循軌摩擦振動執(zhí)行器的機理與運行特性研究.pdf

1、旋轉摩擦焊接和線性摩擦焊接是特殊的固態(tài)連接加工技術，具有能耗低、無污染、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點，但產(chǎn)熱量不均勻的不足限制了其進一步應用。循軌摩擦焊接兼顧了旋轉摩擦焊接和線性摩擦焊接的優(yōu)點，又具有產(chǎn)熱量均勻的特點，近年來得到迅速發(fā)展。循軌摩擦振動執(zhí)行器(Orbital Friction Vibration Actuator, OFVA)作為循軌摩擦振動焊機的主要執(zhí)行部件，具有重要的研究價值。但是，循軌摩擦振動執(zhí)行器的磁路結構較為特殊，其計算和分

2、析具有特殊性，目前對其研究較少。本文以電磁式和永磁式循軌摩擦振動執(zhí)行器為研究對象，對該執(zhí)行器的機理、振動特性、電磁力特性和動態(tài)運行特性等問題進行了研究。
　　對循軌摩擦振動執(zhí)行器的機理進行了研究。推導了循軌摩擦振動執(zhí)行器產(chǎn)生橢圓形和圓形運動所需的電磁力表達式，并在此基礎上，進一步推導了空載和負載時循軌摩擦振動執(zhí)行器的系統(tǒng)振幅放大因子表達式，分析了振幅放大因子隨振動頻率的變化關系和影響系統(tǒng)振幅的主要因素。分析結果表明，空載時，XY方

3、向上的振幅放大因子表達式是一致的；負載時，振幅放大因子表達式與空載時的表達式具有一定比例關系。
　　對電磁式循軌摩擦振動執(zhí)行器的運行特性進行了研究。在三維有限元數(shù)值計算結果的基礎上，建立了由三相對稱正弦電流源和電壓源驅動的仿真模型。分析了執(zhí)行器所產(chǎn)生圓形運動軌跡的誤差。計算結果表明，當系統(tǒng)振幅相同時，在電壓源驅動下執(zhí)行器所產(chǎn)生圓形運動軌跡的誤差小于電流源驅動。對電磁式循軌摩擦振動執(zhí)行器的運行特性進行了計算和分析。分析結果表明，在相

4、同的振動頻率下，隨著電流幅值的增大，系統(tǒng)振幅逐漸增大。樣機靜態(tài)電磁力-位移特性和運行特性的實驗驗證了仿真結果正確性。
　　提出了一種用于焊接金屬零件的永磁式循軌摩擦振動執(zhí)行器(Permanent Manget Orbital Friction Vibration Actuator, PMOFVA)結構。根據(jù)執(zhí)行器的結構特點，將其電磁場模型簡化為單相永磁式摩擦振動執(zhí)行器(Permanent Manget Friction Vibra

5、tion Actuator, PMFVA)，其在本質上類似于永磁直線振蕩執(zhí)行器(Permanent Magnet Linear Oscillating Actuator, PMLOA)。對比分析了采用五種磁極結構時極弧系數(shù)對單相永磁式摩擦振動執(zhí)行器單元電磁推力的影響。分析結果表明，當磁極結構采用準 Halbach陣列時，執(zhí)行器單元可產(chǎn)生較大的電磁推力和較小的定子鐵心損耗。分析了單相永磁式摩擦振動執(zhí)行器的結構參數(shù)對電磁推力及其波動量的影響

6、規(guī)律。最后，采用三維有限元法計算了單相永磁式摩擦振動執(zhí)行器的靜態(tài)電磁力-位移特性和電流-電磁推力特性，并進行實驗驗證。
　　對永磁式循軌摩擦振動執(zhí)行器的運行特性進行了研究。在三維有限元數(shù)值計算結果的基礎上，建立了由兩相對稱正弦電流源和電壓源驅動的仿真模型。分析了在電流源和電壓源驅動方式下執(zhí)行器所產(chǎn)生圓形運動軌跡的誤差。研究結果表明，在電壓源驅動下，執(zhí)行器所產(chǎn)生圓形運動軌跡的誤差明顯小于電流源驅動。對永磁式循軌摩擦振動執(zhí)行器的運行特