纵弯面内振动超声波直线电机的结构设计

皖 西 学 院 本科毕业论文 设计 论 文 题 目纵弯面内振动超声波直线电机的结构设计 姓名 学号 田梦阳 2009010772 系 别 机械与电子工程学院 专 业 机械设计制造及自动化 导 师 姓 名 林 华 二 一三年六月 皖西学院本科毕业论文 设计 I 目 录 1 毕业论文正文 2 皖西学院本科毕业论文 设计 任务书 3 皖西学院本科毕业论文 设计 开题报告 4 皖西学院本科毕业论文 设计 中期检查表 5 皖西学院本科毕业论文 设计 指导教师意见表 6 皖西学院本科毕业论文 设计 评阅教师意见表 7 皖西学院本科毕业论文 设计 答辩记录表 皖西学院本科毕业论文 设计 II 纵弯面内振动超声波直线电机的结构设计纵弯面内振动超声波直线电机的结构设计 作 者田梦阳 指导教师林华 摘要摘要 直线超声电机是利用压电元件的逆压电效应和弹性体的超声振动 通过定子和动子之间的摩擦作 用 把弹性体的微幅振动转换成动子宏观的直线运动 能够满足人们对微特电机提出的诸多新的要求 具有体积小 重量轻 结构紧凑 响应快 低噪声 无电磁干扰等优点 因而发展迅速 应用日益广泛 本课题以基于薄板内振动的纵弯模式驻波型超声波直线电机为研究对象 对驱动机理 设计理论等研究 对矩形薄板定子及驱动足电机的结构进行设计 使得电机正反向运动灵活 运行良好 关键词关键词 超声波电机 直线电机 面内振动 矩形薄板 纵弯模式 DesignDesign ofof Longitudinal flexuralLongitudinal flexural LinearLinear UltrasonicUltrasonic MotorMotor BasedBased onon thethe VibrationVibration ofof PlatePlate Abstract Linear ultrasonic motor is to use the inverse piezoelectric effect of the piezoelectric element and the elastic body of the ultrasonic vibration the stator and the friction between the mover and a slight vibration of the elastic body into a linear motion of the mover macro Able to meet people on the many micro motor made new demands with small size light weight compact fast response low noise no electromagnetic interference etc which has developed rapidly is used widely This topic based thin vertical bending mode vibration in standing wave ultrasonic linear motor as the research object the drive mechanism design theory research on foot rectangular plate stator and a drive motor structure design making the motor forward and reverse movement flexibility running well Key words Ultrasonic motor Linear motor In plane vibration Rectangular thin plate Buckling mode 皖西学院本科毕业论文 设计 III 目目 录录 1 绪论 1 1 1 超声电机简介 1 1 2 超声电机的特点及其分类 2 1 2 1 超声电机的特点 2 1 2 2 超声电机的分类 2 1 3 直线超声电机研究现状及分类 2 1 3 1 直线超声电机特点 2 1 3 2 直线超声电机发展历程 3 1 3 3 直线超声电机分类 7 1 4 本课题的研究内容及目的 7 2 电机的运行机理 9 3 压电陶瓷 13 3 1 压电效应和压电陶瓷 13 3 2 压电陶瓷的弹性 13 3 3 关于压电陶瓷的材料选用方法 14 4 电机的结构设计 16 4 1 定子的设计 16 4 2 驱动头的设计 17 4 3 导轨的选择 18 4 4 电机的预压力设计 18 4 5 超声波直线电机的总体结构设计 18 结语 20 致谢 21 参考文献 22 皖西学院本科毕业论文 设计 第 1 页 1 绪论绪论 基于电磁感应原理的传统电机的发明和发展 至今已有一百多年的历史 它们作为作动 器和动力源已在世界经济各个领域得到了广泛的应用 为人类文明和社会进步作出了巨大的 贡献 它们无论在理论上 或在设计方法和制造技术上 均已达到了十分完善的地步 但是 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 精密仪器等高新技术产品的发展 对电机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 传统电机已经无法满足这些要求 于是 世界各国不断竞相探索和研发能满足上述要求的各种新型微特电机 超声电机是20世纪80年代开始发展起来的一种全新概念的微特电机 它利用压电材料的 逆压电效应 使弹性体 定子 在超声频段内产生振动 通过定子 转子之间的摩擦获得运动 和扭矩 能够满足人们对微特电机提出的诸多新的要求 具有体积小 重量轻 结构紧凑 响应快 低噪声 无电磁干扰等优点 因而发展迅速 应用日益广泛 1 1 超声电机简介超声电机简介 电磁电机的发展已经有 100 多年的历史 无论是在电机的理论模型 设计方法或是制 造技术上 均已经达到了十分完善的程度 由于其工作原理和结构形式的限制 电磁电机很 难满足人造卫星 飞机 火箭等国防高端产品以及航空航天 精密仪器和电子设备等对电机 提出的短 小 轻 薄 低噪声 无电磁干扰 响应迅速快等的要求 于是 世界各国不断 竞相探索和研发能满足上述要求的各种新型微特电机 其中超声电机是目前诸类新型微特电 机中研究较为成熟的一种 超声电机是一种 70 年代末发展起来 80 年代初有成功范例问 世的新型微特电机 其工作原理是利用压电材料的逆压电效应 激发出弹性体 定子 在超 声频率范围 20kHz 以上 内的微观振动 借助弹性体谐振放大 并通过定 转子 动子 之间的摩擦作用将振动转换成转子 动子 的旋转 直线 运动 输出功率 驱动负载 二十世纪 40 年代 科学家发现了压电陶瓷 它制备简单 结构形式多样化 并且可以 任意方向极化 这一发现极大的促进了压电驱动技术的发展 人们利用弹性振动来获得动力 的尝试是从钟表开始的 在二十世纪 60 年代初 日本的 Bulova 钟表公司开始出售一种利 用音叉的往复位移拨动棘轮来驱动的手表 而真正使超声电机走上实用化道路的是日本学者 新生公司总裁指田年生 80 年代初 他先后研制出两台接近实用程度的超声电机 驻波型 超声电机 行波型超声电机 并揭示了超声电机驱动原理得本质 即当作为定子的弹性体表 面质点可以产生椭圆运动时 它就可以用作构造超声电机 指田的研究成果 使人们开始重 皖西学院本科毕业论文 设计 第 2 页 新认识超声电机 特别是行波型超声电机的研制成功 引起了日本乃至全球学术界和产业界 对超声电机的兴趣和重视 极大地推动了超声电机的研究 发展和应用 因此 自上世纪 80 年代以后 超声电机有了长足的发展 在该领域 日本处于世界的领先地位 掌握着世 界上大多数超声电机的技术发明专利 现在几乎各知名大学和公司都在进行超声电机的研究 和生产 1 2 超声电机的特点及其分类超声电机的特点及其分类 1 2 1 超声电机的特点超声电机的特点 1 优点 1 结构紧凑 设计灵活 转矩密度 转矩 质量比 大 可以实现电机的短 小 薄 2 低速大转矩 无需齿轮减速机构 可实现直接驱动 3 电机运动部件 转子 的惯性小 响应快 毫秒级 能断电自锁 且具有较大的保持扭 矩 4 位置和速度控制性好 位移分辨率高 5 不产生磁场 亦不受外界磁场干扰 6 低噪声运行 7 如果设计合理 压电材料和摩擦材料选用合适 可在真空 高 低温等极端环境下工 作 2 缺点 1 功率输出小 效率较低 2 寿命较短 不适合连续运转的应用场合 3 对驱动信号的要求较高 1 2 2 超声电机的分类超声电机的分类 超声电机设计灵活 结构多样 目前尚无统一系统的分类方法 列举了从不同的角度 方式 划分的超声电机的类型 由于超声电机是一个振动利用的典型产品 按其振动的特征 来分类能较好地反映出超声电机的特点 据此 现有的超声电机主要可分为五类 即纵振电 机 纵 弯电机 纵 扭电机 弯 弯电机和基于面内振动模态的超声电机 皖西学院本科毕业论文 设计 第 3 页 1 3 直线超声电机研究现状及分类直线超声电机研究现状及分类 1 3 1 直线超声电机特点直线超声电机特点 直线超声电机是超声电机的一个分类 它也是利用压电元件的逆压电效应和弹性体的超 声振动 通过定子和动子之间的摩擦作用 把弹性体的微幅振动转换成动子宏观的直线运动 直接推动负载 主要具有以下特点 直接产生直线运动和牵引力 定位和速度控制精度高 可实现纳米级定位 结构简单 生产和维护成本低 结构设计灵活 可以采用多种形状 可 实现装置的小型化 轻量化 由于具有以上特点 直线超声电机发展十分迅速 从1983年日本学者提出直梁式和环梁 式两种直线超声电机以来 各种各样的新结构直线超声电机不断地涌现出来 并逐渐形成了 系列产品 并投入使用 1 3 2 直线超声电机发展历程直线超声电机发展历程 国外超声电机最早是在 1973 年提出的 1982 年 日本学者指田年生最早提出了行波 型直线超声电机 一种是直梁式 一种是环梁式行波型 早期超声波直梁式直线电机如图 1 1 所示 为产生行波 在梁的两端各连接一个兰杰文振子 分别用于激振与吸振 以防止行波 的反射 当加上电源时 直梁上就会产生行波 推动动子运动 1986 年日本学者上羽贞行 等做出的这种电机 采用 20mm 兰杰文振子 无负载运行 最高速度为 10cm s 最大 推力为 0 4N 效率为 3 由于行波型直线超声电机在实用上的种种不利因素 从1988年起 直线超声电机研究开 发的主流转向了驻波型 1988 年日本的富川义朗等人研制了单足式驻波型直线超声电机 实验表明 即使在很 低的输人功率下 该电机也能很平稳的运动 实验测得 输人功率为0 5W时 速度为 20mm s 推力为 2N 1989 年 他又提出了利用矩形板的第一阶纵向振动和第四阶弯曲 振动模态的平板型直线超声电机 如图1 2 试验测得样机效率为 20 8 后来他又提出 了利用第一阶纵振和第八阶弯振模态的平板型直线超声电机 试验测得样机无负载最大速度 为 70cm s 最大推力为 4N 该电机的最大特点是结构简单 横向尺寸小 速度快 特别 适合于纸张 卡片等轻 薄物体的传送 皖西学院本科毕业论文 设计 第 4 页 图1 1 直梁式直线超声电机 图1 2 单租式驻波型直线超声电机 在 1988 1989 年间 日本富川义郎等人先后研制了单足式驻波型直线超声电机和平板 型直线超声电机 上羽贞行研制出利用四组纵振压电陶瓷片分别用于产生纵向和横向振动的 双足式直线超声电机 随后 大西一正提出了 型直线超声电机 见图 1 3 该种电机于 1993 年被日本的 SUN SYU 公司成功应用于 X Y 定位仪上 图1 3 直梁式直线超声电机 图1 4 Kurosawa研制大推力直线电机 2002 年日本人 Minoru Kuribayashi Kurosawa 提出了一种低功率驱动 高效的声表面波 直线电机 结构如图 1 6 所示 主要由压电材料的基片 定子 基片上的叉指换能器以及在 基片上运动的滑块三部分组成 1998 年 日本 Kurosawa 等人研制了一种高速 大推力基于压电纵振模态的直线超声 电机 如图 1 4 所示 称为 V 形大推力直线超声电机 电机定子由两个兰杰文振子构成 在它们的前端用前端盖连接起来 其前端盖端面作为定子的驱动端面 电机动子是由滑轮和 滑条构成 兰杰文振子是该电机的关键部件 它由前后金属端盖和压电陶瓷元件组成 压电 元件为多片沿轴向极化的圆环形压电陶瓷 PZT 片组成 由前后端盖通过螺栓来压紧 当两 个兰杰文振子上的 PZT 元件同时接上特定的交变电压后 利用压电元件的逆压电效应就可 以激发定子工作所需的振动模态 使电机动子作直线运动 2001 年 日本东京技术学院的 Cheol Ho Yun 等人研制出了一种圆柱形纵弯复合型多端子直线超声电机 该电机利用一阶 纵振和二阶弯振在端子端部产生椭圆运动来驱动 与此同时 新加坡南洋理工大学的 Lim 皖西学院本科毕业论文 设计 第 5 页 等人研制了一种利用矩形板的 B 5 0 和 B 6 0 模态来驱动电机 实现滑块的正向和反 向运动 试验测得其输出特性类似直流电磁电机 见图 1 5 图1 5南洋理工大学的双向驻波直线电机 图1 6声表面波直线超声电机工作原理 2004 年 韩国的 Yongrae Roh Jaehwa Kwon等人研制出一种 该电机由金属矩形板和 四片压电片组成的 其结构如图 1 7 其上下表面各粘贴两片压电片且彼此间隔 1 4 波长 极化方向相反 依靠相位相差 90 的驻波来形成椭圆运动 图1 7 复合定子型驻波直线电机 国内对超声电机的关注比较晚 始于 80 年代中后期 是从 压电与声光 杂志介绍国 外超声电机开始的 清华大学在1989 年开始研究超声电机 并且于 1993 年由董蜀湘博士成功地研制出了 国内首款直线超声电机 该电机属于非摩擦式直线超声电机 次年 清华大学又研制出一种 步进型直线超声电机 1996 年南京航空航天大学研制成功了单梁式行波型直线超声电机 皖西学院本科毕业论文 设计 第 6 页 1997 年哈尔滨工业大学研制出双边驱动的双足型驻波直线超声电机 1998 年天津大学设计出了一种复合材料的直线超声电机 2000 年 香港理工大学设计了一款非接触驻波直线超声电机 2001 年10月份 南京航空航天大学超声电机研究中心 现精密驱动研究所前身 研制 出了一种新型二自由度直线超声电机 该电利用弯曲振动模态的陶瓷片的不同安放位置激发 两个在空间上互相垂直的弯曲振动模态 得到空间上两个椭圆曲线 当驱动振子靠重力与导 轨接触时 使驱动振子获得两个自由度的直线运动 特别适用于需要二维直线驱动的场合 图1 8 基于薄板面外模态的直线超声电机 图1 9 双轮足直线超声电机 2006 年 南京航空航天大学精密驱动研究所的金家楣博士研制出一种新型的基于薄板 面外模态的直线超声电机 其结构如图 1 8 该电机面外相互正交的二阶弯曲振动模态作为 工作模态 在驱动电压峰峰值为 200V 频率为 57 36kHz 预压力为 80N 时 电机的最大 空载速度为 180mm s 最大输出力为 5N 第二年 他又设计出了一款圆柱结构双轮足直线 超声电机 其结构如图 1 9 该电机利用定子中心轴的两相正交四阶弯曲振动模态作为工作 模态 该电机在驱动电压峰峰值为 200V 频率为 57 36kHz 预压力为 100N 时 电机的 空载速度为 100mm s 最大输出力为 1 8N 2008 年 杨东硕士在 V 形大推力直线超声电机的基础上 发展了双变幅杆 V 形直线 皖西学院本科毕业论文 设计 第 7 页 超声电机 其结构如图 1 10 该电机驱动足处的椭圆运动由同频的对称模态和反对称模态 叠加而成 该电机在驱动电压峰峰值为 200V 频率为 36 1kHz 预压力为 50N 时 电机 的空载速度为235mm s 最大输出力为 21 4N 图1 10 双遍幅杆V形超声电机 2011 年行波型旋转超声电机速度稳定性的研究 提出了通过结构优化设计以提高速度 稳定性的一种方法 为了提高行波型旋转超声电机速度稳定性 分析了现有双轴承支撑情况 下 加工和装配误差对速度稳定性的影响 认为沿圆周压力不均衡是造成速度波动的主要原 因之一 提出了单轴承支撑附加调心结构的方案 使接触界面实现压力自平衡 理论和实验 分析表明 这种方案使接触界面的压力分布更加均匀 速度稳定性更好 与原结构进行对比 实验 结果在超声电机输出力矩 速度范围等主要性能指标基本一致的情况下 超声电机的 空载速度波动率降低了约 40 0 波动范围达到 2 0 以内 为了能在超声电机产业化的大潮中占得一席之地 南京航空航天大学赵淳生院士团队成 立了自己的万玛超声电机公司 为将先进的科研成果迅速转化为生产力创建了良好的平台 1 3 3 直线超声电机分类直线超声电机分类 迄今为止 各种各样的直线超声电机不断涌现 其分类方法也多种多样 由于其分类依 据不同 主要可分为以下几种 按电机定子所利用的波动形式的不同 直线超声电机可划分为驻波型和行波型 其中 皖西学院本科毕业论文 设计 第 8 页 驻波型按定子上驱动足数目的多少 可分为单足式和多足式 行波型按期结构形式又可分为 直梁式和环梁式 按定子接触表面质点产生椭圆运动的方式 可分为单一模态型和多模态型 按定子和动子之间的能量传输方式分 可分为接触式和非接触式 按压电振子是作为动子还 是作为定子的不同 直线超声电机又可分为自行式 压电振子作为动子 和非自行式 压电 振子作为定子 1 4 本课题的研究内容及目的本课题的研究内容及目的 对基于面内振动纵弯模式的超声直线电机 单足型 双足型 的结构进行设计 内容 1 振动片的固定 驱动头的固定 导轨的固定 2 保证定子 驱动头与导轨的垂直度 3 定动子固定在一块板上 4 对定子预紧力可调 5 能实现导轨的自动换向即左右行走 6 了解超声波电机及面内模态的超声电机国内外研究进展 7 对驱动机理 设计理论等进行了解 8 对压电陶瓷片进行选材 确定各参数 并绘图装配图及重要零件图 目的 由于超声波电机特殊的工作原理 它具有很多传统电磁电机无法比拟的优越性能 如 低速大转矩 体积小 重量轻 功率密度大 响应速度快 微位移 不受电磁场的影响 掉电自保护 设计自由度大 可直接驱动负载等 使得超声波电机具有不同于传统电磁型 电机的优点 但是在研究中也同时产生了一些问题 1 由于超声波电机是利用定 转子之间的摩擦传动的 其滑动接触比较复杂 传动 规律难以精确地表达 目前还没有一个精确的模型来描述超声波电机 2 超声波电机属于容性负载 会导致电机的谐振功率点的电流和电压相位不同 从而 增加了电路中的无功损耗 输出效率较低 3 由于压电材料的特殊性 摩擦发热和工作环境变化等问题 驱动转子的摩擦力将产 生严重的非线性变化 这种变化使控制电机匀速转动的难度大大增加 4 随着温度 输出转矩及定转子之间的静压力等外界条件的变化 压电陶瓷的谐振频 率会发生漂移 从而导致电机性能的不稳定 通过以上的分析得出超声波电机是复杂的多变量 强耦合 时变系统 因此 超声波 皖西学院本科毕业论文 设计 第 9 页 电机的性能不仅仅取决于电机自身结构的好坏 在很大程度上还取决于其驱动控制系统的 优劣 同时由于以上的困难也导致了超声波电机的驱动器设计的难度要远大于传统电磁型 电机 那么以改善超声波电机运行平稳性 提高其运动控制装置性能为目标 进行超声波 电机驱动控制技术方面的研究 对于超声波电机的广泛应用是十分必要的 2 电机的运行机理电机的运行机理 直线超声电机作为超声电机的一个分类 和其他超声电机一样都是利用压电陶瓷的逆压 电效应 激发定子的弹性体产生高频振动 借助于定转子之间的摩擦力来驱动电机运行的 定子的振动是超声电机的动力源 它实现了电能到声能再到机械能的转化 提高电机输出效 率的关键就是提高定子的能量转换效率 直线型超声电机能够运动的关键是如何形成定子或动子表面质点的椭圆运动 椭圆轨迹 的好坏直接影响直线型超声电机的输出性能 设计以基于薄板面内振动的纵弯模式驻波超声波直线电机为研究对象 选择矩形薄板压 电陶瓷片及单足驱动形式 分析了驱动机理 对定子进行选择 对结构进行设计 实现了预 定的要求 图2 1为本文设计的矩形薄板定子纵弯模式超声波直线电机的结构简图及分压极化形式 矩形压电陶瓷薄板的上部粘贴一个矩形驱动头 导轨上的移动子与驱动头之间通过预压力紧 密接触 预压力通过加压弹簧结构加压 超声波电机一般情况下定子由压电陶瓷片和弹性体 组合构成的电机复合振子 本文设计中试采用单一压电陶瓷片作为定子 结构更为简单化 矩 形压电陶瓷薄板定子的反面是全电极 正面是呈田字形的四个银电 背面为全电极接地 正面的 四个银电极板中位于对角线上的银电极板均有导线相互接 皖西学院本科毕业论文 设计 第 10 页 图2 1 电机结构简图 由于压电陶瓷的逆压电效应 在加电的两个的正分区上将同时一致的产生薄板厚度方向 上的振动 两个负分区作被迫振动 根据压电陶瓷材料的泊松效应 厚度方向上的位移 假设为 z方向 会引起压电陶瓷片平面内x方向 薄板的横向 和y方向 薄板的纵向 上的位移 薄板的横 向位移将导致矩形薄板横向二阶弯曲振动B2的出现 而薄板的纵向上的位移将主要导致矩形 薄板纵向一阶伸缩L1 如图2 2所示 其中图 a 和 b 为一阶伸缩振动 图 c 和 d 为二阶弯曲振 动 由此空间上相互垂直的两个振动模态B2和L1得以激励后 就会在驱动头与移动子接触点处 形成椭圆运动轨迹 接触处产生的摩擦力驱动移动子沿导轨作直线运动 当1 3两电极施加 或 激 励信号时 移动子往一个方向运动 而2 4两电极施加同样激励信号时 则移动子往相反方向运 动 皖西学院本科毕业论文 设计 第 11 页 图2 2驱动振子的模态激发 矩形压电陶瓷薄板的上部粘贴一矩形突起物 运动推杆和突起物的顶部通过预压力紧密 接触 突起物通过它和运动推杆之间的摩擦力来带动运动推杆作直线运动 为了激励出前述 矩形薄板的两种振动模态 采用一整块 PZT 8 压电陶瓷矩形薄板作为驱动振子 压电陶瓷的 背面是全电极 正面则是呈田字形的 4 个电极 其分区极化形式如图 2 3 所示 通常情况下 背面全电极接地 正面位于对角线上的电极均有导线相连 这种配置可加大压电陶瓷矩形薄 板的振幅 有利于电机产生高速和大推力 在完成矩形压电陶瓷薄板的分区与极化之后 在上述矩形压电陶瓷片正面的任意一对对 角线分区上施加特定频率的交流电压信号 cos wt 或 sin wt 而将另外一对对角线分区和矩 形压电陶瓷薄板背面的全电极一起接地 根据上面介绍的极化分区和相应的施加电压方案 我们来分析这种直线型超声电机的工 作模态的激发 椭圆运动轨迹的形成和正反转的实现 为便于分析 不妨假设所施加的电压 信号均为 cos wt 先在上述矩形压电陶瓷薄板正面的一对对角线正分区 施加 cos wt 电 压信号 而将另外一对对角线负分区 一 和矩形压电陶瓷薄板的背面全电极接地 皖西学院本科毕业论文 设计 第 12 页 图 2 3 压电陶瓷矩形薄板的分区极化形式 根据压电陶瓷的逆压电效应 在加电的两个正分区上将同时一致地产生薄板厚度方向上的振 动 两个负分区将因此作被迫振动 由压电陶瓷的正压电效应产生的累积电荷将通过地线释 放 又根据压电陶瓷材料的泊松效应 厚度方向上的位移 假设为 z 方向 会引起薄板平面内 x 方向 薄板的横向 和 y 方向 薄板的纵向 上的位移 二方向的位移将导致矩形薄板横向二 阶弯曲振动模态 B2 的激发 而 y 方向上的位移将主要导致矩形薄板纵向一阶伸缩振动模态 L1 的激发 显然 空间上相互垂直的两个面内振动模态 L1 和 B2 已经得以形成 图 2 4 显示的是矩形压电陶瓷薄板面内振动模态 L1 和 B2 振动位移时间相位差的形成 尽管理论上要求矩形压电陶瓷薄板面内两个振动模态 L1 和 B2 的振动频率值是如何一致 实际情况下 由于加工尺寸 材料结构缺陷等因素将会导致这两个面内振动模态的振动频率 值的分离 如图 2 3 a 所示 其中频率 f1 和 f 2 分别为模态 L1 和 B2 的实际振动频率 f 为实际的驱动频率或称为中心频率 由图 2 3 b 可以看出 实际情况下 当用含有合适的中心频率 f 的交流电压信号来激 励矩形压电陶瓷薄板时 流经面内振动模态 L1 和 B2 等效阻抗的电流 I1 和 I2 之间会产生 90 度的相位差 进一步分析可知 矩形压电陶瓷薄板两个面内振动模态 L1 和 B2 振动位移的 时间相位差也为 90 度 皖西学院本科毕业论文 设计 第 13 页 图 2 4 面内振动模态 L1 和 B2 时问相位差的形成 综合上述分析 有如下简化假设 纵向伸缩振动位移函数为 5 wtaYsin 横向弯曲振动位移函数为 6 式中 a 和 b 为假定的振幅wtbXcos 7 式 7 为标准的椭圆方程 1 2 2 2 2 b X a Y 由此可见椭圆轨迹得以形成 如果切换电压信号 在另外一对对角线分区施加同样的 cos wt 电压信号 同样的分析可以得到 振动模态 L1 的位移函数和没有切换电压信号前的 位移函数完全相同 而振动模态 B2 的位移函数和没有切换电压信号前的位移函数正好完全相 反 显然 这时椭圆运动轨迹也可以形成 但其旋转方向则和没有切换电压信号前的旋转方 向正好相反 从而表现为这种电机的反转 皖西学院本科毕业论文 设计 第 14 页 3 压电陶瓷压电陶瓷 3 1 压电效应和压电陶瓷压电效应和压电陶瓷 早在 1880 年 法国的两位科学家 居里兄弟 在研究石英晶体的物理性质时 发现 了一种特殊的现象 就是若按某种方位从石英晶体上切割下一块薄晶片 在其表面敷上电 机 当沿着晶片方向 当沿着晶片的某些方向施加作用力时 晶片两个电极表面就会出现 等量的正 负电荷 这种由于机械力的作用而使石英晶体表面出现电荷的现象 称为正压 电效应 如图 3 1a 所示 图 3 1 压电效应示意图 发现正压电效应的第二年 也就是 1881 年 由李普曼在理论上预言 由居里兄弟在实验 上证实了另一种物理现象 如果将一块压电晶体置于外电场中 由于电场的作用 会使电 晶体发生变形 当电场撤除后 变形消失了 这种由于电场的作用使压电晶体产生变形的 现象 称为逆压电效应 如图 3 1b 所示 实验证明 凡是具有正压电效应的晶体 也一 定具有逆压电效应 二者一一对应 这一现象的发现 引起了科学家们的广泛关注 并对 其进行深入的研究与探讨 不同国家的几个科学家几乎同时发现了单元系压电陶瓷具有比 较强的压电效应 之后科学家进一步发现了具有更加优良性能的二元系压电陶瓷 代表是 PZT 和三元系压电陶瓷 代表是 PCM 等新型的压电材料 新型具有良好性能的压电材料 的不断涌现极大地促进了超声电机的研究和发展 3 2 压电陶瓷的弹性压电陶瓷的弹性 在压电学范围内 压电陶瓷可以看成是弹性体 在外力作用下压电陶瓷会产生变形 变形可分为弹性变形和塑性变形 压电材料在正常工作时 变形量很小 可以看作是弹性 变形 这种弹性行为可以用应力 T 和应变 S 来描述 人们经过长期的实践 总结了一个 规律 即 在弹性限度范围内 物体内某一点附近的应变分量与该点附近的应力分量之间 皖西学院本科毕业论文 设计 第 15 页 存在线性关系 此规律称弹性关系 又称虎克定律 弹性体的应力 T 和应变 S 之间的关 系 可以用向量形式的虎克定律来表示 S S S S S S cccccc cccccc cccccc cccccc cccccc cccccc T T T T T T 6 5 4 3 2 1 666564636261 565554535251 464544434241 363534333231 262524232221 161514131211 6 5 4 3 2 1 上面式子可以简写为 S sT 或 T cS 式中 s 称为弹性柔顺常数矩阵 c 称为弹性 刚度常数矩阵 并且 S 这两个常数都是四阶张量 在他们的分量 有关系 c 1 和 ss jiij cc jiij 极化过的压电陶瓷材料有类似于六角晶系 6mm 点群 的对称性 柔度矩阵只有 12 个非 零分量 其中独立的分量只有五个 分别是 s11 s12 s13 s33 s44 其他非零分量 都可以有这两个独立分量表示 这样压电陶瓷的柔度矩阵就可以表示为 ss s s sss sss sss S 2211 44 44 331313 121121 131211 200000 00000 00000 000 000 000 压电陶瓷刚度矩阵中独立的分量也有 5 个 c11 c12 c13 c33 c44 其 矩阵的结构与上式类似 3 3 关于压电陶瓷的材料选用方法关于压电陶瓷的材料选用方法 压电多晶体材料有很多种 但在超声应用领域 压电陶瓷材料处于绝对的支配地位 其 主要优点有以下几种 1 有较高的机电转换效率 通常可达到 80 左右 2 容易成型 可以加工成各种形状 如圆盘 圆环 圆桶 圆柱 矩形以及球形 3 通过改变成分可以得到具有各种不同性能的超声换能器 4 造价低廉 性能较稳定 易于大规模推广使用 目前很难有一种压电陶瓷材料能同时满足以上所有要求 在实际应用中 根据不同的 场合和主要矛盾来选择 皖西学院本科毕业论文 设计 第 16 页 表 3 1 常用压电陶瓷应用及主要特征 皖西学院本科毕业论文 设计 第 17 页 4 电机的结构设计电机的结构设计 4 1 定子的设计定子的设计 基于面内振动的直线型超声电机是利用矩形压电陶瓷薄板的逆压电效应 通过其结构的 合理设计 在同一驱动频率下激励出矩形压电陶瓷薄板的两个面内振动模态 并通过其它部 件来带动运动推杆作直线运动 在这种新型直线型超声电机中 矩形压电陶瓷薄板既充当了 把电能向机械能转换的角色 又充当了定子的作用 在电机定子设计中 根据选用原则选择PZT 8作为压电陶瓷的材料 其特点主要是强场 介电损耗小 并且机械强度高 矮顽场高 大功率驱动时 材料的温度稳定性好 PZT 8 具 有低机械损耗和介电损耗 大的交流退极化场 并具有较大的介电常数 特别适合于强电场 大机械振幅的激励 常用于发射换能器 超声电机利用了矩形压电陶瓷薄板的第一阶面内伸缩振动L1 模态和第二阶面内弯曲振 动B2模态来工作 为了在同一驱动频率下激励出这两个面内振动模态来实现电机的运动 必 须对矩形压电陶瓷薄板进行合理的结构设计 使得这两个振动模态的频率值尽可能相等 参考南京航天航空大学的硕士论文及赵淳生院士的 超声电机技术与应用 得到如下公 式 对于伸缩模态的振动频率 根据振动理论有 1 Lp E wL 1 对于弯曲模态的振动频率 根据振动理论有 2 0 50027 977 4581 1081 1 022 222 22 22 wwww BOB srsr 3 853 7 2 02 pA EI L w 2 2 2 2 2 AGL EI s L R r A HB R I A 833 0 其中G和I分别为压电矩形陶瓷薄板的剪切模量和转动惯量 12 3 HBI 为了满足振动模态L1和 2的频率值尽可能相等的要求 令 4 ww BL21 将上述公式 1 公式 3 代入 4 可以解得 L B 4 2 实际的结构设计中 考虑到公式 2 是半经验公式 具体矩形压电陶瓷板的加工以及允 许频率 WL1和WB2有一定的偏差等因素 我们取矩形压电陶瓷板的长宽比L B 4 0 其厚 度H在保证H B的条件下通常取H 2 5mm 皖西学院本科毕业论文 设计 第 18 页 根据上述的分析和经验公式 确定矩形薄板压电陶瓷片定子结构尺寸为 L B H 40 10 3 见图4 1所示为电机的结构图 4 2 驱动头的设计驱动头的设计 直线型超声电机利用摩擦界面实现能量和运动的第二步传递 将定子的振动转换成动子 的直线运动以驱动负载 利用摩擦界面使超声电机具有断电自锁和高自锁扭矩 超声电机的 自锁扭矩比其堵转扭矩还要大 转子的惯性又小 从而使超声电机具有快速的响应特性 所 以我们要减小动子的惯性 获得较好的控制性能 为了降低定 转子间的磨损 在动子上粘贴摩擦材料 可提高超声电机的寿命 定 转 子间的摩擦力一部分是转子运转的动力 还有一部分是摩擦损耗 而这种摩擦损耗会消耗定 子振动的能量 降低电机运行的效率 因此 定 转子间的摩擦材料的摩擦系数并非越大越 好 虽然摩擦系数越大 电机可能会输出更大的扭矩 但摩擦损耗也相应增大 效率也就降 低 根据上述的分析设计的驱动足结构尺寸为L B H 3 3 3 材料选45号钢 如图4 1 所示 图4 1电机定子结构图 图中压电陶瓷 驱动足的尺寸分别为 L B H 40 10 3 L B H 3 3 3 皖西学院本科毕业论文 设计 第 19 页 4 3 导轨的选择导轨的选择 直线导轨又称线轨 滑轨 线性导轨 线性滑轨 用于直线往复运动场合 拥有比直线 轴承更高的额定负载 同时可以承担一定的扭矩 可在高负载的情况下实现高精度的直线 运动 直线运动导轨的作用是用来支撑和引导运动部件 按给定的方向做往复直线运动 依按摩擦 性质而定 直线运动导轨可以分为滑动摩擦导轨 滚动摩擦导轨 弹性摩擦导轨 流体摩擦 导轨等种类 直线导轨主要是用在精度要求比较高的结构上 根据上述的定子尺寸设计出移动子导轨总长度为100 mm 实际行程80 mm 以满足要求 4 4 电机的预压力设计电机的预压力设计 直线型超声波电机的定子和导轨之间通过一定的预压力紧密接触 才能产生足够的摩擦 力推动导轨移动 定动子之间预压力对电机的输出特性很敏感 定动子之间的摩擦力太大或 太小 电机都不能正常启动或者达不到电机的理想输出效果 在设计加压机构时 本文不采用 依靠螺钉进给量直接调整预压力的方法 而采用螺钉和弹簧的组合结构 电机通过螺栓和弹 簧加压 通过测试弹簧的变形量来计算预压力 由上述设计抽预紧力加压弹簧的弹性数据测 量得50 N m 弹簧长度在7 mm 25 mm之间变化 加压螺钉长度为24 mm 4 5 超声波直线电机的总体结构设计超声波直线电机的总体结构设计 定子压电陶瓷片的中间位置被两侧的压板固定 驱动头粘贴在压电陶瓷片上 动子导轨 安装在驱动头上 采用螺钉和弹簧的组合结构调整对电机的预压力 最后整体安装在底座上 皖西学院本科毕业论文 设计 第 20 页 图4 2电机三维图 图4 3 直线电机装配图 皖西学院本科毕业论文 设计 第 21 页 结语结语 本文基于矩形薄板面内振动的直线型超声电机进行了研究 着重对其核心结构部件 矩形压电陶瓷薄板进行了结构设计 从理论上解决了矩形压电陶瓷薄板的面内一阶纵向振 动和面内二阶横向弯曲振动频率一致的问题 通过这次设计的实习中 使我受益匪浅 这次实训 使我真正的意识到自己对一些相关 知识的缺乏以及动手能力的欠缺 没有实践 再好的理论也没有用 毕业设计最重要的一 个方面就是要认真 需要我认真对待一切 其次是要有耐心 勇于克服困难 不断解决问 题 面对困难要永不退缩 迎难而上 再次是要有清晰的思维 最后还要多和老师交流 多参考书籍 通过这次的设计 懂得了如何处理错误的方法 并学习了一些相关的软件 拥有足够的耐力和信心 对设计每一步的顺利进行极其重要 至今我仍感慨颇多 的确 从选题到设计完成 从理论到实践 在整个过程中 可以 说是苦多于甜 但是可以学到很多很多的的东西 同时不仅可以巩固了以前所学过的知识 而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识 通过这次设计使我懂得了理论与实际相结 合是很重要的 只有理论知识是远远不够的 只有把所学的理论知识与实践相结合起来 才能真正为社会服务 从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力 在设计的过程中 难免会遇到各种各样的问题 但这正为我提供提升自己的空间 虽然这次设计的任务比较多 但我却过得相当充实 通过实训 让我清楚地认识到了 自己这方面知识的缺乏 更加激起我在今后的学习中去不断地了解去学习有关设计知识 因为自己学的是机械专业 所以有些知识显得尤为重要 学好这些知识并能加以运用 对 自己以后的工作及生活也是非常必要的 在这次的设计中 也不免遇到了一些搞不懂的地 方 这些同样锻炼了自己的耐心以及遇到困难想办法解决的能力 皖西学院本科毕业论文 设计 第 22 页 致谢致谢 光阴似箭 转眼间四年大学本科生活即将结束 回首这几年 似乎伤感并不明显 身 边来来去去的不再是亲密的室友 换了同事和领导 在这里没有人诉说要离开校园的伤感 四面八方充斥流程化公事化的执行 毕业 一个人置身小屋中 顿时如复活般全部苏醒了 痛楚与艰辛 离开学校再没有人中午来敲门问我去不去吃饭 再没有人与我反坐在板凳上 大声闲聊放肆大笑 再没有人幽幽地问句 吃什么好 再没有人背着重重的书包和我一 起上自习 再没有人室友聚会吃火锅到撑 再没有人约好一起去网吧通宵玩游戏 声音在 时空里混杂渐渐远去了 可怜天下父母心 这些年来 真的非常感谢爸爸妈妈的默默支持关心 虽然他们总是 不在身边 也很少管我 但是每当遇到挫折或小有成绩 总是有他们在 身在六安时总是思念黄山的山旮旯