低剛度梁連接組合式超聲致動(dòng)器及其驅(qū)動(dòng)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)形態(tài)研究.pdf

1、壓電超聲致動(dòng)器具有直接驅(qū)動(dòng)、響應(yīng)速度快、無(wú)電磁干擾、定位精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)靈活等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于航空航天、光學(xué)儀器、微機(jī)電系統(tǒng)、機(jī)器人、半導(dǎo)體制造、醫(yī)療器械等領(lǐng)域。目前，豐富超聲致動(dòng)器的致動(dòng)功能，并且使致動(dòng)器與機(jī)構(gòu)、系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合已經(jīng)成為超聲致動(dòng)器的重要研究方向。此外，利用不同模態(tài)復(fù)合激勵(lì)的超聲致動(dòng)器多數(shù)存在模態(tài)簡(jiǎn)并問(wèn)題，簡(jiǎn)并的效果直接影響著致動(dòng)器的輸出性能。因此，在設(shè)計(jì)階段有效簡(jiǎn)化模態(tài)簡(jiǎn)并過(guò)程并且保障簡(jiǎn)并效果，是超聲致動(dòng)器領(lǐng)域需要

2、進(jìn)一步研究的問(wèn)題。
　　本文圍繞超聲致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)點(diǎn)的橢圓運(yùn)動(dòng)形態(tài)及低剛度梁連接組合式致動(dòng)器展開(kāi)研究，采用以低剛度梁連接換能器的方式構(gòu)造超聲振子，針對(duì)連接梁建立數(shù)學(xué)模型，以振子驅(qū)動(dòng)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)形態(tài)為主要研究對(duì)象，分析驅(qū)動(dòng)點(diǎn)的橢圓運(yùn)動(dòng)形態(tài)的產(chǎn)生及調(diào)節(jié)方法，形成了理論基礎(chǔ)。通過(guò)理論、有限元仿真、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證三者相結(jié)合的方法，研制了單驅(qū)動(dòng)點(diǎn)、雙驅(qū)動(dòng)點(diǎn)及多驅(qū)動(dòng)點(diǎn)致動(dòng)的新型超聲致動(dòng)器原理樣機(jī)，分別實(shí)現(xiàn)了兩自由度、雙輸出及單自由度致動(dòng)功能，達(dá)到了驗(yàn)證理論正

3、確性、簡(jiǎn)化模態(tài)簡(jiǎn)并過(guò)程或避免模態(tài)簡(jiǎn)并問(wèn)題、獲得新的致動(dòng)特性等目的。
　　超聲致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)形態(tài)決定了致動(dòng)器的輸出特性。為了確定驅(qū)動(dòng)點(diǎn)的橢圓運(yùn)動(dòng)形態(tài)的產(chǎn)生及調(diào)節(jié)方法，首先分析了壓電陶瓷的特性、梁的振動(dòng)模式以及梁受壓電陶瓷激振的原理；接著研究了單一換能器在空間不同平面內(nèi)構(gòu)造驅(qū)動(dòng)點(diǎn)橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡，從而實(shí)現(xiàn)致動(dòng)功能的方法；為了便于模態(tài)簡(jiǎn)并、避免換能器振動(dòng)模態(tài)相互干擾，采用低剛度梁連接多個(gè)換能器的方式構(gòu)造振子，并設(shè)計(jì)了兩種梁結(jié)構(gòu)，建立梁的

4、數(shù)學(xué)模型，分析其驅(qū)動(dòng)點(diǎn)空間各平面橢圓運(yùn)動(dòng)形態(tài)的構(gòu)造方法及主要影響因素。以上內(nèi)容的研究為構(gòu)造驅(qū)動(dòng)點(diǎn)具有預(yù)期橢圓運(yùn)動(dòng)形態(tài)的多換能器組合結(jié)構(gòu)超聲致動(dòng)器確立了理論基礎(chǔ)。
　　超聲致動(dòng)器的多功能化的體現(xiàn)之一是多自由度驅(qū)動(dòng)功能的實(shí)現(xiàn)。為此，以兩自由度致動(dòng)為目的，對(duì)單驅(qū)動(dòng)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)形態(tài)及致動(dòng)器激勵(lì)方法進(jìn)行了研究，并研制了采用單點(diǎn)致動(dòng)的兩款新型超聲致動(dòng)器原理樣機(jī)，采用多模態(tài)激勵(lì)、模態(tài)切換的方式產(chǎn)生并調(diào)整驅(qū)動(dòng)點(diǎn)的橢圓運(yùn)動(dòng)形態(tài)，分別實(shí)現(xiàn)了單自由度致動(dòng)、兩

5、自由度致動(dòng)功能，從而驗(yàn)證了基于低剛度三角梁連接方式產(chǎn)生及調(diào)節(jié)超聲致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)點(diǎn)橢圓運(yùn)動(dòng)形態(tài)的方法的有效性、低剛度梁與鏡像對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)相結(jié)合構(gòu)造振子對(duì)簡(jiǎn)化模態(tài)簡(jiǎn)并過(guò)程的作用。
　　超聲致動(dòng)器的多功能化還可以體現(xiàn)為采用一個(gè)致動(dòng)器實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)動(dòng)子的驅(qū)動(dòng)。面向小型雙轉(zhuǎn)子機(jī)構(gòu)，提出并采用了單振子多點(diǎn)組合、協(xié)調(diào)致動(dòng)的方式，對(duì)雙驅(qū)動(dòng)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)形態(tài)及致動(dòng)器的激勵(lì)方法進(jìn)行了研究，研制了采用雙驅(qū)動(dòng)點(diǎn)致動(dòng)的新型超聲致動(dòng)器原理樣機(jī)，分析了致動(dòng)器工作原理及驅(qū)動(dòng)點(diǎn)橢圓

6、運(yùn)動(dòng)形態(tài)的產(chǎn)生及調(diào)節(jié)方法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定了致動(dòng)器振動(dòng)特性及致動(dòng)特性。該致動(dòng)器可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)轉(zhuǎn)子并且能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)子同向、反向及異速運(yùn)動(dòng)。
　　研究發(fā)現(xiàn)，利用旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的兩個(gè)相同正交振動(dòng)模態(tài)復(fù)合激勵(lì)致動(dòng)器可有效避免模態(tài)簡(jiǎn)并問(wèn)題。為了充分利用該特性，實(shí)現(xiàn)單自由度旋轉(zhuǎn)致動(dòng)功能，研制了具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的振子及旋轉(zhuǎn)致動(dòng)器原理樣機(jī)，結(jié)合有限元仿真對(duì)多點(diǎn)組合驅(qū)動(dòng)的方式、致動(dòng)器工作原理、驅(qū)動(dòng)點(diǎn)橢圓運(yùn)動(dòng)形態(tài)的產(chǎn)生及調(diào)節(jié)方法進(jìn)行了研究，驗(yàn)證了基于低剛度