一种行走式压电旋转马达的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及驱动器领域，具体是一种应用新型压电扭转驱动器和压电箝位轴承驱动模块的行走式压电旋转马达。
【背景技术】
[0002]随着微纳米科学技术的快速发展，在物理化学、生物医学、航天航空、新型能源等多种领域中，迫切需要微纳米级精密定位和微纳米级精密驱动技术。在现有微纳定位操作机构设计中，串联式旋转关节操控机构能实现多自由度运动，继承了工业机器手、关节坐标测量机的设计特点，具有整体结构紧凑、三维运动范围大、操控灵活性强等优势，受到广泛的关注。在精密旋转定位驱动系统中，驱动器对整个系统的性能有着决定性的影响。与传统的驱动器相比，以智能材料为核心功能材料的微型驱动器脱颖而出。
[0003]以电磁式驱动为核心的驱动器在小尺寸下输出功率较小，发热较严重；以形状记忆合金为核心的驱动器可控性较难，发热影响控制精度，响应速度较慢；压电驱动器具有换能效率高，体积小，重量轻，结构刚度大，优良的力(力矩)和输出保持能力，亚毫秒级以上的响应速度，动态范围宽等优点，在微型驱动中优势明显。目前，国内外压电精密驱动器按照运动方式一般分为直接驱动式、尺蠖式和冲击式。直接驱动式压电驱动器通常将压电元件与柔性铰链结合，通过柔性铰链放大压电元件的位移输出；尺蠖式压电驱动器一般采取两个箝位机构和一个伸缩机构，利用箝位单元的静摩擦力和位移单元的伸缩变形，实现滑动杆与驱动机构之间的相对步进运动；冲击式驱动器是利用压电元件快速变形产生的惯性冲击来实现微位移的一种步进驱动机构。直接驱动器结构设计复杂，需要合理设计柔性铰链放大结构，尺寸往往较大；尺蠖式压电驱动器通常驱动电路复杂，控制困难；冲击式压电驱动器存在步距非线性、输出力矩小，以及磨擦磨损、振动干扰造成的稳定性差、定位精度低等问题。
[0004]这些不同驱动方式的压电驱动器能实现旋转位移的驱动，但是结构比较复杂，输出力矩不稳定，效率不高，且难以实现微型化。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种应用新型压电扭转驱动器和压电箝位轴承驱动模块实现行走式旋转步进运动的行走式压电旋转马达，以解决现有技术不同驱动方式压电旋转马达微型化程度低、驱动力不足、精度较低、稳定性差的问题。
[0006]为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为:
[0007]一种行走式压电旋转马达，其特征在于:包括压电扭转驱动器，压电扭转驱动器两端分别通过套筒安装有压电箝位轴承驱动模块，压电扭转驱动器中设置有旋转轴，且旋转轴两端分别穿过套筒并安装于压电箝位轴承驱动模块内，其中:
[0008]所述压电扭转驱动器由压电陶瓷圆管和设置在压电陶瓷圆管外表面上的螺旋叉指电极构成，所述旋转轴设置在压电陶瓷圆管中心轴线处，所述套筒分别安装在压电陶瓷圆管两管端上；
[0009]每个压电箝位轴承驱动模块包括环形的轴承座，轴承座的左、右半圆内壁分别设置有压电堆座对，每个压电堆座对分别由两压电堆座组成，每个压电堆座以悬臂方式连接在轴承座内壁上，且轴承座左、右半圆内的压电堆座对相互对称，每个压电堆座对中两压电推座之间分别连接有支架，轴承座左、右半圆内的支架呈相互对称并相对向轴承座圆心拱起，且每个支架拱起顶点处分别设置为半圈，轴承座左、右半圆内支架上的半圈相对构成整圆的并与轴承座共圆心的轴承套圈，由轴承座、压电堆座、支架、轴承套圈构成轴承单元，轴承单元中左、右半圆内压电堆座对各自两压电堆座之间分别连接有压电堆，且两压电堆相互对称并分别与轴承座内同一径向平行，由轴承单元和两压电堆构成压电箝位轴承驱动模块，两压电箝位轴承驱动模块中的轴承座分别安装在套筒上，且旋转轴两端分别穿过套筒并安装在对应端电箝位轴承驱动模块的轴承套圈中，由轴承套圈对旋转轴施加一定的预夹紧力。
[0010]所述的一种行走式压电旋转马达，其特征在于:压电扭转驱动器采用多对螺旋叉指电极设计以降低驱动电压，多对螺旋叉指电极通过刻槽方式设置在压电陶瓷圆管外表面上，通过刻槽电极结构以改善驱动电场分布，同时优化刻槽电极结构参数平衡对结构刚度的影响。
[0011]所述的一种行走式压电旋转马达，其特征在于:每个套筒朝向压电陶瓷圆管的一面分别设置有与压电陶瓷圆管管内径匹配的环台，两套筒采用环氧树脂胶或AB胶与压电扭转驱动器中压电陶瓷圆管管端粘接，套筒上环台分别插入压电陶瓷圆管管端中，且环台侧面分别采用环氧树脂胶或AB胶与压电陶瓷圆管管端内侧面粘接。
[0012]所述的一种行走式压电旋转马达，其特征在于:每个套筒中分别沿平行于套筒中心轴线方向设置有对称分布的四个螺纹孔，对应端的轴承座上亦对应开设有通孔，压电箝位轴承驱动模块安装在对应端套筒上时，压电箝位轴承驱动模块中轴承座通过螺钉与套筒紧密连接。
[0013]所述的一种行走式压电旋转马达，其特征在于:所述轴承单元采用不锈钢材料整体线切割加工而成，在与旋转轴相接触的轴承套圈的内侧端面作表面耐磨处理或喷涂耐磨材料。
[0014]所述的一种行走式压电旋转马达，其特征在于:所述轴承座中对应每个压电堆座位置分别开设有通孔，每个压电堆座中分别开设左右螺纹通孔，每个压电堆两端分别连接有紧定螺钉，轴承座上通孔孔径比紧定螺钉公称直径稍大，且紧定螺钉分别从位置对应的轴承座通孔中穿过后螺合入压电堆座中位置对应的螺纹孔中，通过紧定螺钉调节轴承套圈对旋转轴的预夹紧力。
[0015]所述的一种行走式压电旋转马达，其特征在于:所述轴承套圈、支架、压电堆座和轴承座内侧通过整体线切割加工而成，并且在它们相互连接处切割出铰链形式降低轴承单元的刚度。
[0016]本发明中，压电箝位轴承驱动模块中的压电堆在电压驱动下伸缩变形，驱动轴承套圈实现夹紧、松开等微小运动，通过控制压电箝位轴承驱动模块的夹紧、松开时序以及压电扭转驱动器的扭转运动的时序，实现旋转轴步进运动。
[0017]与已有技术相比本发明的优点在于:
[0018]本发明压电扭转驱动器采用刻槽螺旋电极压电管结构，扭转位移大，驱动力矩高，微型化难度低，压电箝位轴承驱动模块采用柔性铰链放大机构，可有效放大压电堆的驱动位移，降低驱动电压，关节整体机构采用对称布局，结构紧凑，适宜于微型化，可以有效提高其运行效率和稳定性。
【附图说明】
[0019]图1为本发明结构的轴测示意图。
[0020]图2为本发明的压电箝位轴承驱动模块结构示意图。
[0021]图3为本发明的压电扭转驱动器结构示意图。
[0022]图4为本发明的压电扭转驱动器主剖示意图。
[0023]图5为本发明的箝位和旋转控制的信号波形图。
【具体实施方式】
[0024]图1-图4所示，一种行走式压电旋转马达，包括压电扭转驱动器13，压电扭转驱动器13两端分别通过套筒14安装有压电箝位轴承驱动模块11、12，压电扭转驱动器13中设置有旋转轴6，且旋转轴6两端分别穿过套筒14并安装于压电箝位轴承驱动模块11、12内，其中:
[0025]压电扭转驱动器13由压电陶瓷圆管7和设置在压电陶瓷圆管7外表面上的螺旋叉指电极8构成，旋转轴6设置在压电陶瓷圆管7中心轴线处，两套筒14分别安装在压电陶瓷圆管7两管端上；
[0026]每个压电箝位轴承驱动模块包括环形的轴承座1，轴承座I的左、右半圆内壁分别设置有压电堆座对，每个压电堆座对分别由两压电堆座2组成，每个压电堆座2以悬臂方式连接在轴承座I内壁上，且轴承座I左、右半圆内的压电堆座对相互对称，每个压电堆座对中两压电推座2之间分别连接有支架3，轴承座I左、右半圆内的支架3呈相互对称并相对向轴承I座圆心拱起，且每个支架3拱起顶点处分别设置为半圈，轴承座I左、右半圆内支架3上的半圈相对构成整圆的并与轴承座共圆心的轴承套圈4，由轴承座1、压电堆座2、支架3、轴承套圈4构成轴承单元9，轴承单元9中左、右半圆内压电堆座对各自两压电堆座2之间分别连接有压电堆5，且两压电堆5相互对称并分别与轴承座I内同一径向平行，由轴承单元9和两压电堆5构成压电箝位轴承驱动模块11和12，两压电箝位轴承驱动模块11、12中的轴承座I分别安装在套筒14上，且旋转轴6两端分别穿过套筒14并安装在对应端电箝位轴承驱动模块的轴承套圈4中，由轴承套圈4对旋转轴6施加一定的预夹紧力。
[0027]压电扭转驱动器13采用多对螺旋叉指电极8设计以降低驱动电压，多对螺旋叉指电极8通过刻槽方式设置在压电陶瓷圆管7外表面上，通过刻槽电极结构以改善驱动电场分布，同时优化刻槽电极结构参数平衡对结构刚度的影响。
[0028]每个套筒14朝向压电陶瓷圆管7的一面分别设置有与压电陶瓷圆管7管内径匹配的环台，两套筒14采用环氧树脂胶或AB胶与压电扭转驱动器13中压电陶瓷圆管7管端粘接，套筒14上环台分别插入压电陶瓷圆管7管端中，且环台侧面分别采用环氧树脂胶或AB胶与压电陶瓷圆管7管端内侧面粘接。
[0029]每个套筒14中分别沿平行于套筒14中心轴线方向设置有对称分布的四个螺纹孔，对应端的轴承座I上亦对应开设有通孔，压电箝位轴承驱动模块安装在对应端套筒14上时，压电箝位轴承驱动模块中轴承座I通过螺钉15与套筒14紧密连接。
[0030]轴承单元9采用不锈钢材料整体线切割加工而成，在与旋转轴