谐振锯齿波驱动型冲击直线压电马达.pdf

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1、第28卷第3期Vo1．28NO．32015年6月Jun．2015谐振锯齿波驱动型冲击直线压电马达贺良国，赵韩，朱立红，刘永斌，王勇(1．合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥230009；2．中国科学技术大学精密机械与精密仪器系，安徽合肥230027)摘要：传统的冲击压电马达大都工作在准静态下，振幅和工作频率相对较低，速度和输出力均不是很高。基于机械波合成理论，设计了一种新型共振型冲击直线压电马达。分析了压电马达的驱动机理，采用有限元仿真法优化了O压电振子的结构尺寸。通过合成频率比为1：2的两个谐

2、振正弦波得到近似谐振锯齿波，设计加工了压电振子、研振制了马达样机、进行了性能测试与分析。当预紧力是0．02N、基频驱动电压是300V(592．5Hz)时，马达无负载舱最大速度为32．4mm／s；当预紧力是1ON、基频驱动电压是400V(592．5Hz)时，马达最大负载力可达1N。实动验验证了设计的有效性，表明该种压电马达具有良好的性能。V工关键词：压电马达；共振；机械波合成；锯齿波中图分类号：TH113．1；TM359．4文献标志码：A文章编号：1004—4523(2015)03—0456—06程D

3、OI：10．16385／i．cnki．issn．1004—4523．2015．03．0l6报学．蓥e110mm／s，1．8N和280mm／s，3．1N，由于其结构引言庞大复杂，也限制了其实用性。g根据任意周期波形的傅里叶分解与合成[1，锯压电马达广泛应用于机器人、航空航天及医疗齿波可分解为无数成一定幅值和相位比例的正弦设备等口]。不同类型的马达如：行波、驻波、尺蠖和波。本文利用有限元分析软件ANSYS对矩形悬臂冲击马达[2]得到了广泛的研究和发展，都有各自的梁结构进行了5种优化，设计出前两阶弯曲振动

4、谐优缺点和相应的应用领域L6]。振频率比为1：2的压电振子，合成出谐振状态下的冲击式压电马达，也称为“黏滑驱动器”，是利用惯近似锯齿波形，并利用该锯齿波驱动直线滑块，研制性冲击来实现微位移的一种驱动机构_7]，根据运动方了一种新型共振冲击直线压电马达。本文首先介绍式，可分为旋转型_5和直线型l8]。与其他类型的压电了共振型压电马达的驱动机理、压电振子优化设计马达相比，冲击式压电马达具有结构紧凑、操作简单、过程；其次根据优化结果制作了压电振子及马达样分辨率高、步距精确等优点。自2O世纪80年代冲击马达

5、诞生以来_9删，得到了广泛的关注和应用_1“]。机；最后对压电振子及样机进行了实验测试与分析。传统冲击马达大多工作在准静态下，工作频率和速度均不高，且输出力或力矩较低。例如：Zhang1马达设计等[15j研制的驱动器长为105mm的旋转直线两用冲击马达的最大速度为7，．3mm／s，最大负载能力1．1工作原理为2．O9N；Lim等口研制的直径为2mm的冲击马图1所示为谐振锯齿波驱动型压电马达的工作达的最大速度为6mm／s，最大负载能力为0．02N；原理，马达主要由压电振子、滑块和支撑3部分组Zhang

6、等研制的24mm×115mm旋转马达，最成。通过预紧力结构，使压电振子与滑块之间产生大转速为22．5r／rain、最大输出力矩为1．6mN·m；Han等l_研制的基于1mm×15mm驱动器的预变形、形成摩擦力。压电振子在压电陶瓷片的激冲击马达，最大扭转力矩仅为30N·m。尽管日励下左右摆动，摆动摩擦力使滑块在支撑的导引下本的Morita等_】。胡利用兰杰文振子研制了两款谐做相应的移动。振平滑冲击马达，其速度和输出力分别可达如图1(a)所示，压电马达一个工作周期由两个收稿日期：2013—12—06；修

7、订日期：2014—09—03基金项目：国家自然科学基金青年基金资助项目(51405127)；博士专项基金资助项目(JZ2o14HGBZOO17)；博士后基金资助项目(2013HGBH0050)第3期贺良国，等：谐振锯齿波驱动型冲击直线压电马达459率分别为593．4和1183．7Hz；辅助压电振子的第对图9中压电振子的驱动位移与加速度进行分一、第二阶共振频率分别为591．6和1181．3Hz。析，得到压电振子一个工作周期的实际振动情况，如两个压电振子的两阶共振频率比均为1：2．00，符图10所示。图

8、中，T是周期；T是压电振子缓慢向合锯齿波合成设计要求。另外，两个压电振子之间前运动时间；T是快速后退时间；口是压电振子最的共振频率也非常接近，符合对称结构设计要求。大加速度；n。===·N／m是阖值加速度(N是预紧力，是摩擦因数，m是光轴和负载的总质量)n是1181．3}{z一压电振子加速度的较小极值。—_一。l-一。1183．7m-~．,_；一一I一5916Hz．=；；l．：=：=_，『l—．_j：：：一_r至—rm"一一墨皇捶翟篓⋯⋯“-_-罂蓦1T∞qJ，u加‘