一种定位精度高的超声悬浮导轨论文和设计-陈通

全文摘要

本实用新型公开了一种定位精度较高的超声悬浮导轨。换能器支架为环形结构，换能器支架套装在导轨外，换能器支架内周面和导轨外周之间具有间隙；换能器支架的上下和两侧四周均安装有多个沿导轨方向不同位置布置的压电换能器，换能器支架侧壁开有从外部连通到间隙的通孔，通孔中安装压电换能器；压电换能器中，后端盖固定于通孔内，变幅杆尾端经陶瓷压电片和后端盖固接，变幅杆前端端面开设雪花形凹槽，变幅杆前端作为压电换能器末端。本实用新型减少摩擦磨损，根据与导轨底部的距离调节超声波声强，从而产生使得导轨沿周向运动的力。

主设计要求

1.一种超声悬浮导轨，其特征在于：包括压电换能器(3)、导轨(2)和换能器支架(1)；换能器支架(1)为环形结构，换能器支架(1)套装在导轨(2)外，换能器支架(1)内周面和导轨(2)外周之间具有间隙；换能器支架(1)的上下和两侧四周均安装有多个沿导轨(2)方向不同位置布置的压电换能器(3)，换能器支架(1)侧壁开有从外部连通到间隙的通孔，通孔中安装一个压电换能器(3)；所述的压电换能器(3)包括陶瓷压电片(5)、后端盖(4)和变幅杆(6)，后端盖(4)固定于通孔朝向外侧的一端内，变幅杆(6)尾端经陶瓷压电片(5)和后端盖(4)固接，变幅杆(6)前端端面开设雪花形凹槽，变幅杆(6)前端作为压电换能器(3)末端，变幅杆(6)采用铝材料制成。

设计方案

2.根据权利要求1所述的一种超声悬浮导轨，其特征在于：所述的后端盖(4)尾端设有外凸缘，后端盖(4)的外凸缘通过螺栓固定于通孔朝向外侧的孔端面上，变幅杆(6)尾端和陶瓷压电片(5)的一端固接，陶瓷压电片(5)的另一端和后端盖(4)前端固接。

3.根据权利要求1所述的一种超声悬浮导轨，其特征在于：所述的导轨(2)的底面为非平整面，导轨(2)除了底面的三侧面均为平整面。

4.根据权利要求3所述的一种超声悬浮导轨，其特征在于：所述的导轨(2)的底面为沿导轨(2)延伸的折线形表面。

5.根据权利要求1所述的一种超声悬浮导轨，其特征在于：所述的换能器支架(1)截面为四角有倒角的正方形。

6.根据权利要求1所述的一种超声悬浮导轨，其特征在于：所述的换能器支架(1)的通孔内有用于固定压电换能器(3)的轴肩，通孔内表面涂有用于压电换能器(3)隔绝通孔的绝缘材料。

7.根据权利要求1所述的一种超声悬浮导轨，其特征在于：所述的后端盖(4)外周表面及变幅杆(6)后表面涂有绝缘材料。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及一种机械结构导轨，尤其是涉及一种定位精度高的超声悬浮导轨。

背景技术

普通导轨与支架直接接触，具有较高承载能力。这种导轨虽然构造简单、制造方便、承载能力高、抗震性好、但是容易磨损，长期使用后定位精度减小，不适用于精度要求较高的场合。近场声悬浮能很好地减少支架与导轨之间的接触，减少导轨工作过程中的磨损。

实用新型内容

为了解决背景技术中尺寸磨损的问题，本实用新型的目的在于提供一种定位精度较高的超声悬浮导轨，在换能器支架上加工有均匀分布的圆形通孔，通孔用以定位安装压电换能器。

本实用新型采用的技术方案是：

本实用新型包括压电换能器、导轨和换能器支架；换能器支架为环形结构，换能器支架套装在导轨外，换能器支架内周面和导轨外周之间具有间隙，间隙中形成近场声悬浮声场作用的挤压空气膜；换能器支架的上下和两侧四周均安装有多个沿导轨方向不同位置布置的压电换能器，换能器支架侧壁开有从外部连通到间隙的通孔，通孔中安装一个压电换能器；所述的压电换能器包括陶瓷压电片、后端盖和变幅杆，后端盖固定于通孔朝向外侧的一端内，变幅杆尾端经陶瓷压电片和后端盖固接，变幅杆前端端面开设雪花形凹槽，变幅杆前端作为压电换能器末端，变幅杆采用铝材料制成。

所述的后端盖尾端设有外凸缘，后端盖的外凸缘通过螺栓固定于通孔朝向外侧的孔端面上，变幅杆尾端和陶瓷压电片的一端固接，陶瓷压电片的另一端和后端盖前端固接。

所述的导轨截面为矩形，所述的导轨的底面为非平整面，导轨除了底面的三侧面均为平整面。

所述的导轨的底面为沿导轨延伸的折线形表面。

所述的换能器支架截面为四角有倒角的正方形。

所述的换能器支架的通孔内有用于固定压电换能器的轴肩，通孔内表面涂有用于压电换能器隔绝通孔的绝缘材料。

所述的后端盖外周表面及变幅杆后表面涂有绝缘材料。

本实用新型导轨结构能形成有效的近场声悬浮，具备强度足够的声场、悬浮物体与超声悬浮装置的间距足够小。形成的近场声悬浮能很好地减少径向导轨间的摩擦，提高导轨寿命，提高导轨极限转速。

在本实用新型的近场声悬浮压力下，通过减小导轨与换能器支架之间的收敛间隙，提高声波角速度，能有效增强近场声悬浮压力，提高声悬浮导轨的承载能力。

式中，p_{ra<\/sub>—表示导轨受到的压力，γ—比热容，空气取1.4；a_{0<\/sub>—振幅；k—波数；h—声源与导轨距离；ρ_{0<\/sub>—空气密度；ω—声波角速度。}}}

本实用新型的超声致动端盖采用软耐磨材料且通过简支梁与压电环能器相连接，使用软耐磨材料能充分传导压电片的形变，增强超声波。压电换能器根据换能器支架与导轨之间的距离调节输出强度，保持导轨的定位精度与稳定性。

所述换能器支架基体的材料为铝合金，所述软材料为巴氏合金固体润滑材料或聚四氟乙烯固体润滑材料。

本实用新型具有的有益效果是：

1、超声悬浮。

2、减少发热。

3、污染小。

4、运行精度高。

5、稳定性好。

本实用新型可用于对导轨承载能力要求低、对运行精度要求高的场合。例如、微机电系统中的导轨。

附图说明

图1是本实用新型超声悬浮导轨整体装配图。

图2是本实用新型超声悬浮导轨径向剖面结构图。

图3是压电换能器整体装配图。

图4是压电换能器变幅杆剖面结构图。

图中：1、换能器支架，2、导轨，3、压电换能器，4、后端盖，5、陶瓷压电片，6、变幅杆。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。

图中1、换能器支架，2、导轨，3、压电换能器，4、后端盖，5、陶瓷压电片，6、变幅杆。

如图1所示，本实用新型具体实施包括压电换能器3、导轨2和换能器支架1；换能器支架1为环形结构，换能器支架1截面为四角有倒角的正方形，换能器支架1套装在导轨2外，导轨3中轴线与压电换能器支架中轴线重合，换能器支架1内周面和导轨2外周之间具有间隙；换能器支架1上下面和两侧面的四个表面开有均匀分布、尺寸相同的圆形通孔，通孔分为上下两排，每排四个，相邻通孔之间的间距相等，通孔中安装一个压电换能器3。压电换能器3朝向导轨2表面产生超声波，在换能器支架1与导轨2之间的间隙中产生声悬浮力，形成近场声悬浮效应。

具体实施中，如图1所示，换能器支架1的上下和两侧四周表面的每一面均安装有八个压电换能器3，八个压电换能器3分为平行于导轨2的两排，每一排有四个间隔均布的压电换能器3。换能器支架1侧壁开有从外部连通到间隙的通孔，换能器支架1的通孔内有用于固定压电换能器3的轴肩。

如图3所示，压电换能器3包括陶瓷压电片5、后端盖4和变幅杆6，后端盖4固定于通孔朝向外侧的一端内，变幅杆6尾端经陶瓷压电片5和后端盖4固接，变幅杆6前端端面开设雪花形凹槽，变幅杆6前端作为压电换能器3末端，变幅杆6采用铝材料制成。

如图4所示，具体实施中，变幅杆7前端上开有雪花形凹槽，后端与陶瓷压电片相配合，同时其后端开有与雪花形凹槽“雪花瓣”半径相同的圆形凹槽，使得变幅杆7前端形成雪花形薄片，使得变幅杆更易振动，产生更强的超声波信号；陶瓷压电片6直径与变幅杆7后端外圈直径相同，前表面与变幅杆7相连接，后表面与压电换能器后端盖5前表面相连。

后端盖4尾端设有外凸缘，后端盖4的外凸缘通过螺栓固定于通孔朝向外侧的孔端面上，变幅杆6尾端和陶瓷压电片5的一端固接，陶瓷压电片5的另一端和后端盖4前端固接。

如图3所示，导轨2的底面为非平整面，具体为沿导轨2延伸的折线形表面，即以不同平面以折线方式衔接沿导轨2方向布置，相间隔一个平面的两个平面之间均平行布置，导轨2除了底面的三侧面均为平整面。并且，沿导轨2方向不同位置布置的压电换能器3根据换能器支架1与导轨2之间的距离调节声悬浮力，带动换能器支架1在导轨2上相对悬浮静止或者移动，并且保证换能器支架1在导轨2上相对悬浮运动的同时具有高定位精度与稳定性。

例如，折线形表面中处于相平行的各个平面下方的压电换能器3的工作，产生声悬浮力，由于声悬浮力垂直于折线形表面中的平面，非竖直向下而是倾斜先下，推动换能器支架1相对于导轨2水平移动，同时通过除了底面以外三侧面的平整面保持换能器支架1相对于导轨2之间的限位贴合以进行导向移动，不会让换能器支架1相对于导轨2水平移动时左右摇摆。

导轨3与压电换能器支架1之间的间距较小；导轨2底部中折线形表面的一平面所对应底边长度与同一排相邻两个压电换能器的总长相同，保证每个一平面所对应底边上都对应有一个压电换能器。

在导轨2上和压电换能器支架1内表面上表面均覆盖有一层软减震耐磨材料；换能器支架1的通孔内表面涂有用于压电换能器3隔绝通孔的软减震绝缘材料，后端盖4外周表面及变幅杆6后表面也涂有绝缘材料。

压电换能器支架基体的材料为铝合金等轻质材料，压电换能器支架内表面和导轨外表面的耐磨材料为类金刚石，软减震耐磨材料为聚四氟乙烯固体润滑材料。

本实用新型的工作原理过程是：

陶瓷压电片在交流电控制下产生余弦波，这种余弦波通过连接梁传导到变幅杆，使其受迫振动，由于变幅杆材料较软，具有较小的弹性模量并且具有较好的强度，变幅杆表面开有雪花形薄片凹槽，更易沿径向传导震动；压电换能器在换能器支架与导轨之间产生近场悬浮效应，同时超声波挤压空气，产生动压膜，增大支撑力。

导轨分为静止状态与移动状态两种工况。

在静止工况下，固定于压电换能器支架上表面的压电换能器工作，输出同样频率和振幅的超声波，在压电换能器支架上产生悬浮力，与此同时，固定于压电换能器支架两侧面的压电换能器工作，输出相同频率与振幅的超声波，使得压电换能器支架在两侧面上受到相同大小的悬浮力，保证压电换能器支架在与导轨垂直的方向上保持稳定。

在移动工况下，如图2所示，将压电换能器支架下表面的压电换能器从左至右编号为a、b、c、d，当导轨向右移动时，压电换能器b和c工作，输出相同频率与振幅大小的超声波，由于压电换能器b和c所对应的导轨表面为斜面，压电换能器支架会受到与导轨表面垂直的反向作用力，这个作用力会产生一个沿水平方向向右的驱动力F1，一个沿竖直方向向下的力F2，以及将压电换能器支架沿其质心逆时针旋转的转矩T，在驱动力F1的作用下，压电换能器支架会沿水平方向向右移动，此时压电换能器支架两侧的压电换能器工作方式与静止时相同，上表面的压电换能器支架与导轨之间的间距会由于F2及转矩T的作用下缩小，由于悬浮物在超声波中所受的悬浮力与悬浮物与声源的距离有关，距离越小作用力越大，上表面在间距缩小的同时会产生更大的超声悬浮力与F2及转矩T抵消从而保证压电换能器在竖直方向上不会发生偏移；向左移动与向右移动原理相同。

通过声悬浮方式将换能器支架与导轨分离，减小导轨工作过程中的尺寸磨损，有助于提高导轨的传动精度及稳定性。同时由于悬浮物所受的悬浮力与其距声源的距离有关的特性，如上文提到，当导轨受到使导轨偏离正常工作状态位置的力时，由于压电换能器与导轨之间的距离发生改变，压电换能器支架会受到导轨自行产生使压电换能器恢复到正常工作状态位置的超声悬浮力。因此，本导轨具有较好的定位精度及稳定性。

由具体实施可见，本实用新型结构下，换能器支架与导轨之间形成挤压空气膜以及近场声悬浮声场，悬浮换能器支架，减少摩擦磨损；换能器支架底部的压电换能器可以根据与导轨底部的等腰三角形凹槽之间的距离调节超声波声强，从而产生使得导轨沿周向运动的力。换能器变幅杆使用软性材料。

上述具体实施方式用来解释说明本实用新型，而不是对本实用新型进行限制，在本实用新型的精神和权利要求的保护范围内，对本实用新型作出的任何修改和改变，都落入本实用新型的保护范围。

设计图

一种定位精度高的超声悬浮导轨论文和设计

一种定位精度高的超声悬浮导轨论文和设计-陈通

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主设计要求

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