纵扭复合型压电超声电机的研究

第１８卷第６期　２０１３年１２月　哈尔滨理工大学学报　

ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＨＡＲＢＩＮ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　ＯＦ　ＳＣＩＥＮＣＥ　ＡＮＤ　ＴＥＣＨＮＯＩ　ＯＧＹ　Ｖｏ１．１８　Ｎｏ．６　

Ｄｅｃ．２０１３　

贴片式纵弯复合激励圆筒超声电机　宋起超　，　周　真　（１．哈尔滨理工大学测控技术与仪器黑龙江省高校重点实验室，黑龙江哈尔滨１５００８０；　２．黑龙江工程学院电气与信息工程学院，黑龙江哈尔滨１　５００５０）　

摘　要：为了有效提高贴片式环形行波超声电机的机械输出性能，利于超声电机的小型化和微　型化，研制了一种贴片式纵弯复合激励圆筒超声电机，电机利用ｄ　工作模式和ｄ　工作模式，由单　臂变幅杆和一个环形换能器构成，且变幅杆和换能器采用一体结构．在对电机的工作原理进行分析　的基础上，利用ＡＮＳＹＳ软件完成了电机的设计和仿真，实现了两个振动模态的特征频率简并，并采　用多普勒激光测振仪对样机进行了振动测试，测试结果与仿真结果基本一致．样机的机械输出特性　测试表明，样机的最大转速为２６８ｒ／ｒａｉｎ，最大输出力矩为１．１Ｎ・ｍ．　关键词：超声电机；纵弯激励；工作模态；特征频率；圆筒型　中图分类号：ＴＭ３５９．４　文献标志码：Ａ　文章编号：１００７—２６８３（２０１３）０６—００９０—０５　

Ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ　Ｂｅｎｄｉｎｇ　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ　Ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ　Ｕ　ｌｔｒａｓｏｎｉｃ　Ｍ　ｏｔｏｒ　ｗｉｔｈ　Ｐａｔｃｈ　

ＳＯＮＧ　Ｑｉ．ｃｈａｏ　一．ＺＨＯＵ　Ｚｈｅｎ　ｆ　１．Ｔｈｅ　Ｈｉｇｈｅｒ　ＥｄｕｃａｔｉｏｎａｌＫｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｆｏｒ　Ｍｅ￣ｕｆｉｎｇ＆Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇ３，ａｎｄ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ　Ｐｒｏｖｉｎｃｅ　Ｈａｒｂｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ　１５００８０，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｉｍｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｅｉＬｏｎｇＪｉａｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｈ）ｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ　ｌ５００５０，Ｃｈｉ　ｒ１ａ）　

模式转换型纵-扭复合超声振动加工系统的设计YIN Sen;ZHAO Bo;LI Yu【摘要】将纵-扭复合超声振动在应用于切削和焊接中,能够得到较好的加工质量,并可显著提高加工效率,延长刀具寿命.基于平面简谐波传播理论,推导了螺旋沟槽处反射横波的存在性,并进一步分析了螺旋沟槽结构的振型转换原理;利用数值解析法设计了复合变幅杆,并在其锥面开设螺旋沟槽,从而成功输出纵-扭复合振动;结合有限元分析探究了螺旋沟槽角度θ、沟槽槽宽d及槽深h对扭纵振动转换比e的影响规律,从而优化螺旋沟槽参数,并拟合出变幅杆端面某质点的振动轨迹.利用加工出的实体变幅杆对有限元分析结果进行了验证.【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2019(038)011【总页数】7页(P242-248)【关键词】螺旋沟槽;振形转换;有限元分析;扭-纵振动转换比【作者】YIN Sen;ZHAO Bo;LI Yu【作者单位】;;【正文语种】中文【中图分类】TB559随着现代工业的高速发展，高硬脆材料在航空航天、医疗、武器装备制造等诸多领域得到了广泛的应用，而超声振动加工在加工多种硬脆材料时，均表现出加工效率高、表面质量良好等优势，而二维复合振动加工更是可极大提升单向振动加工的加工质量[1]。

复合振动模式主要有纵弯复合、扭弯复合[2]、纵扭复合[3]、双弯曲复合[4]及径扭复合[5]等。

目前，实现纵扭复合超声振动的输出装置有两类：①利用纵-扭超声换能器实现系统的复合振动，如通过使用两组不同极化方向的压电陶瓷，组成纵-扭复合振动换能器[6]、通过轴向磁致伸缩输出扭转振动的换能器[7]和通过合理布置倾斜压电陶瓷的换能器[8]；②在变幅杆上设计“模式转换器”的结构，对系统输出的超声振动进行转换与复合，如螺旋沟槽式变幅杆[9]、斜槽式变幅杆[10-12]、榫卯式变幅杆[13]。

对于螺旋沟槽式变幅杆，其扭转振动分量较高，纵-扭复合振动输出稳定[14]，但是影响纵-扭复合振动输出的结构参数众多，纵-扭模型的建立较为困难，对输出参数无法实现较为精确的确定与控制，在实际应用中有较大的局限性。

超声波电机的研究现状及应用前景摘要：超声波电机是一种通过摩擦传递弹性超声振动以获得功率的驱动机构。

压电陶瓷在高频替代电压作用下产生相反的压电效应，从而激发超声频段内弹性定子的微幅振动。

定子驱动的表面粒子的椭圆运动通过摩擦转换为转子的旋转(或线性)运动。

超声波电机具有低速大转矩、无噪声、停电后自燃、快速响应、无磁场干扰等特点。

关键词：超声波电机；压电效应；研究现状；应用前景；超声波电机是一种新型的微型专用电机。

其通过反向偶极子效应和超声振动获得动力的工作原理推翻了传统的发动机概念，吸引了国内外许多学者的广泛关注和研究。

目前，该技术仍处于科学前沿，应用前景广阔，因此具有重要的研究价值。

综述了超声波电机的研究现状及应用前景。

一、国外超声波电机的研究现状人类第一次尝试用弹性振动来获取权力始于钟表。

1961年，日本Bulova Watch公司开始出售一只手动手表，每月误差仅为1分钟，这创造了当时的世界纪录，给全世界学者留下了深刻的印象。

超声波马达的研究也已开始，许多研究人员对此进行了深入研究，并取得了丰硕成果。

提出并制造了一种驻波分电器超声波马达，该马达使用了一种波长为27.8 khz的朗格文激励器，输入功率为90瓦，机械输出功率为50瓦，输出扭矩为0.25n m，输出速度为0.25n m但是，由于振动板和发动机转子之间的接触固定在同一位置，接触表面仍存在严重的摩擦磨损问题。

为了解决摩擦磨损问题，提出并制造了另一种形式的超声波偶极电机。

这种发动机意识到转子是由行波而不是固定点和驻波力矩不断推动的。

从而大大减少定子与转子接触表面的摩擦磨损。

该发动机的工作机构是利用定子表面颗粒在圆周方向上的椭圆运动速度分量驱动转子通过摩擦转动。

佳能公司研制的环形行波超声电机已正式应用于EOS相机目标自动研制系统，标志着超声波电机开始进入实用阶段。

不难看出，上述所有超声波电机都属于接触式超声波电机，即功率是通过定子和转子之间的接触摩擦传递的。