一种纵弯复合模态直线超声电机的研究

本文提出了一种纵弯复合模态超声电机,通过两相电信号激励电机振子产生一阶伸缩及三阶弯曲模态,在驱动足处耦合出椭圆轨迹,并利用摩擦力驱使动子运动。利用有限元软件优选出压电振子基体的结构尺寸、两模态振型及两模态频率差并设计制作原理样机,对原理样机的振动特性及输出性能进行了测试。在240 V峰峰值驱动电压时,原理样机的最佳驱动频率为36.783 kHz,对应的最大空载速度为21.66 mm/s,最大推力0.12 N。

一种基于纵弯夹心式换能器的直线超声电机

该电机利用夹心式换能器激励纵向和弯曲振动,通过一定相位差,在驱动足上形成椭圆振动轨迹。采用了指数形变幅杆放大纵振振幅以提高电机速度。利用经典换能器变幅杆理论确定换能器和变幅杆尺寸和纵向谐振频率,并辅以有限元方法来简并纵向和弯曲振动频率。驱动足处于变幅杆不同位置时驱动椭圆振动轨迹有所不同。用有限元法研究了不同形态的椭圆振动轨迹对电机输出性能的影响,发现当驱动足位于弯曲驻波波腹处电机性能最稳定。样机的最大速度480mm/s,最大推力25N。

基于虚拟仪器的直线超声电机机械特性测试

针对直线超声电机机械特性测试问题,建立了基于虚拟仪器的直线超声电机机械特性测试系统。设计了力与速度测试系统,为测试的直线电机提供加载,配置的压力传感器与直线型光电编码器分别用于电机输出力与速度的测量,利用虚拟仪器技术搭建了测试硬件平台。利用虚拟仪器编程语言LabVIEW对各个模块进行软件设计,以实现各自的功能。利用该系统对杆式直线超声电机和双变幅杆V形直线超声电机的机械特性进行了测试,测试结果证实该测试系统的可行性,为直线超声电机机械特性测试提供了所必需的条件。

直线超声电机驱动精密二维定位平台系统

针对当前精密作动技术领域对精密定位系统提出越来越高的要求，设计了一种由蝶形直线超声电机驱动的二维精密定位平台系统。该定位平台系统行程为50mm×50mm，以直线型增量光栅编码器作为位置反馈元件，通过上位机编程实现运动控制卡对精密定位平台系统进行控制。为了实现直线超声电机的驱动，设计了一种新型直线超声电机驱动器，实现驱动电压和驱动频率的独立控制。在控制过程中，通过使用复合控制技术，同时结合直线超声电机具有高分辨率步进的控制特性，最终使系统达到高精度运动的控制效果。实验结果表明，在0～50mm行程内，实现了小于0．28μm的定位精度。

一种应用正态分布理论的直线超声电机精密定位控制方法

针对直线超声电机在精密驱动过程中存在较强的非线性、时变性及控制模型复杂等问题,提出了一种基于正态分布理论统计直线超声电机驱动电压与速度/位移关系的方法,结合模糊逻辑控制技术,实现了对直线超声电机精密定位控制。利用宏微驱动控制模式对超声电机驱动的平台进行大行程、高精度定位实验研究,实验结果表明采用所提方法,当行程为5 mm时,稳态误差小于5 nm,能抑制系统的超调,改善系统动态性能。同时,由于直线超声电机动态保持力非常大,使得系统具有良好的抗扰动能力。

直线超声电机设计、建模和应用的研究进展

直线超声电机作为一种新型作动器,以其独特的结构和驱动原理,在高新技术领域有着广泛的应用。首先,回顾了电机结构设计方面的研究进展,提出了电机的设计理论和方法,阐述了电机结构形式的演化和夹持结构的设计方法;其次,介绍了有关电机理论模型的研究进展,提出了定子机电耦合模型、摩擦接触模型和定/动子冲击模型等;最后,报道了直线超声电机在高精度运动平台、细胞显微操作、微夹持器和绝对重力仪方面的最新应用。

杆结构直线超声电机的结构设计和功率流分析

针对杆截面的突变会降低振动波传输效率的问题,提出基于连续变截面兰杰文振子的设计方法。讨论杆截面的突变对振动波传播的影响,研究连续变截面杆的振动放大系数和功率流特性,并给出连续变截面杆的轮廓函数。最后设计了具有连续变截面振子的直线电机,该电机最大推力为21.4N,最大速度为235mm/s,推重比为25(驱动电压峰峰值为300V)。试验研究了电机的速度-频率、速度-相位差、速度-电压之间的规律,结果表明该电机具有良好的输出特性。

用于精密定位平台的直线超声电机的异步并联

提出了直线超声电机异步并联的概念以提高精密定位平台驱动单元的位移分辨率、输出力及速度。基本原理是若干定子(或振子)在一个振动周期内交替驱动动子(或转子),使实际的驱动频率成倍提高,可以获得更好的输出性能。分析显示,提高定子与动子之间的接触频率可以提高输出力和速度,改善瞬态响应特性,并可避免同步并联方式下定子的相互干扰问题。两种电机异步并联的实验结果表明,两个定子异步并联时的最大负载力比两个定子同步并联提高了30%以上,比两个定子单独驱动时的推力之和提高25%以上。最小分辨率测试实验表明,异步并联时最小位移分辨率达到32.6nm,是单个电机的62.8%,是同步并联的38.5%。单驱动头电机的实验还表明,异步并联时空载直线速度比单个定子和两个定子同步并联时都提高了10%以上,最大效率比两个定子同步并联驱动时提高约50%,瞬态响应时间比同步并联更短,约为单个定子驱动时的50%。

一种弯曲模态直线超声电机的研究

提出了一种改进的弯曲模态直线超声电机。该电机利用兰杰文振子两相正交的3阶弯曲振动,在其驱动足处形成椭圆运动,推动动子运动。采用超声变幅放大了定子驱动足处的振幅。利用有限元方法用来设计定子的结构尺寸。实验表明,在电压峰-峰值200V下,该电机最大空载速度为113mm/s,最大输出力为10N。

卧板式直线超声电机的特性分析模型

直线超声电机摩擦接触特性对电机性能的影响很大,直线超声电机的摩擦驱动机理往往不同于旋转超声电机,无法应用旋转超声电机的接触模型对其进行分析。针对一款卧板式直线超声电机,基于弹性接触理论建立了其摩擦接触分析及特性预估模型。该模型考虑了施加预压力后定子工作状态的改变,以及定、动子相对滑动速度差对摩擦力的影响。利用所建立的模型,对卧板式直线超声电机的机械输出特性进行了仿真计算,并分析了定子振动特性、预压力、接触界面摩擦特性、施加预压力弹簧刚度特性、驱动频率等参数对电机机械特性的影响。制作了样机,并对样机的机械性能进行了测试。试验结果表明,所建立的模型对直线超声电机特性的估算是有效的,可以为直线超声电机的设计和特性分析提供参考。

V型直线超声电机梁式夹持的结构设计

探讨了直线超声电机夹持结构的设计方法。依据直线超声电机夹持结构的设计准则建立了在弹性夹持下的定子力学模型;研究了夹持结构的法向和切向弹簧刚度对定、动子在接触界面上的法向压力和切向摩擦力的影响规律,并通过有限元软件进行了仿真分析。最后,提出了一种切向刚度充分大的夹持方式,并设计了相应的梁式夹持V型直线超声电机。通过实验对比了设计的梁式夹持超声电机与柔性圆弧式夹持电机的输出特性。结果表明:相对原有的圆弧式夹持电机,新直线超声电机的输出力增大了1.7倍,速度增大了4.6倍,其最大输出力达到37N,最大速度达到1.4m/s。研究表明,提高切向弹簧刚度有利于提高电机的输出力和速度,设计的梁式夹持V型直线超声电机输出特性及稳定性良好。

U形直线超声电机结构设计

针对直线超声电机的小型化问题,提出一种新型U形直线超声电机,该电机由U形定子和导轨组成,压电陶瓷片采用粘贴的方式固定在定子上.研究了电机的激振方式与位置,设计并加工了直线超声电机样机和测试装置.将柔性铰链结构应用到直线超声电机夹持中.通过实验确定了电机的最佳工作频率、预压力.研究了输出力和空载速度随工作频率、预压力和电压的变化规律.实验表明,电机在电压值400 Vpp,预压力25 N条件下,最大空载速度470 mm/s,最大输出力9 N,定子质量25 g,推重比达36;柔性夹持能提高电机的模态一致性和效率,同时简化了电机结构.该研究为电机小型化发展奠定基础.

基于弯曲模态的板形直线超声电机结构设计

板形直线超声电机因具有扁平化结构等特点,特别适用于电机安置空间狭窄的直线驱动场合。针对狭窄空间作动需求,提出一种单模态、大推力直线超声电机。电机由导轨和板形定子组成,定子由平面内两个垂直放置的矩形板联接构成L形结构,驱动足位于联接部顶端。电机利用两矩形板弯曲振动所形成的对称和反对称模态驱动导轨运动,并通过切换对称和反对称模态实现导轨正反向运动。通过定子模态分析,研究结构参数对振型的影响,以确定夹持和压电陶瓷片的安置位置;针对对称模态下驱动足处振幅过小问题,分析前端盖开槽对驱动足处振幅的影响规律,并通过开圆弧形槽增加驱动足处振幅。制作样机,并开展实验研究。实验表明:该电机结构简单紧凑、运行稳定且推力大,最大空载速度为329 mm/s,最大推力为70 N,推重比达38. 2。

直线超声电机驱动信号分析及其微步距输出特性研究

为了充分利用直线超声电机响应快、分辨率高的特点,并实现电机的微步距控制,研究了激励信号对电机微步距输出特性的影响。首先,通过分析电机的瞬态特性,研究了电机单步距作动过程;其次,为了实现电机激励信号的精确控制,分析了双PWM拓扑结构超声电机驱动器的工作原理,并通过实验对驱动器关断控制进行了研究;最后,分别研究了激励信号周期数、激励电压峰峰值和激励时间间隔对电机微步距特性的影响。实验结果表明,当驱动器采用具有泄放回路的零相位关断时,能够实现激励信号的精确控制。当以激励电压作为参变量,激励时间间隔大于10ms时,电机微步距特性曲线具有较强的线性特性,有利于电机微步距控制;激励时间间隔小于3ms时,能够有效降低电机平均速度,实现低速控制。

新型塔形直线超声电机

提出一种塔形双模态直线超声电机。它由塔型定子和导轨组成,塔型定子由6片压电陶瓷(piezoelectric lead zirconate titanate ceramic,PZT)粘接在金属弹性体上构成。定子利用y-z面内对称振动模态激发驱动足的法向振动,利用x-z面内2阶弯振模态激发驱动足的切向振动。由于驱动足的法向振动和切向振动存在90°的相位差,从而在其驱动足处形成椭圆运动,推动导轨运动。讨论电机支撑位置与激振方式和位置,研制了电机样机及其实验装置。提出了一个新观点:电机工作性能与定子在接触边界条件下的频率一致性有关。通过接触边界条件下的模态实验确定了电机的最佳工作点,并在电机的最佳工作点附近进行了机械特性实验。实验表明,在激励电压峰峰值为500 V、预压力6 N下,该电机最大空载速度为980 mm/s,最大输出力1 N,定子质量为20 g,推重比(输出力与定子重量之比)达5。

扇形直线超声电机的结构设计

为了探索板结构直线超声电机的设计方法,提出一种新型板结构直线超声电机。该电机的定子为4个兰杰文振子构成的扇形结构,有利于提高空间的利用效率和增加电机的能量密度。兰杰文振子有明确的纵振节点,这有利于电机的夹持。提出了电机定子结构形式,分析其运动机理,并研制了样机。实验结果表明,该电机运行平稳,最大推力为15.3N,运行速度为1.2m/s,推重比为5.4。

U型变截面薄板面内复合模态驱动的直线超声电机

提出一种U型变截面薄板结构驱动的压电直线超声电机,选定U板两纵杆的一阶反对称纵振和二阶对称弯振为工作模态。阐释了电机驱动机理,推导了定子驱动端椭圆运动轨迹;基于纵、弯工作模态频率一致性模型,优化了电机结构尺寸;通过谐响应分析及激光测振试验,证实了定子工作模态的存在及其纯正性;设计出电机装配结构,制作出其原型样机;构建电机驱动控制平台,驱动电机运转,验证电机原理的可行性。通过速度特性试验发现:当驱动频率为78.11 kHz且电压幅值为240 V时,电机最大运动速度可达125.6 mm/s。

蝶形双驱动足直线超声电机设计及实验(英文)

提出了一种新型双驱动足直线型超声电机。该电机利用联接成一体的两个振子的对称振动,在驱动足端面质点上可获得定/动子之间接触面的切向运动;利用反对称振动,可获得法向运动。同时,激励振子的对称和反对称振动在两个驱动足端面质点上可形成相同方向椭圆运动轨迹,从而驱动压在定子上的动子直线运动。采用有限元法分析了共振频率对结构参数的灵敏度,根据各灵敏度大小适当地调节了结构参数,使定子的两相共振频率基本达到一致。为了获得高速和大推力,前端盖选用硬铝材料,后端盖选用黄铜,压紧螺栓选用镀铬高强度钢材料。实验结果表明:在预压力为70N下,样机的空载速度为0.75m/s,最大推力为16N,是定子质量的22倍。

单模态驱动双向运动的斜动子V形直线超声电机

针对双模态超声电机对模态频率一致性要求高以及单模态超声电机难以实现双向运动等问题,提出了一种单模态驱动双向运动的斜动子V形直线超声电机。电机由导轨和V形定子构成,导轨相对于V形定子倾斜安装,V形定子的工作模态为面内对称模态或面内反对称模态,通过切换工作模态改变定子驱动足运动轨迹相对导轨的倾斜方向,实现导轨正反向运动。在分析电机工作原理及设计原则的基础上,推导了电机运行的导轨倾角范围,并对设计制作的原理样机进行了模态实验和机械特性测试。实验表明:在导轨倾角为35°,激励峰峰值电压为600V,预压力为65 N条件下,当电机工作在面内对称模态,导轨正向运动,其最大空载速度为180mm/s,最大输出力为14N;当电机工作在面内反对称模态,导轨反向运动,其最大空载速度为125mm/s,最大输出力为24N。

仿生步行小型直线超声电机

提出了一种新颖的由扁柱状夹心压电振子构成的压电超声直线微电机。它能使驱动端产生类似于人步行的运动 ,借助摩擦力实现沿直线的双向动力输出 ,带动所搭载的物体做大行程精密移动 ;只需单相电源驱动 ,便于无线操纵 ;可在无辅助支持的情况下直立行走 ;通过切换驱动频率可实现双向运动。实验样机最大速度为 0 .0 8m/s,可搭载最大负载15N 。