杆长，此时两杆上的驱动足13仍然保持与滑台21接触，而左、右方形杆的弯曲模态振动却使两杆由直杆状弯成最大右弯状，从而使左、右方形杆上的驱动足13分别由a2、b2运行至a3、b3位置，并推动滑台21沿x向再移进一个步矩λ1；与此同时，前、后方形杆的纵振则使它们由初始最小杆长恢复到初始杆长，使前、后方形杆上的驱动足13仍然不与滑台21接触，而前、后方形杆的弯曲模态振动则使前、后方形杆由直杆状弯曲成最大后弯状，从而使前、后方形杆上的驱动足13由f2、g2行进到f3、g3位置。在t/2～3t/4时段内，左、右方形杆的纵振使其由初始长度收缩成最小杆长，而使驱动足13脱离与滑台21的接触，而左、右方形杆的弯曲模态振动则使它们由最大右弯状恢复成直杆状，从而使左、右方形杆上的驱动足13分别由a3、b3运行至a4、b4位置；与此同时，前、后方形杆的纵振则使它们由初始杆长伸张成最大杆长，致使前、后方形杆上的驱动足13与滑台21相接触，而前、后方形杆的弯曲模态振动则使前、后方形杆由最大后弯状恢复成直杆状，从而使前、后杆上的驱动足13由f3、g3行进到f4、g4位置并推动滑台21沿y向移进第一个步距λ2。在3t/4～t时段内，左、右方形杆的纵振使其由最小杆长恢复为初始长度，使驱动足仍然不与滑台21接触，左、右方形杆的弯曲模态振动则使它们由直杆状弯曲成最大左弯状，从而使左、右方形杆上的驱动足13由a4、b4运行至a1、b1位置；与此同时，前、后方形杆的纵振则使它们由最大杆长恢复到初始杆长，使前、后方形杆上的驱动足13仍然与滑台21保持接触，而前、后方形杆的弯曲模态振动则使前、后方形杆由直杆状弯曲成最大前弯状，从而使前、后方形杆上的驱动足13由f4、g4行进到f1、g1位置，并推动滑台21沿y向移进第二个步距λ2。这样，定子基体每完成一个工作振动周期，其左、右方形杆和前、后方形杆上的驱动足13各完成一个椭圆轨迹运动，并且左、右方形杆上的驱动足13和前、后方形杆上的驱动足13交替地推动滑台21沿x向和y向分别移动两个步距。当定子基体完成不断重复上述振动周期时，驱动足将推动滑台21不断地沿x向和y方向行进。

实施例：

如图1所示，本发明基于盆架状构型定子驱动的压电平面运动装置由定子组件1、滑台组件2、机座组件3构成。其滑台组件2连接定子组件1，并且二者构成能沿两自由度方向运动的移动副，定子组件1连接机座组件3；滑台组件2连接机座组件并且它们构成可沿两自由度方向运动的滚-滑副。

如图2所示，定子组件1由定子基体11、压电陶瓷片组12、驱动足13构成，定子基体11采用45钢制成，呈盆架状结构，由四根方形杆111和一个十字块112组成。各方形杆111截面尺寸为5mm、5mm，长度55mm。在各方形杆111下端的中心处均制出孔径为φ2～2.5mm的细长孔。方形杆尺寸及细长孔直径还可根据三相工作模态频率一致性的要求进行少量调整。定子基体上前(后)方形杆的间距以及左、右两方形杆的间距均为20mm。在方形杆111与十字块112连接处制出方形槽，十字块112的厚度设置为6mm，在十字块112的中心钻φ4mm的通孔供定子组件固定之用。

如图3所示，滑台组件2由滑台21和滑台运动导轨22构成，滑台21与滑台运动导轨22构成滚-滑运动副。滑台21呈方形薄板状结构，尺寸为60mmⅹ60mmⅹ2mm。滑台运动导轨22由方形盖板221、滚珠222和托珠板223构成，其中，方形盖板的外廓尺寸为98mmⅹ98mm，滚珠222的直径为3mm。在方形盖板221上加工出四个宽度为3.2mm的直槽口，滚珠222分别装入这些直槽口之后，用4块托珠板223盖住。在每块托珠板223上均开设了宽度为2.8mm的通槽，以便滚珠222装入直槽口后有部分表面会露出，托珠板223通过强力胶粘在盖板221上。

如图4所示，机座组件3由底板31、下板框32、中层板33、上板框34、圆形台柱35、橡胶垫36组成。下板框31和上板框32均呈方框状结构，且各由四块矩形板通过螺钉连接而成。下板框32通过螺钉连接在底板31上，中层板33通过螺钉连接在下板框32上，上板框34通过螺钉连接在中层板33上，圆形台柱35通过螺钉固定在底板31之上，橡胶垫36放置在圆形台柱35上。定子组件1经由橡胶垫36并通过螺钉37紧固在圆形台柱35上，并且通过调节橡胶垫36的压紧程度，可以调整定子组件1上的驱动足13与滑台21之间的预紧力。

如图5所示，基于盆架状定子结构的压电平面运动装置利用盆架状定子的三种特定振动模态作为工作模态，并通过激发这三种模态的谐振来实现该压电平面运动装置的两自由度运动。这三种工作模态分别是盆架状定子的前(后)方形杆与左(右)方形杆之间的反对称纵向伸缩振动模态、左(右)方形杆面内同型“3”字型弯振模态、前(后)方形杆同型“3”字型弯振模态。在该压电平面运动装置运行过程中，其反对称纵向伸缩振动模态振动用于实现驱动足13与滑台21的动态接触与分离，前(后)方形杆同型“3”字型弯振模态振动和左(右)方形杆面内同型“3”字型弯振模态振动则用于推动滑台21沿y向和x向移动。

如图6所示，为了正确地激励盆架状定子的三种工作模态，须在定子基体上粘贴一定数量的压电陶瓷片并对它们进行正确的极化配置。为此，在定子基体方形杆上粘贴了32片压电陶瓷，这些陶瓷片的厚度为0.5～0.6mm。可将这些压电陶瓷片分成三组，其中，粘贴在前(后)方形杆上靠近端部位置的8片陶瓷构成前(后)方形杆弯振激励陶瓷组121，粘贴在左(右)方形杆靠近端部处的8片陶瓷构成左(右)方形杆弯振激励陶瓷组122，粘贴在各杆中部位置附近的16片陶瓷构成纵振激励陶瓷组123。前(后)方形杆弯振激励陶瓷组121、左(右)方形杆弯振激励陶瓷组122中各陶瓷片的尺寸相同，而纵振激励陶瓷组123内的各陶瓷片尺寸也相同。纵振激励陶瓷组123中的各陶瓷片均沿着指向其与定子基体贴粘面的方向进行极化。针对前(后)方形杆弯振激励陶瓷组121以及左(右)方形杆弯振激励陶瓷组122中各陶瓷片，其极配置模式是：凡是置于方形杆外侧的陶瓷片，均沿着指向其与定子基体贴粘面的方向进行极化，凡是置于各方形杆内侧的陶瓷片均沿背离其与定子基体贴粘面的方向进行极化。

如图6所示，为了有效地激发定子的三相工作模态的谐振并减少驱动电源的相数，同时也为了尽可能避免产生电学“短路”现象，必须对压电陶瓷片组12进行适当的供电配置。为此，对于各压电陶瓷片与定子基体粘贴的电极面，均进行“接地”处理；同时，对于纵振激励陶瓷组123中各陶瓷片，其背离粘贴面的电极均须通入u1cosωt的简谐电功率信号；对于前(后)方形杆弯振激励陶瓷组121内各陶瓷须通入u2sinωt的简谐电功率信号；对于左(右)方形杆弯振激励陶瓷组122中各陶瓷片则须通入u3sinωt简谐电功率信号。同时，为能在驱动足13上激发出微米级振幅，以便使驱动足13能够有效地推动滑台21滑移，要求所驱动信号的频率ω与定子的工作模态频率非常接近，且应保证驱动频率与工作模态频率的差值最大不能超过0.5％，如果驱动频率与工作模态频率相差过大，则可通过调整定子基体的尺寸来适当地调节工作模态频率；同时要求驱动信号的幅值u1、u2、u3应控制150v～300v之内。

本实用新型具有三种工作模态，三种特定振动模态作为工作模态以驱动滑台的两向平面运动自由度。所述三种工作模态分别是盆架状定子基体的前(后)方形杆与左(右)方形杆之间的反对称纵向伸缩振动模态、左(右)方形杆面内同型“3”字型弯振模态、前(后)方形杆面内同型“3”字型弯振模态，其特征在于：当定子基体做前(后)方形杆与左(右)方形杆之间的反对称纵向伸缩模态振动时，定子前(后)方形杆与左(右)方形杆呈现交替地伸缩的振动状态；当定子基体做左(右)方形杆面内同型“3”字型弯振模态振动时，左、右方形杆做“3”字形振型的弯曲变形振动，而前、后方形杆呈直杆状而且不作伸缩运动；当定子基体做前(后)方形杆面内同型“3”字型弯振模态振动时，前、后方形杆做“3”字形振型的弯曲变形振动，而左、右方形杆呈直杆状而且不作伸缩运动。

本实用新型的运行方式：当对定子组件上压电陶瓷片组12内的三组压电陶瓷片分别通入具有一定幅度的、频率与定子基体三相工作模态频率接近的三相交流电功率简谐信号，并且使施加在纵振激励陶瓷组123的电功率信号与施加在前(后)方形杆弯振激励陶瓷组121以及左(右)方形杆弯振激励陶瓷组122上的电功率信号在时间上相差90o相位差时，即可激发定子做三相工作模态谐振，从而使定子左、右方形杆上的驱动足13沿着xoz平面内做椭圆轨迹运动，并同时使定子前、后方形杆的驱动足13沿yoz平面做椭圆轨迹运动。本发明所述的平面运动装置分别利用左、右方形杆上驱动足13沿xoz面的椭圆运动以及前、后方形杆上驱动足13沿xoz面行进的椭圆轨迹，并借助驱动足13与滑台21之间的摩擦作用推动滑台21分别沿x向和y向滑移，以实现该平面运动装置的运动功能。若逆转通入到纵振激励陶瓷组123以及通入到左(右)方形杆弯振激励陶瓷组122上的电功率信号之间的超前滞后相位关系时，将使滑台21沿x轴的反方向运动；同样，若逆转通入到纵振激励陶瓷组123以及通入到前(后)方形杆弯振激励陶瓷组121上的电功率信号之间的超前滞后相位关系，将使滑台21沿y轴的反方向运动。

以上仅就本实用新型的最佳实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本实用新型不仅局限于以上实施例，其具体结构允许有变化。凡在本实用新型独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本实用新型保护范围内。