壓電-金屬縱向疊加復(fù)合梁結(jié)構(gòu)直線超聲電機(jī)的研究.pdf

1、超聲電機(jī)（Ultrasonic Motor，簡稱USM），是近年來發(fā)展起來的一種新型固體壓電驅(qū)動(dòng)器。同傳統(tǒng)式電磁電機(jī)相比，超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡單、功率密度大、低速大轉(zhuǎn)矩、定位精度高、響應(yīng)速度快、斷電自鎖和無電磁干擾等特點(diǎn)，從而在航空航天、光學(xué)儀器、半導(dǎo)體制造、智能機(jī)器人、醫(yī)療器械和汽車等特殊要求領(lǐng)域替代傳統(tǒng)電機(jī)，表現(xiàn)出優(yōu)良工作品質(zhì)，具有廣泛的發(fā)展和應(yīng)用前景。
　　目前直線超聲電機(jī)面臨設(shè)計(jì)方法原始、效率低、可靠性低、壽命短等問題而

2、難于實(shí)用化的困境。鑒于此，當(dāng)前直線超聲電機(jī)研究研究熱點(diǎn)主要圍繞在三個(gè)方面展開：建立并完善電機(jī)所需振動(dòng)、摩擦、壓電等理論和模型；提出新構(gòu)型新原理超聲電機(jī)并研究其特有的設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)控制等規(guī)律；研制適用的壓電、摩擦、粘接等新型功能材料和制造工藝。本文選擇了金屬-壓電縱向疊加復(fù)合梁結(jié)構(gòu)直線超聲電機(jī)的研究方向，主要圍繞前兩個(gè)方面展開研究，同時(shí)在制作樣機(jī)開展實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)第三個(gè)方面問題進(jìn)行探討和研究。
　　目前分析復(fù)合梁所采用 Bernoulli

3、-Euler細(xì)梁理論，分析誤差大。根據(jù)所提出電機(jī)徑長比大的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，電機(jī)力學(xué)模型采用了計(jì)及剪切變形和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的Timoshenko梁理論進(jìn)行建模和分析。梁力學(xué)模型為異型材料縱向疊加且局部為變截面，采用傳統(tǒng)解析法無法得到特征頻率的封閉解析解，因此采用傳遞矩陣法，按不同材料和截面將離散化的梁模型等效為若干力學(xué)二端元件，推導(dǎo)出彎振梁系總體傳遞矩陣，利用相應(yīng)的邊界條件可得到頻率方程頻率方程和振型函數(shù)，取得了較高的分析精度。
　　傳統(tǒng)橫向疊

4、加復(fù)合梁式駐波直線超聲電機(jī)功率小、電-機(jī)能量轉(zhuǎn)換效率低且難于實(shí)現(xiàn)雙向運(yùn)動(dòng)，針對(duì)于此，提出了一種基于金屬-壓電縱向疊加復(fù)合梁結(jié)構(gòu)的雙向駐波直線超聲電機(jī)。分析了電機(jī)的雙向致動(dòng)機(jī)理，研究了驅(qū)動(dòng)齒端的振動(dòng)軌跡，證明了該振動(dòng)軌跡為具有一定傾角的簡諧直線振動(dòng)。基于金屬-壓電復(fù)合梁理論，設(shè)計(jì)了電機(jī)的諧振頻率，提出了調(diào)整壓電陶瓷分布位置的方法，創(chuàng)建了電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒振動(dòng)軌跡圖譜。最后利用有限元法計(jì)算了電機(jī)的工作頻率、模態(tài)振型和驅(qū)動(dòng)齒端軌跡，并與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)

5、行了比對(duì)。
　　現(xiàn)有縱彎復(fù)合直線電機(jī)因結(jié)構(gòu)缺陷，兩驅(qū)動(dòng)點(diǎn)處軌跡不匹配導(dǎo)致爭力而降低了電機(jī)效率，并且分析結(jié)果表明縱彎電機(jī)最佳驅(qū)動(dòng)點(diǎn)位于彎振波腹處。針對(duì)于此，提出了壓電-金屬縱向疊加復(fù)合梁結(jié)構(gòu)雙足式和單足式兩種電機(jī)，分析了電機(jī)的工作原理。在設(shè)計(jì)過程中研究了不規(guī)則形狀復(fù)合梁諧振頻率計(jì)算方法，完善已有的夾心縱振換能器理論，并基于這些理論提出縱彎諧振頻率簡并方法、橢圓軌跡計(jì)算方法。最后，利用有限元法對(duì)電機(jī)模型進(jìn)行了模態(tài)和瞬態(tài)分析，得出電機(jī)的

6、工作頻率、模態(tài)振型和驅(qū)動(dòng)齒端軌跡，并與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)。
　　針對(duì)縱彎電機(jī)具有縱彎耦合的性質(zhì)，用導(dǎo)納特性測(cè)試方法得到了端口組合下單足電機(jī)集總參數(shù)等效電路元件參數(shù)值，結(jié)合所測(cè)得導(dǎo)納圓形態(tài)特征，提出帶耦合環(huán)節(jié)的縱彎電機(jī)等效電路模型，計(jì)算出各分立元件參數(shù)，將電路仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果比對(duì)，驗(yàn)證了電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。另外，利用測(cè)量電機(jī)殘余振動(dòng)波形的動(dòng)態(tài)分析方法，研究了等效電路電阻元件在功率驅(qū)動(dòng)狀態(tài)下參數(shù)變化的規(guī)律。最后，樣機(jī)制作過程中研究了電