双十字压电振子同型弯振模态驱动的平面超声电机

为了丰富平面超声电机的型式,提出一种双十字压电振子同型弯振模态驱动的平面超声电机。利用双十字压电振子的纵杆面内、面外弯振耦合以及横杆面内、面外弯振耦合,分别在两杆的驱动足上合成沿xoz、yoz面行进的两相椭圆轨迹,以交替地推动动子沿x、y向移动。分析了该平面超声电机的驱动机理,并推导出两相椭圆轨迹方程。建立了双十字压电振子机电耦合模型,对其三相工作模态的振型进行仿真分析,并在结构优化的基础上实现了三相工作模态频率一致,使它们分别为43 468,43 552和43 569 Hz。仿真了双十字压电振子的频响特性并实现了干扰模态分离,当驱动电压为250 V时,驱动足x、y、z向振幅分别为1.3,0.8和0.9 μm,满足电机驱动要求。模拟得到定频激励下双十字压电振子驱动足的两相椭圆运动轨迹,验证了所设计平面超声电机驱动机理的有效性。该平面超声电机可输出较大速度与动力,具有广阔的应用前景。     

纵弯复合多自由度球形超声电机的研究

摘 要：目前国内外对多自由度超声电机的研究和应用尚属探索阶段,出现了多种结构的多自由度超声电机。本文提出了一种新型单振子纵弯夹心换能器式超声电机结构,由单一驱动足产生多自由度振动轨迹,驱动球形转子作多自由度运动;对十字交叉换能器做了模态分析,对纵振和弯振做了模态简并;建立了驱动足的运动轨迹方程,并仿真分析了典型驱动方式下驱动足的振动轨迹;试验测试了样机转子绕X、Y、Z轴转动的速度与电压之间的关系和转矩与速度之间的关系,计算了相应情况下电机的最大效率;电机旋转方向与分析结果一致。
     

十字形压电振子同型模态振动驱动的平面电机

提出十字形压电振子同型模态驱动的压电平面电机新原理,选定该振子的面外弯振、面内横杆弯振、面内纵杆弯振为工作模态,利用面外弯振分别与面内纵杆弯振、面内横杆弯振的振动耦合,在纵、横杆驱动足上生成沿x Oz、y Oz面行进的椭圆轨迹以推动动子沿x、y向移动。阐明电机驱动原理,优化出振子尺寸为60 mm×60 mm×7.8mm,厘定电机最适驱动频率为30 127 Hz。建立振子机电耦合模型,研究驱动足的振动特性,模拟出驱动足的椭圆轨迹,仿真得到在250 V电压激励时驱动足的x、y、z向振幅分别为1.6μm、1.6μm和1.2μm。建立电机的整机分析模型,探析驱动电压、频率、相位差、预紧力对电机速度的影响。在正常驱动条件下,电机速度可达50 mm/s。该电机在平面装置驱动中的应用前景广泛。     

单相斜轨塔形直线超声电机设计与实验

对一种理论斜直线运动轨迹的单相驱动双向运动的直线超声电机进行了理论及实验研究.该电机由塔形定子和倾斜一定角度安装的导轨组成,定子的两个正交工作模态为y-z面内对称振动模态和x-z面内弯振模态,分别对应电机的正反运动方向,利用在工作模态下定子驱动足表面质点相对于导轨的理论斜直线运动来驱动导轨运动.分析了电机的工作原理,推导了电机运行的导轨倾角范围,研制了样机,并进行了模态实验和机械特性实验.实验表明:在导轨倾斜角为35°、激励电压500 Vp-p、预压力4.5 N下,当电机工作在y-z面内对称振动模态,电机正向运动,最大空载速度为79 mm/s,最大输出力为0.5 N;当电机工作在x-z面内弯振模态,电机反向运动,最大空载速度为756 mm/s,最大输出力0.8 N.     

扰流激励下垂尾抖振响应主模态控制风洞试验研究

摘 要：采用压电结构的热弹比拟建模方法,进行了垂尾模型一弯模态和一扭模态响应的压电主动控制仿真。设计制作了一个垂尾气动弹性抖振模型以及两种形式的气流干扰源,用于在风洞中进行垂尾抖振实验及产生扰流对垂尾模型实施抖振激励。采用自主研发的弓形压电作动器,根据垂尾抖振响应控制的主模态控制思想,设计了垂尾模型抖振压电主动控制系统,进行了垂尾模型抖振响应压电主动控制风洞实验。结果表明,采用抖振主模态响应控制思想设计的垂尾抖振压电主动控制系统,可使垂尾模型抖振响应功率谱密度函数峰值降低50%以上。     

楔形阻尼层复合梁式吸振器设计及实验研究

针对弹性薄板结构在固有模态频率处振动过大的情况,对其进行了吸振控制的理论及实验研究。以典型简支板为控制对象,运用有限元方法设计了变阻尼层复合梁式吸振器并分析了其吸振效果,进一步通过实验对所获结论进行了验证,数值分析和实验测试结果一致表明：随着长度增加,用于吸振模态个数增加,吸振频带变宽,但每个频率上的吸振效果下降;对于板振动系统,具有较好的吸振效果的安装区域为激振点附近区域;复合梁用于吸振的模态阶数越低,吸振量越大。     

基于拓扑优化的压电分流阻尼抑振实验研究

将结构拓扑优化引入压电分流振动抑制中,以压电元件的分布面积为设计变量,压电元件产生的电荷最大化为优化目标,对压电元件的拓扑进行了优化以获得最佳抑振效果。针对悬臂梁结构,得到了对不同的结构模态进行抑制时的压电元件最优拓扑构型。建立了带有压电分流阻尼系统的悬臂梁振动控制实验模型,将压电元件拓扑优化后的压电分流阻尼系统应用于悬臂梁多阶弯曲模态的振动响应抑制实验,并对比分析了带最优拓扑和非优拓扑压电元件的悬臂梁压电分流阻尼抑振效果。结果表明,对压电元件进行拓扑优化可以明显提高压电分流阻尼系统的抑振效果。     

一种新型并联XYY微定位平台动力学建模及控制仿真

介绍了一种新型的压电陶瓷驱动的并联XYY结构微定位平台。该平台通过Y方向两个压电驱动器的实时校正,能够避免因加工装配误差引起的结构非对称性对平台运动直线度的影响。推导了微定位平台的动力学模型。通过引入过程噪声的数学模型增广LQG控制器,实现了微定位平台解耦和跟踪,仿真发现这种方法能够有效抑制窄带随机扰动,提高定位精度。     

H-结构薄板纵弯复合模态驱动的压电直线电机

为高性能压电直线电机设计奠定基础,推出基于H型振子的直线电机并利用该振子两纵向杆面内一阶纵振与二阶弯振驱动电机。研究电机的驱动机理并从理论上阐释振子纵杆驱动端质点的椭圆运动形成过程;建立振子有限元模型并对其工作模态、灵敏度、谐响应进行分析;优化振子结构尺寸,完成电机装配结构设计并制作出振子、电机实物;对振子进行模态试验,结果显示该振子不仅具有预设的工作模态,且在正常激励条件下,驱动端纵、弯振幅值分别可达1.2 μm,1.4 μm。研究表明,该电机有望产生较大速度与动力。     

单振子二自由度球面马达的运动机理

利用矩形板形压电振子的两种振动模态,构建了一种采用单片压电振子驱动球形转子,形成两个旋转自由度的压电球面超声马达,对马达的作用机理进行了仿真分析和试验验证.利用有限元法对马达的矩形板压电振子的振动模态、共振频率进行了分析计算,仿真结果表明矩形板压电振子能够形成振型清晰的B32和B23振动模态,模态频率分别为49.127 kHz和49.756 kHz.对压电振子上每个凸起与球形转子之间的接触点的运动轨迹进行了计算机仿真,并对仿真结果进行了试验验证.分析结果表明各接触点能有效形成时序合理的椭圆运动轨迹,作为支撑足的一组凸起的变形量占作为驱动足的一组凸起的变形量的30%,能够用于驱动球形转子形成二自由度转动.仿真分析和试验结果证明了二自由度球面马达球形转子形成二维运动的作用机理.     

A U-shaped linear ultrasonic motor using longitudinal vibration transducers with double feet

A U-shaped linear ultrasonic motor using longitudinal vibration transducers with double feet was proposed in this paper. The proposed motor contains a horizontal transducer and two vertical transducers. The horizontal transducer includes two exponential shape horns located at the leading ends, and each vertical transducer contains one exponential shape horn. The horns of the horizontal transducer and the vertical transducer intersect at the tip ends where the driving feet are located. Longitudinal vibrations are superimposed in the motor and generate elliptical motions at the driving feet. The two vibration modes of the motor are discussed, and the motion trajectories of driving feet are deduced. By adjusting the structural parameters, the resonance frequencies of two vibration modes were degenerated. A prototype motor was fabricated and measured. Typical output of the prototype is no-load speed of 854 mm/s and maximum thrust force of 40 N at a voltage of 200 V(rms).     

单激励纵扭复合超声铣削系统研究

针对切削、焊接过程中超声复合振动能获得较高加工质量、效率及有助于延长刀具使用寿命,研究分析纵扭复合超声铣削系统运动特性及切削轨迹特征;基于斜梁振动原理,提出加工工艺简单、制造成本低的斜梁式超声变幅杆,并利用有限元软件ANSYS进行结构动力学分析, 证实通过单向激励可产生纵扭复合振动;应用研制的纵扭复合超声振动铣削系统对碳纤维复合材料进行切削试验,获得较好加工效果,从而验证理论分析与数值模拟结果的正确性。     

A rotary ultrasonic motor using bending vibration transducers

A rotary ultrasonic motor using bending vibration transducers is proposed. In each transducer, two orthogonal bending vibrations are superimposed and an elliptical trajectory is generated at the driving foot. Typical output of the prototype is a no-load speed of 58 rpm and maximum torque of 9·5 Nm under an exciting voltage of 200 V(rms).     

Analysis of shaking beam actuator for piezoelectric linear ultrasonic motor

In this paper, piezoelectric linear ultrasonic motors (PLUM) have been investigated on the elliptic trajectory of a contact point in shaking beam, which has been accomplished by two resonance vibration modes of the actuators. The actuators have generated the vibration modes, longitudinal and flexural, by two longitudinal mechanical vibrations with phase difference of pi/2. Modal and harmonic analysis of the shaking beam actuator were performed by the finite element method (FEM) to calculate a resonance frequency and a modal shape and to perform harmonic response. Experimental results proved that a contact point of the PLUM tends to move with an elliptic trajectory.     

弹性螺旋桨-轴系建模及振动特性的解析方法研究

为考虑螺旋桨自身弹性对桨-轴系统振动特性的影响,建立了一套基于Timoshenko梁理论的解析方法。将螺旋桨、轴系均用Timoshenko梁建模,结合桨叶与轴系连接处的协调条件及其边界条件,给出系统横向、纵向自由振动的控制方程;在同有限元结果对比表明本方法具有良好精度基础上,分析了桨叶弹性对系统模态的影响及桨-轴系统的力传递特性。研究表明:桨-轴系统的模态振型中螺旋桨叶片和轴系的弹性变形同时发生且相互影响,叶片弯曲模态会加剧轴系振动;作用于桨叶的激励引起的桨-轴系统轴承处的纵向传递力被桨叶弯曲和轴系纵振两阶模态显著放大,而横向传递力主要由桨叶及轴系的弯曲模态控制。     

Frequency equation and mode shape formulae for composite Timoshenko beams

Exact expressions for the frequency equation and mode shapes of composite Timoshenko beams with cantilever end conditions are derived in explicit analytical form by using symbolic computation. The effect of material coupling between the bending and torsional modes of deformation together with the effects of shear deformation and rotatory inertia is taken into account when formulating the theory (and thus it applies to a composite Timoshenko beam). The governing differential equations for the composite Timoshenko beam in free vibration are solved analytically for bending displacements, bending rotation and torsional rotations. The application of boundary conditions for displacement and forces for cantilever end condition of the beam yields the frequency equation in determinantal form. The determinant is expanded algebraically, and simplified in an explicit form by extensive use of symbolic computation. The expressions for the mode shapes are also derived in explicit form using symbolic computation. The method is demonstrated by an illustrative example of a composite Timoshenko beam for which some published results are available.     

基于输入整形技术的太阳翼调姿残余振动抑制实验研究

在非惯性系下建立太阳翼调姿过程中的横向弯曲振动运动方程,将零位移输入整形技术应用于调姿输入指令,用以抑制太阳翼调姿后的残余振动。搭建了步进电机驱动的太阳翼缩比梁模型,根据模型结构固有特性设计了四阶输入整形器,将其应用于调姿步进电机的输入信号,进行了六种工况的调姿实验。实验结果表明,该方案可有效抑制实验模型调姿后的残余振动,且具有较强的鲁棒性。