纵—弯复合模式超声换能器的研究

研究了一种新型的纵-弯复合振动模式超声换能器,该换能器由均匀截面细棒及两组不同结构的压电陶瓷元件组成.导出了此类换能器的频率设计方程.实验表明,纵向共振频率与弯曲振动共振频率基本一致,且实测值与设计值比较符合.     

纵-弯复合振动超声挤压加工试验研究

为研究挤压加工时静压力、进给量和挤压速度等工艺参数对试件表面质量的影响,在挤压加工中引入纵-弯复合振动后对Q235钢轴件端面进行处理,并与普通挤压加工进行对比,基于正交试验结果构建了挤压加工后表面粗糙度和表面里氏硬度二次回归预测模型.试验发现:在相同加工工艺参数下,在普通挤压加工中引入纵-弯复合超声振动后获得的表面粗糙度Ra值更小,而表面里氏硬度值显著提高;采用两种挤压加工方法后工件表面粗糙度Ra值均随着静压力和进给量的增加而增大,而挤压速度的影响很小,进给量对表面粗糙度的影响最为显著;工件经超声挤压加工时静压力越大,则获得的表面硬度越大,且表面硬度随进给量的增大先增大后减小,而普通挤压加工后表面硬度随静压力和进给量的增大先增后减,且在两种加工方式下工件表面硬度基本不受挤压速度的影响.纵-弯复合振动超声挤压加工工艺适合Q235钢表面强化处理,构建的表面粗糙度和硬度的预测模型可用于指导Q235钢表面强化处理工艺生产.     

纵－扭复合振动夹心式压电超声换能器的研究

本文从纵振动和扭转振动的波动方程出发，结合复合振动换能器各组成部分在一维条件下，纵振动和扭转振动的等效网络，以一维声传输线理论为基础，推导出了复合振动换能器所满足的纵振动和扭转振动共振频率方程，通过合理地选择变截直的弯延指数β，从而设计出了同一长度下，纵振动的基波和扭转动的二次谐波可以共振的纵－扭复合振动换能器，并对影响弯延指数β的因素进行了初步的探讨。     

纵振换能器式圆筒型超声电机振动特性的研究

以纵振夹心换能器式圆筒型超声电机为研究对象,对换能器的振动状态进行了分析,给出了换能器弯曲振动的产生原因;研究了耦生弯振对电机机电耦合系数以及圆筒中弯振行波质量所带来的影响,耦生弯振的存在使得定子模态特征频率偏离换能器谐振频率,并使得定子圆筒中的弯振行波产生了畸变。最后,提出一种采用换能器弯振激励圆筒径向弯振的模态组合方式。     

多自由度超声波电机的研究进展和展望

超声波电机具有低速大力矩、响应快、分辨率高和抗电磁干扰等优点,能直接驱动,使其在机器人、工业仪器仪表、安防等领域有着广阔的应用前景。多自由度是超声波电机研究领域的前沿课题。本文分类探讨了近年来出现的几种多自由度超声电机的结构、机理、性能及其特点,给出了一些具有代表性的实例,总结了多自由度超声波电机的主要研究成果和应用状况,对多自由度超声波电机的今后研究重点和发展方向提出了建议。     

两相超声电机驱动电路设计

两相超声电机是近年来普遍使用的一种先进的超声电机,是科学技术发展的重要产物。由于用于两轴工作平台的两相超声电机逻辑控制电路要求相对复杂,因此,本文提出了一种基于模拟式和数字式的解决方案,并对两个方案的特点进行了对比。研究表明,模拟式驱动方案能够有效解决前期对两相电机的驱动需求,但是却不能很好地处理工作平台两轴之间的快速切换,且该方案操作繁琐。而数字式驱动方案能够有效解决上述问题,在驱动波形的产生、功率放大和稳定控制上更加简便、快捷。     

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。     

H-结构薄板纵弯复合模态驱动的压电直线电机

为高性能压电直线电机设计奠定基础,推出基于H型振子的直线电机并利用该振子两纵向杆面内一阶纵振与二阶弯振驱动电机。研究电机的驱动机理并从理论上阐释振子纵杆驱动端质点的椭圆运动形成过程;建立振子有限元模型并对其工作模态、灵敏度、谐响应进行分析;优化振子结构尺寸,完成电机装配结构设计并制作出振子、电机实物;对振子进行模态试验,结果显示该振子不仅具有预设的工作模态,且在正常激励条件下,驱动端纵、弯振幅值分别可达1.2 μm,1.4 μm。研究表明,该电机有望产生较大速度与动力。     

弯振复合型超声驱动器振动特性研究

为了避免模态复合型超声驱动器中普遍存在的频率简并问题,作者在前期研究中提出了一种新型的弯振复合型超声驱动器。该驱动器采用压电金属复合梁两个正交弯振模态的复合在两个驱动足处激励出椭圆轨迹振动。本文对该驱动器的振动特性进行深入研究,旨在获得驱动区域质点的真实运动轨迹。首先,建立了矩形截面梁在弯振复合模态下末端区域质点振动轨迹的数学模型;然后,借助有限元瞬态分析,对驱动足振动轨迹进行仿真,实现对所建立振动轨迹数学模型的验证。振动轨迹方程和仿真结果均表明：两个驱动足表面质点振动轨迹均为三维的椭圆,垂直于驱动器轴线的平面内的椭圆振动更适合用于致动输出。最后,分析了该驱动器存在的不足之处,提出了一种改进方案,采用对称设置压电陶瓷片实现两个驱动足振动特性的一致;通过瞬态分析在两个驱动足处得到了一致的振动轨迹,改进的样机实现了输出特性的显著提高。     

变参量超声电机驱动电路的设计与分析

超声电机驱动电源一般是通过调占空比实现超声电机的控制.文中介绍一种由单片机控制可以同时实现调频、调占空比和调相位差的驱动与控制线路.实验结果表明该驱动源频率变化范围达20kHz～100kHz;相位差0°～90°可调;占空比0.1～0.5可调.     

新型方尖塔形定子二自由度超声电机的结构设计、驱动机理与性能研究

提出了一种新型二自由度超声电机结构及工作原理。该电机具有一个方尖塔形定子和一个具有凹球面的基座,定子由预压力弹簧压在基座的凹球面上。利用定子局部弯曲振动作为工作模态,使得该型电机易于小型化。有限元仿真观察到了定子驱动端的椭圆运动,作用于球面基座可驱动定子运动。原理样机性能为: x 方向最大速度145mm/s, y 方向最大速度180mm/s, x 方向最大推力4.3N,y方向最大推力5.0N。     

面内模态方形压电超声电机的工作机理与实验

针对利用面内模态的方形压电超声电机工作机理进行研究,利用有限元方法得出了方形超声电机定子的振动模态振型,以此为基础,分析了电机定子内圈小齿在平面内模态(3,1)和(R,1)下的位移特点,给出了一个周期内电机定子内圈6个小齿切向运动与法向运动的分析结果,得出了在定子平面内模态(3,1)和(R,1)下,定子内圈6个小齿能够推动转子转动的结论.制作了电机样机并完成了电机运转试验,得出了相应的电机特性曲线,对上述分析进行了验证.根据上述分析结果,可以进一步研制一种方形驻波超声电机.     

Y形旋转超声波马达的设计与动态特性分析

为了探索和丰富旋转超声波马达的结构,使其满足响应精准且速度快以及控制简便的要求,设计了Y形旋转超声波马达,并对其结构及动态特性进行了分析。Y形旋转超声波马达将3组压电陶瓷片的横向振动复合成驱动足端面对转子的微幅驱动,通过摩擦耦合在惯性作用下推动转子顺时针或逆时针旋转。运用Workbench软件中的Design Exporation组件对Y形旋转超声波马达定子组件的结构尺寸进行了优化设计,提升了定子组件的性能。构建优化后Y形旋转超声波马达定子组件的有限元仿真模型,并通过模态分析获得了定子组件工作所需的固有振型,通过谐响应分析获得了定子组件的幅频特性曲线,通过瞬态分析获得了1个激励周期内定子组件的振动模态,验证了Y形旋转超声波马达的驱动机理。结果表明,Y形旋转超声波马达压电陶瓷片表面施加电压的最佳频率为20 739 Hz,对应的驱动足端面的振幅为6.95 μm。Y形旋转超声波马达结构简单且具有对称性,能效利用率高,对拓宽超声波马达的应用领域有重要参考价值。     

金属方柱压电片复合微型超声电机的研制

研制了一款金属方柱压电片复合微型超声电机。相对于圆柱型电机,这种形式的电机的电场极化更充分,以及信号线的焊接更易实现。定子帽的材料用钢或铜。文中计算了整个电机定子换能器的模态和谐响应,理论上分析了不同方向转动惯量一致,可以形成椭圆运动的原理。实验测试了电机的共振频率、转速、转矩等。结果表明这款电机的自由共振频率约100kHz,无载转速可达到6000r/min以上,最大转矩可达60!Nm以上,理论和实验基本一致。该电机具有很好的实用化前景。     

旋转型行波超声电机定子的子结构模型研究

按照旋转型行波超声电机定子的结构特点将其划分为几个较简单的子结构,分别对其进行了动态特性分析,最后在子结构模态综合法的基础上建立了整个定子的分析模型。该模型可以很方便地计算电机定子的各阶模态,并且由于运用Guyan静力法将定子齿单元的刚度和质量凝聚到基体之上,不仅恰当地描述了齿对定子动态特性的影响,而且达到了缩减计算量的目的。通过算例和实验说明此理论模型是可行的,可用于电机系统性能预测和参数优化设计。     

复合弯曲超声换能器边缘自由薄板多波节振动分析

本文讨论了边缘自由条件下轴对称薄板弯曲振动时的频率方程及其求解,并给出了前9个根(泊松比σ=0.33)的精确值和9种振动模式的波节圆半径的计算值。对薄板的高次弯曲振动模式的分析及大圆盘、多波节复合弯曲超声换能器的设计提供了理论计算依据。     

双十字压电振子同型弯振模态驱动的平面超声电机

为了丰富平面超声电机的型式,提出一种双十字压电振子同型弯振模态驱动的平面超声电机。利用双十字压电振子的纵杆面内、面外弯振耦合以及横杆面内、面外弯振耦合,分别在两杆的驱动足上合成沿xoz、yoz面行进的两相椭圆轨迹,以交替地推动动子沿x、y向移动。分析了该平面超声电机的驱动机理,并推导出两相椭圆轨迹方程。建立了双十字压电振子机电耦合模型,对其三相工作模态的振型进行仿真分析,并在结构优化的基础上实现了三相工作模态频率一致,使它们分别为43 468,43 552和43 569 Hz。仿真了双十字压电振子的频响特性并实现了干扰模态分离,当驱动电压为250 V时,驱动足x、y、z向振幅分别为1.3,0.8和0.9 μm,满足电机驱动要求。模拟得到定频激励下双十字压电振子驱动足的两相椭圆运动轨迹,验证了所设计平面超声电机驱动机理的有效性。该平面超声电机可输出较大速度与动力,具有广阔的应用前景。     

超声马达涂层摩擦材料研究

超声马达是一种依靠摩擦力驱动的新型驱动器,摩擦材料对超声马达的性能有重要的影响.以环氧树脂为基体,选择MoS2粉、晶须和Cu粉为填料,利用表面粘涂法制备了两种规格的涂层摩擦材料试样,研究了填料含量对涂层摩擦材料摩擦学性能及硬度的影响;借助正交设计和回归分析实验方法,研制出一种基本满足超声马达使用要求的涂层摩擦材料.在超声马达摩擦特性模拟试验装置上考察了涂层摩擦材料厚度对超声马达性能的影响.研究表明,在本文的实验条件下,当涂层摩擦材料厚度为1mm时,超声马达具有较好性能.