第!"卷第#期华侨大学学报$自然科学版%
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文章编号#+++>?+#,$!++,%+#>++@+>+A
多振动片式超声波电机的设计制作
石顺桥洪尚任许芦君
华侨大学机电及自动化学院B福建泉州,$C!+##%
摘要在单片式驻波回旋型超声波电机研究的基础上B设计制作一台多振动片式驻波回旋型超声
波电机的样机)通过样机实验及实验所得到的数据B绘出它的一些重要的特性曲线)在此基础上B
研究它的基本特性B为以后同类电机的研究和制作提供必要的数据)
关键词超声波马达B压电效应B换能器B多振动片B特性曲线
?F)F+!DE,文献标识码G中图分类号
#B!I超声波电机作为一种具有开发潜力和广阔应用前景的新型驱动器H仍处在一个探索和B
超声波电机是利用压电陶瓷的压电效应及弹性体的机械振动B通过转子与定子间完善的阶段)
可采用不同的振动模态来产生驱动力B因而可以研制出多种不同结构的超声波电机)本文设计的是一种新型的超声波电机JJ多振动片式驻波回旋型超声波电机)它是基于对单片式驻波回旋型超声波电机研究的基础上进行设计制作的)理论上分析B与单片式同类电机相比B这种新型马达转速平稳B波动小)由于压力均匀分布在多个振子上B减小了振子的磨损B提高了它的使用寿命K同时也提高了输出转矩)这种电机是利用纵>弯振动的合成形成了振动片上的椭圆运动B达到输出运动的目的)其中振动片随着与之相连的定子部分$压电陶瓷和弹性体%做纵向再激励与之相连的弹性体的纵向共振)通过实验B对样机的基本特性进行了探讨B为同类电机的进一步研究打下良好的基础)的摩擦力驱动转子转动的)由于压电陶瓷的极化形式多样B弹性体的振动模式也具有多样性B而定子部分的纵振动是依靠压电陶瓷的逆压电效应B压电振子会产生厚度方向的振动B振动B
L压电换能器与超声变幅杆的研究与设计
振动片式超声波电机的结构原理B如图#所示)它是一种纵>弯复合型的驻波电机)它的定子部分包括有压电换能器M变幅杆和振动片)其中压电换能器是将电能转换为机械振动能的部
变幅杆是将该机械振动振幅放大的结构B最前端与转子直接接触的是定子振动片B它是实件B
现纵>弯振动合成形成椭圆运动并推动转子运动的部分)所以采用分割设计法$即分别设计纵振动与弯曲振动系统的方法%研究和设计振动片式超声波电机的压电换能器和变幅杆)B
多振动片式超声波电机的设计制作
62华侨大学学报1自然科学版3299#年结构!常被称为朗之万型换能器或夹心式换能器"这种结构的纵向复合换能器!首尾是两块金用螺杆将这#部分紧紧压牢"此结构利用预紧力螺杆施加预紧力!这可以增强换能器的稳定
另外!还可以避免陶瓷膨胀而造成的破裂"调整首尾金属盖板材料和尺寸!就可调整换能器性"
的带宽$前后振速比和有效机电耦合系数等性能参数"依据等效声学原理!本文设计的换能器所采用的各材料的参数!如表%所示"表中&为材料密度!为声音在材料中的传播速度"压电’
表%材料参数
部件名称
压电陶瓷
预紧力螺杆
前盖板
后盖板材料(+,-#&)*7"87"62"77"6-%(’.,+/2-%(+13&’0*,+/属盖板!中间是压电陶瓷元件堆"它一般是纵向极化的带孔圆片或圆管!本文中选用带孔圆片"564;钢:8硬铝?:8;#"#98"%88"%98"%828:9%::9
陶瓷堆的总长度@为压电陶瓷片$薄铜电极$胶合层的厚度之和"选择压电陶瓷晶堆的中间位
就可得到@置作为节面位置!%和@#的长度为
"2
由已知的参数求得压电换能器各部分的尺寸!如表2所示"@%A@#A表2压电换能器各部分的尺寸
尺寸压电陶瓷堆
A26"8%@
9!A29CA8D前盖板后盖板轴向尺寸(,,径向尺寸(,,1%3A82"8#2@有)%916螺纹孔3CA8A#B"99:@9!A29CA8D
选择性能优异的锆钛酸铅压电陶%"%"#压电陶瓷元件的尺寸确定通过对压电陶瓷的分析!
瓷材料中的4它的主要特点是介电损耗小!机械损耗小!性能较稳定!主要参数如表#56型"
所列"表中E为介电常数!为频率常数1它是一个只与材料本身有关!F*G为介电损耗系数!HF##
的量3为压电常数!下面介绍本文压电陶瓷元件!IF为机电耦合系数!DJ##,为机械品质因数"
这里取外径为CA8每片厚度K内径D片数LA:的尺寸"9,,!A7,,!A29,,!"
表#压电陶瓷材料参数
##E(1M3F*G
9"#(+,NOHF2999(1M3IFB:(##DP,+Q228-%,J%999%299
R"S超声变幅杆的研究与设计
在振动片式超声波电机的变幅杆可以将压电换能器传出的较小的振幅加以放大!使固接在端面的振动片得到足够大的纵向振幅和振动能量!推动转子转动"在这里!为了配合多振动片的输出形式!选择了内圆锥形的变幅杆"在参数的确定方面对于内圆锥形的变幅杆!利用振
动学知识可求得频率方程和各参数的表达式"其中频率方程为T半波谐振长度@AU!A+@2
放大系数位移节点长度%21A3"A!VX*YX\P为9的表达式为F9UW1[-[39#2
第,期石顺桥等U多振动片式超声波电机的设计制作:-在上述各式中!输出端.节点处的半径*#$(*!!"%&)+++/为波’,$-分别为变幅杆的输入端.
代入到上述的各公式中!可得变幅杆各部分的长度和输出端的直径!结果见表67表中1,为输入端直径!1$为输出端直径!8’为位移节点长度0
表6变幅杆的设计参数值
1,(33
2’1$(332’(933,-:02(’8332;0-数!输入端直径与压电换能器输出端的一致!取45#6’330!&)为波速01,#2’为共振频率!
通过对压电换能器和变幅杆设计!得到实验装置中超声波振动系统
这样可以保证良好
P-振动频率&计算出几组B和C的对应值!如表2所示0#$’M03!QR’
表2B和9的对应值表>0>振动片的阵列$#本文研究的是多振动片式驻波超声波电
(’0$’’02’’0;2,0’’,0$’
年
基体上!就可以构成多振动片式超声波电机"考虑到要使用线切割加工!为了加工的方便!应该使振动片的片数为偶数"根据这个要求!在振动片的阵列方式和个数上!选择的是沿基体的内圈!偶数个阵列#本文选择$以上讨论了定子振动片的理论与设计"根据对单振动%个振动片&"
()片式的样机实验结果’在本文中的定子振动片的设计参数!是采用平行四边形结构"其厚度!
定为$长度定为(宽度是,++!倾斜的角度为-沿基体环形阵列切制$"*++!",,++!.!%个振动片"
/实验研究与分析
/"0实验方案
实验采用的超声波发生器型号是1可产生高频交变电信号"其频率范围是523*4,!6$(7
输出功率可调!且最大功率为4采用4型数字频率计测量并显示超声波发生9:=
器的交变电信号的频率值!通过它可测得该实验共振系统的共振频率"由于无法直接在定子和转子间施加预压力!因此决定采用直立的方式进行实验"这样!可利用转子的自重及在其上施加一定的重物进行施加预压力"不过!这就无法直接测量样机的输出转矩"本文主要是对样机的基本特性进行实验研究!基本特性主要是指一些外部的输入因素对电机输出特性的影响"
转速特性对于多振动片式超声波电机!根据设计原理!可知整个超声振动系统3?$?$频率>
包括振动片&的设计都是基于共振设计的!且共振频率即为工作频率#本文中是按4设#*89:计的&当频率发生变化时!它的振动状态也会发生变化!必然导致输出特性#转速和力矩&的变"
在输入电压为%选择3个不同的预压力进行测试!实验结果如图-所示"*@时!
转速特性#在实际工作频率下测试&多振动片式是利用压电陶瓷来实现换能3?$?4电压>
的"根据压电陶瓷的压电性能可知!当外加电场的电压发生变化时形变也会发生变化!会导致整个振动系统的纵向振动的振幅发生改变!而影响到输出特性"通过上面的实验测得实际的工作频率"在此频率下!选择与上面的实验同样的3个不同的预压力测试电压A转速特性!以获得输出转速随输入电压的变化趋势"实验结果如图,所示
"化"通过实验来测试频率>转速特性!可以获得该系统输出转速随实际的工作频率的变化趋势"
多振动片式超声波电机的设计制作
转速特性%在实际工作频率下测试&在实际的工作频率%下,测得的!"#"!预压力$’()&*+
预压力与转速的特性曲线图%图-由图可见,随着预压力的增大,电机的转速也随之增大,但&.
在到达最高点后开始下降.
功率特性%在实际工作频率下测试&在实际的工作频率%下,测得的!"#"(预压力$’()&*+
预压力与功率的特性曲线图%图/由图可见,随着预压力的增大,电机的功率也随之增大.但&.
在到达最高点后也开始下降
.
46华侨大学学报#自然科学版%(88)年波电机的设计制作与实验分析!从电机的结构设计制作入手"研究了电机定子部分的压电换能器与变幅杆"得到了设计制作的参数!研究定子振动片的设计原理和结构方案"确定了振动片的设计制作参数!进行样机的实验研究"并结合得到的数据进行了分析!由实验得到了如下多振动片式驻波超声波电机的一些基本特性!转速特性!频率越接近共振频率"转速越#$%频率&
快"输入频率和系统的共振频率相同时"转速达最大值’由此反过来"则提供了一种确定系统共振频率的实验方法!转速特性!输入电压增大"输出的转速随之增大!当电压增大到#(%电压&
一定值后"转速达到一恒定值!转速特性!随着预压力的增大"电机的转速也随之#)%预压力&
增大!但当预压力达到某值后"转速又开始下降!功率特性!随着预压力的增大"电#*%预压力&
机的功率也随之增大!但在到达某一最大值后"又开始下降!
参考文献
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程存弟"贺西平!超声马达振动片的理论与设计.:徐方迁"!声学学报"$33:"(8#)%2$33,(8:/0
硕士学位论文0泉州2华侨大学机电及自动化学6石菊荣!振动片式超声波马达的理论与实验研究.0!.!9
院"$333!:*,7$
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&o[pRYTVToeVTSaVcdSZ[VpVes‘[eVcQRT[WapdVToRTYrVi[ZWdVZqS‘dZVpWTRceWdWZrRdQeS‘dRs‘[iRtZVdRTY
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多振动片式超声波电机的设计制作
作者：
作者单位：
刊名：
英文刊名：
年，卷(期)：
被引用次数：石顺桥， 洪尚任， 许芦君华侨大学机电及自动化学院,福建,泉州,362011华侨大学学报(自然科学版)JOURNAL OF HUAQIAO UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE)2003，24(1)1次
参考文献(6条)
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相似文献(10条)
1.学位论文 石顺桥 超声波马达的理论研究与设计制作 2003
超声波马达是一种借助摩擦传递弹性超声波振动以获得动力的驱动机构，是一种全新原理获得驱动力的新型马达，它利用压电陶瓷的压电效应使定子产生超声波振动，通过定子和转子间的摩擦力来驱动转子。与传统电机相比，它具有结构紧凑、低速高转矩、响应快、不受磁场影响、断电自锁等优点，因而它适合应用于机器人、精确定位装置、微型机械、航空航天器等方面。正是由于超声波马达具有以上诸多优点和广阔的应用前景，深深地吸引了一批科学工作者，成为当前世界范围内的的一门新兴前沿课题。本文主要研究了压电旋转型行波超声波马达，同时也对以前的多振动片式驻波超声波马达进行了改进。本文的主要内容可概括如下：系统地总结了国内外压电超声波马达的历史和发展状况，介绍了压电超声波马达的特点、分类，指出了研究超声波马达的科学意义和应用前景。深入地研究了超声波马达的核心元件——压电陶瓷，从压电效应着手，推导了压电方程，得到了描述压电材料物理特性的几个重要参数，并导出了压电振子及压电陶瓷的系统方程，论述了压电振子的振动模态及谐振特性。
2.学位论文 于洋 双面齿行波超声波马达研究 2004
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3.学位论文 杜皓 仿行波式直线超声波马达的理论与实验研究 2004
超声波马达作为一种全新的驱动器,以具有低速大转距、大静态保持力矩、响应速度快、较大的功率重量比、可以实现精确定位、无电磁场干扰等优点受到国内外的广泛关注.绝大多数超声波马达利用压电材料的逆压电效应,将电能转化为超声频域的微观振动,进一步通过摩擦或声悬浮驱动转子做宏观转动.该文在查阅和分析了大量国内外相关参考文献的基础上,设计并详细分析了一种新型的仿行波式直线超声波马达.该文所设计的仿行波式直线超声波马达利用朗之万振子的纵向振动合成椭圆运动,其驱动简单、并可方便的实现正反向运动.该文详细的分析了马达接触头处椭圆运动的形成机理,并且研究了两相振子的相位差、振幅以及振动频率对所形成的椭圆轨迹的影响.使用解析法求解了马达振子各部分的波动方程,并且根据边界条件确定了马达各部分的结构尺寸.利用有限元分析软件ANSYS6.1分析了驱动单元在耦合场中的各个振动模态,以及在不同激励频率条件下,马达接触头在接触面法向的振幅.对马达接触头进行的有限元分析所得的结果与使用解析法所得结果得到了很好的吻合,证明了理论分析的正确性.以往在对马达进行调试时多使用压控振荡器的外接电位器进行手动调频,这种调频手段很难精确的将马达调整到最佳谐振状态.同时,超声马达由于马达温升、负载变化及周围环境变化等原因,使马达谐振频率发生漂移,这将影响马达运行的稳定性.该文采用了电流回馈式频率跟踪,解决了马达驱动电路工作频率与马达谐振频率发生偏离的问题.建立了马达性能测试系统,测得了马达在不同预应力下的控制特性和机械特性.该文所研究的仿行波式直线马达具有结构简单、功率密度大等优点,在航空航天以及精密伺服系统等领域有着很高的
4.学位论文 陆阳 超声波马达微摩擦机理研究 2005
本文首先设计了超声波微驱动摩擦试验台，实现了对高频动态力信号的数据采集，开发了高频数据采集程序、试验系统操作平台软件和数据后处理软件。然后对三种金属和三种高分子摩擦材料进行了超声波微驱动摩擦磨损试验，得到了静态预压力、激振电压幅值、纵弯激振电压比值和材料厚度对超声波微驱动摩擦磨损特性的影响。率先运用粘弹衰减理论解释了测试过程中出现的波峰大于波谷、后半周期增大的现象。并首次提出了共振电压比值和最佳材料厚度的概念。另外本文也发现了高分子材料厚度越大，磨损程度越小，相反，粘贴的材料越薄，材料表面磨损越剧烈。最后以摩擦学等、振动理论理论知识解释了静态预压力对超声波微驱动摩擦磨损特性的影响，利用摩擦学、逆压电效应原理等理论知识解释激振电压幅值及其比值对超声波微驱动摩擦磨损特性的影响，利用机械振动中的Visco粘弹接触模型、衰减振动解释了材料厚度等对材料摩擦磨损特性的影响。
5.期刊论文 一种实用超声马达驱动电路的设计和制作 -湖北大学学报（自然科学版）2009,31(3) 超声波马达是一种借助摩擦传递弹性超声波振动以获得动力的驱动结构.超声波马达需要专用电源供电,在实验室中只要具有信号发生及放大装置即可满足这个要求,而当马达作为某个装置的部件时,就需要配置专用的可移动电源器.针对实验室利用压电材料所研制的新型超声波马达,设计和制作出了一种专用驱动电路.该驱动电路由干电池提供直流电源,产生频率范围为10-100 kHz,电压峰峰值为0-180 V可调的超声波信号.实验结果表明,研制的电路性能稳定,能方便地驱动超声波马达,并良好运转.
6.学位论文 王志松 夹心换能器式直线超声马达的研究 2004
超声波马达作为一种全新的驱动器,以具有低速大转矩、大静态保持力矩、响应速度快、较大的功率重量比、可以实现精确定位、无磁场干扰等优点受到国内外的广泛关注.绝大多数超声波马达利用压电材料的逆压电效应,将电能转化成超声频域的微观振动,进一步通过摩擦或声悬浮驱动转子作宏观转动.该文在查阅和分析了大量国内外相关参考文献的基础上,设计并详细分析了一种换能器式驻波直线超声波马达.夹心换能器式超声波马达工作在纵向振动模态,效率很高,利用微观脉动式移动原理能够得到较高的速度和大的能量输出.该文以夹心换能器式超声波马达为研究对象,以有限元软件为主要分析工具,完成了以下工作:建立了包括马达和导轨之间的接触摩擦等复杂非线性因素在内的一种夹心换能器式超声波马达的有限元模型;在经典换能器设计理论和前人经验的指导下,建立了此超声振子的有限元参数化模型,并利用有限元软件对其进行了优化设计;依据此超声波马达的运动机理,对最优结果进行了比较完整的运动仿真,得到了马达在冲击性摩擦作用下的微观运动信息;进行了马达样机的试制;利用有限元方法建立了振子的等效电路模型,为马达的阻抗匹配和驱动电路的设计提供依据;对进行了阻抗匹配的振子进行了马达特性实验测试,并对实验结果进行了分析.设计了性能良好的夹心换能器式驻波直线超声波马达.设计分析过程中得到了超声波马达微观运动状态及振子和导轨的接触摩擦状态等结果,为这类马达的微观理论研究提供了有价值的微观信息.另外,有限元方法穿插该文始终,减少了设计研究过程的实物实验工作量,也为类似设计研究开拓了一种新思路.
7.学位论文 高绘 超声波微驱动摩擦机理研究 2005
超声波微驱动是以逆压电压效应为基本原理的新型驱动技术,以此为基础发展起来的超声波马达,具有与传统马达不同的特点和优点,具有较广泛的应用前景.但是,超声波马达的理论研究至今还没有对摩擦驱动建立精确的理论模型,超声波马达还面临因磨损严重而寿命较短的问题,由超声波微驱动相关理论发展需要和超声波马达实用技术发展要求,很有必要对超声波微驱动摩擦磨损机理进行深入研究.为完成本课题研究任务,首先研制了超声波微驱动摩擦试验台,基本原理是:利用棒板超声波振动体前端点弯纵复合振动来模拟行波超声波马达定子表面一点高频椭圆振动,使其摩擦驱动附有摩擦材料的传动输出轴,实现超声波微驱动摩擦磨损试验.本文还实现了对高频动态力信号数据采集,开发了高频数据采集程序和试验系统操作平台软件.本文对45＃钢、铜、硬铝和三种高分子摩擦材料进行了超声波微驱动摩擦磨损试验,观察静态预压力、激振电压幅值、弯纵激振电压比值对超声波微驱动摩擦磨损特性的影响.结果表明对于一般材料,提高静态预压力有利于提高超声波微驱动的摩擦性能,控制激振电压幅值能较为理想地控制超声波微驱动的摩擦特性,弯纵激振电压比值为0.5,能够得到较好的摩擦驱动特性.正向峰值比负向峰值略大是超声波椭圆振动动态力波形的固有特性.预压力较小,超声波微驱动容易对材料造成较为严重的磨损.预压力较大,而弯纵激振电压比值为0.5,摩擦材料的磨损较轻.同样条件下三种金属磨损由重到轻的顺序是:硬铝、紫铜、45＃钢.以摩擦学等理论知识解释静态预压力对超声波微驱动摩擦磨损特性的影响,利用逆压电效应原理等理论知识解释激振电压幅值对超声波微驱动摩擦特性的影响,结合以上两方面解释弯纵激振电压比值对摩擦磨损特性的影响.得出了几种摩擦材料在最佳工作状态下的微观动态摩擦系数曲线.金属材料磨损主要是因纵向振动造成表面塑性破坏,横向驱动造成表面擦伤.深刻地认识了超声波微驱动在微观状态下的摩擦磨损机理.
8.学位论文 冯强 双晶片作驱动源的压电式精密驱动器的设计与研究 2004
近年来随着微电子技术、宇航、生物工程等学科的发展，对精密驱动技术提出了微米级甚至纳米级精度的要求。传统的精密驱动机构已难以满足上述要求。
由于压电体具有反应速度快、变形精度高的特点，成为近年来构造精密驱动装置的主要方式。通过比较和分析，压电材料在实现精密驱动上具有相当大的优势。
当前各种压电型精密驱动装置主要由压电叠堆作为驱动源，但压电叠堆价格昂贵，且国内没有相应的生产厂家，使压电型精密驱动器的成本居高不下。而压电双晶片由于其制作的方便，成本的低廉渐渐吸引了人们的视线。
针对当前存在的矛盾，本文重点研究了以压电双晶片作为驱动源的精密驱动器的方法及实现形式，从理论与实际两个方面论述了上述构造方式的可行性。
一、绪论
由于压电体具有反应速度快、变形精度高的特点，因而成为近年来构造精密驱动装置的主要方式。通过同传统的精密驱动机构比较和分析，认为压电材料在实现精密驱动上具有相当大的优势。
对精密驱动技术在当前的主要运用领域、精密驱动技术的主要类型及特点、驱动材料、等现状进行了综述。分析了目前国内外压电型精密驱动的实现形式及存在的问题。
二、压电驱动基础理论
压电驱动的基础是压电效应和逆压电效应。
衡量压电陶瓷性能的因素有机电耦合系数K、机械品质因数Qm.相对介电常数ε、弹性常数s、压电常数d、工作条件参数等。 压电材料作为一种具有压电效应的弹性体，其在电场中的电行为可以用电场强度E和电位移D两个电学量来描述。对于一块不受外力作用的电介质，在外电场中，其电场强度和电位移的关系为：
压电驱动技术是压电学在机械领域中的延伸与发展，目前比较成熟的运用有：压电超声波马达、流体驱动与控制机构、精密驱动机构。
常用的压电驱动器有叠层型压电陶瓷和压电双晶片型压电陶瓷。本文利用压电双晶片作为驱动源，介绍了其支撑形式、电气连接形式及其特性的一般规律。
对机构基本构成部分之一的柔性铰链顺便作了简单的介绍。
三、机构运动原理及理论分析
利用压电双晶片作为驱动源，本文设计了三种精密驱动器，分别是单自由度平动驱动器、x-y两自由度平动驱动器及x-y两自由度摆动驱动器。
分别详细介绍了三种机构的选用材料、结构、工作原理及加工方法。
对驱动器的重要组成部分柔性铰链作了介绍，其中本文所设计的机构中涉及两种柔性铰链，一种是圆弧摆动柔性铰链，另一种为平行板移动副式柔性铰链，从微位移机构的实际情况出发，对两种柔性铰链分别作了理论分析。
对于圆弧摆动柔性铰链，它应用于x-y两自由度摆动机构中，根据精密驱动器位移较小的特点，对其建立理论模型，推导了简化设计方法：
得到柔性铰链转角公式：θ=∫n012Mrsinα/Eb(2r+t-2rsinα)3dα相应地，可得到其转角刚度公式
：k=1/∫n012Mrsinα/Eb(2r+t-2rsinα)3dα
在柔性铰链的设计中，最关键的是转角刚度k设计计算。由分析可以得知：单轴柔性铰链转角刚度与材料弹性模量E、铰链宽度b、铰链园弧半径r以及铰链的最小厚度t有关，其中材料弹性模量在材料选定之后就已经确定了，然后根据柔性铰链机械传动部件整体尺寸的要求确定铰链的宽度，接下来就要进行单轴柔性铰链圆弧半径r与最小厚度t的选择。
通过分析柔性铰链转角公式及刚度公式得知，单轴柔性铰链的最小厚度t的变化对铰链特性影响最显著，而铰链圆弧半径相对影响较小。由转角刚度公式可以知道，铰链最小厚度与转角刚度成正比，铰链圆弧半径则与之成反比。因此，在柔性铰链机械传动部件设计中，要确保良好的动态特性和抗干扰性能，应尽可能地增大柔性铰链的最小厚度，并减小其圆弧半径。
对于平行板移动副式柔性铰链，由于结构的对称性，中部正方体只发生平动而不转动，因此可以进行简化建模，由于精密驱动器位移较小，可以认为铰链的支撑壁只是发生弯曲变形，通过材料力学中的莫尔积分式求得弹性平板的刚度K=4Ebt3/a3(1-v2) 对于三种机构中的柔性铰链，应用了CATIA软件分析模块中的有限元分析，结果与解析式计算及实验测得数据相符。 通过弹性平板的刚度公式和实验所测得的平板的变形，还可以反推出双端固支式压电双晶片的近似输出力。
对于压电双晶片而言，要想将它用到具体的机构上还需要对它做些具体的结构上的改动，本文就采用在压电双晶片中间打孔然后串连接轴的方法，通过有限元的分析，压电双晶片在打孔前后性能没有什么变化，因此可以在机构中使用。
四、精密驱动器的实验研究
在实验室内本人实际动手设计并制造了三种精密驱动机构的样机，并进行了相关的试验研究。通过实验具体研究了精密驱动机构的工作性能同各种参数的关系，如压电双晶片铍青铜和压电陶瓷片厚度尺寸搭配、分别加单方向电压及不同方向电压机构的滞环、机构的蠕变特性、机构的重复定位精度等。通过理论分析和实验测试，得出如下结论：
1、对于不同厚度尺寸下压电双晶片铍青铜和压电陶瓷片的搭配，为了同时获得压电双晶片有较大的输出变形及较大的输出力，应选择0.40mm厚的铍青铜和0.35mm厚的压电陶瓷片组合。
2、通过实验验证了压电双晶片型能在打孔前后性能几乎没有什么变化，验证了机构使用打孔双晶片的可行性。
3、机构的变形量与电压基本呈线性关系，压电片的滞环效应明显，单向电压驱动时机构的滞环要小于双向电压驱动时的滞环。另外，通过实验数据可看出，用双片驱动时的变形量要远远大于用单片驱动时的变形量，但变形量并不等于分别用单片驱动时的变形量之和，机构对负载的变化反应不明显，有负载时的变形量小于空载时的变形量。
4、对机构加单向电压时，饱和电压越大，滞环越大。
5、机构的蠕变特性较好，但是操作时间越长，蠕变所产生的变形量的飘移越大。
9.会议论文 褚祥诚.贺思源 一种用于机器人的大力矩、低转速的新型超声波马达 1997
超声波马达是利用压电陶瓷的逆压电效应实现表面波摩擦驱动的，所以，与电磁式马达相比具有输出力大、转速低、无电磁干扰、无力矩波动等特点，是用于机器人(特别是微型机器人、宇航机器人)中理想的驱动器。该文提出一种新式大功率输出型超声波马达，同传统的超声波马达相比，具有双面齿、双层压电陶瓷式对称结构。
10.学位论文 张国际 金属柱状弯曲旋转超声波马达的研究 2004
超声波马达是20世纪80年代迅速发展起来的新型驱动器,在航空航天、精密仪器、机器人和汽车工业等领域具有广阔的应用前景.其中弯曲旋转超声波马达由于结构和工艺相对简单,使它成为所有超声波马达中最容易实现微型化和产业化的一种马达.但是,现有几种弯曲旋转超声波马达要想实现微型化和产业化在工艺结构上都存在着难以克服的困难,所以该文设计了一种新型的弯曲旋转超声波马达,这对弯曲旋转超声波马达向着微型化和产业化方向发展,具有重要的理论和实际意义.该文从简单梁的弯曲振动理论入手,推导出马达定子表面质点的运动轨迹方程,论述了弯曲旋转超声波马达的运行机理.在分析已有的几种弯曲旋转超声波马达的基础上,根据压电片的压电效应和简单梁的弯曲振动理论,设计出一种新型的金属柱状马达定子,并用ANSYS有限元软件对定子进行了模态计算,计算出各阶固有频率和各阶弯曲振型.并在理论上分析了马达定子的长度、直径、两平面的夹角等因素对马达共振频率的影响,从而确定了马达的定子尺寸.设计出马达的整体结构,并对其零部件进行加工,研究制作了两种定子尺寸(直径分别为φ1mm和φ2mm)的马达.并在实验中对其弯曲振动模态进行了调试,找到其共振频率,其中定子直径为φ2mm的马达已经顺利运转.分析了定子固定方式和上下套筒的装配方式对马达模态的影响,并选用正确的装配方式来组装马达.详细测试了马达的各种机械性能,测试出直径为φ2mm的马达的负载特性,在工作频率f=44kHz、激励申压V=206V的条件下,得出其堵转力矩T=49.86μNm、空载转速N=1000 r/min.详细分析了负载转矩、频率、电压、相位差等改变时对马达输出性能的影响.
引证文献(1条)
1.李爱民 超声波电机自动测试系统的研究[学位论文]硕士 2005
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第!"卷第#期华侨大学学报$自然科学版%
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文章编号#+++>?+#,$!++,%+#>++@+>+A
多振动片式超声波电机的设计制作
石顺桥洪尚任许芦君
华侨大学机电及自动化学院B福建泉州,$C!+##%
摘要在单片式驻波回旋型超声波电机研究的基础上B设计制作一台多振动片式驻波回旋型超声
波电机的样机)通过样机实验及实验所得到的数据B绘出它的一些重要的特性曲线)在此基础上B
研究它的基本特性B为以后同类电机的研究和制作提供必要的数据)
关键词超声波马达B压电效应B换能器B多振动片B特性曲线
?F)F+!DE,文献标识码G中图分类号
#B!I超声波电机作为一种具有开发潜力和广阔应用前景的新型驱动器H仍处在一个探索和B
超声波电机是利用压电陶瓷的压电效应及弹性体的机械振动B通过转子与定子间完善的阶段)
可采用不同的振动模态来产生驱动力B因而可以研制出多种不同结构的超声波电机)本文设计的是一种新型的超声波电机JJ多振动片式驻波回旋型超声波电机)它是基于对单片式驻波回旋型超声波电机研究的基础上进行设计制作的)理论上分析B与单片式同类电机相比B这种新型马达转速平稳B波动小)由于压力均匀分布在多个振子上B减小了振子的磨损B提高了它的使用寿命K同时也提高了输出转矩)这种电机是利用纵>弯振动的合成形成了振动片上的椭圆运动B达到输出运动的目的)其中振动片随着与之相连的定子部分$压电陶瓷和弹性体%做纵向再激励与之相连的弹性体的纵向共振)通过实验B对样机的基本特性进行了探讨B为同类电机的进一步研究打下良好的基础)的摩擦力驱动转子转动的)由于压电陶瓷的极化形式多样B弹性体的振动模式也具有多样性B而定子部分的纵振动是依靠压电陶瓷的逆压电效应B压电振子会产生厚度方向的振动B振动B
L压电换能器与超声变幅杆的研究与设计
振动片式超声波电机的结构原理B如图#所示)它是一种纵>弯复合型的驻波电机)它的定子部分包括有压电换能器M变幅杆和振动片)其中压电换能器是将电能转换为机械振动能的部
变幅杆是将该机械振动振幅放大的结构B最前端与转子直接接触的是定子振动片B它是实件B
现纵>弯振动合成形成椭圆运动并推动转子运动的部分)所以采用分割设计法$即分别设计纵振动与弯曲振动系统的方法%研究和设计振动片式超声波电机的压电换能器和变幅杆)B
多振动片式超声波电机的设计制作
62华侨大学学报1自然科学版3299#年结构!常被称为朗之万型换能器或夹心式换能器"这种结构的纵向复合换能器!首尾是两块金用螺杆将这#部分紧紧压牢"此结构利用预紧力螺杆施加预紧力!这可以增强换能器的稳定
另外!还可以避免陶瓷膨胀而造成的破裂"调整首尾金属盖板材料和尺寸!就可调整换能器性"
的带宽$前后振速比和有效机电耦合系数等性能参数"依据等效声学原理!本文设计的换能器所采用的各材料的参数!如表%所示"表中&为材料密度!为声音在材料中的传播速度"压电’
表%材料参数
部件名称
压电陶瓷
预紧力螺杆
前盖板
后盖板材料(+,-#&)*7"87"62"77"6-%(’.,+/2-%(+13&’0*,+/属盖板!中间是压电陶瓷元件堆"它一般是纵向极化的带孔圆片或圆管!本文中选用带孔圆片"564;钢:8硬铝?:8;#"#98"%88"%98"%828:9%::9
陶瓷堆的总长度@为压电陶瓷片$薄铜电极$胶合层的厚度之和"选择压电陶瓷晶堆的中间位
就可得到@置作为节面位置!%和@#的长度为
"2
由已知的参数求得压电换能器各部分的尺寸!如表2所示"@%A@#A表2压电换能器各部分的尺寸
尺寸压电陶瓷堆
A26"8%@
9!A29CA8D前盖板后盖板轴向尺寸(,,径向尺寸(,,1%3A82"8#2@有)%916螺纹孔3CA8A#B"99:@9!A29CA8D
选择性能优异的锆钛酸铅压电陶%"%"#压电陶瓷元件的尺寸确定通过对压电陶瓷的分析!
瓷材料中的4它的主要特点是介电损耗小!机械损耗小!性能较稳定!主要参数如表#56型"
所列"表中E为介电常数!为频率常数1它是一个只与材料本身有关!F*G为介电损耗系数!HF##
的量3为压电常数!下面介绍本文压电陶瓷元件!IF为机电耦合系数!DJ##,为机械品质因数"
这里取外径为CA8每片厚度K内径D片数LA:的尺寸"9,,!A7,,!A29,,!"
表#压电陶瓷材料参数
##E(1M3F*G
9"#(+,NOHF2999(1M3IFB:(##DP,+Q228-%,J%999%299
R"S超声变幅杆的研究与设计
在振动片式超声波电机的变幅杆可以将压电换能器传出的较小的振幅加以放大!使固接在端面的振动片得到足够大的纵向振幅和振动能量!推动转子转动"在这里!为了配合多振动片的输出形式!选择了内圆锥形的变幅杆"在参数的确定方面对于内圆锥形的变幅杆!利用振
动学知识可求得频率方程和各参数的表达式"其中频率方程为T半波谐振长度@AU!A+@2
放大系数位移节点长度%21A3"A!VX*YX\P为9的表达式为F9UW1[-[39#2
第,期石顺桥等U多振动片式超声波电机的设计制作:-在上述各式中!输出端.节点处的半径*#$(*!!"%&)+++/为波’,$-分别为变幅杆的输入端.
代入到上述的各公式中!可得变幅杆各部分的长度和输出端的直径!结果见表67表中1,为输入端直径!1$为输出端直径!8’为位移节点长度0
表6变幅杆的设计参数值
1,(33
2’1$(332’(933,-:02(’8332;0-数!输入端直径与压电换能器输出端的一致!取45#6’330!&)为波速01,#2’为共振频率!
通过对压电换能器和变幅杆设计!得到实验装置中超声波振动系统
这样可以保证良好
P-振动频率&计算出几组B和C的对应值!如表2所示0#$’M03!QR’
表2B和9的对应值表>0>振动片的阵列$#本文研究的是多振动片式驻波超声波电
(’0$’’02’’0;2,0’’,0$’
年
基体上!就可以构成多振动片式超声波电机"考虑到要使用线切割加工!为了加工的方便!应该使振动片的片数为偶数"根据这个要求!在振动片的阵列方式和个数上!选择的是沿基体的内圈!偶数个阵列#本文选择$以上讨论了定子振动片的理论与设计"根据对单振动%个振动片&"
()片式的样机实验结果’在本文中的定子振动片的设计参数!是采用平行四边形结构"其厚度!
定为$长度定为(宽度是,++!倾斜的角度为-沿基体环形阵列切制$"*++!",,++!.!%个振动片"
/实验研究与分析
/"0实验方案
实验采用的超声波发生器型号是1可产生高频交变电信号"其频率范围是523*4,!6$(7
输出功率可调!且最大功率为4采用4型数字频率计测量并显示超声波发生9:=
器的交变电信号的频率值!通过它可测得该实验共振系统的共振频率"由于无法直接在定子和转子间施加预压力!因此决定采用直立的方式进行实验"这样!可利用转子的自重及在其上施加一定的重物进行施加预压力"不过!这就无法直接测量样机的输出转矩"本文主要是对样机的基本特性进行实验研究!基本特性主要是指一些外部的输入因素对电机输出特性的影响"
转速特性对于多振动片式超声波电机!根据设计原理!可知整个超声振动系统3?$?$频率>
包括振动片&的设计都是基于共振设计的!且共振频率即为工作频率#本文中是按4设#*89:计的&当频率发生变化时!它的振动状态也会发生变化!必然导致输出特性#转速和力矩&的变"
在输入电压为%选择3个不同的预压力进行测试!实验结果如图-所示"*@时!
转速特性#在实际工作频率下测试&多振动片式是利用压电陶瓷来实现换能3?$?4电压>
的"根据压电陶瓷的压电性能可知!当外加电场的电压发生变化时形变也会发生变化!会导致整个振动系统的纵向振动的振幅发生改变!而影响到输出特性"通过上面的实验测得实际的工作频率"在此频率下!选择与上面的实验同样的3个不同的预压力测试电压A转速特性!以获得输出转速随输入电压的变化趋势"实验结果如图,所示
"化"通过实验来测试频率>转速特性!可以获得该系统输出转速随实际的工作频率的变化趋势"
多振动片式超声波电机的设计制作
转速特性%在实际工作频率下测试&在实际的工作频率%下,测得的!"#"!预压力$’()&*+
预压力与转速的特性曲线图%图-由图可见,随着预压力的增大,电机的转速也随之增大,但&.
在到达最高点后开始下降.
功率特性%在实际工作频率下测试&在实际的工作频率%下,测得的!"#"(预压力$’()&*+
预压力与功率的特性曲线图%图/由图可见,随着预压力的增大,电机的功率也随之增大.但&.
在到达最高点后也开始下降
.
46华侨大学学报#自然科学版%(88)年波电机的设计制作与实验分析!从电机的结构设计制作入手"研究了电机定子部分的压电换能器与变幅杆"得到了设计制作的参数!研究定子振动片的设计原理和结构方案"确定了振动片的设计制作参数!进行样机的实验研究"并结合得到的数据进行了分析!由实验得到了如下多振动片式驻波超声波电机的一些基本特性!转速特性!频率越接近共振频率"转速越#$%频率&
快"输入频率和系统的共振频率相同时"转速达最大值’由此反过来"则提供了一种确定系统共振频率的实验方法!转速特性!输入电压增大"输出的转速随之增大!当电压增大到#(%电压&
一定值后"转速达到一恒定值!转速特性!随着预压力的增大"电机的转速也随之#)%预压力&
增大!但当预压力达到某值后"转速又开始下降!功率特性!随着预压力的增大"电#*%预压力&
机的功率也随之增大!但在到达某一最大值后"又开始下降!
参考文献
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硕士学位论文0泉州2华侨大学机电及自*许芦君1压电回旋型超声波电机的理论分析与设计制作.02.!9
动化学院"(88(!*3,:*
程存弟"贺西平!超声马达振动片的理论与设计.:徐方迁"!声学学报"$33:"(8#)%2$33,(8:/0
硕士学位论文0泉州2华侨大学机电及自动化学6石菊荣!振动片式超声波马达的理论与实验研究.0!.!9
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&"dlm=GHAFGnZWc[[oRTYaZWedQ[pdSoqWTpdVToRTYrVi[ZWdVZqS‘dZVpWTRceWdWZrRdQpRTY‘[Z[[oQ[VSdQWZp
&o[pRYTVToeVTSaVcdSZ[VpVes‘[eVcQRT[WapdVToRTYrVi[ZWdVZqS‘dZVpWTRceWdWZrRdQeS‘dRs‘[iRtZVdRTY
!pZ[[opWe[WaRdpResWZdVTdcQVZVcd[ZRpdRccSZi[pVZ[oZVrTtqe[VTpWa[us[ZRe[TdWTpVes‘[eVcQRT[VTo
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多振动片式超声波电机的设计制作
作者：
作者单位：
刊名：
英文刊名：
年，卷(期)：
被引用次数：石顺桥， 洪尚任， 许芦君华侨大学机电及自动化学院,福建,泉州,362011华侨大学学报(自然科学版)JOURNAL OF HUAQIAO UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE)2003，24(1)1次
参考文献(6条)
1.城尚志.指田年生 超音波モ～タ入门 1993
2.洪尚任 超声波马达 1996(10)
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4.许芦君 压电回旋型超声波电机的理论分析与设计制作[学位论文] 2002
5.徐方迁.程存弟.贺西平 超声马达振动片的理论与设计 1995(03)
6.石菊荣 振动片式超声波马达的理论与实验研究[学位论文] 1999
相似文献(10条)
1.学位论文 石顺桥 超声波马达的理论研究与设计制作 2003
超声波马达是一种借助摩擦传递弹性超声波振动以获得动力的驱动机构，是一种全新原理获得驱动力的新型马达，它利用压电陶瓷的压电效应使定子产生超声波振动，通过定子和转子间的摩擦力来驱动转子。与传统电机相比，它具有结构紧凑、低速高转矩、响应快、不受磁场影响、断电自锁等优点，因而它适合应用于机器人、精确定位装置、微型机械、航空航天器等方面。正是由于超声波马达具有以上诸多优点和广阔的应用前景，深深地吸引了一批科学工作者，成为当前世界范围内的的一门新兴前沿课题。本文主要研究了压电旋转型行波超声波马达，同时也对以前的多振动片式驻波超声波马达进行了改进。本文的主要内容可概括如下：系统地总结了国内外压电超声波马达的历史和发展状况，介绍了压电超声波马达的特点、分类，指出了研究超声波马达的科学意义和应用前景。深入地研究了超声波马达的核心元件——压电陶瓷，从压电效应着手，推导了压电方程，得到了描述压电材料物理特性的几个重要参数，并导出了压电振子及压电陶瓷的系统方程，论述了压电振子的振动模态及谐振特性。
2.学位论文 于洋 双面齿行波超声波马达研究 2004
超声波马达作为一种全新的驱动器,以低速大转矩、大静态保持力矩、响应速度快、体积重量小、结构简单以及无磁场干扰等优点受到国内外的广泛关注,其中行波超声波马达以其控制性能良好和结构灵活等优点尤为引人瞩目.该文在阅读和分析了大量国内外有关参考文献的基础上,做了以下研究工作:设计了一种新型的双面齿行波超声波马达,定子的双面齿双转子耦合结构增大了马达的输出能力.论述了该圆盘行波超声波马达的行波形成机理,利用ANSYS有限元软件分析了定子复合板在耦合场中的振动情况.通过分析对比,确定了马达工作在(6,0)振动模式.建立了超声波马达理论建模,进行了马达定子的数学描述.通过有限元分析,求出了其前9阶模态的等效动态电容电感值,得到了驱动功能的压电陶瓷的有限元等效电学模型.使用MATLAB/Simulink软件对驱动压电陶瓷片的等效电路进行了仿真,得到了在谐振情况下,压电陶瓷上的电压的变化特点.超声波马达由于马达温升、负载变化及周围环境变化等原因,使马达的谐振频率发生漂移,这将影响马达的运行稳定性.该文在所设计的新型双面齿行波超声波马达基础上,在定子两侧粘贴检测功能的压电陶瓷片,利用压电陶瓷的正压电效应检测马达运行时压电陶瓷片上的电压变化,进而分析了马达在谐振状态的特点.在此基础上,使用单片机实现了自动频率跟踪.构成了马达的闭环系统,解决了开环控制器引起的速度波动问题.
3.学位论文 杜皓 仿行波式直线超声波马达的理论与实验研究 2004
超声波马达作为一种全新的驱动器,以具有低速大转距、大静态保持力矩、响应速度快、较大的功率重量比、可以实现精确定位、无电磁场干扰等优点受到国内外的广泛关注.绝大多数超声波马达利用压电材料的逆压电效应,将电能转化为超声频域的微观振动,进一步通过摩擦或声悬浮驱动转子做宏观转动.该文在查阅和分析了大量国内外相关参考文献的基础上,设计并详细分析了一种新型的仿行波式直线超声波马达.该文所设计的仿行波式直线超声波马达利用朗之万振子的纵向振动合成椭圆运动,其驱动简单、并可方便的实现正反向运动.该文详细的分析了马达接触头处椭圆运动的形成机理,并且研究了两相振子的相位差、振幅以及振动频率对所形成的椭圆轨迹的影响.使用解析法求解了马达振子各部分的波动方程,并且根据边界条件确定了马达各部分的结构尺寸.利用有限元分析软件ANSYS6.1分析了驱动单元在耦合场中的各个振动模态,以及在不同激励频率条件下,马达接触头在接触面法向的振幅.对马达接触头进行的有限元分析所得的结果与使用解析法所得结果得到了很好的吻合,证明了理论分析的正确性.以往在对马达进行调试时多使用压控振荡器的外接电位器进行手动调频,这种调频手段很难精确的将马达调整到最佳谐振状态.同时,超声马达由于马达温升、负载变化及周围环境变化等原因,使马达谐振频率发生漂移,这将影响马达运行的稳定性.该文采用了电流回馈式频率跟踪,解决了马达驱动电路工作频率与马达谐振频率发生偏离的问题.建立了马达性能测试系统,测得了马达在不同预应力下的控制特性和机械特性.该文所研究的仿行波式直线马达具有结构简单、功率密度大等优点,在航空航天以及精密伺服系统等领域有着很高的
4.学位论文 陆阳 超声波马达微摩擦机理研究 2005
本文首先设计了超声波微驱动摩擦试验台，实现了对高频动态力信号的数据采集，开发了高频数据采集程序、试验系统操作平台软件和数据后处理软件。然后对三种金属和三种高分子摩擦材料进行了超声波微驱动摩擦磨损试验，得到了静态预压力、激振电压幅值、纵弯激振电压比值和材料厚度对超声波微驱动摩擦磨损特性的影响。率先运用粘弹衰减理论解释了测试过程中出现的波峰大于波谷、后半周期增大的现象。并首次提出了共振电压比值和最佳材料厚度的概念。另外本文也发现了高分子材料厚度越大，磨损程度越小，相反，粘贴的材料越薄，材料表面磨损越剧烈。最后以摩擦学等、振动理论理论知识解释了静态预压力对超声波微驱动摩擦磨损特性的影响，利用摩擦学、逆压电效应原理等理论知识解释激振电压幅值及其比值对超声波微驱动摩擦磨损特性的影响，利用机械振动中的Visco粘弹接触模型、衰减振动解释了材料厚度等对材料摩擦磨损特性的影响。
5.期刊论文 一种实用超声马达驱动电路的设计和制作 -湖北大学学报（自然科学版）2009,31(3) 超声波马达是一种借助摩擦传递弹性超声波振动以获得动力的驱动结构.超声波马达需要专用电源供电,在实验室中只要具有信号发生及放大装置即可满足这个要求,而当马达作为某个装置的部件时,就需要配置专用的可移动电源器.针对实验室利用压电材料所研制的新型超声波马达,设计和制作出了一种专用驱动电路.该驱动电路由干电池提供直流电源,产生频率范围为10-100 kHz,电压峰峰值为0-180 V可调的超声波信号.实验结果表明,研制的电路性能稳定,能方便地驱动超声波马达,并良好运转.
6.学位论文 王志松 夹心换能器式直线超声马达的研究 2004
超声波马达作为一种全新的驱动器,以具有低速大转矩、大静态保持力矩、响应速度快、较大的功率重量比、可以实现精确定位、无磁场干扰等优点受到国内外的广泛关注.绝大多数超声波马达利用压电材料的逆压电效应,将电能转化成超声频域的微观振动,进一步通过摩擦或声悬浮驱动转子作宏观转动.该文在查阅和分析了大量国内外相关参考文献的基础上,设计并详细分析了一种换能器式驻波直线超声波马达.夹心换能器式超声波马达工作在纵向振动模态,效率很高,利用微观脉动式移动原理能够得到较高的速度和大的能量输出.该文以夹心换能器式超声波马达为研究对象,以有限元软件为主要分析工具,完成了以下工作:建立了包括马达和导轨之间的接触摩擦等复杂非线性因素在内的一种夹心换能器式超声波马达的有限元模型;在经典换能器设计理论和前人经验的指导下,建立了此超声振子的有限元参数化模型,并利用有限元软件对其进行了优化设计;依据此超声波马达的运动机理,对最优结果进行了比较完整的运动仿真,得到了马达在冲击性摩擦作用下的微观运动信息;进行了马达样机的试制;利用有限元方法建立了振子的等效电路模型,为马达的阻抗匹配和驱动电路的设计提供依据;对进行了阻抗匹配的振子进行了马达特性实验测试,并对实验结果进行了分析.设计了性能良好的夹心换能器式驻波直线超声波马达.设计分析过程中得到了超声波马达微观运动状态及振子和导轨的接触摩擦状态等结果,为这类马达的微观理论研究提供了有价值的微观信息.另外,有限元方法穿插该文始终,减少了设计研究过程的实物实验工作量,也为类似设计研究开拓了一种新思路.
7.学位论文 高绘 超声波微驱动摩擦机理研究 2005
超声波微驱动是以逆压电压效应为基本原理的新型驱动技术,以此为基础发展起来的超声波马达,具有与传统马达不同的特点和优点,具有较广泛的应用前景.但是,超声波马达的理论研究至今还没有对摩擦驱动建立精确的理论模型,超声波马达还面临因磨损严重而寿命较短的问题,由超声波微驱动相关理论发展需要和超声波马达实用技术发展要求,很有必要对超声波微驱动摩擦磨损机理进行深入研究.为完成本课题研究任务,首先研制了超声波微驱动摩擦试验台,基本原理是:利用棒板超声波振动体前端点弯纵复合振动来模拟行波超声波马达定子表面一点高频椭圆振动,使其摩擦驱动附有摩擦材料的传动输出轴,实现超声波微驱动摩擦磨损试验.本文还实现了对高频动态力信号数据采集,开发了高频数据采集程序和试验系统操作平台软件.本文对45＃钢、铜、硬铝和三种高分子摩擦材料进行了超声波微驱动摩擦磨损试验,观察静态预压力、激振电压幅值、弯纵激振电压比值对超声波微驱动摩擦磨损特性的影响.结果表明对于一般材料,提高静态预压力有利于提高超声波微驱动的摩擦性能,控制激振电压幅值能较为理想地控制超声波微驱动的摩擦特性,弯纵激振电压比值为0.5,能够得到较好的摩擦驱动特性.正向峰值比负向峰值略大是超声波椭圆振动动态力波形的固有特性.预压力较小,超声波微驱动容易对材料造成较为严重的磨损.预压力较大,而弯纵激振电压比值为0.5,摩擦材料的磨损较轻.同样条件下三种金属磨损由重到轻的顺序是:硬铝、紫铜、45＃钢.以摩擦学等理论知识解释静态预压力对超声波微驱动摩擦磨损特性的影响,利用逆压电效应原理等理论知识解释激振电压幅值对超声波微驱动摩擦特性的影响,结合以上两方面解释弯纵激振电压比值对摩擦磨损特性的影响.得出了几种摩擦材料在最佳工作状态下的微观动态摩擦系数曲线.金属材料磨损主要是因纵向振动造成表面塑性破坏,横向驱动造成表面擦伤.深刻地认识了超声波微驱动在微观状态下的摩擦磨损机理.
8.学位论文 冯强 双晶片作驱动源的压电式精密驱动器的设计与研究 2004
近年来随着微电子技术、宇航、生物工程等学科的发展，对精密驱动技术提出了微米级甚至纳米级精度的要求。传统的精密驱动机构已难以满足上述要求。
由于压电体具有反应速度快、变形精度高的特点，成为近年来构造精密驱动装置的主要方式。通过比较和分析，压电材料在实现精密驱动上具有相当大的优势。
当前各种压电型精密驱动装置主要由压电叠堆作为驱动源，但压电叠堆价格昂贵，且国内没有相应的生产厂家，使压电型精密驱动器的成本居高不下。而压电双晶片由于其制作的方便，成本的低廉渐渐吸引了人们的视线。
针对当前存在的矛盾，本文重点研究了以压电双晶片作为驱动源的精密驱动器的方法及实现形式，从理论与实际两个方面论述了上述构造方式的可行性。
一、绪论
由于压电体具有反应速度快、变形精度高的特点，因而成为近年来构造精密驱动装置的主要方式。通过同传统的精密驱动机构比较和分析，认为压电材料在实现精密驱动上具有相当大的优势。
对精密驱动技术在当前的主要运用领域、精密驱动技术的主要类型及特点、驱动材料、等现状进行了综述。分析了目前国内外压电型精密驱动的实现形式及存在的问题。
二、压电驱动基础理论
压电驱动的基础是压电效应和逆压电效应。
衡量压电陶瓷性能的因素有机电耦合系数K、机械品质因数Qm.相对介电常数ε、弹性常数s、压电常数d、工作条件参数等。 压电材料作为一种具有压电效应的弹性体，其在电场中的电行为可以用电场强度E和电位移D两个电学量来描述。对于一块不受外力作用的电介质，在外电场中，其电场强度和电位移的关系为：
压电驱动技术是压电学在机械领域中的延伸与发展，目前比较成熟的运用有：压电超声波马达、流体驱动与控制机构、精密驱动机构。
常用的压电驱动器有叠层型压电陶瓷和压电双晶片型压电陶瓷。本文利用压电双晶片作为驱动源，介绍了其支撑形式、电气连接形式及其特性的一般规律。
对机构基本构成部分之一的柔性铰链顺便作了简单的介绍。
三、机构运动原理及理论分析
利用压电双晶片作为驱动源，本文设计了三种精密驱动器，分别是单自由度平动驱动器、x-y两自由度平动驱动器及x-y两自由度摆动驱动器。
分别详细介绍了三种机构的选用材料、结构、工作原理及加工方法。
对驱动器的重要组成部分柔性铰链作了介绍，其中本文所设计的机构中涉及两种柔性铰链，一种是圆弧摆动柔性铰链，另一种为平行板移动副式柔性铰链，从微位移机构的实际情况出发，对两种柔性铰链分别作了理论分析。
对于圆弧摆动柔性铰链，它应用于x-y两自由度摆动机构中，根据精密驱动器位移较小的特点，对其建立理论模型，推导了简化设计方法：
得到柔性铰链转角公式：θ=∫n012Mrsinα/Eb(2r+t-2rsinα)3dα相应地，可得到其转角刚度公式
：k=1/∫n012Mrsinα/Eb(2r+t-2rsinα)3dα
在柔性铰链的设计中，最关键的是转角刚度k设计计算。由分析可以得知：单轴柔性铰链转角刚度与材料弹性模量E、铰链宽度b、铰链园弧半径r以及铰链的最小厚度t有关，其中材料弹性模量在材料选定之后就已经确定了，然后根据柔性铰链机械传动部件整体尺寸的要求确定铰链的宽度，接下来就要进行单轴柔性铰链圆弧半径r与最小厚度t的选择。
通过分析柔性铰链转角公式及刚度公式得知，单轴柔性铰链的最小厚度t的变化对铰链特性影响最显著，而铰链圆弧半径相对影响较小。由转角刚度公式可以知道，铰链最小厚度与转角刚度成正比，铰链圆弧半径则与之成反比。因此，在柔性铰链机械传动部件设计中，要确保良好的动态特性和抗干扰性能，应尽可能地增大柔性铰链的最小厚度，并减小其圆弧半径。
对于平行板移动副式柔性铰链，由于结构的对称性，中部正方体只发生平动而不转动，因此可以进行简化建模，由于精密驱动器位移较小，可以认为铰链的支撑壁只是发生弯曲变形，通过材料力学中的莫尔积分式求得弹性平板的刚度K=4Ebt3/a3(1-v2) 对于三种机构中的柔性铰链，应用了CATIA软件分析模块中的有限元分析，结果与解析式计算及实验测得数据相符。 通过弹性平板的刚度公式和实验所测得的平板的变形，还可以反推出双端固支式压电双晶片的近似输出力。
对于压电双晶片而言，要想将它用到具体的机构上还需要对它做些具体的结构上的改动，本文就采用在压电双晶片中间打孔然后串连接轴的方法，通过有限元的分析，压电双晶片在打孔前后性能没有什么变化，因此可以在机构中使用。
四、精密驱动器的实验研究
在实验室内本人实际动手设计并制造了三种精密驱动机构的样机，并进行了相关的试验研究。通过实验具体研究了精密驱动机构的工作性能同各种参数的关系，如压电双晶片铍青铜和压电陶瓷片厚度尺寸搭配、分别加单方向电压及不同方向电压机构的滞环、机构的蠕变特性、机构的重复定位精度等。通过理论分析和实验测试，得出如下结论：
1、对于不同厚度尺寸下压电双晶片铍青铜和压电陶瓷片的搭配，为了同时获得压电双晶片有较大的输出变形及较大的输出力，应选择0.40mm厚的铍青铜和0.35mm厚的压电陶瓷片组合。
2、通过实验验证了压电双晶片型能在打孔前后性能几乎没有什么变化，验证了机构使用打孔双晶片的可行性。
3、机构的变形量与电压基本呈线性关系，压电片的滞环效应明显，单向电压驱动时机构的滞环要小于双向电压驱动时的滞环。另外，通过实验数据可看出，用双片驱动时的变形量要远远大于用单片驱动时的变形量，但变形量并不等于分别用单片驱动时的变形量之和，机构对负载的变化反应不明显，有负载时的变形量小于空载时的变形量。
4、对机构加单向电压时，饱和电压越大，滞环越大。
5、机构的蠕变特性较好，但是操作时间越长，蠕变所产生的变形量的飘移越大。
9.会议论文 褚祥诚.贺思源 一种用于机器人的大力矩、低转速的新型超声波马达 1997
超声波马达是利用压电陶瓷的逆压电效应实现表面波摩擦驱动的，所以，与电磁式马达相比具有输出力大、转速低、无电磁干扰、无力矩波动等特点，是用于机器人(特别是微型机器人、宇航机器人)中理想的驱动器。该文提出一种新式大功率输出型超声波马达，同传统的超声波马达相比，具有双面齿、双层压电陶瓷式对称结构。
10.学位论文 张国际 金属柱状弯曲旋转超声波马达的研究 2004
超声波马达是20世纪80年代迅速发展起来的新型驱动器,在航空航天、精密仪器、机器人和汽车工业等领域具有广阔的应用前景.其中弯曲旋转超声波马达由于结构和工艺相对简单,使它成为所有超声波马达中最容易实现微型化和产业化的一种马达.但是,现有几种弯曲旋转超声波马达要想实现微型化和产业化在工艺结构上都存在着难以克服的困难,所以该文设计了一种新型的弯曲旋转超声波马达,这对弯曲旋转超声波马达向着微型化和产业化方向发展,具有重要的理论和实际意义.该文从简单梁的弯曲振动理论入手,推导出马达定子表面质点的运动轨迹方程,论述了弯曲旋转超声波马达的运行机理.在分析已有的几种弯曲旋转超声波马达的基础上,根据压电片的压电效应和简单梁的弯曲振动理论,设计出一种新型的金属柱状马达定子,并用ANSYS有限元软件对定子进行了模态计算,计算出各阶固有频率和各阶弯曲振型.并在理论上分析了马达定子的长度、直径、两平面的夹角等因素对马达共振频率的影响,从而确定了马达的定子尺寸.设计出马达的整体结构,并对其零部件进行加工,研究制作了两种定子尺寸(直径分别为φ1mm和φ2mm)的马达.并在实验中对其弯曲振动模态进行了调试,找到其共振频率,其中定子直径为φ2mm的马达已经顺利运转.分析了定子固定方式和上下套筒的装配方式对马达模态的影响,并选用正确的装配方式来组装马达.详细测试了马达的各种机械性能,测试出直径为φ2mm的马达的负载特性,在工作频率f=44kHz、激励申压V=206V的条件下,得出其堵转力矩T=49.86μNm、空载转速N=1000 r/min.详细分析了负载转矩、频率、电压、相位差等改变时对马达输出性能的影响.
引证文献(1条)
1.李爱民 超声波电机自动测试系统的研究[学位论文]硕士 2005
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下载时间：2011年3月6日