超声波直线电机振子两端支持系统的设计及研究

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1、精密制造与自动化2010年第2期试验与研究超声波直线电机振子两端支持系统的设计及研究白东哲齐济源沈阳大学机械工程学院（110044）摘要阐述了超声波直线电机振动子两端支持系统的结构及特点，进行了超声波振子系统稳定性试验研究，结果发现当支持系统的频率与振动子的振动频率相一致时，在静态下两端支持系统很牢固地支持振动子，在振动时几乎对振动系统没有干扰。关键词支持系统变幅杆超声波直线电机超声波直线电机的振子由螺栓将两块金属体和根据理论和试验研究成果，采用了振子的一阶八片压电陶瓷片串接夹持而成，如图1所示。试验纵振和

2、二阶弯振。这是因为阶次越低，越容易激发平台是由一个双足的纵弯型振子进行单边驱动产生和利用，且振幅较高，工作效率也高；而且这两个直线位移。导轨通过螺栓连接在底座上，工作台通振型可以很容易找到公共的节平面，便于振子夹持过直线滚珠丝杠与导轨连接。预紧力是通过两个螺方式的设计，以保证夹持力对振形的影响最小。通栓机构实现的，螺栓机构的预紧力通过弹簧产生，过这种模态进行驱动，能够获得100N以上的推力。可以通过调节螺栓的长度来调节弹簧的伸缩量从而但启动、停止、或反复改变方向时，振动子和工作调整预紧力。为了保证工作台的运

3、动精度，工作台台的接触点位置发生变化，工作台的移动不稳定或与导轨的摩擦力应尽可能的小。工作台采用单边双磨损严重。为了提高振子驱动的稳定性，设计了新足纵弯振子驱动，振子内部安装了压电陶瓷片。当的振子支持机构，并研究此系统的有效性。对振子内部分别用于激发纵振和弯振的压电陶瓷片施加具有适当频率和相位差的电压时，就可激发出1振子系统的结构预先设计的定子一阶纵向共振和二阶弯曲共振，这该系统结构如2图所示：振子直径为40mm，两种振动的叠加使振子驱动足的表面质点产生椭圆可以纵弯振动，有一阶纵振和二阶弯振，通过摩擦运动，

4、进而带动工作台面沿导轨往一个方向作直线驱动工作台。因两种模态的振节为中间，通过此振运动，改变180°施加纵振陶瓷片和弯振陶瓷片上节夹持和稳定该系的电压，就可以改变平台的运动方向。统，并使用弹簧推动振子获得予紧力。这种一点支持方式在质量达到10kg的工滑台（10kg）电极方向接触表面作台停止的时候，因惯性比较大，振子的5耐磨材料固定位置有微小的922018磷青铜图2振子一点支持系统φφφ变化使滑台和振子的接触以及特性不稳定。铝柱92纵向振动PZT弯曲振动PZT2共振系支持系统的结构图1振子结构共振系支持结构如

5、图3所示。振子两端用如图11精密制造与自动化2010年第2期所示的变幅杆振子支持。变幅杆端部的顶尖插在振较稳定的速度特性，而且启动特性变化也很小。但子的端部针孔中，使振子的相对位置几乎不会改变。是一点支持系统在几次往复驱动以后，电机的特性当变幅杆的纵振和弯振的共振频率调节到振子的共不稳定，启动特性也有很大的变化，而且停止时残振频率时，振子在静态时很坚固地支持振子，但振留振动又大又长。启动特性由摩擦力决定，摩擦力子在振动时几乎不受其他影响。支持系统和振子系与予压力和摩擦因数有关，因此予压力或摩擦因数统构成的整

6、体振动有纵向3次，弯曲6次模态，2在变化。个振动的共同振节为3个。振子两端支持的共振系摩擦状态几乎没有变化，但一点支持的振子系统摩擦状态有很大的变化。变幅杆振子变幅杆1纵向0-1变幅杆振子变幅杆振动速度1弯曲弯曲夹紧力弹簧0预压力纵向50100150200250300图3振子两端支持系统-1位置/mm图4X轴上的振节3试验结果与分析K123.51kHz用激光测振仪测振子两端装入变幅杆时的振动K224.050.6K325.39模态。振动频率为24.1kHz，如图4所示。整体振1-sK427.47·动系的动作与

7、设计相一致，支持系统的3个固定点/m0.4通过测定确认确实成为3个振节。使用4种不同共振频率的变幅杆支持振子时，不同电压对振子接触振动速度0.2点纵向振动的速度变化如图5所示。4种共振频率为K1=23.51；K2=24.05；K3=25.39；K4=27.47kHz。020406080100电压/VL(0p)变幅杆两端的压力为40kg。变幅杆频率为K1和图5振动速度与电压之间的关系K4时振速只能得到0.3~0.4m/s。振子的纵振共振频率为24.2kHz。使用变幅杆频率为K2和K3时，能40-1s0.3得到

8、比较稳定的0.56m/s振动速度，但超过这个速·30/m/N0.2度就变得不稳定。当用K3的变幅杆时，随着振动20压力速度的增加，振子端部的震动轨迹发生变化，还产0.110滑台速度生杂音。因此，使用与振子的共振频率接近的K2000200040006000800002000400060008000变幅杆（24.05kHz）驱动10kg重的滑台。变幅杆往复次数往复次数的压力为40kg，振子的予压力为21kg，在这种条