[实用新型]一种三自由度旋转工作台

说明书

技术领域：

本实用新型涉及一种三自由度旋转工作台，属于多自由度超声电机技术领域。

背景技术：

多自由度超声电机是一种利用压电材料的逆压电效应，激发弹性体在超声频段产生微幅振动，并通过定、转子（动子）之间的摩擦作用驱动转子（动子）在多个自由度上的回转（直线）运动的新型微特电机。多自由度超声电机作为最近几年发展起来的一类新型超声电机，具有运动的多元化、结构简单、加工难度小等优点，颇受工程应用的欢迎，但是由于现有的多自由度超声电机仍无法突破一些关键技术问题，存在结构冗余、尺寸过大和驱动控制不稳定等问题，无法较好地实现工程上的推广应用。

发明内容：

本实用新型的目的在于针对现有多自由度超声电机存在的技术缺陷，提出了一种结构简单、易于加工，能实现旋转运动的新型结构的三自由度旋转工作台。

为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案如下：

一种三自由度旋转工作台，由定子组件、动子、拉紧装置及底座构成，所述的定子组件设置在底座上，所述的动子设置在所述的定子组件上端，在所述动子与所述底座之间设置所述的拉紧装置，其特征在于：所述定子组件包括定子圆筒、定子圆盘和四组压电陶瓷片，所述的定子圆筒和四组压电陶瓷片设置在定子圆盘的上表面，所述的四组压电陶瓷片均布在所述的定子圆盘上；所述动子为一个底面加工形成凹球面的圆柱块；所述的定子圆筒的上端面的外边线与所述的凹球面接触。

所述底座表面加工形成了一圈凸起的三角锥，在所述定子圆盘底部加工形成支撑槽，该支撑槽位于定子圆盘的工作模态的节圆处，用于嵌套所述的三角锥。

所述拉紧装置由设置在动子上的第一固定栓、设置在底座上的轴承、设置在轴承上的第二固定栓以及连接第一固定栓和第二固定栓并通过定子圆筒中心孔的中间连接件构成。

所述的动子的顶面设置有第一安装孔，在所述的底座背面设置有第二安装孔，所述的第一固定栓位于所述的第一安装孔内，所述的轴承位于所述的第二安装孔内。

所述的中间连接件为钢丝或拉伸弹簧。

所述的动子上的小角度凹球面的球心位于底座的上表面正中央位置。

本实用新型三自由度旋转工作台的运动控制方法是：当给在一个方向（假定为X方向）上且相对的两组压电陶瓷片（假定编号为1、3号）施加相位差90°的正弦信号时，定子圆盘被激励出B₁₁模态（1个节圆和1个节径），定子圆筒被激励出沿着X方向的摆动，并且定子圆筒上端面的质点沿着X方向做微幅的椭圆运动，驱动压在其上的动子作以Z轴为对称轴、沿着X轴方向运动的偏转角度的旋转运动，此时动子在Y轴方向上没有偏转角度；同理，在同一个平面与X方向垂直的Y方向（即放置了编号为2、4号的两组压电陶瓷片的方向）施加上述的电信号，定子圆盘也能被激励出B₁₁模态，定子圆筒沿着Y方向摆动，并且上端面质点沿着Y方向做椭圆运动，即驱动动子作以Z轴为对称轴、沿着Y轴方向运动的偏转角度的旋转运动，此时动子在X轴方向上没有偏转角度；当在X、Y方向上各选一组压电陶瓷施加相位差为90°的正弦信号，或者对四组压电陶瓷分别施加sinwt、coswt、-sinwt、-coswt电信号，定子圆盘将被激励出B₁₂模态（1个节圆和2个节径），定子圆筒在沿着垂直于XY平面的Z轴方向被激励出两相空间相位差为π/2的B₃弯振模态，使得定子圆筒上端部以Z轴为对称轴、同时又绕着Z轴做旋转摆动，即两列在时间和空间上均相差为90°的驻波在定子圆筒上端面处叠加形成旋转的行波，因此上端部质点做微幅的椭圆运动驱动动子绕Z轴做旋转运动。

采用上述方案后，本实用新型的三自由度旋转工作台能实现两个自由度的有限角度偏转的旋转运动和一个自由度的自由旋转运动，不仅提高了电机的定位精度，同时对电机的加工没有苛刻的工艺要求，便于微小型化。此外，本实用新型的三自由度旋转工作台的定、动子之间的接触采用的是线接触，在一定程度上减小了摩擦驱动带来的摩擦损耗，并且充分发挥了振动体下的线接触的最大优势。

发明三自由度旋转工作台，不仅具有传统超声电机的无电磁干扰、结构简单、响应快、断电自锁、低速大力矩等优点，而且能实现无导轨多自由度运动平台及其高精度的定位，因而在航空、航天、医疗、机器人、微机电系统等领域有着广泛的应用前景。

附图说明：

图1是三自由度旋转工作台的结构图。

图2是三自由度旋转工作台的动子结构图。