长环形驻波直线超声电机振子有限元分析

　　1 引言

　　直线超声波电机是一种利用逆压电效应将电能转化为机械能的新型电机，能直接产生直线运动和直接输出推力。具有控制性能好，可步进、伺服工作，容易同计算机接口相连，实现智能化和机电一体化，无需运动转换机构可以直接驱动等优点。

　　驱动振子为超声电机的关键部件，通过工作模态、结构形式变换组合，出现了各种样式的直线超声电机，已在精密仪器仪表、数控加工、机器人、医疗器械、航空航天及新型武器装备等领域得到广泛的应用[1-5]，学者们为提高电机性能、丰富电机结构，进行着不断的探索。环形超声电机振子的研究，已成为当前机电控制领域的一个研究热点[6-10]。

　　2 振子结构与工作原理

　　所研究的超声电机振子是利用面内单一弯曲模态工作，结构为长环形，振子外形三维图，如图1所示。振子结构图，如图2所示。振子金属弹性体由两个直梁段和两个半圆环组成，在直梁段内侧面粘贴有两组压电陶瓷片。

　　在半圆环内侧有呈扇形的支撑结构，支撑结构与圆环连接处采用柔性铰链结构连接，以减小支撑对振型的影响。在直梁段外侧面对称加工有高、矮两类齿，其中高齿为驱动足，矮齿(频率控制齿)用于控制两振型频率差。利用粘贴在振子直梁段上的两组压电陶瓷片，分别激励出振子体的两个同阶、面内弯曲振动模态进行工作。

　　环型结构存在同阶、同频(或相近)的两个振型，且这两个振型的波峰(谷)空间位置相差四分之一波长，为同频、双向驱动提供了理论支撑。环形驻波型超声电机振子的工作原理，如图3所示。为双接触面驱动方式。图中双点划线为振子变形前示意图，实线为变形后振子示意图。

　　合理确定驱动足的位置，使驱动足位于两个工作模态波峰(谷)的两侧，利用驱动足与导轨间的作用与反作用力，可实现振子双向运动。

　　工作时，振子的几个驱动足沿着斜直线方向推压导轨，从而实现振子与导轨的相对运动。假设导轨固定，图3(a)所示的工作模态，使电机振子向左运动;图3(b)所示的工作模态，使电机振子向右运动行。

　　驻波型长环形振子与行波型长环形振子相比，其优点是可以实现双接触面驱动、双向直线运动，且节省结构空间。

　　3 振子的动态设计

　　为了减小振子两个工作振型的频率差、提高电机的输出推力，将振子结构设计成关于x-y轴对称，在直梁段外侧对称布置两组、8个驱动足(高齿)。压电振子主要由环形弹性体、驱动足、压电陶瓷片、柔性铰链、支撑结构组成。振子体结构及尺寸参数如图2所示。