线性双向式超声波马达的设计与分析

    1　引言

    产品的小型化和精密化是目前国内外加工领域的热门研究课题之一。在航空航天、电子工业、医学、模具等领域中,传统的加工方法已不能完全满足生产的需要,尤其是在狭小空间内作业的场合下,必须由小型加工装置来实现。这就要求小型加工装置的驱动器应具有体积小、结构简单、响应速度快及控制性好等特点,才能满足现代加工技术的要求。

    利用压电材料的逆压电效应的驱动技术已经得到了广泛的应用,尤其是在此基础上开发的超声波马达,具有良好的应用前景,受到了国内外的广泛重视。超声波马达作为一种新型电机,其结构、驱动原理都与传统的电磁式电机完全不同。由于超声波马达具有结构简单、低速、大转矩、响应速度快、控制性好等特点,特别是超声波马达的无中间减速机构而直接进行驱动的特性,使其在机器人、计算机、仪器仪表等领域具有非常大的优势。目前,超声波马达的研究越来越广泛深入,然而,当前的究主要集中在旋转马达类型上[1～8]。

    本文提出的双0形线性双向式超声波马达的数学模型原理简单清晰、可控性好、制造工艺简单、成本低,具有实用价值。

    2　线性双向式超声波马达的结构

　　图1为双0形线性双向式超声波马达的结构示意图。图中,移动体被紧夹在两个0形的压电驱动器中间,压电驱动器在两端通过螺钉与支架连接,导向器在支架的两侧,导向器的作用是减小移动体的径向振动对运动性能的影响。0形压电驱动器为不锈钢薄板,一面粘贴有两片压电陶瓷,另一面是两个小齿,小齿位于薄板振动的波腹位置上,并且小齿的外侧分别粘贴有一片压电陶瓷。小齿的上表面要经过表面处理,摩擦系数要适当,并要有较强的耐磨性能,或者在移动体的上下表面粘贴摩擦材料,以提高超声波马达的运动性能和寿命。

    3　0形超声波马达的驱动原理

    在双0形小型超声波马达中,由于两个0形压电驱动器是对称的,因此,只要分析其中之一即可。

    当单独激发薄板上的压电陶瓷振动时,在小齿的上表面产生垂直方向的振动;当单独激发小齿上的压电陶瓷振动时,在小齿的上表面产生水平方向的振动;如果同时激发这两个振动,则小齿的上表面的振动为这两个振动的合成。当这个振动的轨迹为椭圆或其他封闭曲线时,这个振动就会驱动压在其上的移动体运动。

    设这两个方向的振动为简谐振动,分别为

    式中　A、B为垂直方向和水平方向振动的振幅;X1、X2为垂直方向和水平方向振动的角速度;A、B为垂直方向和水平方向振动的初始相位。