循軌摩擦振動(dòng)執(zhí)行器的機(jī)理與運(yùn)行特性研究.pdf

1、旋轉(zhuǎn)摩擦焊接和線性摩擦焊接是特殊的固態(tài)連接加工技術(shù)，具有能耗低、無污染、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，但產(chǎn)熱量不均勻的不足限制了其進(jìn)一步應(yīng)用。循軌摩擦焊接兼顧了旋轉(zhuǎn)摩擦焊接和線性摩擦焊接的優(yōu)點(diǎn)，又具有產(chǎn)熱量均勻的特點(diǎn)，近年來得到迅速發(fā)展。循軌摩擦振動(dòng)執(zhí)行器(Orbital Friction Vibration Actuator, OFVA)作為循軌摩擦振動(dòng)焊機(jī)的主要執(zhí)行部件，具有重要的研究?jī)r(jià)值。但是，循軌摩擦振動(dòng)執(zhí)行器的磁路結(jié)構(gòu)較為特殊，其計(jì)算和分

2、析具有特殊性，目前對(duì)其研究較少。本文以電磁式和永磁式循軌摩擦振動(dòng)執(zhí)行器為研究對(duì)象，對(duì)該執(zhí)行器的機(jī)理、振動(dòng)特性、電磁力特性和動(dòng)態(tài)運(yùn)行特性等問題進(jìn)行了研究。
　　對(duì)循軌摩擦振動(dòng)執(zhí)行器的機(jī)理進(jìn)行了研究。推導(dǎo)了循軌摩擦振動(dòng)執(zhí)行器產(chǎn)生橢圓形和圓形運(yùn)動(dòng)所需的電磁力表達(dá)式，并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步推導(dǎo)了空載和負(fù)載時(shí)循軌摩擦振動(dòng)執(zhí)行器的系統(tǒng)振幅放大因子表達(dá)式，分析了振幅放大因子隨振動(dòng)頻率的變化關(guān)系和影響系統(tǒng)振幅的主要因素。分析結(jié)果表明，空載時(shí)，XY方

3、向上的振幅放大因子表達(dá)式是一致的；負(fù)載時(shí)，振幅放大因子表達(dá)式與空載時(shí)的表達(dá)式具有一定比例關(guān)系。
　　對(duì)電磁式循軌摩擦振動(dòng)執(zhí)行器的運(yùn)行特性進(jìn)行了研究。在三維有限元數(shù)值計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，建立了由三相對(duì)稱正弦電流源和電壓源驅(qū)動(dòng)的仿真模型。分析了執(zhí)行器所產(chǎn)生圓形運(yùn)動(dòng)軌跡的誤差。計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)系統(tǒng)振幅相同時(shí)，在電壓源驅(qū)動(dòng)下執(zhí)行器所產(chǎn)生圓形運(yùn)動(dòng)軌跡的誤差小于電流源驅(qū)動(dòng)。對(duì)電磁式循軌摩擦振動(dòng)執(zhí)行器的運(yùn)行特性進(jìn)行了計(jì)算和分析。分析結(jié)果表明，在相

4、同的振動(dòng)頻率下，隨著電流幅值的增大，系統(tǒng)振幅逐漸增大。樣機(jī)靜態(tài)電磁力-位移特性和運(yùn)行特性的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真結(jié)果正確性。
　　提出了一種用于焊接金屬零件的永磁式循軌摩擦振動(dòng)執(zhí)行器(Permanent Manget Orbital Friction Vibration Actuator, PMOFVA)結(jié)構(gòu)。根據(jù)執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將其電磁場(chǎng)模型簡(jiǎn)化為單相永磁式摩擦振動(dòng)執(zhí)行器(Permanent Manget Friction Vibra

5、tion Actuator, PMFVA)，其在本質(zhì)上類似于永磁直線振蕩執(zhí)行器(Permanent Magnet Linear Oscillating Actuator, PMLOA)。對(duì)比分析了采用五種磁極結(jié)構(gòu)時(shí)極弧系數(shù)對(duì)單相永磁式摩擦振動(dòng)執(zhí)行器單元電磁推力的影響。分析結(jié)果表明，當(dāng)磁極結(jié)構(gòu)采用準(zhǔn) Halbach陣列時(shí)，執(zhí)行器單元可產(chǎn)生較大的電磁推力和較小的定子鐵心損耗。分析了單相永磁式摩擦振動(dòng)執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電磁推力及其波動(dòng)量的影響

6、規(guī)律。最后，采用三維有限元法計(jì)算了單相永磁式摩擦振動(dòng)執(zhí)行器的靜態(tài)電磁力-位移特性和電流-電磁推力特性，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　對(duì)永磁式循軌摩擦振動(dòng)執(zhí)行器的運(yùn)行特性進(jìn)行了研究。在三維有限元數(shù)值計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，建立了由兩相對(duì)稱正弦電流源和電壓源驅(qū)動(dòng)的仿真模型。分析了在電流源和電壓源驅(qū)動(dòng)方式下執(zhí)行器所產(chǎn)生圓形運(yùn)動(dòng)軌跡的誤差。研究結(jié)果表明，在電壓源驅(qū)動(dòng)下，執(zhí)行器所產(chǎn)生圓形運(yùn)動(dòng)軌跡的誤差明顯小于電流源驅(qū)動(dòng)。對(duì)永磁式循軌摩擦振動(dòng)執(zhí)行器的運(yùn)行特