氣動系統(tǒng)的螺旋式超聲運(yùn)動控制機(jī)構(gòu)及其應(yīng)用研究.pdf

1、以壓縮空氣為工作介質(zhì)的氣動技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,但是由于氣體介質(zhì)的可壓縮性大以及非線性嚴(yán)重,導(dǎo)致氣動系統(tǒng)的定位精度較低以及低速運(yùn)動時易爬行等問題,限制了氣動技術(shù)的發(fā)展。針對這一問題,本文提出了一種采用新型工作原理的螺旋式超聲解鎖與速度控制機(jī)構(gòu)(文中命名為超聲運(yùn)動控制機(jī)構(gòu)),將其應(yīng)用到氣動控制系統(tǒng)中,目的在于改善氣動系統(tǒng)的定位精度與速度控制能力。
　　通過對超聲振動的減摩效應(yīng)與超聲驅(qū)動作用的機(jī)理分析,得出超聲運(yùn)動控制機(jī)

2、構(gòu)提出的理論與實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。超聲運(yùn)動控制機(jī)構(gòu)主要由超聲振子與螺紋輸出軸組成,在超聲振動的減摩效應(yīng)與超聲驅(qū)動的共同作用下,控制超聲振子同螺紋輸出軸間摩擦系數(shù),提供二者間相對運(yùn)動趨勢,實(shí)現(xiàn)螺旋式傳動副的自鎖與解鎖狀態(tài)轉(zhuǎn)換以及速度控制的功能。
　　通過定義螺紋距徑比、摩擦系數(shù)剩余率以及判定系數(shù)的概念,分析了螺紋參數(shù)與摩擦系數(shù)對超聲運(yùn)動控制機(jī)構(gòu)的自鎖與解鎖狀態(tài)的影響規(guī)律。分析結(jié)果表明,當(dāng)判定系數(shù)大于1時,超聲運(yùn)動控制機(jī)構(gòu)處于解鎖狀態(tài);選擇大的

3、螺紋距徑比,減小摩擦系數(shù)剩余率,有利于機(jī)構(gòu)的解鎖設(shè)計(jì)。通過建立該機(jī)構(gòu)的電壓-速度控制特性的數(shù)學(xué)模型,得出其具有承載能力大、輸出速度線性可控的特點(diǎn)。
　　考慮轉(zhuǎn)動慣量與剪切變形的影響,對自由約束彎曲振動梁的共振頻率計(jì)算公式進(jìn)行了修正,擴(kuò)展了頻率計(jì)算公式的適用范圍。采用有限元仿真與實(shí)驗(yàn)測試的方法,驗(yàn)證了理論分析結(jié)果的正確性。以修正公式為理論基礎(chǔ),建立了用于描述彎曲振動梁的固有振動特性的諧振曲線的數(shù)學(xué)模型,為開展彎曲振動模態(tài)超聲振子的振

4、動特性研究提供了理論基礎(chǔ)。
　　通過對壓電片貼片式彎曲振動模態(tài)超聲振子的布片激振方式進(jìn)行分析,研究了壓電元件的布片位置與布片長度對超聲振子輸出性能的影響規(guī)律。得出壓電片的布片位置位于超聲振子振動的中心波腹處,布片長度不宜超過兩個振動節(jié)點(diǎn)間距離為合理的布片方式。采用有限元分析的方法,驗(yàn)證了理論分析結(jié)果的正確性,為開展柱狀彎曲振動模態(tài)超聲振子的設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)。
　　實(shí)現(xiàn)了兩種不同結(jié)構(gòu)與激振模式的超聲運(yùn)動控制機(jī)構(gòu)原型樣機(jī)的研制

5、。一種為行波單波長超聲運(yùn)動控制機(jī)構(gòu),超聲振子采用黃銅材料的中空方柱型結(jié)構(gòu),自重24g,尺寸為長×寬×內(nèi)徑為20mm×8mm×M4mm;另一種為行波三波長超聲運(yùn)動控制機(jī)構(gòu),超聲振子采用外表面加工有十二棱面的中空柱狀多面體結(jié)構(gòu),材料為45號鋼,自重206g,尺寸為長×寬×內(nèi)徑為36mm×46mm×Tr38mm。
　　通過定義轉(zhuǎn)折負(fù)載、穩(wěn)態(tài)速度以及載重比的概念,開展了超聲運(yùn)動控制機(jī)構(gòu)在質(zhì)量負(fù)載下的實(shí)驗(yàn)研究。兩臺樣機(jī)均可實(shí)現(xiàn)螺旋式傳動機(jī)構(gòu)

6、的自鎖與解鎖狀態(tài)轉(zhuǎn)換功能。通過調(diào)節(jié)激勵電壓,可實(shí)現(xiàn)對機(jī)構(gòu)輸出速度的線性控制。單波長超聲運(yùn)動控制機(jī)構(gòu)的激振頻率為49.30kHz,激勵電壓有效值7V時,載重比為30:1以上;三波長超聲運(yùn)動控制機(jī)構(gòu)的激振頻率為42.90kHz,激勵電壓有效值14V時,可獲得80:1以上的載重比能力。
　　將三波長超聲運(yùn)動控制機(jī)構(gòu)應(yīng)用于氣動控制系統(tǒng)中,實(shí)現(xiàn)了一套帶有超聲運(yùn)動控制機(jī)構(gòu)的新型氣動控制系統(tǒng),測試了該系統(tǒng)的定位與速度控制特性。測試結(jié)果表明,通過