[发明专利]柔性可置换螺纹副驱动超声电机

说明书

技术领域

本发明属于超声振动应用领域，具体涉及一种利用超声振动激励的柔性可置换螺纹副驱动超声电机。

背景技术

基于超声驱动原理利用柱状定子弯曲振动模态的螺纹副驱动超声电机主要通过激发定子空间上至少两个弯曲振动模态，利用振动的耦合在定子的内表面螺纹副产生驱动行波，实现螺纹杆输出轴的旋转-直线运动输出。该类螺纹副驱动超声电机具有结构简单、输出力/质量比密度大、易于微型化、定位精度较高等特点。

目前，基于螺纹副驱动超声电机有几种典型结构：定子为多面体结构的利用面内弯曲振动模态耦合驱动行波的螺纹驱动多面体超声电机（如专利号为CN1767347A、CN1964175A与CN101364775A），利用环状超薄结构定子面内弯曲振动模态驻波驱动的螺纹驱动型超声电机（专利号为CN101056073B）；为了降低电机定子的共振工作频率，提出了一种定子采用悬臂梁结构的一端固支的压电复合弯曲梁驱动的螺纹直线电机（专利号为CN200910080339.6），该类电机主要是利用柱状悬臂梁结构定子的空间正交弯曲振动模态的耦合产生驱动行波，实现输出轴的运动输出；另一种有代表意义的螺纹驱动型柱状旋转-直线超声电机主要有定子为粘贴压电片的金属管式与压电管式两种类型的超声波导螺杆电动机（如专利号为US2006049720-A1、US2005258714-A1、US7170214-B2、US7309943-B2、CN101040395A、CN1879232A的专利），该超声波导螺杆电动机主要是利用两端自由约束的柱体定子空间上正交的两个一阶弯曲振动相互耦合，在定子自由端的内表面产生驱动行波，定子与输出轴通过螺纹副传动，在轴向负载力的作用下实现输出轴的旋转-直线运动输出；前面所提及的螺纹驱动型超声电机定子所用的压电元件多采用d₃₁振动模式，在电机的微型化制造方面存在一定的优势，特别是对于超声波导螺杆电动机来说，该优势体现得更为明显，但是不可避免的存在输出力较小的实际问题。为了提高电机的输出力，改善负载特性，出现了一类利用压电元件d₃₃振动模式的压电片夹心式旋转直线超声电机（如专利号为CN200710304683.X与CN201110304078.9）以及利用模态转换型的压电螺纹传动直线超声电机（专利号为CN201110120487.3）。

从已有公开发明的螺纹副驱动超声电机实施方式来看，定子上的螺纹驱动部分与定子加工为一整体，定子与螺纹输出轴间多采用螺纹副单一配对形式连接传动，表现为电机的机械输出性能单一、缺少灵活性，无法满足日益增长的电机应用场合多样化所带了的需求；此外，由于螺纹副驱动超声电机主要采用螺纹副传动形式，所以传动螺纹副的配对材料，结构形式和尺寸参数对电机的输出性能，如输出力/矩，输出速度，输出功率、输出效率以及电机运行时的轴向跳动、定位精度等有较大程度的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种柔性可置换螺纹副驱动超声电机，该超声电机可使弯曲振动模态的螺纹副驱动超声电机的性能不受螺纹副材料和螺纹结构尺寸参数的限制，消除了螺纹副传动的行程误差，提高电机的输出性能、应用灵活性以及定位精度。

超声电机主要包括利用压电激励振动的超声振子，可换螺纹副驱动元件和螺纹输出轴。激振元件固结在被激振子的周侧面上至少四个平侧面或凹槽内。可换螺纹副驱动元件为整体式或分段式，匹配安装固结在配对的安装中心孔内，螺纹输出轴与可换螺纹副驱动元件螺纹连接，配对输出旋转和直线运动。

实现上述目的，本发明的具体技术方案如下：

柔性可置换螺纹副驱动超声电机，所述的超声电机主要包括螺纹输出轴、可换螺纹副驱动元件和超声激励振子，可换螺纹副驱动元件的外形为圆柱形，超声激励振子由被激振体和至少四个激振元件组成，被激振体的周侧面上至少均布加工有四个结构对称成正方形方位的平侧面或凹槽，激振元件与平侧面或凹槽的数量相同，每个平侧面上或者凹槽内固结一个激振元件，激振元件的外表面低于或者平齐于凹槽所在的被激振体的侧面，被激振体的中心沿其长度方向贯通加工有圆柱形中心孔，可换螺纹副驱动元件嵌入圆柱形中心孔内，且二者过盈配合，可换螺纹副驱动元件的中心沿其长度方向贯通加工有螺纹孔，螺纹输出轴与可换螺纹副驱动元件的螺纹孔相匹配，配对输出旋转和直线运动。