直線超聲電機(jī)柔性夾持元件的設(shè)計

胡 寧 姚志遠(yuǎn) 趙文濤

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

0 引言

因具有結(jié)構(gòu)簡單、可直接驅(qū)動、重量推力比大、動子慣性小、響應(yīng)快、斷電自鎖、可控制性好和定位精度高等優(yōu)點(diǎn)，直線超聲電機(jī)在航空航天和精密驅(qū)動等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，它的研究受到廣泛關(guān)注［1－3］。1983年，日本學(xué)者最早提出了兩種行波型直線超聲電機(jī)［4］。1998年，日本W(wǎng)akai等［5］研制了一種高速、大推力直線超聲電機(jī)。該電機(jī)最大輸出力為51N，最大速度為3.5m／s。2004年，Hemsel等［6］研制出一款新型的基于面內(nèi)振動的直線電機(jī)，該電機(jī)也有良好的輸出特性。

隨著直線超聲電機(jī)運(yùn)行機(jī)理研究的不斷深入和定子結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的完善，直線超聲電機(jī)的輸出力和速度有了進(jìn)一步提高。其后的研究重點(diǎn)是提高電機(jī)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、運(yùn)行的平穩(wěn)性和效率，以便提高電機(jī)的控制精度。利用柔順機(jī)構(gòu)改善電機(jī)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是一種發(fā)展方向。近幾年來，一些國內(nèi)外超聲電機(jī)專家把柔順機(jī)構(gòu)引入超聲電機(jī)領(lǐng)域中進(jìn)行了相關(guān)研究［7－8］。Wakai等［5］采用柔順鉸鏈設(shè)計直線超聲電機(jī)定子的驅(qū)動足，提高了直線超聲電機(jī)的輸出效率。Lee等［9］設(shè)計的直線超聲電機(jī)也采用橫向柔性支撐來固定超聲電機(jī)定子。

本文以 V形直線超聲電機(jī)［10－11］的夾持元件為研究對象，采用柔性鉸鏈替代預(yù)壓力彈簧，將柔性圓弧段（柔性鉸鏈）和彈性支持臂背結(jié)合為一體，設(shè)計了帶有柔性鉸鏈的直線超聲電機(jī)夾持元件；研究了夾框位移與預(yù)壓力之間的相互關(guān)系，以及柔性鉸鏈對定子振動的影響規(guī)律。

1 柔性夾持元件的設(shè)計

傳統(tǒng)直線超聲電機(jī)將彈簧和彈性元件作為夾持元件，在彈簧與彈性元件的連接中會存在間隙，這種間隙構(gòu)成了定子振動系統(tǒng)的非線性邊界，增加了振動系統(tǒng)的非線性，從而導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的不穩(wěn)定。

為了解決傳統(tǒng)直線超聲電機(jī)夾持元件存在的上述問題，簡化電機(jī)結(jié)構(gòu)，提出運(yùn)用柔性鉸鏈代替彈簧來設(shè)計夾持元件。以V形直線超聲電機(jī)夾持元件的設(shè)計為研究對象，設(shè)計了結(jié)構(gòu)為U形的夾持元件。該夾持元件主要由臂尾、柔性圓弧段和支持臂組成，臂尾通過螺栓與夾框連接，支持臂通過連接螺栓與定子相連。支持臂與臂尾的厚度為2mm，中間與兩端柔性圓弧的厚度為0.7mm，其材料為65Mn，如圖1所示。

圖1 柔性夾持元件

夾持元件兩端的圓弧形柔性鉸鏈的作用是代替彈簧，以便實(shí)現(xiàn)合適預(yù)壓力的加載，并保持定子振動的線性彈性邊界。中間的柔性圓弧鉸鏈?zhǔn)菫榱讼ㄗ友b配中的裝配應(yīng)力，消除干擾模態(tài)。

圖2是利用該夾持元件組裝的V形直線超聲電機(jī)結(jié)構(gòu)圖。其中的夾框能夠在動子移動的方向上移動，通過控制夾框與動子的相對位置實(shí)現(xiàn)對預(yù)壓力的加載和控制。

圖2 具有柔性夾持的直線超聲電機(jī)

2 柔性夾持元件結(jié)構(gòu)參數(shù)的理論計算

在柔性夾持元件的設(shè)計中，柔性鉸鏈圓弧的厚度t是關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)。采用有限元方法分析了整個電機(jī)的定子及外框在不同柔性鉸鏈圓弧厚度下，外框的位移隨預(yù)壓力的變化規(guī)律。選取了三種柔性鉸鏈圓弧的厚度，分別為0.6mm、0.7mm、0.8mm。

在ANSYS計算中，采用Solid45單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分后的網(wǎng)格如圖3所示。圖3所示的結(jié)構(gòu)左右夾框取固支邊界，在施加載荷時，固定外框左右兩端，限制其位移。根據(jù)實(shí)際需要，對電機(jī)定子驅(qū)動足施加0～100N的預(yù)壓力F，通過ANSYS計算出柔性鉸鏈最大變形量。

圖3 有限元網(wǎng)格劃分

柔性鉸鏈的施壓變形過程應(yīng)該屬于“大位移、大轉(zhuǎn)動、小應(yīng)變”的大變形問題，定子的位移與預(yù)壓力呈現(xiàn)非線性關(guān)系。本文利用“l(fā)arge displacement static”計算，其計算結(jié)果如圖4所示。

圖4 有限元分析的柔性鉸鏈的變形曲線

由圖4可知，柔性鉸鏈的彈性系數(shù)隨著圓弧厚度增大而增大；預(yù)壓力在0～100N的小范圍內(nèi)，定子的位移與預(yù)壓力具有（近似的）線性關(guān)系。t＝0.6mm 時，彈性系數(shù)為k1＝105N／mm；t＝0.7mm 時，彈性 系 數(shù) 為 k2＝117N／mm；t＝0.8mm 時，彈性系數(shù)為k3＝169N／mm。t＝0.6mm和t＝0.7mm時，柔性鉸鏈的彈性系數(shù)滿足變形要求?？紤]到柔性圓弧的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，最后選用柔性鉸鏈圓弧片段厚度為0.7mm作為最佳方案。

3 夾持元件力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)研究

通過理論設(shè)計，采用65Mn材料加工出柔性鉸鏈夾持元件，并裝配出4臺直線超聲電機(jī)定子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以研究柔性鉸鏈對定子振動特性的影響。

3.1 夾持元件的彈性系數(shù)

定子通過夾持元件固定在夾框上，夾框能夠沿y方向移動。在預(yù)壓力的作用下，夾框沿y方向向動子移動，當(dāng)驅(qū)動足和動子接觸后，夾持元件臂尾處的柔性圓弧段發(fā)生變形。當(dāng)固定夾持元件后，由于柔性圓弧段的變形，使得定動子之間在接觸點(diǎn)處產(chǎn)生預(yù)壓力。通過測量整個夾框隨預(yù)壓力增大所產(chǎn)生的位移，繪出圖5。圖5表明，柔性夾持元件在預(yù)壓力作用下，其變形量呈線性變化，并且兩臺電機(jī)的夾持元件有相同的彈性系數(shù)。預(yù)壓力與夾持元件變形量的線性變化關(guān)系表明，柔性鉸鏈能夠代替彈簧施加預(yù)壓力。柔性鉸鏈的使用消除了傳統(tǒng)夾持元件與夾框間存在的間隙。

圖5 預(yù)壓力－位移圖

3.2 夾持元件支持下的振動特性

夾持元件的結(jié)構(gòu)形式會對定子的振動特性產(chǎn)生影響。圖6所示為中間沒有柔性圓弧的夾持元件，該夾持元件在定子的裝配過程中，產(chǎn)生附加內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致定子的振動模態(tài)發(fā)生變化。

圖6 中間沒有柔性圓弧的夾持元件

定子3和定子4是由圖1所示的夾持元件構(gòu)成的定子，而定子5和定子6是由圖6所示的夾持元件構(gòu)成的定子。采用德國Polytec公司生產(chǎn)的PSV－300F－B型高頻掃描激光測振系統(tǒng)測試其振動模態(tài)，圖7～圖10依次為定子3～6的兩相振型掃描圖。

圖7 定子3的兩相振型圖

從圖7～圖10中可以看出，定子5和定子6容易產(chǎn)生干擾波峰，并且兩相模態(tài)頻率相差很大，定子之間的振動頻率的差距也大。定子5兩相波形不一致，定子6兩相頻率差距為4kHz。上述問題的出現(xiàn)是由于該夾持元件中間的剛性大，在施加預(yù)緊力時，產(chǎn)生了裝配應(yīng)力，改變了定子的模態(tài)。而定子3和定子4的兩相模態(tài)是一致的，沒有出現(xiàn)大的干擾模態(tài)。這說明在施加預(yù)緊力時，夾持元件中間的柔性圓弧消除了裝配應(yīng)力。

圖8 定子4的兩相振型圖

圖9 定子5的兩相振型圖

圖10 定子6的兩相振型圖

4 結(jié)論

（1）利用柔性鉸鏈代替彈簧設(shè)計直線超聲電機(jī)的夾持元件，能夠簡化電機(jī)的結(jié)構(gòu)。運(yùn)用有限元軟件分析了夾框位移與預(yù)壓力之間的關(guān)系。計算結(jié)果表明，柔性圓弧的最佳厚度為0.7mm。

（2）預(yù)壓力在0～100N的小范圍內(nèi)，定子的位移與預(yù)壓力呈現(xiàn)線性關(guān)系，它表明柔性鉸鏈能夠作為線性彈簧用于夾持元件中。柔性鉸鏈的使用消除了因彈簧支撐而存在的夾持元件和夾框間的間隙，也消除了定子振動的非線性邊界。另外，夾持元件與夾框?yàn)楣讨нB接，提高了電機(jī)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

（3）夾持元件中間的柔性圓弧能夠消除裝配應(yīng)力，減小因定子裝配對定子振動模態(tài)的影響。基于柔性鉸鏈的夾持元件的使用能夠改善定子的振動特性，提高電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

［1］趙淳生.超聲電機(jī)技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2007.

［2］曾勁松，姚志遠(yuǎn)，趙淳生.超聲電機(jī)中的非線性現(xiàn)象研究［J］.中國機(jī)械工程，2006，17（10）：1047－1050.

［3］李玉寶，時運(yùn)來，趙淳生.新型大推力直線超聲電機(jī)運(yùn)動機(jī)理及實(shí)驗(yàn)研究［J］.中國機(jī)械工程，2008，19（24）：2912－2916.

［4］見誠尚志，指田年生.超音波モ－タ入門［M］.東京：總和電子出版社，1991.

［5］Wakai T，Kurosawa M K，Higuchi T.Transducer for an Ultrasonic Linear Motor with Flexible Driving Part［C］／／IEEE Ultrasonic Symposium.Miyagi，Japan，1998：683－685.

［6］Hemsel T，Mracek M，Wallaschek J，et al.A Novel Approach for High Power Ultrasonic Linear Motors［J］.IEEE Ultrasonics Ymposium，2004，2：1161－1164.

［7］Paros J M，Weisboro I.How to Design Flexure Hinges［J］.Machine Design，1965，37（27）：151－157.

［8］吳鷹飛，周兆英.柔性鉸鏈的設(shè)計計算［J］.工程力學(xué)，2002，19（6）：136－140.

［9］Lee Y M，Kim W S.A High Power and Precision Ultrasonic Linear Motor with Lateral Flexible［J］.Towards Synthesis of Micro Nano Systems，2007，2（A4）：101－106.

［10］楊東，姚志遠(yuǎn).雙變幅桿V形直線超聲電機(jī)研究［J］.壓電與聲光，2009，31（5）：685－688.

［11］姚志遠(yuǎn)，楊東，趙淳生.桿結(jié)構(gòu)直線超聲電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和功率流分析［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2009，29（24）：56－60.