低剛度梁連接組合式超聲致動器及其驅(qū)動點運動形態(tài)研究.pdf

1、壓電超聲致動器具有直接驅(qū)動、響應(yīng)速度快、無電磁干擾、定位精度高、結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計靈活等特點，可廣泛應(yīng)用于航空航天、光學儀器、微機電系統(tǒng)、機器人、半導體制造、醫(yī)療器械等領(lǐng)域。目前，豐富超聲致動器的致動功能，并且使致動器與機構(gòu)、系統(tǒng)有機結(jié)合已經(jīng)成為超聲致動器的重要研究方向。此外，利用不同模態(tài)復合激勵的超聲致動器多數(shù)存在模態(tài)簡并問題，簡并的效果直接影響著致動器的輸出性能。因此，在設(shè)計階段有效簡化模態(tài)簡并過程并且保障簡并效果，是超聲致動器領(lǐng)域需要

2、進一步研究的問題。
　　本文圍繞超聲致動器驅(qū)動點的橢圓運動形態(tài)及低剛度梁連接組合式致動器展開研究，采用以低剛度梁連接換能器的方式構(gòu)造超聲振子，針對連接梁建立數(shù)學模型，以振子驅(qū)動點運動形態(tài)為主要研究對象，分析驅(qū)動點的橢圓運動形態(tài)的產(chǎn)生及調(diào)節(jié)方法，形成了理論基礎(chǔ)。通過理論、有限元仿真、實驗驗證三者相結(jié)合的方法，研制了單驅(qū)動點、雙驅(qū)動點及多驅(qū)動點致動的新型超聲致動器原理樣機，分別實現(xiàn)了兩自由度、雙輸出及單自由度致動功能，達到了驗證理論正

3、確性、簡化模態(tài)簡并過程或避免模態(tài)簡并問題、獲得新的致動特性等目的。
　　超聲致動器的驅(qū)動點運動形態(tài)決定了致動器的輸出特性。為了確定驅(qū)動點的橢圓運動形態(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)動點橢圓運動軌跡，從而實現(xiàn)致動功能的方法；為了便于模態(tài)簡并、避免換能器振動模態(tài)相互干擾，采用低剛度梁連接多個換能器的方式構(gòu)造振子，并設(shè)計了兩種梁結(jié)構(gòu)，建立梁的

4、數(shù)學模型，分析其驅(qū)動點空間各平面橢圓運動形態(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)動點具有預期橢圓運動形態(tài)的多換能器組合結(jié)構(gòu)超聲致動器確立了理論基礎(chǔ)。
　　超聲致動器的多功能化的體現(xiàn)之一是多自由度驅(qū)動功能的實現(xiàn)。為此，以兩自由度致動為目的，對單驅(qū)動點運動形態(tài)及致動器激勵方法進行了研究，并研制了采用單點致動的兩款新型超聲致動器原理樣機，采用多模態(tài)激勵、模態(tài)切換的方式產(chǎn)生并調(diào)整驅(qū)動點的橢圓運動形態(tài)，分別實現(xiàn)了單自由度致動、兩

5、自由度致動功能，從而驗證了基于低剛度三角梁連接方式產(chǎn)生及調(diào)節(jié)超聲致動器的驅(qū)動點橢圓運動形態(tài)的方法的有效性、低剛度梁與鏡像對稱結(jié)構(gòu)相結(jié)合構(gòu)造振子對簡化模態(tài)簡并過程的作用。
　　超聲致動器的多功能化還可以體現(xiàn)為采用一個致動器實現(xiàn)對多個動子的驅(qū)動。面向小型雙轉(zhuǎn)子機構(gòu)，提出并采用了單振子多點組合、協(xié)調(diào)致動的方式，對雙驅(qū)動點運動形態(tài)及致動器的激勵方法進行了研究，研制了采用雙驅(qū)動點致動的新型超聲致動器原理樣機，分析了致動器工作原理及驅(qū)動點橢圓

6、運動形態(tài)的產(chǎn)生及調(diào)節(jié)方法，通過實驗測定了致動器振動特性及致動特性。該致動器可以同時驅(qū)動兩個轉(zhuǎn)子并且能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)子同向、反向及異速運動。
　　研究發(fā)現(xiàn)，利用旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)的兩個相同正交振動模態(tài)復合激勵致動器可有效避免模態(tài)簡并問題。為了充分利用該特性，實現(xiàn)單自由度旋轉(zhuǎn)致動功能，研制了具有旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)的振子及旋轉(zhuǎn)致動器原理樣機，結(jié)合有限元仿真對多點組合驅(qū)動的方式、致動器工作原理、驅(qū)動點橢圓運動形態(tài)的產(chǎn)生及調(diào)節(jié)方法進行了研究，驗證了基于低剛度