（工程力学专业论文）非接触式直线型超声压电作动器的研究.pdf

n 如；j i n gu 1 1 i v e r s i 妙o f a e r o n a u t i c s 孤d a s 仃o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h 0 0 1 c o l l e g eo f a e r o s p a c ee n g i n e e 血g s 仉d y o nn o n c o n t a c tl i n e a r u 1 t r a s o n i cp i e z o e l e c t r i ca c t u a t o r at h e s i si i l e n g i n e e r i l l gm e c h a l l i c s b y a d 讥s e d b y a s s o c i a t ep r o f e s s o rc h e nc h a o s u b n l i 仕e di np a r t i a lf u l f i n n l e n t 0 fm ei 沁q u i r e m e n t s f o rt 1 1 ed e 莎e eo f m a s t c ro fe n g i l l e e 血g j a n u 哪，2 0 1 0 - - 。 r。1。-_，_一 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。( 保密的 学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：丞：望羹 日 期：定咝：主：盈 南京航空航天大学硕士论文 摘要 本课题来源于国家自然科学基金项目( 1 0 6 0 4 0 3 2 、5 0 7 3 5 0 0 2 ) 和航空科学基金项目 ( 2 0 0 7 z e 5 2 0 5 3 ) 。 与传统的接触式超声压电作动器驱动方式不同，基于近场声悬浮的直线型作动器是一种 采固体一流体一固体方式传动的新型驱动装置，它在航空航天领域、材料科学、高纯度 物质生产线以及微机械装配操作等领域都有很大的应用潜力。针对目前非接触式直线传输在 现代高科技生产线上的极高应用价值，本文对非接触式直线型超声压电作动器进行设计与分 析，开展的研究工作和内容如下： 1 研究了直板中行波形成方法，深入探讨了激振| 殁振方式形成行波的可行性，并对作 动器的激振点和吸振点进行了理论定位。 2 选择了p z t 8 作为兰杰文振子的核心压电元件，通过分析不同类型变幅杆的振幅放大系 数，选择阶梯型变幅杆作为兰杰文振子的聚能器 3 基于有限元方法设计了一对兰杰文振子，并试制出样机，利用加装了辐射圆盘的兰杰文 振子开展了验证近场声悬浮能力的实验，并将试验结果与挤压气膜悬浮理论进行了比较。 4 基于粘性流体理论，讨论了非接触式超声作动器的驱动原理，对驱动力进行了理论推导。 5 利用有限元软件对作动器整体结构进行模拟分析，然后基于等效电路法计算出作动器的 最佳匹配阻抗。加工出作动器样机并进行了相关试验，测得其输出特性。 关键词：非接触，超声压电作动器，近场声悬浮，挤压气膜，流体 非接触式直线型超声压电作动器的研究 a b s t r a c t 田 1 i sl 沁s e a r c hc 叩s 五盼mn a 蛀o n a ln a t i l 翔1s c i 锄c ef b u n d a t i o mo fc 砬m ( 1 0 6 0 4 0 3 2 缸l d 5 0 7 3 5 0 0 2 ) a d da 、r i 撕s c i 明f 吼d ( 2 0 0 7 z e 5 2 0 5 3 ) d i 您撇t 丘0 mt h ed r i v 饥w a y so f 位t i o n a lc o n 组c t t y p el l l 扛a s o i l i cp i e z o e l e c t r i c 戤t i l a t o r ，m c l i n e 盯t i l a t o rb a s e do nn e a r - f i e l da c 0 惦d cl e 、，i t 鲥i sa n e wd r i 、，i i 唱t y p ew h i c hh 硒a 删o fs o l i d 1 i q m d s o l i d 血m n g 啪y i t w 伽hh a v e 妒e a t p 0 删i o ra p p l i c a t i o 潞i na e r | o s p 戤& 地m 删 i 锄c e ，l l i g l l - p 嘶锣脚硎a l 弘m c d o n1 i s ，弱w e l l 嬲血cm i c r 0 - m e c h a i l i c a l 舔溯n b l y 叩啪矗。越 t o 也el i i 曲、啪o fc u 舢tn 彻o n t tl i n e 甜劬l 嗍i s s i i nl l l em o d e mh i 砌c hp r o d u c t i l i n e ， l i sd i s s e r t a t i o nc a r r i e do u t 嘲e a r c h 叽n 彻蜘n t a c tl 疵缸u n 傩砌cp i e z l e 咖ca 撇d e s i 印 觚d 趾a l y s i s n e m i l l w 0 r k s 玳嬲f o l l o w s ： 1 s t u d i c d0 n 吐圯f o 】蕊a t i o f 椭v e l i n gw a v ei ns h e 瓯s t i l d yo nt l l ef e 嬲i b i l i t yo f t l l e 们鹏l i l l g w a v cf o r m 撕b ye x c i t a t i 鲫a b s o r b e ri nd 印t b ，a n ds t u d y 衄p o s i t i 锄l i i l gm 如o df b r 也e e x c i t a 缸0 n 锄da b s o i b l e rp o i 鹏0 f t i i a t 0 璐t l l e o 陀d c a l l y 2 p z t 8 加a t 酣a l sw e 坞l e c t e d 雏也ec o p i e z l e c h 记e l 锄舱n 协o f 【m 培e v i no s c i n a t o r ，b y 锄a l y z i n gt l l e 缸l p l i t i i d e 锄p l i 缸a t i o no f d i 腩n tt y p ch o n 塔，a n d 岫l 妣t ) i p l eh o m 、阮sc h o 锄 鹤as k i p e dd e 、，i o fk m g e 、，i no i l l 酏0 r 3 b a 目e d 蛆m e 丘n 沁e l e 涨i n ti r i c m i 斌ap a i ro fl a n g e 、，i no s c i l l a t o r 哪d e s i 印e d 锄d a p r o t o t ) i p ew 泌m 棚缸t u 托d u s i n gl a n g e 、，i no i n a t o ra p p e n d e dt h e 删渤d 0 i ii n s t a l l a t i o n 凼她a l e v i t a 矗o nc 砰吼i n 嫩l tw 弱c 耐e d 咖t t h en 韶肛f i e l d 伽l s t i ca b i l 毋，锄d 也ee x p e 痂撒殂t a l 豫s l i 恼 w 讹c 唧砌谢t h m es q u e e 血ga i r 脒：m l 椭n es 删i o n t l l e o r ) r 4 b 撼e do nt h et h 巧o f v i s c 0 懈n l l i d 柚dt od i s c u 嚣m e 血、，i 】唱p f i i p l eo f 加i n 仪眦a c t l l l 咖n i c t l l a t o r at h 代d c a l 狃如i so nt h e 击如i n gf 1 0 i 。w 淞c o i i d l 腻 5 b y 邯i n g 丘n i t ee l 锄t m 旧地，t h e 谢h o l es 缸佻t u 砖o ft h e 扯t u a 凹w 笛幽m l 矾e d ，a n d 也t h cb e s tm 曲c h 证q p l 泔锄o f t h e 扯t 咖w 勰c a l c l l l 删a c c 伽d i | 1 9t o 血ee q i l i v a l 饥tc 鼬 眦m o da c t 腿t o rp f o 蛐l r p cw 私p r o c e s s e do u t 鲫d 也e 托l e 咖tt e s t sw 雠黜删f o r0 b t a i | 血g t t l eo u t p 眦d i 啪c 鼬d 璐 k e yw o r d s ：n 帕d n 纽c t ，u l 船s i cp i e z o e l e c t r i c 孔t i l a l d r n 既卜6 e l da c o u 蚯cl 撕枷o n s q i l g a s 丘l m n u i d 南京航空航天大学硕士论文 目录 第一章绪论1 1 1 超声压电作动器概述1 1 2 非接触式超声压电作动器的定义及驱动机理3 1 3 非接触式超声压电作动器的分类及发展4 1 3 1 圆筒型非接触式超声压电作动器4 1 3 2 圆盘型非接触式超声压电作动器6 1 3 3 直线型非接触式超声压电作动器7 1 4 非接触式超声压电作动器的特点7 1 5 总结8 第二章非接触式直线型超声压电作动器运行机理9 2 1 弹性薄板的振动1 0 2 1 1 自由振动微分方程1 0 2 1 2 固有振动1 1 2 1 3 受追振动1 2 2 2 波动1 3 2 2 1 波动的基本概念1 3 2 2 2 弹性体波1 4 2 3 有限长直板的行波形成1 6 2 3 1 驻波叠加形成法1 6 2 3 2 激振噘振形成法1 8 第三章兰杰文振子的结构设计2 3 3 1 压电陶瓷的选择2 3 3 2 压电换能器设计2 6 3 3 超声聚能器设计2 9 3 3 1 变截面杆的纵向波动方程3 0 3 3 2 三种常用聚能器3 l 3 4 兰杰文振子有限元仿真设计3 5 3 5 兰杰文振子的装配与夹持3 9 非接触式直线型超声压电作动器的研究 第四章兰杰文振子单向悬浮“ 4 1 近声场悬浮理论研究4 4 4 1 1 声辐射压力4 5 4 1 2 挤压气膜4 5 4 1 3 振子辐射端面振型4 7 4 2 兰杰文振子单向悬浮实验4 8 第五章非接触式直线型超声压电作动器5 5 5 1 体声流驱动力5 5 5 2 作动器的系统设计5 7 5 2 1 激振器与吸振器的一致性5 8 5 2 2 作动器的有限元设计分析5 9 5 2 3 激振和吸振的阻抗匹配6 0 5 3 作动器试验6 l 第六章总结与展望6 4 6 1 本文的主要工作6 4 6 2 进一步研究预想6 4 参考文献6 6 致谢6 9 在学期间的研究成果及发表的学术论文7 0 南京航空航天大学硕士论文 图表清单 图1 1 超声压电作动器的分类2 图1 2 超声压电作动器的应用领域3 图1 3 接触式超声压电作动器的驱动原理图3 图1 4 非接触式超声压电作动器的驱动原理图3 图1 5 日本山形大学的铃木胜义研制的作动器4 图1 6 中村健太郎研制的非接触式压电作动器5 图1 7 花田秀人研制非接触式超声压电作动器5 图1 8 吉林工业大学研制的非接触式超声压电作动器5 图1 9 圆筒型定子的压电陶瓷布局6 图1 1 0 圆筒型样机的装配图6 图1 1 l 广濑精二研制的作动器7 图1 1 2 南航大圆盘型非接触式超声压电作动器7 图1 1 3 平板式非接触超声压电作动器7 图1 1 4 非接触式超声压电作动器和传统接触式超声压电作动器应用范围的比较8 图2 1 常见物理悬浮方式9 图2 2 直线型非接触式超声压电作动器1 0 图2 3 薄板的直角坐标系1 0 图2 4 四边简支薄板前三阶固有振型和节型图1 2 图2 5 波在弹性体中的传播1 4 图2 6 弹性介质的表面波1 5 图2 7 驻波的叠加形成1 6 图2 8 行波的叠加形成1 7 图2 9 激振吸振法产生行波法1 8 图2 1 0 作动器定子简化模型1 9 图3 1 换能器结构图2 7 图3 2 压电换能器计算模型2 7 图3 3 加装变幅杆的兰杰文振子3 0 图3 4 变幅杆的纵向振动模型3 l 图3 5 指数形变幅杆3 1 v 非接触式直线型超声压电作动器的研究 图3 6 圆台型变幅杆3 3 图3 7 阶梯型变幅杆3 4 图3 8a n s y s 分析步骤示意图3 6 图3 9 兰杰文振子结构图解3 7 图3 1 0 有限单元网格划分3 8 图3 1 1 振子纵振振型图3 8 图3 1 2 兰杰文振子的谐响应分析3 9 图3 1 3 预紧力加压装置4 0 图3 1 4 后端盖原型4 0 图3 1 5 后端盖改进型4 0 图3 1 6 兰杰文振子装配图4 1 图3 1 7p s v 一3 0 0 f b 型高频扫描激光测振系统4 1 图3 1 8 激光描频实验4 2 图3 1 9 振子a 与振子b 扫频图4 3 图4 1 声场驻波悬浮与近声场悬浮4 4 图4 2 辐射端上表面振型模态4 5 图4 3 挤压气膜计算模型4 6 图4 4 辐射圆盘的工作频率4 7 图4 5 辐射圆盘二阶振型4 8 图4 6 辐射圆盘振动幅值径向拟合曲线4 8 图4 7 悬浮高度测试系统4 8 图4 8 数据连续采集单元4 9 图4 9 数据存储单元4 9 图4 1 0 数据读取显示单元5 0 图4 1 1 虚拟试验仪器界面5 0 图4 1 2 不同重量的悬浮高度- 激励电压5 3 图4 1 3 悬浮力悬浮高度关系5 4 图5 1 行波悬浮驱动原理5 5 图5 2 不同名三时速度与悬浮重量的关系5 8 图5 3 振子a 与振子b 的输出端面振型5 8 图5 4 振子动态响应特性响应5 9 图5 5 作动器工作模态a 胚y s 分析5 9 南京航空航天大学硕士论文 图5 6 作动器样机6 0 图5 7 兰杰文振子等效电路6 0 图5 8 作动器等效电路6 1 图5 9 作动器直板横截面振幅6 2 图5 1 0 悬浮动子速度与激励电压关系6 2 图5 1 1 悬浮动子速度与动子重量关系6 2 图5 1 2 速度与匹配电阻关系图6 3 图5 1 3 速度与匹配电感关系图6 3 表3 1 常用的压电陶瓷的应用及主要特征2 5 表3 2a n s y s 中设置的各材料参数3 7 表3 3 实测频率和a n s y s 计算结果比较4 2 非接触式直线型超声压电作动器的研究 t ) 压电弹性体的应力矢量 s 压电弹性体的应变矢量 【c 】 弹性常数矩阵 c 电容 a 面积 d 压电应变常数 介电常数 t 觚万压电陶瓷介电损耗因数 q 压电陶瓷电学品质因数 k 机电耦合因数 越 位移 仃 应力 粘度系数 矿 体积 面积系数 注释表 质量 波数 固有频率 角度 弹性模量 剪切应变 特征阻抗 波速 密度 惯性矩 杨氏模量 变幅杆放大系数 变幅杆形状因数 空气的比热容比 压力 m 七 口 e 厂z c p ， y m 9 t p 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 超声压电作动器概述 随着科学技术的进步，特别是宇宙飞船、人造卫星、运载火箭、飞机，以及各种电子设 备、精密仪器等高技术产品的发展，对作动器提出了许多新的要求，诸如短、小、轻薄、低 噪声、无电磁干扰等。由于受工作原理和结构形式的限制，传统电磁作动器已经无法满足这 些要求。为此，世界各国都在研究其他的新型作动器，如超声压电作动器、仿生作动器、静 电作动器、形状记忆合金作动器等等。超声压电作动器是目前诸类新型作动器中较为成熟的 一种【1 】。 超声压电作动器( u l 仃a s i cp i c z o e l e c 缸i ca c t i l a l 所) 是上世纪8 0 年代开始发展起来的一 种全新概念的作动器。其工作原理是利用压电陶瓷的逆压电效应，激发弹性体( 定子) 在超 声频段内的微幅振动，通过定、转子( 动子) 之间的摩擦作用将定子的振动转换成转子( 动 子) 的旋转( 直线) 运动，并输出功率，驱动负载。由于该型作动器通常工作在2 0 k h z 以上 的超声频域，所以称为超声压电作动器。它采用全新的原理和结构，不需要磁铁和线圈，打 破了迄今为止由电磁效应获得转速和转矩的概念，是处于当前世界科学前沿的高新技术之一 陆7 】 超声压电作动器的历史可以追溯到上世纪5 0 年代，当时就有学者提出利用弹性体的振 动进行驱动，但由于材料和相关技术的限制，未能实现有效的驱动装置。1 9 6 1 年，b u l o v aw a t c h l t d 首次利用弹性体振动来驱动钟表齿轮，工作频率为3 6 0 引大约1 0 年以后，s i e m 傩 公司和m a t s 瑚址t a 电子工业公司利用压电效应制造出直线驱动装置和步进作动器，于 1 9 7 0 1 9 7 2 年，研制出具有实际应用前景的超声压电作动器。1 9 7 3 年，m m 公司的h vb a r i h 提出了利用超声振动来设计、制造作动器。与此同时，前苏联的vvi a 埘n e n k o 等人研究了 这几种相同原理的超声压电作动器，并指出了压电超声压电作动器结构简单、成本低、低速 大扭矩、单位质量功率大、运动精确、能量转换效率高等特性。1 9 7 8 年，前苏联v 如i h c v 成 功地构造了一种能够驱动较大负载能力的超声压电作动器，这种作动器使用由在两个金属块 之间的压电元件所组成的超声换能器，该换能器激发与转子接触的振动片的纵向振动，通过 此振动片与转子间的摩擦来驱动转子转动。 超声压电作动器真正开始进入实用化是上世纪8 0 年代1 9 8 0 1 9 8 2 年，日本学者指田 年生先成功研制出一种驻波型超声压电作动器【9 】。该驻波作动器使用l a n g c v i l l 振子，驱动频 率为2 7 8 k h z ，电输入功率为9 0 w ，机械输出功率为5 0 w ，输出扭矩为0 2 5 n m 这个压电 超声压电作动器，在性能上是第一次能够满足实际使用的要求。随后为了克服驻波作动器的 非接触式直线型超声压电作动器的研究 磨损问题，指田年生研制出行波型超声压电作动器，并提出了超声压电作动器驱动原理的本 质椭圆运动：在弹性体内部传播的行波，使弹性体表面质点产生椭圆轨迹运动。两种超 声压电作动器特别是后一种超声压电作动器的研制成功，引起日本国内和各国学术界极大关 注和研究兴趣，大大推动了超声压电作动器的研究、发展和应用。1 9 8 7 年，这种行波超声压 电作动器终于达到了商业应用水平，此后许多压电超声压电作动器新产品不断地研制出来并 推向市场。到了8 0 年代中期日本已形成三个系列的超声压电作动器：即日立马克赛尔 ( m 戤e 1 1 ) 公司的熊田先生设计的驻波扭转耦合器系列；松下电器口锄勰0 n i c ) 公司的行波系 列和新生( s h i i 坞e i ) 公司左七田先生设计的基于弯曲波模态的作动器系列【1 0 1 。 进入二十世纪9 0 年代以后，日本在超声压电作动器领域处于领先地位，它掌握着世界 上大多数超声压电作动器的技术发明专利，各大学和许多知名大学都在进行超声压电作动器 的研究和生产。美国、中国、德国、法国等也加大投入研究开发超声压电作动器，并有专门 研发的超声压电作动器的机构和公司【1 1 ，1 2 1 。我国的超声压电作动器研究是从二十世纪九十年 代开始，清华大学、南京航空航天大学、吉林工业大学、哈尔滨工业大学、浙江大学、天津 大学等先后开展了超声压电作动器的研究，取得了不少研究成果。但到目前为止，尚未进入 大规模的商业应用。 超声压电作动器种类繁多，从不同的角度出发，我们可以将超声压电作动器分为不同的 类型【1 3 堋，如图1 1 0 图1 1 超声压电作动器的分类 超声压电作动器能在短短的几十年里获得如此大的发展，在机器人、汽车、精密定位仪、 微型机械、航空航天等领域里获得了有广阔的应用前景( 图1 2 ) ，与其本身独具的特点分不 开的1 1 一 2 南京航空航天大学硕士学位论文 图1 2 超声压电作动器的应用领域 目前超声压电作动器的研究仍然方兴未艾，并出现多元化趋势，产生了一些新的研究 热点。比如，追求微型化，大扭矩，高速度；在极端环境下的应用；利用流体驱动的非接触 式超声压电作动器等等。所有这些研究必将把超声压电作动器推向更高的水平和更多的应用 领域【1 9 删，而非接触超声压电作动器就是其中备受关注的前沿研究。 1 2 非接触式超声压电作动器的定义及驱动机理 非接触式超声压电作动器的定子和转子采用不直接接触的驱动方式来提高转速和避免摩 擦损耗，与传统的超声压电作动器的驱动原理上有着本质的区别。从结构的角度看，非接触 式超声压电作动器的定子和转子不直接接触的；从驱动原理的角度看，非接触式超声压电作 动器是通过定动子间的流体来驱动动子运动的【2 l 】 接点 质点运 动的糟 轨迹 援压力转子运动 转子 转子 3 非接触式直线型超声压电作动器的研究 擦力驱动转子沿与行波相反的方向运动。而非接触式超声压电作动器的定子与转子不直接接 触，通过两者之间的间隙内的流体传递力( 矩) ，驱动转子沿与行波相同的方向运动，其基本 驱动原理可概括为固体一流体固体方式。 非接触式超声压电作动器的驱动机理，目前尚在探索之中，一般认为与声波的非线性效 应和流体的粘性有关。 1 3 非接触式超声压电作动器的分类及发展 非接触式超声压电作动器目前还未有统一的分类标准。从不同的角度出发，我们可以将 超声压电作动器分为不同的类型。根据驱动媒质的种类可分为液体型和气体型，其中又可根 据液体和气体的类别再进行细化。本文根据作动器的结构形式，将非接触式超声压电作动器 分为圆筒型、圆盘型和平板型。 1 3 1 圆筒型非接触式超声压电作动器 图1 5 是日本山形大学工学部的铃木胜义教授研制的非接触式超声压电作动器，采用了 圆筒结构，材料为不锈钢，长9 0 n 衄，内径为4 0 咖，外径为4 2 衄，圆筒表面粘贴了两对压 电陶瓷片，作动器的转子用硬纸板制成。当两对压电陶瓷分别接频率为2 0 5 k h z 的s i n ( 叭) 和 c o s 似) 信号时，激发出圆筒b ( 0 2 ) 模态组成的行波，转子沿行波的传播方向转动。该作动 器的最高转速达9 5 0 转分。 图1 5 日本山形大学的铃木胜义研制的作动器 图1 6 所示的非接触式超声压电作动器是由东京工业大学的中村健太郎等人研制瞄2 4 l 。 定子圆筒由硬铝制成，筒长2 0 m m ，内径5 0 衄，外径6 0 n m 。圆筒上端面粘贴了能激发出圆 筒b ( 0 ，4 ) 模态组成的行波的圆环压电陶瓷片，下端面粘贴在橡胶基座上，圆筒内的声波 传播介质为水或煤油。该作动器利用水或煤油为介质中的声流现象驱动，最大转速为5 0 转， 分 日本学者花田秀人设计了如图1 7 所示的非接触式超声压电作动器该作动器同样采用 4 南京航空航天大学硕士学位论文 了整块的圆盘型压电陶瓷片作定子，螺旋桨式的转子。利用定子圆盘振动在圆筒容器的水中 产生的声辐射压力驱动转子转动，作动器的最大转速为8 0 0 转份。 圆筒 一压电陶瓷 子 图1 6 中村健太郎研制的非接触式压电作动器图1 7 花田秀人研制非接触式超声压电作动器 吉林工业大学的杨志刚和刘景全等研制的基于声辐射压力的非接触式超声压电作动器 【1 3 】，采用了圆筒结构如( 图1 8 ) ，材料为硬铝，筒长4 0 衄，内径为3 6 咖，外径为4 0 舢。 圆筒外壁均匀粘贴了四片矩形压电陶瓷片，转子为轻质十字形转子。当四片压电陶瓷片分别 接入频率为2 3 彻z 的s i l l ( w t ) 、c o s ( 、玑) 、一s ：i n ( w t ) 、一c o s ( 、嗍信号时，激发出圆筒的b ( 2 ， 3 ) 模态的行波，转子沿行波方向转动，最高转速6 7 0 转分杨志刚等人还研制出利用圆筒 b ( 0 ，3 ) 模态下单相驱动的驻波型非接触式超声压电作动器，只是压电陶瓷变为2 片均匀 粘贴于圆筒外壁，当压电陶瓷接入频率为1 9 9 5 l 【h z 的s i l 小旧、- s i l l ( w t ) 信号时，激发出圆筒b ( o ，3 ) 模态下的驻波，最大转速2 0 2 6 转分。采用间接法测得作动器起动转矩为 1 8 4 1 酽n m m 图1 8 吉林工业大学研制的非接触式超声压电作动器 5 非接触式直线型超声压电作动器的研究 图l - 1 0 为本研究所季叶博士研制出的圆筒型非接触式超声压电作动裂2 卯。定子由圆筒型 体和四片矩形压电陶瓷片通过层树脂粘贴构成，圆筒基体的材料为硬铝，外径3 l 蚴，内径 2 6 舢m ，长3 0 i 】咖，外壁开有四个矩形槽，用来粘贴矩形陶瓷片( 3 0 1 1 瑚硝；衄l 删哟，作动器的 转子也为圆筒形，外径2 5 呱内径2 5 9 m m 长3 响m 。如图1 9 所示。电源采用四相电源， 在四片陶瓷片上依次接入相位差为9 0 度的s 证叭，c o s 哦，- s i n 毗啪s 叭信号，即可激发出b ( 0 ，3 ) 行波作为作动器的工作模态，若要使行波的方向改变，只需改变接入信号的相位差 为- 9 0 度。实测频率为1 8 6 k h z ，顺时针方向最大转速达到2 1 0 0 r m i l l ，逆时针方向最大转速 为1 8 0 0 r ：m i l l ，1 8 6 k h z 下的实测的堵转力矩为1 3 1 0 5 n m 。 s i n t 图1 9 圆筒型定子的压电陶瓷布局 辽、，、v疚、 、。凼 7 扎 ， 日j 7 e ： r ：一 、 、 、 、一 、 、一 、 、一 、一 、 、一 、 、_ i 、 、 、， 、 、 、， 、 ：g 、， lr7 、 ； “a 、篦职、y ，v 图1 1 0 圆筒型样机的装配图 1 3 2 圆盘型非接触式超声压电作动器 图1 1 l 所示为日本山形大学的广濑精二研制的非接触式超声压电作动器【凋，该作动器定 子采用了一整块圆盘型压电陶瓷，纸质转子，定、转子间的空气间隔为0 7 啪，转子上方加 装了声反射板，用来反射声波以增加声场的强度。利用定子表面涂覆的叉指电极激发出圆板 b ( 0 ，3 ) 模态下的行波，从而带动转子转动。该作动器的最大转速可达3 0 0 0 转分。 本研究所季叶博士研制出基于声辐射压力和声粘滞力的圆盘型非接触式超声压电作动 器，作动器的定子由圆盘形基体和一片圆环形的经过分区极化的压电陶瓷片通过薄层树脂粘 贴构成，圆盘材料为硬铝，直径4 5 砌吐厚1 珊圆盘定子的一个面粘贴陶瓷片。另一个面是 经处理的较光滑的平面作为驱动面。作动器的转子也是圆盘形的，由硬铝制成( 如图1 1 2 ) 。 压电陶瓷片外径4 5 衄，内径3 0 珊【n 厚o 5 衄，均匀分成2 0 个分区，同向极化。采用四相电 压驱动，在陶瓷片2 0 分区接入依次为s i n ，c ，- s i n ，啪s ，s i l l 相位差9 0 度的电压信号， 激发出圆盘的b ( o ，5 ) 模态的行波作动器实测最大转速达到6 0 3 l l ，m j n ，1 8 9 蛆z 下的实 测的堵转力矩为3 5 l o 5n m 6 南京航空航天大学硕士学位论文 一蔚 弋 ，_i 、 l 。，力1 。i 飞 烬燮 小8 一酬1蔫、7 、7 弋l 小 例i i 髟么钐么杉么冽黝影杉影么杉彳珍杉勿山匕 j| n 仉辐姗一 j “- - m - ，一rhr 罩环磁厩血 l 咖： 一 甲 丽一 。2 咖l 转予 i l f 研北l 图1 1 1 广濑精二研制的作动器 图1 1 2 南航大圆盘型非接触式超声压电作动器 1 3 3 直线型非接触式超声压电作动器 东京工业大学的中村健太郎、胡俊辉、上羽贞行等人的课题组研制了平板式的非接触超 声驱动器，如图1 1 3 所示。采用了一对兰杰文振子激发平板上的行波，平板上方的物体被悬 浮起并沿着行波方向运动，悬浮的高度在几十到几百微米间，可以用于硅晶片生产线中，具 有的良好应用前景【1 2 1 。 图1 1 3 平板式非接触超声压电作动器 1 4 非接触式超声压电作动器的特点 与传统的接触式超声压电作动器相比，非接触式超声压电作动器具有如下的特点【2 1 l ： 1 定子与转子不接触，避免了摩擦损耗，寿命长 7 非接触式直线型超声压电作动器的研究 2 无需摩擦材料提高抗摩擦性，结构更简单。 3 没有自锁特性。 4 不受定子表面质点的椭圆运动的切向速度限制，转速可以达到很高。 5 转子转动方向与行波的方向相同。 6 力或力矩较小。 转 速 扭，龟 图1 1 4 非接触式超声压电作动器和传统接触式超声压电作动器 应用范围的比较 由此可见，非接触式超声压电作动器的特性较传统的接触型超声压电作动器发生较大变 化。其低扭矩、高转速的特性扩充了超声压电作动器的使用范围( 图1 1 4 ) 。 1 5 总结 从前面的叙述可以看出，非接触式超声压电作动器作为一种新型超声压电作动器，既不 同于电磁作动器的电磁效应，也不同于传统的接触式超声压电作动器的固体间的摩擦，而是 固体流体固体这种全新的驱动原理，有必要进行更深入理论和试验理论研究。非接触式超 声压电作动器，具有寿命更长，转速较高等优点在航空航天领域、高速悬浮驱动装置如压 电陀螺、非接触传输等领域中有广阔的应用前景。其中，非接触直线传输物体在现代高科技 生产线上更是具有诱人的应用价值，因此深入研究直线型非接触式超声压电作动器有重要的 实际意义。 8 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章非接触式直线型超声压电作动器运行机理 随着科技水平的不断进步和新兴交叉学科的不断涌现，在航空航天领域、高纯度材料加 工、硅晶片生产线以及微电子机械系统( m e m s ) 装配操作等方面都对传送方式和环境提出 了更高的要求，传统接触式的传送方式已经不能满足上述场合的需求。尽管实现物体悬浮的 物理方法有多种，如：气动悬浮、电磁悬浮、静电悬浮等( 如图2 1 ) ，但是利用近声场作用 的悬浮技术相对其他悬浮方式有独特的优势【2 7 】：对被悬浮物体没有电磁学性质上的特殊要 求，也不产生附加效应，原则上可以悬浮任何物质，理论上可达到比远场声悬浮更为可观的 悬浮力【2 引。因此，基于近场声悬浮的直线型作动器在上述需要非接触传送物质的场合有着很 大的应用潜力。 ( a ) m a g n e 髓c ( c ) a i r 伽s h 幻nd ) s 协锄n gw a 垤( e ) n r 矗e l d 图2 1 常见物理悬浮方式 基于近声场悬浮的直线型作动器基本原理如图2 2 ，由激振器、吸振器、一根可作弯曲 振动直板和待悬浮运送的物体组成其中，激振器在激振点施加简谐激励，在弹性直板中产 生行波向前传播，利用位于吸振点处的压电换能器将行波的能量吸收，并将能量消耗在吸收 阻抗上。以防止行波反射。平板上方的物体被振动产生的挤压气膜悬浮起来，由体声流的粘性 力驱动物体沿着行波方向运动。 9 悬工函 非接触式直线型超声压电作动器的研究 激振器( 兰杰文振子) 图2 2 直线型非接触式超声压电作动器 可见，本课题作动器的研制需要解决涉及力学、机械、材料、控制电路等多学科的众多 问题，其中，如何在有限长的直板上激发行波是本作动器试制的首要关键。 2 1 弹性薄板的振动 本课题作动器主要使用长直板的作为驱动定子，因此，需要分析薄板的固有振动特性【2 9 】。 弹性薄板是指厚度比平面尺寸要小得多的弹性体，它与弹性薄膜的不同在于可以提够一定的 抗弯强度。 2 1 1 自由振动微分方程 在薄板中，与两表面等距离的平面称为中性面。为了描述板的振动，建立直角坐标系， 其( 工，y ) 平面与中性面重合。对薄板弯曲振动的分析基于下述l ( i r c h h 0 行假设： ( 1 ) 微振动时，薄板的挠度远小于薄板的厚度，从而中面挠曲为中性面，中面内无应变。 ( 2 ) 垂直于平面的法线在薄板弯曲变形后仍为直线，且垂直于挠曲后的中面：该假设等 价于忽略横向剪切变形，即= k = 0 。 ( 3 ) 薄板弯曲变形时，板的厚度变化可以忽略不计，即毛= 0 。 ( 4 ) 薄板的惯性主要由平动的质量提供，忽略由于弯曲而产生的转动惯量。 l o 口 图2 3 薄板的直角坐标系 南京航空航天大学硕士学位论文 设板的厚度为| i i ，材料密度为p ，弹性模量为e ，泊松比为取一矩形微兀按弹性力学 进行受力分析，可得出薄板自由振动微分方程为 础学+ 删毗) = o ( 2 1 ) 其中v 4 为直角坐标系中的二重l a p l a c e 算子，d 为板的抗弯刚度，他们分别为 v 4 若+ 2 南+ 导 q 彩 d ：卫 q 。 2 1 2 固有振动 对于长为4 宽为6 的矩形薄板，可以采用分离变量法求解。设 以x ，y ，f ) = 髟矿( z ，y ) g ( f ) ( 2 _ 4 ) 代入方程( 2 1 ) ，可得出 盟：一旦里：里! 兰! 塑 留( f )础矽o ，y ) = 一国2( 2 5 ) 分离为 jv 4 形( 训) 一拿4 形( 训) = ” ( 2 - 6 ) 【 蚕( f ) + 矿g ( f ) = o 其中 4 ：丝国2 ( 2 - 7 ) 如果薄板的四边均为铰支，可设其满足边界条件的试探解 形( x ，) ，) = s i i l 竺s i n 竿 ( 2 8 ) 代入方程( 2 石) ，得出薄板的固有频率方程 砘= 矿 仁) 2 + 芒) 2 】2 棚，刀= 1 ，2 ( 2 9 ) 再代入( 2 7 ) ，得出薄板的固有频率 = 刀摇哆+ 印掰腻2 协 相应的固有振型函数为 = s i i l 竺s i i l 竿 ( 2 - 1 1 ) 此处用下标( 朋刀) 描述二维结构的固有频率及其固有振型。图2 4 表示四边简支的均匀薄 板固有振动 非接触式直线型超声压电作动器的研究 “) 攮堂 b ，翁型 o o b - 图2 4 四边简支薄板前三阶固有振型和节型图 这里所表示的正整数m 和甩在矩形薄板振动问题中有特殊的意义：( m 一1 ) 和0 1 ) 分 别表示振型沿x 和) ，的节线的数目。前三阶振型如图2 4 ( a ) 所示。当聊= 1 ，刀= l ，薄板作 基频q ，固有振动，整个板无节线，薄板于z 方向和y 方向各形成一个半波可记作节型； 当埘= 1 ，万= 2 ，薄板以劬，作固有振动，薄板沿x 方向无节线，沿y 方向在6 ，2 处有一条 节。此时，在x 方向形成一个半波，在y 方向形成一个波可记作节型玩。同理当研= 2 ，以= l 时，则可以得到纰，的节型蜀。用图2 4 ( a ) 表示的振型图，可以粗略地用节线来描述，如图 2 4 所示。称为节型图( n o d a lp a n c m ) 。图上只标出了节线位置( 任何时刻以五y ，f ) = 0 ) 和位移的相对符号。以节线为界：若节线一边为负位移，则另边具有正位移。 四边简支的矩形板是矩形板振动问题中唯一可以得解析解的。其他边界条件的是矩形板 都只能求得近似解【l 】。实际上，本课题的矩形板是具有四边自由的矩形板。 2 1 3 受迫振动 压电作动器是利用压电陶瓷元件的逆压电效应，激发出定子直板的强迫振动。定子所获 得的强迫振动响应( 以下简称强迫响应) ，通过流体作用，转换成动子( 待悬浮传输物体) 的 直线运动。所以，研发直线型作动器，掌握弹性体的强迫振动理论至关重要。 取薄板的中面为秒平面，如图2 4 所示。把薄板的小挠度强迫振动位移响应w ( 而y ，f ) ， 用薄板的各阶归一的位移振型w 一( 而y ) 来表示 以工，y ，f ) = 嵋o ，y )