基于盘型对称驱动的惯性冲击旋转压电马达_窦浩天.pdf

第4 5卷第1期压 电 与 声 光V o l.4 5N o.12 0 2 3年2月P I E Z O E L E C T R I C S&A C OU S T O O P T I C SF e b.2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 2-0 7-1 3 基金项目:安徽省自然科学面上基金资助项目(2 0 0 8 0 8 5 ME 1 5 4)作者简介:窦浩天(1 9 9 7-),男,河南省人,硕士生,主要从事精密仪器及机械的研究。通信作者:贺良国(1 9 8 0-),主要从事机械设计、基于智能材料结构的驱动器、传感器和换能器的设计、分析和优化的研究。文章编号:1 0 0 4-2 4 7 4(2 0 2 3)0 1-0 0 6 1-0 5D O I:1 0.1 1 9 7 7/j.i s s n.1 0 0 4-2 4 7 4.2 0 2 3.0 1.0 1 3基于盘型对称驱动的惯性冲击旋转压电马达窦浩天,单增祥,李 琨,岳旭康,钱 安,万志凯,贺良国(合肥工业大学 机械工程学院,安徽 合肥2 3 0 0 0 9)摘 要:该文提出了一种基于盘型对称驱动的惯性冲击旋转压电马达。该马达主要由定子、转子、驱动足和预紧装置组成。马达激励信号为锯齿波信号,采用压电叠堆激励实现马达高功率输出。马达通过螺杆将定子与预紧装置装配于一体,实现了马达结构紧凑化与微型化。设计加工了马达样机并通过实验验证了马达的工作原理,对马达的综合性能进行了分析和测试。测试结果表明,当马达预紧装置施加的预紧力为1N,输入激励电压峰-峰值为8 0V,激励信号频率为1k H z,且每输出一个周期锯齿波,激励信号延迟1 0 0m s再输出下一个,以研究马达静态启动特性和步长,测得马达的最大空载速度达到3.0 5r/m i n,平均步长为0.0 3 2r a d;激励信号频率为3k H z时,马达的最大空载速度达到9.1r/m i n,马达最大负载可达1 6.2Nmm;马达在0.53k H z激励信号频率范围内均可实现转动。关键词:压电马达;盘型;惯性冲击;锯齿波中图分类号:TH 1 1 3 文献标志码:A I n e r t i a l I m p a c tR o t a t i n gP i e z o e l e c t r i cM o t o rB a s e do nD i s kS y mm e t r i cD r i v eD O UH a o t i a n,S H A NZ e n g x i a n g,L IK u n,Y U EX u k a n g,Q I A NA n,WA NZ h i k a i,H EL i a n g g u o(S c h o o l o fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g,H e f e iU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,H e f e i 2 3 0 0 0 9,C h i n a)A b s t r a c t:A n i n e r t i a l i m p a c t r o t a t i n gp i e z o e l e c t r i cm o t o rb a s e do nd i s ks y mm e t r i cd r i v e i sp r o p o s e d i n t h i sp a p e r.T h em o t o r i sm a i n l yc o m p o s e do f s t a t o r,r o t o r,d r i v i n gf o o t a n dp r e-t i g h t e n i n gd e v i c e.T h em o t o re x c i t a t i o ns i g n a li ss a w t o o t hw a v es i g n a l,u s i n gt h ep i e z o e l e c t r i cs t a c ke x c i t a t i o nt or e a l i z e t h eh i g hp o w e ro u t p u to f t h em o t o r.T h es t a t o ra n dt h ep r e-t i g h t e n i n gd e v i c ea r e i n t e g r a t e dt h r o u g ht h es c r e w,r e a l i z i n gt h ec o m p a c t n e s sa n dm i n i a t u r i z a t i o no f t h em o t o r s t r u c t u r e.Am o t o r p r o t o t y p e i sd e s i g n e da n d f a b r i c a t e d,a n d t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo f t h em o t o r i s v e r i-f i e db ye x p e r i m e n t s.T h e c o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c e o f t h em o t o r i s a n a l y z e da n d t e s t e d.T h e t e s t r e s u l t s s h o wt h a tw h e nt h ep r e l o a da p p l i e db yt h em o t o rp r e-t i g h t e n i n gd e v i c e i s1N,t h e i n p u t e x c i t a t i o nv o l t a g e i s8 0Vp-p,a n dt h ee x c i t a t i o ns i g n a l f r e q u e n c y i s1k H z,a n de a c hc y c l eo fs a w t o o t he x c i t a t i o ns i g n a l i so u t p u t,t h en e x to n e i so u t p u tw i t had e l a yo f 1 0 0m s t os t u d y t h e s t a t i cs t a r t i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n ds t e p l e n g t ho f t h em o t o r.T h em e a s u r e dm a x i-m u mn o-l o a ds p e e do f t h em o t o r i s 3.0 5r/m i n,a n d t h e a v e r a g e s t e p l e n g t h i s 0.0 3 2r a d.W h e n t h e e x c i t a t i o ns i g n a lf r e q u e n c y i s3k H z,t h em a x i m u mn o-l o a ds p e e do f t h em o t o r i su pt o9.1r/m i n,a n d t h em a x i m u ml o a do f t h em o-t o r c a nr e a c h1 6.2Nmm.T h em o t o rc a nr o t a t ew i t h i nt h ee x c i t a t i o ns i g n a l f r e q u e n c yr a n g i n gf r o m0.5k H zt o3k H z.K e yw o r d s:p i e z o e l e c t r i cm o t o r;d i s kt y p e;i n e r t i a l i m p a c t;s a w t o o t hw a v e 0 引言近年来,基于压电陶瓷材料1-2的压电电机以其小型化、结构简单、响应灵敏、工作范围大及精度高3-6等优点而备受关注。同时随着精密制造技术的进步以及工程应用中对驱动器需求的增加,压电马达得到快速发展7-8。根据不同的驱动机理,压电马达主要分为超声波马达9、尺蠖马达1 0和惯性冲击马达1 1。惯性冲击驱动是压电马达主要的驱动方式之一,按其控制方式又可分为电控式(非对称激励信号)和机械控制式(非对称机械结构)。惯性冲击马达是一种利用定子的惯性冲击来实现转子线性运动或旋转的压电马达,该类型马达具有冲程大、结构简单、分辨率高及小型化的优点。本文设计了一种基于盘型对称驱动的惯性冲击旋转压电马达,该马达为电控式惯性冲击马达,即采用非对称激励信号(锯齿波)驱动,利用马达定子的惯性冲击与动子的惯性滞留实现马达宏观运动。该马达通过螺杆将定子与预紧装置装配于一体,进而实现马达结构紧凑化与微型化;采用一对驱动足,利用惯性冲击粘滑式驱动转子持续旋转。该马达可应用于微型机器人、光学仪器精密定位与测量等领域。1 结构和原理1.1 马达整体结构图1为马达原型图,马达主要包括定子、转子及预紧装置,其中预紧装置包括预紧弹簧与预紧螺母。图1 马达原型图马达转子分为上圆盘与下圆盘,两者固定相连。马达的激励元件为1对压电叠堆,通过环氧树脂胶牢固粘接在转子上圆盘与弹性片之间。1对驱动足通过环氧树脂胶粘接于弹性片上的通孔中。弹性片与转子上圆盘为一体,采用线切割加工成形。转子下圆盘直径较大,负责输出转子旋转运动。在马达转子下圆盘底面设有内孔以安装角接触球轴承,角接触球轴承内环与马达定子固定相连。旋转预紧螺母可改变预紧弹簧施加于轴承内圈的轴向力。轴承内圈与定子螺杆采用过渡配合,在预紧弹簧产生的轴向力的作用下,转子上的驱动足与定子之间将产生一定的预紧力,且预紧力的大小可根据预紧螺母进行调节。马达主要零件的尺寸和材料如表1所示。表1 压电马达主要部件结构参数名称尺寸/mm材料定子圆盘1 01.56 5#锰钢转子上圆盘1 026 5#锰钢转子下圆盘1 226 5#锰钢驱动足0.52.2 54 5#钢压电叠堆2.51.51.5N E P E C-1 71.2 马达工作原理图2为马达的工作原理图。马达通过压电叠堆激励弹性片做非对称摆动,使驱动足相对定子产生步进移动,进而实现转子宏观旋转运动。图2 压电马达的工作过程为便于更好地描述压电马达具体工作原理,现将压电马达动子与转子之间的运动机理简化为图2(a)所示。首先随着锯齿波信号激励电压逐渐上升时,压电叠堆在激励电压作用下逐渐伸长,使弹性片上的驱动足缓慢向右摆动,从而通过摩擦力驱动转子顺时针旋转角度。当激励电压瞬间下降时,压电叠堆迅速收缩至初始长度,而弹性片快速向左摆动到初始位置,在此过程中,弹性片上的驱动足与转子之间产生滑动摩擦,使转子逆时针旋转角度。至此,马达一个运动周期结束,在一个运动周期内马达顺时针旋转角度-。马达转子与驱动足的具体微位移关系如图2(b)所示。连续重复上述周期,马达将实现顺时针连续旋转运动。1.3 有限元仿真利用有限元仿真软件C OM S O L5.3 a对马达转子进行仿真分析,这可规避因输入信号频率与马达固有频率近似而引起的共振问题。图3为转子的一阶模态仿真结果,转子一阶谐振频率为2 4.7 9 1k H z。本次实验测试采用锯齿波信号频率为0.53k H z,远小于一阶谐振频率,符合要求。图3 转子一阶模态仿真26压 电 与 声 光2 0 2 3年 2 实验测试与分析2.1 实验平台搭建图4为压电马达的实验装置图。由信号发生器(R i g o lD G 1 0 2 2)产生锯齿波