多波長激振模式的螺紋副驅(qū)動型超聲電機

程廷海，王良，高焓，包鋼，王英廷

（1.長春工業(yè)大學機電工程學院，吉林長春 130012;2.哈爾濱工業(yè)大學機電工程學院，黑龍江哈爾濱 150080）

多波長激振模式的螺紋副驅(qū)動型超聲電機

程廷海1，王良1，高焓2，包鋼2，王英廷1

（1.長春工業(yè)大學機電工程學院，吉林長春 130012;2.哈爾濱工業(yè)大學機電工程學院，黑龍江哈爾濱 150080）

為了提高螺紋副驅(qū)動型超聲電機的輸出力，改善定子與輸出軸間的接觸驅(qū)動狀態(tài)，將12片壓電片粘貼至筒狀金屬彈性體外表面構(gòu)成定子，激發(fā)定子產(chǎn)生一個沿圓周方向行進的波長數(shù)為3的驅(qū)動行波，實現(xiàn)對螺紋輸出軸的驅(qū)動，提出一種多波長激振模式的螺紋副驅(qū)動型超聲電機。給出了電機的設(shè)計結(jié)構(gòu)，闡明了定子多波長激振模式的激勵方法，利用有限元法對定子的振動模態(tài)進行了仿真分析，研制出一臺定子尺寸長×寬×內(nèi)徑為36 mm×30 mm×M24 mm的原型樣機。實驗結(jié)果表明，采用多波長激振模式可以實現(xiàn)螺紋副驅(qū)動型超聲電機的有效驅(qū)動，電機的輸出速度與輸出力隨激勵電壓的增大而線性增大。樣機工作頻率為52.1 kHz，在激勵電壓有效值42 V時，最大輸出力可達40 N。

超聲電機;螺紋;行波;多波長;輸出力

0 引言

超聲電機是近年來迅速發(fā)展起來的一種新型驅(qū)動器，主要是將壓電元件與金屬彈性體復合構(gòu)成定子（也稱超聲振子），利用逆壓電效應激發(fā)金屬彈性體產(chǎn)生微幅超聲振動（一般大于16 kHz），通過定子與動子間的摩擦耦合實現(xiàn)運動輸出。與傳統(tǒng)的電磁電機相比，超聲電機具有低速大力矩、動態(tài)響應快、定位精度高、無電磁干擾等特點［1－2］。

螺紋副驅(qū)動超聲電機作為目前諸多輸出類型超聲電機中的一種，其定子與輸出軸間主要采用螺紋副進行運動傳遞。這種驅(qū)動方式一方面可以實現(xiàn)輸出軸的旋轉(zhuǎn)與直線兩自由度運動輸出，另一方面通過采用高精度傳動螺紋副可實現(xiàn)高定位精度與高輸出力的目的。目前螺紋副驅(qū)動超聲電機已在醫(yī)療器械與精密驅(qū)動控制機構(gòu)中得到了成功應用［3－5］。

美國的Henderson等利用自由約束的中空方柱型金屬定子空間上相互正交的一階彎曲振動耦合，先后研制出定子長×寬×螺紋直徑為20 mm×8 mm ×M4.75 mm與6 mm×1.55 mm×M 0.9 mm兩種尺寸的壓電片貼片式螺紋副驅(qū)動超聲電機。其中前者的工作頻率約為40 kHz，可以產(chǎn)生0.5 N的輸出力，位置分辨率可達20 nm［6－7］。中國學者趙淳生院士等人通過動力學分析推導出該類電機定子驅(qū)動點的空間運動軌跡方程，據(jù)此揭示了電機的運行機理，研制出同類樣機，實現(xiàn)了該電機的較好驅(qū)動［8－9］。清華大學的周鐵英教授等人利用薄壁圓筒的面內(nèi)彎曲振動模態(tài)實現(xiàn)了一種多棱面螺紋副驅(qū)動型超聲電機，并將其應用于光學調(diào)焦控制系統(tǒng)中［10－11］。本文作者則對利用柱狀定子的二階彎曲振動模態(tài)的驅(qū)動機理進行了初步探索［12］。已有文獻表明，螺紋副驅(qū)動型超聲電機的輸出力一般為數(shù)牛級，因此如何提高電機的輸出力，成為當前研究的熱點與難點。

為了提高螺紋副驅(qū)動型超聲電機的輸出力，改善電機定子與螺紋輸出軸間的接觸驅(qū)動狀態(tài)，本文提出了一種采用多波長激振模式的螺紋副驅(qū)動型超聲電機。文中給出了電機的整體設(shè)計結(jié)構(gòu)，分析了多波長激振模式的實現(xiàn)方法，利用有限元軟件對電機定子的振動模態(tài)進行了仿真研究，研制出原型樣機，測試了樣機的輸出特性，完成了實驗驗證。

1 電機結(jié)構(gòu)

圖1所示為本文提出的多波長激振模式螺紋副驅(qū)動型超聲電機的結(jié)構(gòu)示意圖。電機主要包括金屬彈性體、壓電片與螺紋輸出軸三部分。其中電機定子由中空筒狀金屬彈性體與壓電片通過環(huán)氧樹脂膠粘接構(gòu)成。中空筒狀金屬彈性體采用黃銅材料，外形尺寸長36 mm，外徑30 mm;外表面加工有十二個相同尺寸的平面，平面寬度為8.2 mm;內(nèi)孔加工有M24×1.5 mm的螺紋副。壓電片沿厚度方向極化，利用d31振動模式，材料為PZT－4，每片尺寸長×寬×厚為16 mm×6 mm×1 mm，共12片。輸出軸采用黃銅材料，具有M24×1.5 mm的外螺紋結(jié)構(gòu)，總長50 mm，電機有效行程為14 mm。

圖1 超聲電機的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1Structure sketch of ultrasonic motor

圖2所示為研制出的一種多波長激振模式的螺紋副驅(qū)動型超聲電機樣機的實物照片。

圖2 樣機實物照片F(xiàn)ig.2Photograph of the motor prototype

2 激勵模式與仿真

2.1 定子激勵模式分析

圖3所示為多波長激振模式螺紋副驅(qū)動型超聲電機定子中壓電片的布片方式與激勵方法示意圖。

為了激發(fā)定子產(chǎn)生一個沿圓周方向行進的波長數(shù)為3的驅(qū)動行波，本文采用12片壓電片進行激振。具體為壓電片A1～A6構(gòu)成激振組A，通以與定子軸向一階彎曲模態(tài)頻率相吻合的U0sinωt交流電信號，激發(fā)出一個沿定子圓周方向分布的具有3個波長的駐波振動SA;壓電片B1～B6構(gòu)成激振組B，通以與定子軸向一階彎曲模態(tài)頻率相吻合的U0sin （ωt+φ）交流電信號，同樣激發(fā)出一個沿定子沿圓周方向分布的具有3個波長的駐波振動SB，金屬彈性體接地。圖中P表示壓電片的極化方向。

圖3 定子布片方式與激勵方法示意圖Fig.3Sketch for the polarization and exciting mode of stator

由文獻［13－15］可知，當激振組A與激振組B間的激勵電信號相位差φ為90°時，駐波振動SA與駐波振動SB可以合成一個波長數(shù)為3的驅(qū)動行波，通過螺紋副實現(xiàn)輸出軸的運動輸出;而當相位差φ改變?yōu)?70°時，合成驅(qū)動行波反向運行，即可實現(xiàn)對輸出軸的反向驅(qū)動。

2.2 定子振動模態(tài)仿真

根據(jù)圖1中所示多波長激振模式螺紋副驅(qū)動型超聲電機定子的設(shè)計結(jié)構(gòu)，利用有限元分析軟件ANSYS建立定子有限元仿真模型，并對其進行模態(tài)仿真分析。開展有限元仿真分析時，金屬彈性體選用Solid 45單元，采用自由的網(wǎng)格劃分方式;壓電片選用Solid 5單元，采用掃掠的網(wǎng)格劃分方式。定子模態(tài)仿真分析結(jié)果如圖4所示。

模態(tài)分析結(jié)果表明，在定子諧振頻率為47.58 kHz時，定子存在軸向為一階彎曲振動，圓周方向為3個波長振動分布的振動模態(tài)。由此證明了本文提出的多波長激振模式在理論上是可行的。

有限元仿真時，黃銅金屬彈性體的彈性模量設(shè)置為90 GPa，泊松比為0.33，密度為8 900 kg/m3，壓電片的密度為7 500 kg/m3。由于壓電材料屬性為各項異性，故有限元仿真時采用矩陣的方式進行參數(shù)輸入。具體包括壓電片的介電系數(shù)矩陣［ε］、壓電應力矩陣［e］和彈性系數(shù)矩陣［c］，參數(shù)取值情況見表1。

圖4 定子振動模態(tài)仿真Fig.4The vibration mode simulation of stator

表1 壓電片的性能參數(shù)Table 1Parameters of the PZT plates

3 樣機測試

在開展多波長激振模式螺紋副驅(qū)動型超聲電機的特性測試實驗研究之前，首先利用阻抗分析儀（型號:PV70A）對定子與整機的阻抗特性進行測試，測試結(jié)果如圖5所示。

根據(jù)前文有限元仿真結(jié)果，設(shè)置掃描激振頻率fc的掃描測試范圍為49～55 kHz。測試結(jié)果表明，定子與整機的共振頻率fss與fsm分別為51.88 kHz和51.93 kHz，反共振頻率fps與fpm分別52.40 kHz與52.54 kHz。其中定子的共振頻率測試結(jié)果略大于前述利用有限元法仿真所得結(jié)果，但總體吻合情況較好。

圖5 定子與整機的阻抗特性測試結(jié)果Fig.5Impedance characteristics testing results of the stator and prototype motor

利用文獻［16］中所搭建的基于虛擬儀器技術(shù)的超聲電機測試系統(tǒng)，對樣機的基本特性進行測試。固定負載力Fn為2 N（質(zhì)量塊0.2 kg），激振組A與激振組B兩路激勵電信號的相位差φ為90°，在激勵電壓有效值Vrms分別為32 V、42 V與53 V的條件下，在51.8～52.4 kHz測試范圍，調(diào)節(jié)激振頻率f大小，得到樣機固定負載力下的調(diào)頻特性測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 固定負載力下的調(diào)頻特性Fig.6Frequency modulation characteristics under the constant load force

固定激勵電壓的有效值Vrms為42 V，仍然保持兩組激勵電信號的相位差φ為90°，選擇三組不同的負載力Fn，負載力Fn分別為2 N、7 N與12 N，激振頻率f的測試范圍仍為51.8～52.4 kHz。得到樣機固定激勵電壓下的調(diào)頻特性測試結(jié)果如圖7所示。

由圖6與圖7的測試結(jié)果可知，在激振頻率51.8～52.4 kHz范圍內(nèi)，樣機均可實現(xiàn)較好的工作，這與前文利用有限元法仿真以及阻抗特性所得結(jié)果吻合較好。因此，本文在后續(xù)實驗研究中，選定激振頻率f為52.1 kHz作為樣機的工作頻率。

保持負載力Fn為2 N，激勵頻率f為52.1 kHz，激勵電壓有效值Vrms為42 V，在0～360°范圍內(nèi)調(diào)節(jié)激振組A與激振組B兩路激勵電信號的相位差φ，測試得到樣機的調(diào)相位差特性曲線，測試結(jié)果如圖8所示。

圖7 固定激勵電壓下的調(diào)頻特性Fig.7Frequency modulation characteristics under the constant exciting voltage

圖8 調(diào)相位差特性測試結(jié)果Fig.8Testing results of different phase characteristics

可以看出，電機的輸出速度與相位差基本呈正弦規(guī)律變化，比較理想的工作相角范圍為60°～120°與240°～300°之間。圖中輸出速度的正負僅表示輸出軸的運動方向相反。

圖9所示為樣機在2 N負載力下的輸出速度υ及電機最大輸出力Fmax隨激勵電壓變化情況。激振頻率f為52.1 kHz保持不變，兩路激勵電信號的相位差φ為90°，激勵電壓有效值Vrms的測試范圍為14～56 V。

由圖9可知，電機的輸出速度與最大輸出力隨激勵電壓的增大而增大，且滿足較好的線性關(guān)系。這一特性為開展電機伺服控制策略的研究帶來方便。

圖10所示為激勵電壓有效值Vrms為42 V下的樣機負載特性測試結(jié)果。測試條件仍選為激振頻率f為52.1 kHz，兩路激勵電信號相位差φ為90°。

負載特性表明，隨著負載力的增大，電機輸出速度近似成線性規(guī)律降低，電機的最大輸出力可達40 N。

圖9 調(diào)壓特性測試結(jié)果Fig.9Testing results of voltage modulation characteristics

圖10 樣機的負載特性Fig.10Load characteristics of the prototype

4 結(jié)論

提出了一種多波長激振模式的螺紋副驅(qū)動型超聲電機。電機主要由定子與螺紋輸出軸組成，其中定子通過將12片壓電片粘貼至筒狀金屬彈性體外表面構(gòu)成。電機工作時，激發(fā)定子產(chǎn)生沿圓周方向分布的一個波長數(shù)為3的驅(qū)動行波，以此增大定子與螺紋輸出軸間的接觸驅(qū)動區(qū)域，提高電機的輸出性能。研制出一臺定子尺寸長×寬×內(nèi)徑為36 mm ×30 mm×M24 mm的原型樣機，進行了實驗驗證。測試結(jié)果表明，采用本文提出的多波長驅(qū)動模式可以實現(xiàn)電機的有效驅(qū)動，樣機工作頻率為52.1 kHz，在激勵電壓有效值42 V時，樣機2 N負載下的輸出速度為2.0 mm/s，最大輸出力可達40 N，具有中小負載工況下驅(qū)動與定位能力。

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（編輯:張詩閣）

Screw type ultrasonic motor utilizing multi-wavelength exciting mode

CHENG Ting-hai1，WANG Liang1，GAO Han2，BAO Gang2，WANG Ying-ting1
（1.School of Mechatronic Engineering，Changchun University of Technology，Changchun 130012，China; 2.School of Mechatronics Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150080，China）

To increase the output force and improve the contact driving status between stator and output shaft of screw type ultrasonic motor，a cylindrical stator by attaching 12 PZT plates on a metal elastomer was presented.A traveling wave with the 3 wavelengths processing along the circumference of stator was excited to drive the screw output shaft.And a novel screw type ultrasonic motor utilizing the multi-wavelength exciting mode was proposed.The design of ultrasonic motor was given out.The exciting method of multi-wavelength exciting mode was clarified.A vibration mode simulation of stator was carried out by the finite element method.A prototype of screw type ultrasonic motor utilizing the multi-wavelength exciting mode was developed.The dimension of stator is 36 mm×30 mm×M24 mm（length×width×inner diameter）.The testing results indicate that the prototype utilizing the multi-wavelength exciting mode can be driven availably.The output velocity and force increase linearly as the exciting voltage rises.A maximum output force 40 N can be obtained at a 52.1 kHz working frequency and an exciting voltage of effective value 42 V.

ultrasonic motor;screw;traveling wave;multi-wavelength;output force

10.15938/j.emc.2015.03.005

TM 356

A

1007－449X（2015）03－0025－05

2014－05－13

國家自然科學基金資助項目（51075080）

程廷海（1983—），男，博士，講師，研究方向為基于壓電效應的智能結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)設(shè)計;

王良（1990—），男，碩士研究生，研究方向為壓電馬達的結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真;

高焓（1986—），男，博士研究生，研究方向為超聲驅(qū)動技術(shù)與仿真;

包鋼（1960—），男，博士，教授，博士生導師，研究方向為新型氣動元件與氣動伺服系統(tǒng);

王英廷（1990—），男，碩士研究生，研究方向為壓電裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真。

程廷海