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一种新型的二自由度直线型超声电机

时间:2017/8/9 13:46:00   来源:本网   添加人:admin

  一种新型的二自由度直线型超声电机刘俊标,黄卫清,赵淳生(南京航空航天大学超声电机研究中心,南京210016)的驱动原理,利用有限元法设计了电机,并制造了样机,扫频和激光散斑等1刖言超声电机是一种采用全新原理和全新结构的电机,它利用压电材料的逆压电效应和超声振动直接获得运动和力(矩)的目前超声电机按其运动轨迹可分为直线型和旋转型,直线型超声电机的输出沿直线运动;旋转型超声电机的输出绕固定的轴转动。

  直线型超声电机具有许多优越性,如不需要将旋转运动变成直线运动的变换机构,运动精度高,应用前景十分广阔国内外已开发出多种直线超声电机的原理性样机,但从目前看,大多侧重开发一个自由度的直线超声电机在有些场合下,需要有多个自由度,如X-Y绘图仪需要两个自由度对此,本文首先提出一种新型的二自由度直线超声电机,并对此作了初步的探讨。

  描述了驱动振子在一个运动周期中的四个特殊时刻的状态。

  在时刻(1),虽然此时驱动振子端部的弯曲振动2单自由度直线超声电机的结构和工作原理首先对单自由度直线超声电机的运动机理进行基金项目:国家自然科学基金资助项目(50005010)的位移是零,但弯曲振动速度达到最大;同时纵向伸长并同导轨紧密接自也这时驱动力被传到驱动振子上驱动振子向右直线运动。

  在时刻(2),驱动振子端部弯曲振动的位移为达到最大,这时纵向长度回复到原位振子在产生驱动作用后开始同导轨脱离。振子靠其惯性继续向右运动。此时纵向振动速度达到最大,弯曲振动速度为在时刻(3),驱动振子端部的弯曲振动速度的方向变为同振子的运动方向相反,而驱动振子纵向的位移变为负值,即纵向是缩短的。这时驱动振子同导轨脱离,驱动振子由于本身的惯性继续向右运动。

  在时刻(4),驱动振子端部的弯曲振动的振幅达到反向最大,同时驱动振子也开始逐渐伸长,驱动振子和导轨将开始接角也到时刻(5),驱动振子又回到时刻(1)的状态,开始下一个周期的运动事实上,如果在压电元件上所加的电场相位差为90°驱动振子的端部上任一点就会产生椭圆的运动轨迹这时,驱动振子通过压力与定子(导轨)接触就会产生直线的运动。端部上任一点产生椭圆的运动轨迹具体证明如下。

  假设纵向振动时可忽略泊松比,即驱动振子的纵向变形所引起的横向变形很小;还假设弯曲振动时圆柱体的圆形平面变形很小,认为变形后仍保持为平面,端部圆形平面只发生刚体位移如所示,中轴线在产生弯曲挠度的同时,端部圆形平面相对原位置产生了一个斜角,驱动振子的端部也会产生一个纵向振动的分量,这个分量并不影响椭圆运在驱动振子端部的圆心建立坐标系o―yz,设振动时产生的最大弯曲挠度为wo,最大斜角为U对驱动振子端部上的任一点c,坐标为(RcosTRsinT 0)R为点o'到点c的距离,T为c与x夹角,对压电陶瓷元件2单独进行sinkt激振产生弯曲振动时,有对压电陶瓷元件1单独coskt激振产生纵向振动,有简谐振动ZPZb同向、同频,合成得到简谐振动为Z=Zb+Zi=Acoskt简谐振动Z和Yb在方向上互相垂直,同频,则合成可得驱动振子端部上的任一点c的运动轨迹方程3二自由度直线超声电机的结构和工作原理二自由度直线超声电机由导轨和驱动振子组成驱动振子为一圆柱体,采用兰杰文形式,结构零件图如所示。这时导轨为一光滑平板压电陶瓷片用来激励电机驱动振子的工作模态,极化和通电方式如所示这时是利用弯曲振动模态的陶瓷片的不同安放位置激发两个在空间上互相垂直的弯曲振动模态,得到空间上两个椭圆曲线当驱动振子靠重力与导轨接触时,使驱动振子获得两个自由度的直线运动,其工作原理如所示4驱动振子的有限元分析振,使驱动振子的端部产生椭圆运动,两个振动时要保持频率一致对于直径20mm的圆柱体,一般采用低阶模态工作振型采用一阶纵向振动和二阶弯曲振动(a)为驱动振子的有限元模型,边界条件为两端自由。驱动振子的四个弹性体采用4ff钢材料的参数如表1所示。激发纵向振动的陶瓷片厚度为2mm,有2片;激发弯曲振动的4片陶瓷片,厚度各为1mm,当驱动振子总长为68mm时,经有限兀计算得到相应的频率为ki=3224kHz,k>2=32.04kHz;(b)、(c)为所设计的驱动振子的工作振型。

  表1材料的参数参数弹性模量泊松比密度/材w压电陶瓷45钢5实验为了验证驱动振子工作在所设定的振动模态,对驱动振子进行扫频实验,得到各共振频率:一阶纵向共振频率为30.5kHz;二阶弯曲共振频率为28.7kHz对于超声电机来说,只要两种模态的共振频率比较接近就足够了。

  对直线型超声电机来说,起驱动作用主要是弯曲振动,而纵向振动主要的作用是控制驱动振子与导轨的接触和脱离因此利用电子散斑测振装置进行弯曲振型的测定实验在所测得的电机驱动振子的振型图中,显白较亮部分为节线节圆等不动点的位置。对驱动振子的A相和C相分别施加频率为28.7kHz的激振信号,实验结果如(b)(c)从图上可以看到,驱动振子上有三条白线,而二阶弯曲振型有三条节线,表明所激出的模态是二阶弯曲振动模态上,先将该装置调平,通过光学瞄具读出目标点理想诸元,通过键盘输入到复位解算计算机,发射当解算出新的诸元后,按新的诸元改变发射装置的高低与方向角,在由光学瞄具读出复位误差试验表明,复位精度满足要求4结论本文利用压电陀螺所设计的复位系统较好地解决了压制武器由于射击振动引起的射击线变位系统满足复位要求且成本低,适合于工程应甩