王笑竹，張 健

(營口理工學(xué)院，營口 115014)

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駐波方環(huán)直線超聲波電動機(jī)的特性分析與實(shí)驗(yàn)研究

王笑竹，張 健

(營口理工學(xué)院，營口 115014)

在“跑道式”行波超聲波電動機(jī)的基礎(chǔ)上提出方環(huán)形駐波超聲波電動機(jī)，該電機(jī)上下橫梁關(guān)于水平方向?qū)ΨQ布置兩對凸齒，通過激勵不同陶瓷片來改變振子基體上凸齒的運(yùn)動方向，實(shí)現(xiàn)超聲波電動機(jī)的正、反方向運(yùn)動。借助ANSYS對振子基體及支撐部分進(jìn)行了動態(tài)設(shè)計(jì)，分析了主要參數(shù)與振動頻率的關(guān)系。以理論分析的數(shù)據(jù)尺寸制作了樣機(jī)，驗(yàn)證了理論的正確性，為駐波超聲波電動機(jī)的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

超聲波電動機(jī)；駐波；凸齒；實(shí)驗(yàn)研究

0 引 言

超聲波電動機(jī)具有定位精確摩擦自鎖等優(yōu)點(diǎn)，受到了多種行業(yè)的廣泛關(guān)注。在實(shí)際工程中，即需要利用超聲波電動機(jī)的摩擦自鎖和無電磁干擾的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還要求超聲波電動機(jī)具有結(jié)構(gòu)小、驅(qū)動方式簡單的特點(diǎn)。本文針對這些要求，設(shè)計(jì)了一種方環(huán)形超聲波電動機(jī)，方環(huán)形超聲波電動機(jī)是對現(xiàn)有行波直線“跑道式”超聲波電機(jī)的改造[2-3]，在相同頻率的駐波激勵作用下，通過激勵不同陶瓷片來改變振子基體上凸齒的運(yùn)動方向，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的兩向運(yùn)動。

1 振子結(jié)構(gòu)及面內(nèi)彎曲振動模態(tài)

設(shè)計(jì)駐波超聲波電動機(jī)的關(guān)鍵是選取兩個(gè)同階固有頻率相等(或接近)的彎曲振型，同時(shí)保證凸齒在每一種彎曲模態(tài)下都處于合適的位置。方環(huán)形超聲波電動機(jī)采用自行式驅(qū)動方式，振子結(jié)構(gòu)如圖1所示。上、下橫梁關(guān)于水平方向?qū)ΨQ布置兩組凸齒(以增大振幅進(jìn)而提高凸齒的推動力)，在振子面內(nèi)布置了與振子一體的支撐結(jié)構(gòu)。該振子含振子基體、凸齒、陶瓷片、支撐結(jié)構(gòu)。

圖1 超聲波電動機(jī)振子結(jié)構(gòu)

由于超聲波電動機(jī)的振動頻率在20～80 kHz之間時(shí)，電機(jī)基體尺寸與振動頻率成反比，振動階次與振動頻率亦成反比。而本文設(shè)計(jì)的電機(jī)屬微小型產(chǎn)品，這就使得在20～80 kHz之間的可用模態(tài)減少[4]。按照圖2粘貼陶瓷片，振子在奇數(shù)階的振型時(shí)，下橫梁上的凸齒分別向兩方向運(yùn)動，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的雙向運(yùn)動。當(dāng)彎曲模態(tài)低于9階時(shí)，橫梁上凸齒難于布置在需要的位置，且振型不規(guī)則。因此本文選用第9階彎曲模態(tài)。

f1=60 690 Hz f2=60 694 Hz

借助ANSYS對振子進(jìn)行模態(tài)分析，結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，振子基體B9的兩個(gè)固有頻率f1=60 690 Hz和f2=60 694 Hz。利用簡諧駐波激勵振子上下橫梁陶瓷片，凸齒驅(qū)動導(dǎo)軌向左運(yùn)動；當(dāng)激勵振子左右梁陶瓷片時(shí)，凸齒會驅(qū)動導(dǎo)軌向右運(yùn)動。

表1 方環(huán)形振子的結(jié)構(gòu)參數(shù)

*注：h為振子基體參數(shù)；tk為凸齒厚度。

2 振子模態(tài)的基體參數(shù)分析

改變振子長度l可以大幅度地改變振子兩模態(tài)的固有頻率。由圖3知，在25.6～26.4mm范圍變化l時(shí)，當(dāng)梁長增加時(shí)頻率降低(有利于增大振幅)，但頻率差增加，不利于振子的運(yùn)動。

圖3 振子長度l與頻率的關(guān)系

由圖4可知，在其他尺寸參數(shù)不變的情況下，振子頻率與圓弧內(nèi)半徑r呈正比關(guān)系。當(dāng)r<4.3mm時(shí)，盡管振動頻率和頻率差都減小，但振型和凸齒的位置發(fā)生變化，影響振子的運(yùn)動效果。

圖4 振子內(nèi)圓弧半徑r與頻率的關(guān)系

3 支撐結(jié)構(gòu)對模態(tài)的影響

為方便超聲波電動機(jī)快速起動、保證精準(zhǔn)定位，要求支撐結(jié)構(gòu)有足夠的剛度。在設(shè)計(jì)與加工時(shí)應(yīng)盡量滿足優(yōu)選的結(jié)構(gòu)參數(shù)。本文選用直梁型柔性鉸鏈連接振子基體與支撐結(jié)構(gòu)。由圖5可知，柔性鉸鏈在力矩的作用下可以產(chǎn)生較明顯的彈性變形，柔性鉸鏈距振子基體豎梁的距離C=4mm時(shí)，模態(tài)1(f1=60.69kHz)頻率均減小，模態(tài)2(f2=60.69kHz)頻率均增大，因此頻率差Δf=|f1-f2|也隨之增大。

圖5 支撐距離C與頻率的關(guān)系

由圖6知，鉸鏈水平長度cl對Δf=|f1-f2|影響不大，但超聲波電動機(jī)振動頻率不是諧振頻率，影響了電機(jī)的運(yùn)行效果。

經(jīng)有限元分析知，當(dāng)鉸鏈的厚度ch>0.8mm時(shí)，超聲波電動機(jī)振子基體振型變化明顯，波長、振幅不一致，導(dǎo)致超聲波電動機(jī)不能正常工作。支撐結(jié)構(gòu)參數(shù)對電機(jī)性能影響較大，因此在加工過程中要嚴(yán)格按照給定偏差范圍加工。圖7為支撐結(jié)構(gòu)參數(shù)ch與頻率關(guān)系。

圖6 支撐結(jié)構(gòu)參數(shù)cl與頻率關(guān)系圖7 支撐結(jié)構(gòu)參數(shù)ch與頻率關(guān)系

4 實(shí)驗(yàn)研究

考慮到加工振子和粘貼陶瓷片時(shí)材料的實(shí)際參數(shù)與理論參數(shù)存在差異等因素，按照有限元軟件分析結(jié)果制作了電機(jī)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。

圖8 實(shí)驗(yàn)裝置

如圖9所示，樣機(jī)振子用黃銅材料制作，為了便于記錄測試數(shù)據(jù)，對陶瓷片進(jìn)行編號，記為P1,P2,P3,P4，每片陶瓷片所在梁的編號是1,2,3,4，四個(gè)凸齒編號是t1,t2,t3,t4。

圖9 方環(huán)形振子

測試時(shí)設(shè)定激振電壓峰-峰值為200V，模態(tài)固有頻率分別為f1=60.69kHz,f2=60.69kHz，Un為每個(gè)直梁段一個(gè)波峰處的峰-峰值，下標(biāo)n代表直梁段編號。

表2 每組陶瓷片的諧振頻率

從表2中可知，實(shí)驗(yàn)測得數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)不同，Δf=210Hz。主要原因是未考慮膠層對彎曲模態(tài)的影響，另外材料屬性參數(shù)與理論參數(shù)的差異也是原因之一。

本文所設(shè)計(jì)的電機(jī)為自行式，所以還為電機(jī)設(shè)計(jì)了導(dǎo)軌。圖10是將電機(jī)安裝在導(dǎo)軌上的照片。以簡諧信號激勵電機(jī)，振子沿導(dǎo)軌作往復(fù)直線運(yùn)動。

圖10 樣機(jī)模型

由圖11知，激勵P2,P4陶瓷片時(shí)，下橫梁凸齒交替工作，當(dāng)激勵電壓峰峰值升高時(shí)，缺點(diǎn)被放大。但激勵電壓為200V時(shí)，電機(jī)仍能獲得速度一致的兩向運(yùn)動。

圖11 電壓-速度特性曲線

圖12表明激勵電壓峰-峰值為280V時(shí)負(fù)載與速度呈線性變化，當(dāng)激勵電壓峰-峰值為300V時(shí)，負(fù)載與速度只在一段內(nèi)呈線性變化。

圖13表明功率速度特性曲線呈拋物線變化規(guī)律，激勵電壓峰-峰值為300V與280V相比，相同速度下，300V電壓下所能激發(fā)的功率更高。

圖12 負(fù)載-速度特性曲線(一側(cè)驅(qū)動齒)圖13 功率-速度特性曲線

5 結(jié) 語

本文在“跑道式”行波直線超聲波電動機(jī)的基礎(chǔ)上，提出了方環(huán)形駐波超聲波電動機(jī)，利用ANSYS對結(jié)構(gòu)參數(shù)及支撐參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定了最終尺寸，并討論了振子長度L、內(nèi)圓弧半徑R、支撐距離Z與頻率之間的關(guān)系。在理論研究的基礎(chǔ)上，制作了電機(jī)樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)測得頻率52 760 Hz/52 550 Hz與理論分析頻率60 690 Hz/60 694 Hz有210 Hz的差距，這主要是忽略膠層對模態(tài)影響等原因造成的。但振子在52 760 Hz/52 550 Hz下仍能得到9階彎曲模態(tài)，且能激發(fā)出較高的振幅，實(shí)驗(yàn)證實(shí)電機(jī)在這一頻率下能實(shí)現(xiàn)正、反方向運(yùn)動。

[1] 上羽貞行，富川義郎.超聲波馬達(dá)理論與應(yīng)用[M].楊志剛，鄭學(xué)倫,譯.上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1998.

[2] 王宏祥.環(huán)形行波直線超聲波電動機(jī)的研究[D].錦州：遼寧工學(xué)院，2005:53-64.

[3] 王紅靜.一類環(huán)形行波直線超聲波電動機(jī)振子的數(shù)值與實(shí)驗(yàn)研究[D].錦州：遼寧工學(xué)院，2005:37-46.

[4] 何勍，SEEMANN W.環(huán)形直線行波超聲波電動機(jī)定子的模態(tài)分析[J].壓電與聲光，2003，25(6):515-516.

[5] 何勍，SEEMANN W.一類行波型直線超聲電機(jī)定子的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].壓電與聲光，2004，26(6)：497-499.

[6] SEEMANN W. A linear ultrasonic traveling wave motor of the ring type[J].Smart Materials & Structures，1998，5(3):361-368.

Characteristic Analysis and Experimental Research on Vibrator of Square-Ring Type Linear Standing Wave Motor

WANG Xiao-zhu，ZHANG Jian

(Yingkou Institute of Technology，Yingkou 115014，China)

Square-annular standing wave ultrasonic motor was proposed which is based on the “runway” type traveling wave ultrasonic motor. The motor's crossbeam has two convex teeth which is symmetrically arranged about the horizontal, excitated of different ceramic plate to change the direction of the convex tooth's movement, to achieve ultrasonic motor's motion. The dynamic design of the vibrator and the support was made using ANSYS, and the relationship between the main parameters and vibration frequency was analyzed. A prototype was manufactured by the theoretical analysis data to verify the correctness of the theory. It provides the basis for the design of ultrasonic motor.

ultrasonic motor; standing wave; convex teeth; experimental research

王衛(wèi)軍(1984-)，男，博士，研究方向?yàn)楣I(yè)自動化、工業(yè)機(jī)器人、電磁制動器、減速器等。

2015-03-04

TM359.9

A

1004-7018(2016)02-0034-03