直线超声电机设计、建模和应用的研究进展.pdfVIP

第 36卷第 4期 振动 、测试与诊断 Vo1．36NO．4 2016年 8月 JournalofVibration．Measurement Diagnosis Aug．2016 ．一专家论坛 直线超声 电机设计、建模和应用的研究进展 姚志远， 李晓牛， 李 响， 耿冉冉， 简 月， 刘 振 ， 代士超 (南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室 南京，210016) 摘要 直线超声电机作为一种新型作动器，以其独特的结构和驱动原理，在高新技术领域有着广泛的应用。首先， 回顾了电机结构设计方面的研究进展，提出了电机的设计理论和方法，阐述了电机结构形式的演化和夹持结构的 设计方法；其次，介绍了有关电机理论模型的研究进展，提出了定子机 电耦合模型、摩擦接触模型和定 ／动子冲击模 型等；最后，报道了直线超声电机在高精度运动平台、细胞显微操作、微夹持器和绝对重力仪方面的必威体育精装版应用。 关键词 压 电作动器 ；直线超声电机 ；结构设计 ；动力学模型 中图分类号 TH133；TM356 杰文振子的纵向振动诱发驱动足处的弯曲运动推动 引 言 动子运动[7]，但是 ，该 电机不能实现双向运动 。Va— silijev等将 Sashida行波 电机的直梁设计成短杆 ，提 随着高新技术的发展 ，精密工程 、高精加工、生 出一种 “Shakingbeam”直线超声 电机，提高了电机 物技术 、纳米技术和航空航天等领域对作动器提 出 的输出效率Ⅲ8]。Kurosawa等[9]直接利用两个兰杰 了更高的要求。例如 ，半导体加工口]、微纳精密定位 文振子设计电机 ，提出了V形定子结构的直线超声 装置_2]、扫描探针显微镜[3]不仅要求作动执行机构 电机，该 电机具有更高 的输出效率 。除了利用夹心 具有纳米级的定位精度 ，而且具有毫米级的行程。 式结构外 ，Tomikawa等[1叩还设计一种利用贴片式 物理光栅三维扫描仪需要在 29mm ×23nlm × 板结构的纵向振动和弯 曲振动直线超声 电机，这类 3mm狭小安装空间内调整光栅位置，要求有 0．5肛m 电机更利于小型化。Nanomotion公司 已将其商业 的定位精度和0．5m／s以上的速度；而核磁共振装置 化 ]。综上所述，直线超声 电机利用典型的板、梁、 要求作动器无磁场干扰_4]。 杆结构激发其的固有振动，具有结构简单 、多样和振 目前，传统 电磁电机 已无法满足先进作动器的 动效率高等优点。 需求 。超声电机是一种新型的作动器 ，利用逆压电 随着直线超声电机技术 的发展，人们越来越多 效应将电能转换成定子的振动能，再通过摩擦作用 地关注理论模型研究和应用研究。理论模型涉及 电 将定子的振动能转换成动子 的运动能 ，具有结构 机运动机理分析、定子结构动力学、结构设计 、接触 紧凑、功率体积 比大、直接驱动、输出形式灵活、动子 摩擦分析和驱动控制研究等方面。模型研究有助于 惯性小、定位精度高、响应快 、断 电自锁 、可控制性 理解 电机运行机理 、优化结构设计和改善 电机的驱 好、无电磁干扰和环境适应性好等优点。 动控制 ，是超声 电机研究的重要 内容 。 直线超声 电机分为行波型和驻波型。Sashida 首先 ，回顾 了笔者研究团队电机结构设计的研 等 提出了直梁式和环梁式行波型直线超声 电机。 究，提 出了电机的设计理论和方法 ；其次，介绍 了笔 该电机利用两个兰杰文振子激发直梁或环形梁产生 者研究团队有关