楊松華, 劉元林, 陳國輝, 劉安平

(1.黑龍江科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,哈爾濱 150027;2.黑龍江科技學(xué)院 工程訓(xùn)練與基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中心,哈爾濱 150027)

新型壓電行走機(jī)構(gòu)的行走特性

楊松華1, 劉元林1, 陳國輝1, 劉安平2

(1.黑龍江科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,哈爾濱 150027;2.黑龍江科技學(xué)院 工程訓(xùn)練與基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中心,哈爾濱 150027)

壓電行走機(jī)構(gòu)是利用壓電陶瓷逆壓電效應(yīng)和諧振特性,將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的一種新型驅(qū)動(dòng)裝置。為避免慣性、擺動(dòng)、兩足移動(dòng)式壓電行走機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)形式單一問題,研制了一種新型的壓電行走機(jī)構(gòu)振動(dòng)測試系統(tǒng)。通過實(shí)驗(yàn)獲得了驅(qū)動(dòng)電壓、諧振頻率、負(fù)載載荷、振動(dòng)角等諸多因素對機(jī)構(gòu)行走速度和在沿行走方向上的驅(qū)動(dòng)力的影響規(guī)律。分析顯示,行走機(jī)構(gòu)在滑移狀態(tài)下,行走速度出現(xiàn)最大值,運(yùn)行平穩(wěn);行走裝置的后足設(shè)置行走輪時(shí),行走狀態(tài)最好。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為壓電行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了必要的數(shù)據(jù)依據(jù)。

壓電行走機(jī)構(gòu);壓電陶瓷;逆壓電效應(yīng);行走特性

0 引 言

壓電陶瓷是一種先進(jìn)的智能材料,除具有壓電效應(yīng)外,還具有諧振特性。壓電晶體的諧振特性,就是當(dāng)給壓電晶體輸入一個(gè)電信號(hào)時(shí),如果電信號(hào)頻率與壓電晶體的諧振頻率相等,通過逆壓電效應(yīng)能使壓電晶體產(chǎn)生強(qiáng)機(jī)械振動(dòng)[1-2]。壓電行走機(jī)構(gòu)正是利用壓電陶瓷逆壓電效應(yīng)和諧振特性,將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的一種新型驅(qū)動(dòng)裝置。它具有體積小、驅(qū)動(dòng)精度高、分辨率高、不發(fā)熱、噪聲小且沒有回轉(zhuǎn)部件,可以進(jìn)入深孔內(nèi)工作,解決深孔內(nèi)表面測量中的一些問題[3-4]。

目前的壓電行走機(jī)構(gòu)主要有慣性移動(dòng)式、擺動(dòng)移動(dòng)式和兩足移動(dòng)式行走機(jī)構(gòu)。慣性移動(dòng)式行走機(jī)構(gòu)利用壓電振子在電信號(hào)激勵(lì)下快速伸長所產(chǎn)生的慣性力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)移動(dòng),擺動(dòng)式行走機(jī)構(gòu)利用與管道接觸的兩足產(chǎn)生微小蠕動(dòng),兩足式行走機(jī)構(gòu)利用與地面接觸的兩足而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)[5-6]。這些行走機(jī)構(gòu)大都存在運(yùn)動(dòng)形式單一的問題。因此,在吸取一些壓電行走機(jī)構(gòu)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,從機(jī)械設(shè)計(jì)和力學(xué)分析入手,研制了一種新型壓電振動(dòng)行走機(jī)構(gòu),通過實(shí)驗(yàn)對其行走特性加以研究。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

如圖 1所示的振動(dòng)角分別為 20°、45°和 60°的壓電行走機(jī)構(gòu)三個(gè),SG-1648型功率信號(hào)發(fā)生器一臺(tái),HPV系列壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源,寬 55 mm、長290mm的導(dǎo)槽,示波器一臺(tái),質(zhì)量為 50、100、200、300、500 g的砝碼各一個(gè)。

圖1 壓電行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of piezoelectric walking mechan ism

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

首先,選定振動(dòng)角為 20°的實(shí)驗(yàn)裝置,將驅(qū)動(dòng)電壓調(diào)到 50 V,調(diào)節(jié)功率信號(hào)發(fā)生器,使壓電行走裝置工作在諧振頻率、空載狀態(tài)下,記錄裝置走過固定距離所用的時(shí)間,反復(fù)做五次后取平均值為最后的數(shù)據(jù),計(jì)算出裝置行走的速度;依次增大驅(qū)動(dòng)電壓,工作頻率不變,記錄裝置在固定的距離內(nèi)行走的時(shí)間,重復(fù)五次后計(jì)算出裝置的行走速度。其次,改變裝置的載荷,由小到大依次增加,重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)。再次,改變行走裝置與接觸面間的接觸模式,分別在前后足安裝行走輪,測量裝置在與行走面不同接觸方式下的行走速度。最后,改變裝置的振動(dòng)角,分別選擇振動(dòng)角為 45°和 60°的實(shí)驗(yàn)裝置,重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)果及分析

2.1 外部因素

壓電行走裝置的行走速度受多個(gè)外部因素的影響,如驅(qū)動(dòng)電壓U、諧振頻率f、載質(zhì)量m等。

為了測量驅(qū)動(dòng)電壓對行走裝置的影響程度,選取振動(dòng)角為 20°的行走裝置為實(shí)驗(yàn)對象,載質(zhì)量分別為空載、50、100、200、300 g,并將工作頻率調(diào)節(jié)到行走裝置的最佳諧振頻率 975 Hz,其他因素保持不變,由小到大調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電壓,測得驅(qū)動(dòng)電壓和行走速度之間的關(guān)系曲線如圖 2所示。由圖 2可見,當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓比較低時(shí),裝置工作在滑移狀態(tài)下,行走速度隨著驅(qū)動(dòng)電壓的增大而增加,直到出現(xiàn)跳移動(dòng),裝置的行走速度隨驅(qū)動(dòng)電壓的增大而減小;當(dāng)載質(zhì)量為零時(shí),驅(qū)動(dòng)電壓加到 100 V,行走裝置出現(xiàn)劇烈的跳移動(dòng)現(xiàn)象,行走速度比 75 V驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)有所降低。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓固定不變時(shí),載質(zhì)量影響裝置的行走狀態(tài),質(zhì)量較小時(shí),裝置的行走速度較低,隨著質(zhì)量的增加,速度也增加,當(dāng)載質(zhì)量達(dá)到一定值后,行走速度將隨著載質(zhì)量的增加而降低,直到速度為零。

圖 2 振動(dòng)角為 20°時(shí)的電壓—速度曲線Fig.2 Voltage-velocity curves with vibration angle of 20°

裝置工作的諧振頻率點(diǎn)可能為兩個(gè)或多個(gè)。選擇驅(qū)動(dòng)電壓為 50 V,振動(dòng)角為 20°的行走裝置為實(shí)驗(yàn)對象,實(shí)驗(yàn)時(shí)為空載狀態(tài)。調(diào)節(jié)功率信號(hào)發(fā)生器,使頻率值由低到高依次增加,測得的速度曲線如圖3所示。從圖 3中可知,當(dāng)電源信號(hào)功率為 650 Hz時(shí),機(jī)構(gòu)開始移動(dòng);行走速度在頻率為 685 Hz時(shí)達(dá)到最大,然后速度下降,在頻率為 700 Hz左右時(shí)速度為零;隨著頻率的繼續(xù)上升,裝置出現(xiàn)倒移動(dòng),當(dāng)頻率為 725 Hz時(shí),倒走速度達(dá)到最大。頻率繼續(xù)增加,速度相應(yīng)下降。當(dāng)頻率達(dá)到 760 Hz時(shí),裝置開始向前移動(dòng),當(dāng)頻率為 920 Hz時(shí),裝置將會(huì)再次出現(xiàn)倒移動(dòng),頻率達(dá)到 1 017 Hz時(shí)倒移動(dòng)速度達(dá)到最大。隨著頻率的增加,行走速度迅速下降。當(dāng)頻率為 1 022 Hz時(shí),速度為零;頻率值繼續(xù)增加,裝置沒有出現(xiàn)行走現(xiàn)象。由實(shí)驗(yàn)分析可知,裝置在行走速度上會(huì)出現(xiàn)多個(gè)極值點(diǎn),在這些極值點(diǎn)附近會(huì)出現(xiàn)正走和倒走的速度極值,因此機(jī)構(gòu)相應(yīng)也會(huì)出現(xiàn)正走和倒走現(xiàn)象。

圖3 裝置的頻率—速度曲線Fig.3 Device frequency-velocity curve

給行走裝置加一定質(zhì)量的載荷,通過實(shí)驗(yàn)確認(rèn)載荷對裝置的行走速度的影響。調(diào)節(jié)功率信號(hào)發(fā)生器到最佳諧振頻率f,首先測試空載時(shí)的行走速度,然后逐漸加大載荷,圖 4中曲線分別表示振動(dòng)角為 20°、45°和 60°時(shí)的載荷—速度曲線。當(dāng)載質(zhì)量為零即空載狀態(tài)時(shí),裝置在諧振頻率下容易出現(xiàn)跳移動(dòng)現(xiàn)象。隨著載質(zhì)量的增加,行走狀態(tài)逐漸由跳移動(dòng)過渡到滑移動(dòng)狀態(tài),且行走速度有所增加。振動(dòng)角為 20°和 45°時(shí),速度隨著載質(zhì)量的增加而增加,當(dāng)載質(zhì)量達(dá)到某一值時(shí),速度達(dá)到最大,而后速度會(huì)隨著載質(zhì)量的增加而減小;振動(dòng)角為 60°,當(dāng)載荷較小時(shí),隨著載荷的增加速度沒有明顯的變化,當(dāng)載荷繼續(xù)增加時(shí),速度隨著載荷的增加而減小。

圖 4 驅(qū)動(dòng)電壓為 50 V時(shí)的載荷—速度曲線Fig.4 Load-velocity curves with driv ing voltage of 50 V

2.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)

壓電行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要是振動(dòng)角。振動(dòng)角指的是貼有壓電片的彈性元件的振動(dòng)方向與行走平面之間的夾角,改變彈性元件的粘貼方向即可改變振動(dòng)角。調(diào)節(jié)功率信號(hào)發(fā)生器的頻率值至最佳工作狀態(tài) (振動(dòng)角為 20°、45°、60°時(shí)的最佳諧振頻率分別為975、717、600 Hz),測量行走裝置在不同振動(dòng)角時(shí)的行走速度。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓為 50 V時(shí),在不同的載質(zhì)量下,行走速度與振動(dòng)角之間的關(guān)系曲線如圖5所示。由圖 5可以看出,振動(dòng)角對行走速度有較為明顯的影響。(1)當(dāng)裝置所承受的載荷較小時(shí),驅(qū)動(dòng)電壓和諧振頻率不變、振動(dòng)角為 20°時(shí),裝置的行走速度最大。隨著振動(dòng)角的增大,速度逐漸降低。當(dāng)振動(dòng)角為 45°時(shí),速度基本達(dá)到最小值點(diǎn),然后隨著振動(dòng)角的繼續(xù)增大,速度逐漸增大。(2)當(dāng)裝置所承受的載荷較大時(shí),速度隨著振動(dòng)角的增大一直減小。當(dāng)振動(dòng)角大于 45°時(shí),速度隨著振動(dòng)角的增大急劇下降。(3)當(dāng)裝置所承受的載荷繼續(xù)增大時(shí),速度隨著振動(dòng)角的增大而增大,當(dāng)振動(dòng)角為 45°時(shí),速度基本達(dá)到最大。隨著振動(dòng)角的繼續(xù)增大,行走速度逐漸減小。由上述結(jié)論可知,振動(dòng)角對裝置行走速度的影響跟裝置所承受的載荷有關(guān)。

圖5 驅(qū)動(dòng)電壓 50 V時(shí)速度曲線Fig.5 Velocity cruves with driving voltage of 50 V

實(shí)驗(yàn)選擇在光滑的玻璃板上進(jìn)行。前述實(shí)驗(yàn)是在行走裝置的前后足底面與行走表面接觸處粘貼彈性減阻元件(塑銅線的塑料套或金屬絲),現(xiàn)在改變這種滑動(dòng)式的行走方式,在裝置的前足或后足加裝行走輪,保持驅(qū)動(dòng)電壓、振動(dòng)角不變,調(diào)節(jié)頻率到最佳諧振頻率。圖 6為驅(qū)動(dòng)電壓為 50 V時(shí)不同接觸方式下的速度曲線。由圖 6可知,在其他相同條件下,在前足安裝行走輪時(shí),速度隨著載荷的增加沒有明顯的減小;在后足安裝行走輪和無行走輪 (粘貼彈性減阻元件)時(shí),速度隨著載質(zhì)量的增加有明顯減小的趨勢,且后足安裝行走輪時(shí)的速度始終大于無行走輪 (粘貼彈性減阻元件)時(shí)裝置的行走速度;在載質(zhì)量較小時(shí),三種裝置行走速度間的關(guān)系是:后足安裝行走輪 >無行走輪 (粘貼彈性減阻元件)>前足安裝行走輪。

圖6 不同接觸方式下的速度曲線Fig.6 Velocity cures under different contactmode

實(shí)驗(yàn)分析機(jī)構(gòu)行走速度與驅(qū)動(dòng)電壓、諧振頻率、負(fù)載載荷等諸多因素之間關(guān)系的同時(shí),還進(jìn)行了機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)力測量實(shí)驗(yàn),限于篇幅在此不作分析。

3 結(jié) 論

利用自行設(shè)計(jì)的壓電行走機(jī)構(gòu),通過一系列振動(dòng)測試實(shí)驗(yàn),對影響行走機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性的幾個(gè)因素進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)了一些新的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象。

(1)行走裝置在驅(qū)動(dòng)電壓、諧振頻率、負(fù)載載荷、振動(dòng)角等因素的影響之下會(huì)出現(xiàn)滑移動(dòng)、跳移動(dòng)、倒移動(dòng)等不同的行走狀態(tài)。行走機(jī)構(gòu)出現(xiàn)跳移動(dòng)時(shí),行走速度較低,且噪音較大。當(dāng)工作在滑移動(dòng)狀態(tài)時(shí),行走速度出現(xiàn)最大值,裝置運(yùn)行平穩(wěn)。

(2)驅(qū)動(dòng)電壓較小時(shí),機(jī)構(gòu)的行走速度與驅(qū)動(dòng)電壓呈現(xiàn)正比關(guān)系,但當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓達(dá)到一定值后,機(jī)構(gòu)的速度隨著電壓的升高而降低。諧振頻率是影響行走速度的一個(gè)重要因素。裝置在不同的諧振頻率點(diǎn)的工作狀態(tài)不同,除速度不同外,裝置行走的方向也可能不同。在裝置的后足安裝行走輪時(shí),裝置的行走狀態(tài)最好,其次為無行走輪 (粘貼彈性減阻元件)。

(3)振動(dòng)角對機(jī)構(gòu)行走速度的影響較大。實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)振動(dòng)角較小時(shí),裝置的行走速度較快;隨著振動(dòng)角的增大,行走速度逐漸降低。

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Walking characteristics of new type of piezoelectric walking mechanism

YANG Songhua1,L IU Yuanlin1,CHEN Guohui1,L IU Anping2
(1.College ofMechanical Engineering,Heilongjiang Institute of Science&Technology,Harbin 150027,China; 2.Center for Engineering Training&Basic Experimentation,Heilongjiang Institute of Science&Technology,Harbin 150027,China)

Piezoelectric walkingmechani sm is a new type of driven device which converts the electrical energy into mechanical energy using converse piezoelectric effect and resonance characteristics of piezoelectric ceramics.This paper is an effort to avoid the single movement form of inertia, swing,and twolegged piezoelectric walking mechanism by proposing a new type of piezoelectric vibration test systems. The experiments found the law governing the impact of driving voltage,resonant frequency,load,vibration angle,and other factors on mechanism walking speed and driving force along the walking direction. The analysis shows thewalkingmechani sm has amaximum walking speed and smooth operation in the slip state,and the best operation when fitted with running gear on back feet.The results provide the necessary reference for designing drive control system of piezoelectric walkingmechanism.

piezoelectric walking mechani sm;piezoelectric ceramic;converse piezoelectric effect; walking characteristics

TP242

A

1671-0118(2011)02-0146-04

2011-03-02

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究面上項(xiàng)目(11551432)

楊松華(1964-),男,遼寧省遼中人,高級(jí)工程師,碩士,研究方向:機(jī)械理論及設(shè)計(jì),E-mail:ysh641006@126.com。

(編輯晁曉筠)