弯振复合型超声驱动器振动特性研究

振动与冲击　Ｖ０１．３２　Ｎｏ．１　２０１３　第３２卷第１期　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＶＩＢＲＡＴＩＯＮ　ＡＮＤ　ＳＨＯＣＫ　弯振复合型超声驱动器振动特性研究　刘英想，陈维山，冯培连，刘军考　（哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室，哈尔滨１５０００１）　摘　要：为了避免模态复合型超声驱动器中普遍存在的频率简并问题，提出了一种新型的弯振复合型超声驱动　器。该驱动器采用压电金属复合梁两个正交弯振模态的复合在两个驱动足处激励出椭圆轨迹振动。对该驱动器的振动　特性进行深入研究，旨在获得驱动区域质点的真实运动轨迹。首先，建立了矩形截面梁在弯振复合模态下末端区域质点　振动轨迹的数学模型；然后，借助有限元瞬态分析，对驱动足振动轨迹进行仿真，实现对所建立振动轨迹数学模型的验证。　振动轨迹方程和仿真结果均表明：两个驱动足表面质点振动轨迹均为三维的椭圆，垂直于驱动器轴线的平面内的椭圆振　动更适合用于致动输出。最后，分析了该驱动器存在的不足之处，提出了一种改进方案，采用对称设置压电陶瓷片实现两　个驱动足振动特性的一致；通过瞬态分析在两个驱动足处得到了一致的振动轨迹，改进的样机实现了输出特性的显著　提高。　关键词：超声驱动器；弯振模态复合；振动特性；椭圆轨迹　中图分类号：ＴＭ３５９．４　文献标识码：Ａ　Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ａｎ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ａｃｔｕａｔｏｒ　ｗｉｔｈ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｂｅｎｄｉｎｇ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｓ　Ｌ／Ｕ　Ｙｉｎｇ—ｘｉａｎｇ，ＣＨＥＮ　Ｗｅｉ—ｓｈａｎ，ＦＥＮＧ　Ｐｅｉ—ｌｉａｎ，ＬＩＵ　Ｊｕｎ—ｋａｏ　（Ｓｔａｔｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｒｏｂｏｔｉｃｓ　ａｎｄ　Ｓｙｓｔｅｍ，Ｈａｒｂｉｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ　１５０００１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：　Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ａｖｏｉｄ　ｍｏｄａｌ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｄｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｃｏｍｍｏｎｌｙ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｉｎ　ａｎ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ａｃｔｕａｔｏｒ　ｗｉｔｈ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｓ，ａｎ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ａｃｔｕａｔｏｒ　ｗｉｔｈ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｂｅｎｄｉｎｇ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｓ　ｗａｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ　ａｎｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｎｅｗ　ｄｅｓｉｇｎ，ｔｗｏ　ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ　ｂｅｎｄｉｎｇ　ｍｏｄｅｓ　ｏｆ　ａ　ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ—ｍｅｔａｌ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｂｅａｍ　ｗｅｒｅ　ｓｕｐｅｒｉｍｐｏｓｅｄ　ｔｏ　ｐｒｏｄｕｃｅ　ｅｌｌｉｐｔｉｃａｌ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎｓ　ｏｎ　ｉｔｓ　ｔｗｏ　ｄｒｉｖｉｎｇ　ｆｅｅｔ．Ｔｈｅ　ｒｅａｌ　ｍｏｔｉｏｎ　ｔｒａｊｅｃｔｏｒｉｅｓ　ｏｆ　ｐａｒｔｉｃｌｅｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｄｒｉｖｉｎｇ　ｒｅｇｉｏｎ　ｗｅｒｅ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｓｔｕｄｙｉｎｇ　ｔｈｅ　ａｃｔｕａｔｏｒ’Ｓ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ　ｅｑｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａ　ｐａｒｔｉｃｌｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｔｉｐ　ｅｎｄ　ｏｆ　ａ　ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ　ｂｅａｍ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｂｅｎｄｉｎｇ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｓ　ｗａｓ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅ　ＦＥ　ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｗａｓ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ｔｏ　ｇａｉｎ　ｔｈｅ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｔｒａｊｅｃｔｏｒｉｅｓ　ｏｆ　ｎｏｄｅｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｄｒｉｖｉｎｇ　ｆｅｅｔ，ｔｈｅｙ　ｖｅｒｉｉｆｅｄ　ｔｈｅ　ｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｕｉｌｔ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ　ｅｑｕａｔｉｏｎ．Ｂｏｔｈ　ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｙ　ａｎｄ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｉｎｄｉｃａｔｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｍｏｔｉｏｎ　ｔｒａｊｅｃｔｏｒｉｅｓ　ｏｆ　ｐａｒｔｉｃｌｅｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｄｒｉｖｉｎｇ　ｆｅｅｔ　ａｒｅ　ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｅｌｌｉｐｓｅｓ；ｔｈｅ　ｅｌｌｉｐｔｉｃａｌ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｌａｎｅ　ｔｈａｔ　ｉｓ　ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ　ｔｏ　ｔｈｅ　ａｘｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｃｔｕａｔｏｒ　ｉｓ　ｍｏｒｅ　ｓｕｉｔａｂｌｅ　ｆｏｒ　ａｃｔｕａｔｉｎｇ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ　ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｃｔｕａｔｏｒ　ｗａｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｓｃｈｅｍｅ　ｔｏ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｔｗｏ　ｆｅｅｔ　ｗｉｔｈ　ａ　ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ　ｓｅｔｔｉｎｇ　ｏｆ　ＰＺＴ　ｃｅｒａｍｉｃｓ　ｗａｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｒｅｖｅａｌｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｅｌｌｉｐｓｅｓ　ａｒｅ　ｐｒｏｄｕｃｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｔｗｏ　ｆｅｅｔ，ｔｈｅ　ｍｏｄｉｉｆｅｄ　ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ　ｈａｓ　ｌａｒｇｅｒ　ｓｐｅｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｒｕｓｔ　ｏｒｅｅ．ｆ　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ａｃｔｕａｔｏｒ；ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｂｅｎｄｉｎｇ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｓ；ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ；ｅｌｌｉｐｔｉｃａｌ　ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ　超声驱动器（ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ａｃｔｕａｔｏｒ）是一种利用压电　材料的逆压电效应将电能转化为机械能的新型驱动　械臂关节、空间设备、高精度坐标平台等领域的直接驱　动。但是，目前成熟的贴片式超声驱动器尚未具备直　接驱动所需的机械输出能力。　夹心结构的压电超声驱动器是实现机械输出能力　提升的一个很好的解决方案。该类驱动器采用压电陶　器。与传统电磁电机相比，超声驱动器具有低速大转　矩（推力）、功率密度高、定位精度高、响应速度快、断电　自锁、可不使用轴承和润滑、无电磁干扰和不受电磁干　扰等优点¨　Ｊ。大力矩超声驱动器可用于实现空间机　基金项目：国家自然科学基金项目（５０８７５０５７，５１１０５０９７）；机器人技术与　瓷高机电耦合效率的ｄ，　模式工作，可有效的改善能量　的转换效率；压电陶瓷采用螺栓预紧方式施加预应力，　成功解决了贴片式超声驱动器中胶层所存在的各种问　题；该驱动器可采用高幅电压进行激励，有利于提高驱　系统国家重点实验室自主课题（ｓＫＬＲｓ２ｏｏ９０ｌＡｏ４）　收稿日期：２０１ｌ一１２一Ｏ９修改稿收到日期：２０１２一Ｏ１—１２　第一作者刘英想男，博士，讲师，１９８２年６月生　动区域振动强度并改善机械输出特性。近年来国内外　２６　振动与冲击　２０１３年第３２卷　学者ｌ４　将研究重点转移到这一领域，提出并研制了　多种新构型的超声驱动器。Ｃｈｅｎ等　将研究重点　放在夹心结构超声驱动器上，取得了一系列的研究　成果。　但是，分析前人研究成果不难发现，夹心式超声驱　动器绝大多数通过采用两个或多个异型振动模态的复　合实现驱动区域椭圆振动轨迹的激励，这使得其设计　过程中首先面临的一个问题就是各个模态特征频率之　间的简并，给驱动器结构带来了很大限制；使得驱动器　设计繁琐，难以实现系列化和实用化。此外，对于模态　复合型夹心式超声驱动器　＇ｍ＇＂　而言，在选择基本振　动模态时往往从特征频率易于实现简并的角度出发而　选择了高阶的振动模态；这使得驱动器实际工作时无　法同时实现两个或者多个异型振动模态的高转换效率　的激励。而模态简并问题的存在使得其构型优化受到　诸多限制，难以实现机电耦合环节中能量的最有效　转换。　针对夹心式超声驱动器存在的上述问题，Ｃｈｅｎ　等＿ｌ刮提出并研制了一种弯振复合型压电金属复合梁式　超声驱动器，其结构如图１所示。该驱动器采用两个　正交二阶弯振的复合在驱动足区域合成出椭圆轨迹的　振动，进而通过驱动足和导轨问的摩擦力实现直线致　动。由于采用同型的弯振模态，该驱动器只需保证结　构的对称性就可以满足两个模态特征频率之间的一　致，给结构的设计带来很大的灵活性，便于根据实际的　空间限制和输出特性要求进行设计。这一特性对进一　步扩展超声驱动器的应用领域并实现实用化具有十分　积极的意义。样机测试结果表明：该驱动器在２００　。　激励电压下最高速度为１　１８２　ｍｍ／ｓ，最大推力为４５　Ｎ；　测试结果充分展示了该驱动器在输出特性上的优势。　本文在前期研究的基础上，对该驱动器的振动特性进　行深入研究。　图１　弯振复合型超声驱动器结构图　Ｆｉｇ．１　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ａｃｔｕａｔｏｒ　ｕｓｉｎｇ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｂｅｎｄｉｎｇ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｓ　１　弯振复合模态下梁末端质点振动轨迹　为了获得弯振复合型超声驱动器驱动足的振动特　性，本文首先建立矩形截面梁在两个同阶正交弯振模　态组合下末端质点的振动轨迹方程。图２中ｄ肋为梁　在ＸＯＺ平面内的弯曲振动引起的　点在ＯＸ方向简谐　振动，ｄ如为梁在ＹＯＺ平面内的弯曲振动引起的Ｐ。点在　ＯＹ方向简谐振动，ｄ朋（ｔ）和ｄ阳（ｔ）可以表达为：　ｄ朋（ｔ）＝Ｄ　ｓｉｎ（　ｔ＋Ｏｔ）］　，，、　ｄｙ０（ｔ）＝Ｄｙｓｉｎ（０９　ｔ＋　）Ｊ　其中：Ｄ　，Ｄ　分别为Ｐ。点在ＯＸ，ＯＹ方向简谐振动振幅，　Ｏｌ，　分别为两个简谐振动各自初始相位，　为复合梁　弯振模态特征频率，　为时间。　图２弯振复合原理示意图　Ｆｉｇ．２　Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｂｅｎｄｉｎｇ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎｓ　当　一Ｏｌ＝耵／２时，Ｐ。点合振动的运动轨迹满足　方程：　㈡２＋㈥　＝　（２）　式（２）表明：当梁上两个同阶正交弯振组合时，若两个　振动在时间上具有９０。的相位差，梁末端质点在ＸＯＹ　平面的振动轨迹为椭圆，如图２中虚线椭圆所示。　图２中，Ｐ　、Ｐ：和Ｐ，三个点为梁末端边沿点，不同　于Ｐ　点之处在于梁弯曲振动模态会引起这三个点沿轴　线方向（ＯＺ方向）的位移。对于Ｐ　、Ｐ：和Ｐ　三个点而　言，其合振动为三个相互正交的同频简谐振动的复合。　假设梁弯曲振动不会引起中性面上质点的轴向位移，　取Ｄ　为梁弯曲振动时在末端边沿上质点引起的轴向振　动的振幅，则Ｐ．、Ｐ　和Ｐ　三个点的振动可由如下公式　给出：　ｄ　（ｔ）＝Ｄ　ｓｉｎ（　＋Ｏｔ）　１　ｄ’１（　）＝Ｄｙｓｉｎ（　＋／３）　｝　（３）　ｄｚ１（ｔ）＝Ｄｚｓｉｎ（　ｔ＋　）一Ｄｚｓｉｎ（ｃｃ，　ｔ＋　）Ｊ　ｄ　（ｔ）＝Ｄ　ｓｉｎ（　ｔ＋ＯＬ）　、　ｄ’２（ｔ）＝Ｄｙｓｉｎ（　ｔ＋／３）　ｌ　（４）　ｄ　（ｔ）＝Ｄｚｓｉｎ（Ｏ９　ｔ＋Ｏｔ）　Ｊ　ｄ船（　）＝Ｄ　ｓｉｎ（　ｔ＋ＯＬ）　１　ｄｎ（ｔ）＝Ｄｙｓｉｎ（６０　ｔ＋／３）　｝　（５）　ｄ　（ｔ）＝Ｄｚｓｉｎ（　ｔ＋　）＋Ｄｚｓｉｎ（　ｔ＋卢）Ｊ　式（３）～式（５）表明：Ｐ　、Ｐ　和Ｐ　三个点在ＸＯＹ平　面的振动轨迹为相同的椭圆；在ＹＯＺ和ＸＯＺ平面内三　第１期　刘英想等：弯振复合型超声驱动器振动特性研究　２７　点的振动轨迹并不一致。为了更为直观的分析各个点　图４（ｂ）、（ｄ）表明，两个驱动面内节点在ＸＯＹ平　的振动轨迹，取Ｄ　＝Ｄ　＝１０　Ｉｘｍ、Ｏ／＝０。、ＪＢ＝９０。，图３　面的振动轨迹为椭圆，并且椭圆主轴方向为ＯＸ和ＯＹ　给出了不同轴向振幅Ｄ　下Ｐ　、Ｐ　和Ｐ　三个点在ＹＯＺ和　方向。这与式（２）得到的结果一致，验证了通过两个正　ＸＯＺ平面内的振动轨迹。　交弯曲振动的复合可实现在驱动足位置合成椭圆轨迹　图３中振动轨迹表明：梁端面边沿节点在ＹＯＺ和　的振动。对于一侧驱动表面上的六个节点，与ＸＯＹ平　ＸＯＺ平面内的振动轨迹均为椭圆（其中斜线可看作一　面距离相等的节点的振动轨迹具有良好的一致性。　个主轴长度为０的椭圆）；在ＸＯＺ平面内三个节点振　动轨迹均为倾斜的椭圆，并且两个端点振动轨迹重合；　在ＹＯＺ平面内三个节点振动轨迹不一致性十分明显，　：　≯　，　中心位置质点振动轨迹椭圆主轴方向为ＯＺ和ＯＹ方　鬈　向，两侧质点振动轨迹均为倾斜的椭圆，并且两个斜椭　圆的主轴方向相对于ＯＺ和ＯＹ轴具有对称性。　０—８－６—４－２　０　２　４　６　８　１０　．１０．８．６．４．２　０　２　４　６　８】０　朋也方向位拗　ｍ　ｙ轴方向位移，　ｍ　２　弯振复合型超声驱动振动特性仿真　（ａ）Ｄｚ＝１　４　根据所设计的结构参数，首先建立驱动器有限元　模型，通过模态分析得到了两个正交二阶弯振模态特　量：３　征频率分别为２２．７６０　ｋＨｚ和２２．７６９　ｋＨｚ。两个特征频　蔫　唇．１　率之问９　Ｈｚ的差值主要是由弹性薄壁支撑结构对两个　：　弯振模态影响的不一致性引起的。进一步通过瞬态分析　．４　—对驱动器振动特性进行考察分析。瞬态分析条件：两相　１０—８・６—４—２　０　２　４　６　８　ｌ０　．１０　８　６．４．２　０　２　４　６　８　１０　腊由方向位移　ｍ　ｙ轴方向位移，　ｍ　激励电压频率２２．７６５　ｋＨｚ、有效值１００　Ｖ、相位差，ｒｒ／２。　（ｂ）Ｄ　：２　ｍ时的振动轨迹　为了较为全面的反映驱动器的振动特性，每个驱动面各　图３不同条件下梁端面质点振动轨迹　选取６个节点，图４为对应节点的振动轨迹。　Ｆｉｇ．３　Ｍｏｔｉｏｎ　ｔｒａｊｅｃｔｏｒｉｅｓ　ｏｆ　ｐａｒｔｉｃｌｅｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｅｎｄ　ｏｆ　ｂｅａｍ　ｌＯ　—・卜・Ｐ　８　６　驱动足一Ａ　电陶瓷．Ａ　呈４　李　——●一　Ｐ＾　蠢２　十Ｐｄ　Ｐ　０　２　＋Ｐ６　蔫．４　‘　－６　－８　‘—１０　≥　毋　一ｌ０－８－６－４．２　０　２　４　６　８　１０　砖１ｌｌ方向位移　ｍ　（ａ）节点选取示意图　（ｂ）驱动足　上节点在　ｙ平面振动轨迹　—　—－－一Ｔ　Ｉ：ｆ　ｆ　｝’｝　｛　，　｛　Ｉ：　—－－一Ｔ　蘑：　．　—卜　确叠　＋Ｔ＾　—●一Ｔ　十Ｌ　：　—十Ｌ，●　。Ｔ，　　：，　　、：．謇……………　…‘’………　雾　：　—＋　■一Ｔ　Ｖ　．　＋　：羹　；，　＋　。　：　‘　０　０．．　薯‘薯　－ｌ０．８・６－４．２　０　２　４　６　８　ｌＯ　・ｌ０・８－６　４－２　０　２　４　６　８　ｌ０　－ｌ０・８・６＿４・２　Ｏ　２　４　６　８　Ｊ０　朋曲方向位移／ｉｘｍ　＝ＩｌＩ方向位移　ｍ　础方向位移　ｍ　（Ｃ）驱动足—　上节点　（ｄ）驱动足一占上节点　（ｅ）驱动足　上节点　在　ｚ平面振动轨迹　在　）ｙ平面振动轨迹在　）Ｚ平面振动轨迹　图４驱动器振动特性　Ｆｉｇ．４　Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｃｔｕａｔｏｒ　２８　振动与冲击　２０１３年第３２卷　图４（ｃ）、（ｅ）表明，两个驱动面内节点在ＸＯＺ平面　的振动轨迹同样为椭圆，各个节点均存在ｚ轴方向的　振动，驱动足的实际振动轨迹为三维振动。节点ｚ轴　方向最大振幅为３．０　ｍ，仅为ＯＸ和ＯＹ方向的最大振　幅的３０％。同一驱动面内的各个节点在ＸＯＺ平面的　振动轨迹存在明显的不一致性，这种不一致性包含振　幅的不一致性和椭圆主轴方向的不一致性。振幅的不　一致性体现在两侧节点在ｚ轴方向振幅明显高于中间　节点振幅，并且外侧边线上三个节点在ｚ轴方向和　轴方向振幅均高于内侧三个节点振幅。椭圆主轴方向　的不一致性体现在同一驱动面上共线的三个节点中位　于中问位置的节点振动椭圆主轴方向为ＯＸ和ＯＺ方　向，而两侧两个节点振动椭圆为对称的倾斜椭圆，这与　图３分析结果实现了良好的吻合。本质上，驱动面内　节点在ｚ轴方向的位移是由驱动器的弯曲振动引起　的。综合考虑节点在ｚ轴方向振动的产生方式和强　度，该振动并不适合用于致动。因此，弯振复合型超声　驱动器实际工作时是利用驱动足在ＸＯＹ平面内的椭圆　振动来实现直线驱动。　３驱动器构型改进　通过进一步对比图４中的振动轨迹可以发现：驱　动足一Ａ上节点在ＯＸ和ＯＹ方向的最大振幅分别为　９．８　ｍ和８．９　ｍ，而驱动足一Ｂ上节点在ＯＸ和ＯＹ　方向的最大振幅分别为８．９　ｔｘｍ和９．８　ｍ。可见，两　个驱动足上相同位置节点的振动轨迹存在一定的不一　致性。这种不一致性是由压电陶瓷的非对称性设置引　起的。弯振陶瓷一Ａ设置在ｚ轴负方向，使得驱动足　一Ａ在ＯＸ方向振动强度略高于驱动足一Ｂ；弯振陶瓷　一Ｂ设置在ｚ轴正方向，使得驱动足一Ａ在ＯＹ方向振　动强度略低于驱动足一Ｂ。驱动器两个驱动足振动特　性的不一致会使得二者在相同预压力下的输出速度和　推力不一致，一定程度上会降低整体的机械输出特性。　针对这一问题，提出一种改进构型，如图５所示。与前　述构型的区别在于增加了一组弯振陶瓷一Ａ和一组弯　振陶瓷一Ｂ；其中，两组弯振陶瓷一Ａ分别设置在法兰　两侧，两个弯振陶瓷一Ｂ分别设置在弯振陶瓷一Ａ与变　幅杆之间。　针对所提出的改进构型，建立驱动器的有限元模　型。在所有电极面上施加零电压，进行模态分析，得到　两个二阶弯振模态的特征频率分别为２５．２６５　ｋＨｚ和　２５．２５２　ｋＨｚ。在模态分析基础上，通过瞬态分析对驱动　器振动特性进行考察分析。瞬态分析过程中，弯振陶　瓷一Ａ和弯振陶瓷一Ｂ所施加的两相交流电压频率为　２５．２５９　ｋＨｚ、有效值为１００　Ｖ、相位差为丌／２。为了与改　进前构型进行对比，同样选取如图４（ａ）所示的１２个节　点进行振动轨迹提取，得到对应节点的振动轨迹如图６　所刁　。　图６表明：两个驱动面内节点在ＸＯＹ平面的振动　轨迹为椭圆，并且椭圆主轴方向为ＯＸ和ＯＺ方向，这　与前述分析得到的结果一致。驱动足一　上节点在ＯＸ　和ＯＺ方向的最大振幅分别为１５．２　ｍ和１５．１　Ｉｘｍ，驱　动足一Ｂ上节点在ＯＸ和ＯＺ方向的最大振幅分别为　１５．２　ｍ和１５．１　ｍ。所得节点振动轨迹表明：改进的　弯振复合型超声驱动器有效的提高了驱动足的振动强　度；且两个驱动足振动轨迹具有良好的一致性，这都有　利于提高驱动器的机械输出特性。　基于上述结果，研制了如图５所示的改进型弯振　复合超声驱动器。初步测试结果表明：改进的驱动器　在２００　Ｖ　激励电压下最高速度为１　５２７　ｍｍ／ｓ，最大推　力达５０　Ｎ。这种机械输出特性的提升得益于驱动足振　动强度的提高和振动特性一致性的改善。　动　驱　弯振陶瓷．Ｂ　变幅杆　图５改进驱动器结构图　Ｆｉｇ．５　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｄｉｉｆｅｄ　ａｃｔｕａｔｏｒ　１６ｇ　１２　＿ｌ　＿　；：　－＋　８　呈　＝　霪　ｉ：　—●一　鎏４。　０一　—’　Ｔ　＋　唇　＋　－４：　　・：　一。｜　Ｉ　．。　罨　：一　ｉ＼　≮　÷¨　：　÷　：　一一　Ｐ　ｊｊ’　－Ｉ６－１２－８－４　０　４　８　Ｉ２　ｌ６　一１６－１２－８‘４　０　４　８　１２　ｌ６　腊由方向位移／Ｉｚｍ　由－方向位移／ｐ，ｍ　（ａ）驱动足　上节点　（ｂ）驱动足　上节点　在肋ｙ平面振动轨迹　在加ｙ平面振动轨迹　图６改进驱动器振动特性　Ｆｉｇ．６　Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｍｏｄｉｆｉｅｄ　ａｃｔｕａｔｏｒ　４　结论　本文以弯振复合型超声驱动器为研究对象，对其　振动特性进行了深入分析。首先建立了矩形截面梁在　弯振复合模态下末端区域质点振动轨迹方程，对质点　在三个坐标平面内的振动轨迹进行了分析；进一步通　过瞬态分析，提取了两个驱动足表面多个质点的振动　特性。所得振动轨迹表明：驱动区域质点在ＸＯＹ平面　内的振动轨迹具有较好的一致性；节点ｚ轴方向振幅　较微弱，仅为ＯＸ和ＯＹ方向的最大振幅的３０％；同　驱动面内的各个节点在ＸＯＺ平面的振动轨迹存在明显　的不一致性，这种不一致性包含振幅的不一致性和椭　第１期　刘英想等：弯振复合型超声驱动器振动特性研究　２９　圆主轴方向的不一致性；驱动足表面质点振动轨迹均　为三维的椭圆，但考虑到ｚ轴方向振动的产生方式和　强度，该方向振动并不适合用于致动。针对两个驱动　足在ＸＯＹ平面内的振动特性不一致的问题，提出了一　种弯振复合型超声驱动器的改进构型，通过增加弯振　压电陶瓷片的数量，实现了对称设置。瞬态分析所得　的振动轨迹表明，改进的超声驱动器在有效提高驱动　足振动强度的基础上实现了两个驱动足振动特性的　一致。　参考文献　［１］Ｕｅｈａ　Ｓ，Ｔｏｍｉｋａｗａ　Ｙ，Ｋｕｒｏｓａｗａ　Ｍ，ｅｔ　ａ１．Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｍｏｔｏｒｓ　ｔｈｅｏｒｙ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　［Ｍ］．　Ｏｘｆｏｒｄ：　Ｃｌａｒｅｎｄｏｎ　Ｐｒｅｓｓ，１９９３．　［２］赵淳生．超声电机技术与应用［Ｍ］．北京：科学出版　社，２００７．　［３］陈维山，赵学涛，刘军考，等．压电超声波马达发展现状　及研究方向［Ｊ］．电机与控制学报，２００６，１０（５）：　４９８—５０２　ＣＨＥＮ　Ｗｅｉ—ｓｈａｎ，ＺＨＡＯ　Ｘｕｅ—ｔａｏ，ＬＩＵ　Ｊｕｎ—ｋａｏ，ｅｔ　ａ１．Ａ　ｓｕｒｖｅｙ　ａｎｄ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｍｏｔｏｒ『Ｊ］．Ｅｌｅｃｔｉｒｃ　Ｍａｃｈｉｎｅｓ　ａｎｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ，２００６，１０（５）：４９８—５０２．　［４］Ｋｕｒｏｓａｗａ　Ｍ　Ｋ，Ｋｏｄａｉｒａ　Ｏ，Ｔｓｕｃｈｉｔｏｉ　Ｙ，ｅｔ　ａ１．Ｈｉｇｕｃｈｉ．　Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ　ｆｏｒ　ｈｉｇｈ　ｓｐｅｅｄ　ａｎｄ　ｌａｒｇｅ　ｔｈｒｕｓｔ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｌｉｎｅａｒ　ｍｏｔｏｒ　ｕｓｉｎｇ　ｔｗｏ　ｓａｎｄｗｉｃｈ　ｔｙｐｅ　ｖｉｂｒａｔｏｓｒ［Ｊ］．　ＩＥＥＥ　ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ，Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ，ａｎｄ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｃｏｎｔｒｏｌ，１９９８，４５（５）：１１８８—１１９５．　［５］Ａｓｕｍｉ　Ｋ，Ｆｕｋｕｎａｇａ　Ｒ，ＦｕｊｉｍｕｒａＴ，ｅｔ　１ａ．Ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａ　ｖ—ｓｈａｐｅ　ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｍｏｔｏｒ『Ｊ］．Ｊａｐａｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ，２ＯＯ９，４８（７）：０７ＧＭ０２—１—０７ＧＭ０２—５．　［６］Ｙｕｎ　Ｃ　Ｈ，Ｉｓｈｉｉ　Ｔ，Ｎａｋａｍｕｒａ　Ｋ，ｅｔ　ａ１．Ａ　ｈｉｇｈ　ｐｏｗｅｒ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｌｉｎｅａｒ　ｍｏｔｏｒ　ｕｓｉｎｇ　ａ　ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ　ａｎｄ　ｂｅｎｄｉｎｇ　ｈｙｂｒｉｄ　ｂｏｌｔ—ｃｌａｍｐｅｄ　Ｌａｎｇｅｖｉｎ　ｔｙｐｅ　ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ［Ｊ］．Ｊａｐａｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ，２００１，４０（５Ｂ）：３７７３—３７７６．　［７］Ｋｉｍ　Ｗ　Ｓ，Ｙｕｎ　Ｃ　Ｈ，Ｌｅｅ　Ｓ　Ｋ．Ｎａｎｏ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｏｆ　ａ　ｈｉｇｈ　ｐｏｗｅｒ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｌｉｎｅａｒ　ｍｏｔｏｒ　ｆ　Ｊ　１．Ｊａｐａｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ，２００８，４７（７）：５６８７—５６９２．　［８］Ｉｕｌａ　Ａ，Ｃｏｒｂｏ　Ａ，Ｐａｐｐａｌａｒｄｏ　Ｍ．ＦＥ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ａ　ｔｒａｖｅｌｌｉｎｇ　ｗａｖｅ　ｒｏｔａｒｙ　ｍｏｔｏｒ　ｄｒｉｖｅｎ　ｂｙ　ｈｉｇｈ　ｐｏｗｅｒ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ　［Ｊ］．Ｓｅｎｓｏｒｓ　ａｎｄ　Ａｃｔｕａｔｏｒｓ：Ａ．Ｐｈｙｓｉｃａｌ，２０１０，１６０：９４—　１００．　［９］贺红林，黄国庆，赵淳生．双兰杰文式定子驱动的大推力　直线平台的设计［Ｊ］．中国机械工程，２００９，２０（３）：　３５４—３５７．　ＨＥ　Ｈｏｎｇ—ｌｉｎｇ，ＨＵＡＮＧ　Ｇｕｏ—ｑｉｎｇ，ＺＨＡＯ　Ｃｈｕｎ—ｓｈｅｎｇ．　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ａ　ｐｏｗｅｒｆｕｌ　ｌｉｎｅａｒ　ｓｔａｇｅ　ｄｒｉｖｅｎ　ｂｙ　ｔｗｏ　ｌａｎｇｅｖｉｎ　ｔｙｐｅ　ｓｔａｔｏｒｓ［Ｊ］．Ｃｈｉｎａ　Ｍｅｃｈａｎｉｃｌａ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００９，２０（３）：　３５４—３５７．　［１０］杨淋，丁庆军，黄卫清，等．斜槽式纵扭模态转换型超　声电机在不同摩擦副下的负载特性研究［Ｊ］．中国电机工　程学报，２０１０，３０（１５）：９４—９８．　ＹＡＮＧ　Ｌｉｎ，ＤＩＮＧ　Ｑｉｎｇ－ｊｕｎ，ＨＵＮＡＧ　Ｗｅｉ—ｑｉｎｇ，ｅｔ　ａ１．Ｌｏａｄ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｕｈｒａｓｏｎｉｃ　ｍｏｔｏｒ　ｕｓｉｎｇ　ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ—ｔｏｒｓｉｏｎａｌ　ｃｏｎｖｅｙｏｒ　ｗｉｔｈ　ｄｉａｇｏｎａｌ　ｓｌｉｔｓ　ｕｎｄｅｒ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｆｉｒｃｔｉｏｎ　ｐａｉｓｒ［Ｊ］．　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆｔｈｅ　ＣＳＥＥ，２０１０，３０（１５）：９４—９８．　［１１］李玉宝，时运来，赵淳生，等．高速大推力直线型超声电　机的设计与实验研究［Ｊ］．中国电机工程学报，２００８，　２８（３３）：４９—５３．　ＬＩ　Ｙｕ—ｂａｏ，ＳＨＩ　Ｙｕｎ—ｌａｉ，ＺＨＡＯ　Ｃｈｕｎ—ｓｈｅｎｇ，ｅｔ　ａ１．　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｌｉｎｅａｒ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｍｏｔｏｒ　ｗｉｔｈ　ｈｉｇｈ　ｓｐｅｅｄ　ａｎｄ　ｌａｒｇｅ　ｔｈｒｕｓｔ　ｆｏｒｃｅ［Ｊ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＣＳＥＥ，２００８，２８（３３）：　４９—５３．　［１２］Ｃｈｅｎ　Ｗ　Ｓ，Ｓｈｉ　Ｓ　Ｊ，Ⅱｕ　Ｙ　Ｘ，ｅｔ　ａ１．Ａ　ｎｅｗ　ｔｒａｖｅｌｉｎｇ　ｗａｖｅ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｍｏｔｏｒ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｉｃｋ　ｒｉｎｇ　ｓｔａｔｏｒ　ｗｉｔｈ　ｎｅｓｔｅｄ　ＰＺＴ　ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ　ｌ　Ｊ　Ｉ．　ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ，　Ｆｅｒｒｏｅｌｅｅｔｒｉｃｓ，ａｎｄ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｃｏｎｔｒｏｌ，２０１０，５７（５）：　１１６０一ｌ１６８．　［１３］Ｌｉｕ　Ｙ　ｘ，Ｃｈｅｎ　Ｗ　Ｓ。Ｌｉｕ　Ｊ　Ｋ，ｅｔ　ａ１．Ａ　ｈｉｇｈ—ｐｏｗｅｒ　ｌｉｎｅａｒ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｍｏｔｏｒ　ｕｓｉｎｇ　ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ　ｗｉｔｈ　ｓｉｎｇｌｅ　ｆｏｏｔ［Ｊ］．　ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ，　Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ，ａｎｄ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｃｏｎｔｒｏｌ，２０１０，５７（８）：　１８６０—１８６７．　［１４］Ｌｉｕ　Ｙ　Ｘ，Ｃｈｅｎ　Ｗ　Ｓ，Ｌｉｕ　Ｊ　Ｋ，ｅｔ　ａ１．Ａ　ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ　ｔｒａｖｅｌｉｎｇ　ｗａｖｅ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｍｏｔｏｒ　ｕｓｉｎｇ　ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ　ａｎｄ　ｂｅｎｄｉｎｇ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ『Ｊ　１．Ｓｅｎｓｏｒｓ　ａｎｄ　Ａｃｔｕａｔｏｒｓ：Ａ．　Ｐｈｙｓｉｃａｌ，２０１０，１６１（１—２）：１５８—１６３．　［１５］陈维山，郝铭，赵学涛，等．纵弯复合多自由度球形超　声电机的研究［Ｊ］．振动与冲击，２００９，２８（７）：１０５—１１０．　ＣＨＥＮ　Ｗｅｉ—ｓｈａｎ，ＨＡＯ　Ｍｉｎｇ，ＺＨＡＯ　Ｘｕｅ—ｔａｏ，ｅｔ　ａ１．Ａ　ｍｕｔｉ－・ｄｏｆ　ｓｐｈｅｒｉｃａｌ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｍｏｔｏｒ　ｗｉｔｈ　ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ　－ｂｅｎｇｉｎｇ　ｈｙｂｒｉｄ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｍｏｄａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｆ　Ｊ１．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｓｈｏｃｋ，２００９，２８（７）：１０５—１１０．　［１６］Ｃｈｅｎ　Ｗ　Ｓ，Ｌｉｕ　Ｙ　Ｘ，Ｌｉｕ　Ｊ　Ｋ，ｅｔ‘１ａ．Ａ　ｌｉｎｅａｒ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｍｏｔｏｒ　ｕｓｉｎｇ　ｂｅｎｄｉｎｇ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ　ｗｉｔｈ　ｄｏｕｂｌｅ　ｄｒｉｖｉｎｇ　ｆｅｅｔ［Ｊ］．Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ，２０１０，４００：２２１—２３０．