一種L形大推力板結(jié)構(gòu)直線(xiàn)超聲電機(jī)

張百亮,姚志遠(yuǎn),劉振,李曉牛

(南京航空航天大學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,210016,南京)

直線(xiàn)超聲電機(jī)是一種利用壓電陶瓷逆壓電效應(yīng)和彈性體超聲振動(dòng)的新型作動(dòng)器,通過(guò)給壓電陶瓷施加交流激勵(lì)電壓,激發(fā)定子彈性體中特定的振動(dòng)模態(tài),從而在驅(qū)動(dòng)足處形成橢圓或傾斜直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)軌跡,進(jìn)一步通過(guò)摩擦耦合推動(dòng)動(dòng)子作直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。直線(xiàn)超聲電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)快、斷電自鎖、功率密度大和定位精度高等優(yōu)點(diǎn),已被廣泛用于航空航天、武器裝備和精密儀器等領(lǐng)域[1-2]。

直線(xiàn)超聲電機(jī)按照波動(dòng)方式可分為行波型和駐波型。最早的行波型直線(xiàn)超聲電機(jī)是Sashida等于1982年提出的直梁式和環(huán)梁式,它利用兩個(gè)蘭杰文振子在梁中產(chǎn)生行波來(lái)驅(qū)動(dòng)動(dòng)子,由于工作時(shí)必須使梁的整體產(chǎn)生振動(dòng),因而這類(lèi)電機(jī)功耗大,輸出效率低[3]。1998年,Kurosawa等利用兩個(gè)相互垂直的蘭杰文振子設(shè)計(jì)了一種V形駐波型直線(xiàn)超聲電機(jī),它利用頻率接近的對(duì)稱(chēng)和反對(duì)稱(chēng)模態(tài)在驅(qū)動(dòng)足處形成橢圓運(yùn)動(dòng),驅(qū)動(dòng)動(dòng)子運(yùn)動(dòng),最大輸出力為51 N,推重比為17[4]。這種V形直線(xiàn)超聲電機(jī)具有高速、大推力的特點(diǎn),成為了直線(xiàn)超聲電機(jī)設(shè)計(jì)的典型結(jié)構(gòu)形式,受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注[5-6]。2008年,姚志遠(yuǎn)等人對(duì)V形定子采用了連續(xù)變截面設(shè)計(jì),進(jìn)一步提高了電機(jī)輸出效率,樣機(jī)最大推力為21.4 N,推重比為25[7]。2014年,劉振等人提出了一種一端鉸支的夾持方式,即定子一端鉸支固定,另一端通過(guò)彈簧施加預(yù)壓力[8]。這種夾持方式省去了傳統(tǒng)超聲電機(jī)中用于固定定子和調(diào)節(jié)預(yù)壓力的夾持框或類(lèi)似的裝置,簡(jiǎn)化了電機(jī)結(jié)構(gòu)并提高了電機(jī)的穩(wěn)定性和輸出力。2017年,Jian等人將這種夾持方式應(yīng)用于V形電機(jī),設(shè)計(jì)的樣機(jī)定子尺寸為91 mm×50 mm×8 mm,輸出力提高至43 N,推重比達(dá)到46.7,并在絕對(duì)重力儀中的驅(qū)動(dòng)自由落體裝置里得到了應(yīng)用[9]。之后,Li等人對(duì)V形定子的兩振子耦合角度(夾角)進(jìn)行了研究,仿真和實(shí)驗(yàn)表明兩振子相互垂直布置時(shí)電機(jī)輸出性能最佳[6,10]。

盡管V形電機(jī)在一定體積范圍內(nèi)的輸出力得到了提高,但仍不能滿(mǎn)足要求更大推力或更小安裝空間的作動(dòng)場(chǎng)合。另外,對(duì)于模態(tài)耦合型超聲電機(jī),定子尺寸的改變將會(huì)破壞兩相工作模態(tài)頻率的一致性,使得電機(jī)設(shè)計(jì)的靈活性大大降低,難以滿(mǎn)足不同應(yīng)用的需求。采用單模態(tài)驅(qū)動(dòng)是解決上述問(wèn)題的一種方法,其中,板結(jié)構(gòu)單模態(tài)電機(jī)因具有扁平化結(jié)構(gòu)、空間利用率高和易微型化等特點(diǎn),特別適用于扁平、緊湊型的作動(dòng)空間,因而受到了廣泛關(guān)注[11-12]。2017年,Liu等提出了一種單模態(tài)超聲電機(jī),它利用矩形板結(jié)構(gòu)的一階彎振和一階縱振模態(tài),通過(guò)切換兩相模態(tài)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的雙向運(yùn)動(dòng),實(shí)驗(yàn)表明,電機(jī)在彎振模態(tài)下具有較好的機(jī)械輸出特性,最大推力為65 N[13]。

本文結(jié)合V形電機(jī)和矩形板結(jié)構(gòu)電機(jī)的特點(diǎn),利用兩個(gè)相互垂直的矩形板振子構(gòu)造了一種L形定子,其中一個(gè)振子與導(dǎo)軌平行安裝,使電機(jī)結(jié)構(gòu)更加緊湊,提高了空間利用率。在工作方式上,電機(jī)采用單模態(tài)驅(qū)動(dòng),利用兩個(gè)矩形板振子彎曲振動(dòng)形成的對(duì)稱(chēng)和反對(duì)稱(chēng)模態(tài)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)軌,通過(guò)模態(tài)切換實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的雙向運(yùn)動(dòng)。

1 電機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1為L(zhǎng)形板結(jié)構(gòu)直線(xiàn)超聲電機(jī)的結(jié)構(gòu)。該電機(jī)由定子、直線(xiàn)導(dǎo)軌、預(yù)壓力施加裝置和底座組成。定子呈L形,由兩個(gè)相互垂直的矩形板振子組成,如圖2所示。前端蓋的兩個(gè)端面均加工有螺紋孔,通過(guò)螺栓將后端蓋、夾持、壓電陶瓷片和電極片緊固為一體,構(gòu)成一個(gè)夾心式壓電振子。兩振子關(guān)于前端蓋的正對(duì)角線(xiàn)軸對(duì)稱(chēng),驅(qū)動(dòng)足位于前端蓋頂點(diǎn)。這種夾心式壓電振子采用壓電陶瓷機(jī)電耦合系數(shù)較高的d33模式工作,可有效地提高電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率和輸出性能[13]。

圖1 L形板結(jié)構(gòu)直線(xiàn)超聲電機(jī)

圖2 定子結(jié)構(gòu)

電機(jī)裝配時(shí),定子的一個(gè)振子與導(dǎo)軌平行安裝,使電機(jī)結(jié)構(gòu)更加緊湊,提高了空間利用率。定子夾持一端通過(guò)螺栓鉸支在底座上,另一端通過(guò)預(yù)壓力彈簧使驅(qū)動(dòng)足緊壓在陶瓷條上,為二者接觸界面提供法向預(yù)壓力。這種一端鉸支的夾持方式具有理論上無(wú)窮大的切向(沿導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)方向)剛度且限制了定子的平動(dòng)自由度,有利于提高電機(jī)的推力和輸出性能的穩(wěn)定性[9]。

每個(gè)矩形振子關(guān)于夾持對(duì)稱(chēng)地配置4片彎振陶瓷片,位于同一振子上的兩電極片用導(dǎo)線(xiàn)連接,構(gòu)成了定子的A、B相;前后端蓋和夾持做接地處理。圖3為自由-自由邊界條件下,兩振子發(fā)生同相或反相一階彎曲振動(dòng)時(shí)形成的對(duì)稱(chēng)和反對(duì)稱(chēng)模態(tài),壓電陶瓷片和夾持安置在模態(tài)波峰或波谷位置附近,以有效地激發(fā)矩形板的彎曲振動(dòng)和降低夾持對(duì)振動(dòng)模態(tài)的影響[14]。圖3顯示,對(duì)稱(chēng)模態(tài)在前端蓋存在較大區(qū)域的振動(dòng)節(jié)點(diǎn),從而嚴(yán)重限制了驅(qū)動(dòng)足處的振幅,不利于定子振動(dòng)能量的輸出。為此,在前端蓋開(kāi)設(shè)了一道圓弧通槽,用于釋放前端蓋的模態(tài)應(yīng)力,消除驅(qū)動(dòng)足附近的振動(dòng)節(jié)點(diǎn),最終以達(dá)到增加驅(qū)動(dòng)足處振幅的目的,定子開(kāi)槽后的振動(dòng)模態(tài)為圖4。

(a)對(duì)稱(chēng)模態(tài) (b)反對(duì)稱(chēng)模態(tài)圖3 定子的振動(dòng)模態(tài)

(a)對(duì)稱(chēng)模態(tài) (b)反對(duì)稱(chēng)模態(tài)圖4 開(kāi)槽定子的振動(dòng)模態(tài)

選擇定子開(kāi)槽后的對(duì)稱(chēng)和反對(duì)稱(chēng)模態(tài)作為工作模態(tài)。當(dāng)對(duì)定子A、B兩相施加相位差為0的正弦激勵(lì)時(shí),兩振子做同相彎曲振動(dòng),定子的對(duì)稱(chēng)模態(tài)被激發(fā),此時(shí)驅(qū)動(dòng)足沿定子對(duì)稱(chēng)軸的方向做往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)足在預(yù)壓力的作用下與導(dǎo)軌接觸,考慮到驅(qū)動(dòng)足處的彈性變形,驅(qū)動(dòng)足上接觸點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡將變成一個(gè)傾斜的扁平橢圓[12]。接觸點(diǎn)的橢圓運(yùn)動(dòng)單向地間歇驅(qū)動(dòng)導(dǎo)軌,進(jìn)而推動(dòng)導(dǎo)軌沿y方向做直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。同理,當(dāng)對(duì)A、B兩相施加相位差為π的正弦激勵(lì)時(shí),定子的反對(duì)稱(chēng)模態(tài)被激發(fā),此時(shí)驅(qū)動(dòng)足沿垂直于定子對(duì)稱(chēng)軸的方向做往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)并在接觸狀態(tài)下產(chǎn)生反向的橢圓運(yùn)動(dòng),從而推動(dòng)導(dǎo)軌沿-y方向運(yùn)動(dòng)。

2 定子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 開(kāi)槽尺寸設(shè)計(jì)

采用單模態(tài)驅(qū)動(dòng)的超聲電機(jī)由于不需要考慮模態(tài)頻率一致性的要求,因而具有尺寸設(shè)計(jì)靈活的優(yōu)點(diǎn),可根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的需要進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文選用的定子結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖5所示,單個(gè)振子的特征尺寸為62 mm×30 mm×8 mm。前端蓋開(kāi)設(shè)的圓弧通槽寬為0.5 mm,半徑為R。驅(qū)動(dòng)足部分僅通過(guò)前端蓋頸部線(xiàn)段AB和線(xiàn)段A′B′與定子剩余部位連接,考慮連接強(qiáng)度和避開(kāi)內(nèi)螺紋等因素,將R限制在8～12 mm或18～22 mm范圍內(nèi)。

圖5 定子結(jié)構(gòu)參數(shù)

借助ANSYS的APDL語(yǔ)言建立定子有限元模型,對(duì)壓電陶瓷和金屬?gòu)椥泽w分別采用SOLID226和SOLID186單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分,在自由-自由邊界條件下,給定子施加峰峰值為200 V的激勵(lì)電壓進(jìn)行諧響應(yīng)分析,計(jì)算得到在對(duì)稱(chēng)和反對(duì)稱(chēng)模態(tài)下驅(qū)動(dòng)足沿y方向的振幅(分別記為A1,y和A2,y)隨R的變化規(guī)律,如圖6所示。

(a)8 mm≤R≤12 mm

(b)18 mm≤R≤22 mm圖6 R對(duì)驅(qū)動(dòng)足振幅的影響

從圖6可以看出,當(dāng)18 mm≤R≤22 mm時(shí),更有利于提高驅(qū)動(dòng)足的振幅,此時(shí)A1,y的變化不大,而A2,y隨著R的增大而增大。因此,參數(shù)R確定為22 mm。上述參數(shù)下的定子模態(tài)如圖4所示,對(duì)稱(chēng)和反對(duì)稱(chēng)模態(tài)的固有頻率分別為29.4 kHz和27.3 kHz,驅(qū)動(dòng)足振幅分別為2.16 μm和4.68 μm。

2.2 振子螺栓緊固形式設(shè)計(jì)

夾心結(jié)構(gòu)的壓電振子通常采用預(yù)緊螺栓將各部件擰緊在一起,如圖7a所示。對(duì)壓電陶瓷施加一定的預(yù)應(yīng)力,保證壓電陶瓷工作時(shí)始終處于壓應(yīng)力狀態(tài),從而使其可采用高幅電壓激勵(lì),提高電機(jī)的輸出能力[15]。如果預(yù)應(yīng)力太小,陶瓷工作過(guò)程產(chǎn)生的伸張應(yīng)力可能會(huì)大于預(yù)應(yīng)力,導(dǎo)致不同材料間的界面損耗增加,機(jī)械阻抗增加,機(jī)電轉(zhuǎn)換效率下降。振子所采用的螺栓緊固形式(包括預(yù)緊螺栓的數(shù)量和位置)會(huì)直接影響壓電陶瓷中預(yù)應(yīng)力的大小和分布,因此有必要對(duì)其進(jìn)行合理設(shè)計(jì)以提高緊固效果。

將圖7a中振子采用的螺栓緊固方式描述為一組機(jī)械彈簧模型,預(yù)緊螺栓和振子分別等效為剛度為k0和ks的線(xiàn)性彈簧。若用n根相同的螺栓緊固振子,則螺栓的總剛度為kb=nk0=nEAb/Lb,式中E、Ab、Lb分別為螺栓的彈性模量、橫截面積和長(zhǎng)度。kb和ks如圖7b所示。

(a)振子基本結(jié)構(gòu) (b)自由狀態(tài)下力學(xué)模型

振子裝配時(shí),為防止擰緊預(yù)緊螺栓時(shí)振子的轉(zhuǎn)動(dòng)以及各部件間膠粘層的破壞,通常用夾具預(yù)先將振子夾緊,之后通過(guò)扭矩扳手?jǐn)Q緊螺栓,施加裝配預(yù)緊力,最后松開(kāi)夾具,完成裝配。上述裝配過(guò)程可以通過(guò)圖7b～7e來(lái)進(jìn)行說(shuō)明:圖7b為初始狀態(tài),螺栓處于自由狀態(tài);圖7c為夾具夾緊振子狀態(tài),壓電陶瓷被壓縮;圖7d為施加螺栓預(yù)緊力狀態(tài),螺栓被拉伸;圖7e為夾具松開(kāi)狀態(tài),振子發(fā)生壓縮回彈,螺栓被進(jìn)一步拉伸。

(c)夾具夾緊 (d)施加螺栓預(yù)緊力 (e)夾具松開(kāi)圖7 振子結(jié)構(gòu)及螺栓緊固力學(xué)模型

在上述過(guò)程中,振子在夾具施加的夾緊力P的作用下,產(chǎn)生的壓縮量為

(1)

扭矩扳手對(duì)每根螺栓施加的預(yù)緊扭矩均為T(mén)0,忽略螺栓擰緊順序?qū)ρb配體的影響,則螺栓緊固件受到的總預(yù)緊力Fb,0與預(yù)緊扭矩T0之間的關(guān)系為

nT0=KdFb,0

(2)

式中:K為扭矩系數(shù);d為螺紋公稱(chēng)直徑。

松開(kāi)夾具后,振子將產(chǎn)生一個(gè)壓縮回彈量ε,螺栓被進(jìn)一步拉伸,螺栓中的總預(yù)緊力增加至Fb。根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件,有

(3)

根據(jù)式(1)～(3),壓電陶瓷中的預(yù)應(yīng)力為

(4)

式中:λ=ks/k0;A為振子的橫截面積。

從式(4)可以看出,增大夾緊力P或預(yù)緊扭矩T0可提高壓電陶瓷的預(yù)應(yīng)力。但是,夾緊力過(guò)大會(huì)壓碎壓電陶瓷,其大小一般根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定。由于螺栓在斷裂前的屈服階段就已經(jīng)產(chǎn)生了預(yù)緊力的損失,因此螺栓上能夠施加的扭矩大小由螺栓材料的屈服強(qiáng)度σy決定,并滿(mǎn)足以下關(guān)系

T0/(Kd)=Abσy/S

(5)

式中S為安全系數(shù)。

將式(5)代入式(4)得

(6)

從式(6)可以看出,適當(dāng)?shù)卦龃舐菟M截面積或振子橫截面積的比值(Ab/A)可以提高壓電陶瓷的預(yù)應(yīng)力。但是,螺栓橫截面積過(guò)大會(huì)使陶瓷的有效工作面積減少,導(dǎo)致振子的機(jī)電耦合系數(shù)損失嚴(yán)重。因此,基于實(shí)際考慮,預(yù)緊螺栓的橫截面尺寸一般為振子橫向尺寸的1/4～1/3[16]。由于板結(jié)構(gòu)振子為扁平結(jié)構(gòu),其橫向尺寸大、厚度小的特點(diǎn)限制了使用的預(yù)緊螺栓的直徑規(guī)格,僅使用1根預(yù)緊螺栓難以達(dá)到上述緊固要求。式(4)表明,增加預(yù)緊螺栓的數(shù)量也可以提高壓電陶瓷中的預(yù)應(yīng)力。因此,可通過(guò)使用多根預(yù)緊螺栓達(dá)到增大螺栓緊固作用面積的目的。本文的振子厚度為8 mm,橫向尺寸為30 mm。使用2根M4螺栓緊固時(shí),預(yù)緊螺栓的橫截面尺寸是振子橫向尺寸的4/15,可見(jiàn)選用2根預(yù)緊螺栓是合適的。此時(shí),壓電陶瓷中的預(yù)應(yīng)力σ2與單根螺栓緊固時(shí)的預(yù)應(yīng)力σ1的比值為

(7)

在設(shè)計(jì)振子緊固方式時(shí),壓電陶瓷中預(yù)應(yīng)力的均勻性也是一個(gè)非常重要的因素。均勻的預(yù)應(yīng)力可保證振子獲得較高的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)和較低的機(jī)械損耗[16-17]。目前,板結(jié)構(gòu)振子多采用常規(guī)的蘭杰文振子緊固方式[12-13],即在振子橫截面中部位置使用單根螺栓進(jìn)行緊固,如圖8a所示。但是,板結(jié)構(gòu)振子橫向尺寸大,而且特別是當(dāng)后端蓋的縱向尺寸較小時(shí),極易造成端蓋和壓電陶瓷接觸面之間的預(yù)應(yīng)力分布不均勻。因此,將2根螺栓安排在振子橫截面中部?jī)蓚?cè)的中心位置,如圖8b所示,以保證預(yù)應(yīng)力的均勻分布。

(a)中部單螺栓緊固 (b)兩側(cè)雙螺栓緊固圖8 螺栓緊固橫截面視圖

此外,根據(jù)式(4)可計(jì)算出,采用雙螺栓緊固和采用單螺栓施加2倍預(yù)緊扭矩時(shí),二者壓電陶瓷的預(yù)應(yīng)力比值為

(8)

由于在裝配過(guò)程中夾具施加的夾緊力能夠保證夾具始終處于夾緊狀態(tài),因此P-2T0/(Kd)>0,故σ2>σ2T,由此可見(jiàn)采用2根螺栓緊固要好于對(duì)單根螺栓施加2倍預(yù)緊扭矩的效果。一方面,預(yù)應(yīng)力得到提高,進(jìn)而壓電陶瓷的有效接觸面積增加,彈性波的作用范圍增大;另一方面,采用單螺栓緊固時(shí)由于施加的預(yù)緊扭矩過(guò)大而造成的螺栓失效問(wèn)題得到避免,具有較高的安全系數(shù)。此外,相比采用1根中部螺栓緊固,在橫截面中部?jī)蓚?cè)采用雙螺栓緊固能獲得分布較為均勻的預(yù)應(yīng)力,振子彎曲振動(dòng)時(shí)各部件結(jié)合面兩端位置預(yù)應(yīng)力的損失減少,接觸面的分離和滑動(dòng)得到抑制,從而界面損耗降低,有利于振動(dòng)能量在振子中的傳遞,提高電機(jī)的機(jī)械輸出性能。

3 實(shí)驗(yàn)研究

為驗(yàn)證定子設(shè)計(jì)的可行性,制作了2種實(shí)驗(yàn)樣機(jī),圖9為樣機(jī)照片,電機(jī)裝配時(shí)對(duì)每根螺栓均施加4.5 N·m的預(yù)緊扭矩。采用多普勒激光測(cè)振儀(PSV-300F-B,德國(guó)Polytec公司)對(duì)樣機(jī)進(jìn)行掃頻實(shí)驗(yàn),測(cè)定結(jié)果見(jiàn)圖10。模態(tài)測(cè)試過(guò)程中,選擇前端蓋上靠近驅(qū)動(dòng)足的1個(gè)側(cè)端面作為測(cè)試面,并給定子A、B兩相施加峰峰值為80 V、相位差為0或π的激勵(lì)電壓。

圖9 樣機(jī)照片

從圖10可以看出,各樣機(jī)的2條頻響特性曲線(xiàn)分別有一較大峰值,對(duì)應(yīng)的頻率即為對(duì)稱(chēng)模態(tài)共振頻率(f1)和反對(duì)稱(chēng)模態(tài)共振頻率(f2)。樣機(jī)的兩相工作模態(tài)實(shí)際頻率與有限元仿真結(jié)果略有差異,主要是因?yàn)锳NSYS在仿真過(guò)程中對(duì)有限元模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化,且未考慮預(yù)緊螺栓的預(yù)緊力以及加工和裝配誤差等因素。

(a)單螺栓樣機(jī)

(b)雙螺栓樣機(jī)圖10 定子頻響特性曲線(xiàn)

對(duì)電機(jī)的機(jī)械輸出特性進(jìn)行測(cè)試,設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖11所示。由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的兩相相位差為0或π的正弦信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大器放大后,施加到定子的A相和B相以驅(qū)動(dòng)電機(jī)。采用在直線(xiàn)導(dǎo)軌上吊砝碼的方式為電機(jī)提供負(fù)載,導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)速度通過(guò)高速激光位移傳感器測(cè)得。

圖11 電機(jī)的機(jī)械輸出特性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖12為在預(yù)壓力為100 N、激勵(lì)電壓峰峰值為500 V時(shí),樣機(jī)的空載速度頻率特性曲線(xiàn),可以看出:在工作頻率范圍內(nèi),電機(jī)的空載速度隨著頻率的升高先增大后減小;單螺栓樣機(jī)的對(duì)稱(chēng)和反對(duì)稱(chēng)模態(tài)分別在頻率27和24 kHz附近有最大空載速度384和293 mm/s;雙螺栓樣機(jī)的對(duì)稱(chēng)和反對(duì)稱(chēng)模態(tài)分別在頻率27.4和25 kHz附近有最大空載速度405和435 mm/s。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明,采用雙螺栓緊固方式可提高電機(jī)的輸出速度。

(a)對(duì)稱(chēng)模態(tài)

(b)反對(duì)稱(chēng)模態(tài)圖12 樣機(jī)的空載速度頻率特性

(a)單螺栓樣機(jī)對(duì)稱(chēng)模態(tài)

(b)單螺栓樣機(jī)反對(duì)稱(chēng)模態(tài)

(c)雙螺栓樣機(jī)對(duì)稱(chēng)模態(tài)

(d)雙螺栓樣機(jī)反對(duì)稱(chēng)模態(tài)圖13 不同樣機(jī)在不同預(yù)壓力下的機(jī)械輸出特性

圖13為兩樣機(jī)在激勵(lì)電壓峰峰值為500 V時(shí)不同預(yù)壓力下的機(jī)械輸出特性曲線(xiàn),可以看出:電機(jī)的輸出速度隨著負(fù)載的增加而近似線(xiàn)性地下降,而且預(yù)壓力越小,下降趨勢(shì)越明顯。因此,適當(dāng)增大預(yù)壓力可提高電機(jī)的驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力。在預(yù)壓力為200 N、激勵(lì)電壓峰峰值為500 V時(shí),單螺栓樣機(jī)的對(duì)稱(chēng)和反對(duì)稱(chēng)模態(tài)可分別驅(qū)動(dòng)65 N和90 N的負(fù)載,雙螺栓樣機(jī)的對(duì)稱(chēng)和反對(duì)稱(chēng)模態(tài)可分別驅(qū)動(dòng)80 N和100 N的負(fù)載。與單螺栓樣機(jī)比較,采用雙螺栓緊固的方式可進(jìn)一步提高電機(jī)的機(jī)械輸出性能,雙螺栓樣機(jī)對(duì)稱(chēng)模態(tài)的輸出力提高了23.1%,反對(duì)稱(chēng)模態(tài)的輸出力提高了11.1%。電機(jī)定子重1.83 N,推重比為54.6。

本文設(shè)計(jì)的L形直線(xiàn)超聲電機(jī)與幾種現(xiàn)有的直線(xiàn)超聲電機(jī)的輸出性能比較如表1所示。文獻(xiàn)[4]和[9]中的電機(jī)為V形直線(xiàn)超聲電機(jī),文獻(xiàn)[11]和[13]中的電機(jī)為單模態(tài)驅(qū)動(dòng)的矩形板結(jié)構(gòu)直線(xiàn)超聲電機(jī)。從表1可以看出:V形電機(jī)具有較大的輸出速度,而板結(jié)構(gòu)電機(jī)能獲得更大的輸出力,但輸出U:激勵(lì)電壓;Fmax:最大推力;vmax:最大速度。

表1 幾種直線(xiàn)超聲電機(jī)的輸出性能比較

速度相對(duì)較小。這主要是因?yàn)槎叩墓ぷ鳈C(jī)理不同,V形電機(jī)為模態(tài)耦合型電機(jī),而板結(jié)構(gòu)電機(jī)為單模態(tài)電機(jī)。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),本文研制的L形電機(jī)具有較大的推力和推重比,可用于需要大推力且安裝空間狹窄的直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合。

4 總 結(jié)

(1)提出了一種單模態(tài)驅(qū)動(dòng)的直線(xiàn)超聲電機(jī),利用L形板結(jié)構(gòu)定子的對(duì)稱(chēng)模態(tài)和反對(duì)稱(chēng)模態(tài)實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的雙向運(yùn)動(dòng)。

(2)運(yùn)用有限元方法研究了開(kāi)槽對(duì)驅(qū)動(dòng)足振幅的影響規(guī)律。通過(guò)在定子前端蓋開(kāi)設(shè)一道圓弧形通槽,消除了對(duì)稱(chēng)模態(tài)在驅(qū)動(dòng)足附近的振動(dòng)節(jié)點(diǎn),提高了驅(qū)動(dòng)足處的振幅。

(3)利用彈簧模型分析了壓電振子中螺栓緊固方式對(duì)壓電陶瓷預(yù)應(yīng)力的影響,并設(shè)計(jì)了一種雙螺栓緊固方式,即在振子橫截面中部?jī)蓚?cè)中心位置各采用一根預(yù)緊螺栓進(jìn)行緊固,提高了預(yù)應(yīng)力的大小和分布的均勻性。

(4)研制了直線(xiàn)超聲電機(jī)樣機(jī),并測(cè)試了其性能。實(shí)驗(yàn)表明:采用雙螺栓緊固方式可提高電機(jī)的機(jī)械輸出性能;電機(jī)在對(duì)稱(chēng)模態(tài)下的最大速度和輸出力分別為405 mm/s和80 N,在反對(duì)稱(chēng)模態(tài)下的最大速度和輸出力分別為435 mm/s和100 N。該電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊,運(yùn)行穩(wěn)定、推力大,可用于電機(jī)安置空間狹窄且需要大推力的直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合,應(yīng)具有較好的應(yīng)用前景。