{众腾注册}平台系统学习路径 富联线路测速，研究人员研发了一种新型的三自由度压电超声电机。这个设计的概念是在两个压电换能器之间包含一个球形转子。每个传感器都与一个法兰连接，它的工作方式就像一个单一的结构。这种换能器的设计可以增加振动的振幅，产生更高的扭矩和驱动力，用于实现球形转子的三维旋转运动。提出的USM可用于类人机器人、光学机械系统或小型卫星。该USM由多个部件组成，轻便可靠。他们通过数值分析和实验研究，验证了该驱动器的可行性，找到了合适的谐振频率，优化了凸缘的形状。研究人员通过实验研究得出了数值分析的结果，并验证了压电电机的工作原理。

　　如今，压电器件在广泛的商业和工业领域中非常普遍。压电器件用于光学机械系统、微操作器和机器人。典型的压电驱动器体积小，设计简单，可产生微米级的机械位移(从0.5μm到150μm)。由于体积小，质量小，装置的惯性力小，因此响应时间短。压电致动器的这些特点允许实现良好的性能和功率/体积比。值得一提的是，压电致动器是由非磁性材料制成的，可以在任何设备不需要的强磁场中使用，并应防止附加磁噪声。压电驱动器能够达到极高的精度与微甚至纳米分辨率，并驱动在高频模式，可以产生无限的线性或旋转运动。这些特性允许将它们集成到广泛的应用程序中。

　　简单的设计和简单的工作原理使压电器件可以应用于航天、卫星通信和导航等行业。可用于空间应用的设备的规格是严格的，即小质量和体积，易于集成，高可靠性只是这些要求的一部分。压电致动器和器件是这类任务的很好的候选器件，可以用于空间应用。

　　然而，大多数压电驱动器和电机是单自由度(DOF)器件，而在许多应用中需要多个自由度系统。这些系统可以使用多个驱动器来组装，但系统变得复杂，并且在组合多个单自由度驱动器时管理误差具有挑战性。此外，这样的行为是不可接受的任务，其中的大小和重量的机构是有限的，高精度成为一个问题。相反，由于压电执行器的尺寸限制，构建大型系统需要单独的单元。然而，在这种方法中，当需要最少数量的元件时，电机的尺寸必须以某种方式设计。

　　凯勒等人提出了三维压电转子球面驱动器。该驱动器采用压电材料制成的球形转子，电极位于球体的内表面和外表面。这个转子被插入一个厚铝法兰，这是驱动器的定子。当一个电驱动信号的作用下，球体变形为三维形状并旋转球体。这个球可以绕三个轴旋转，但角度是有限的。

　　Lu等人提出了三维双定子球面驱动器。这些定子是用四条腿制成的，就像弹簧和压电圆盘型换能器。球体被压缩在两个定子之间。这些支腿也用于球的预加载。驱动器结构紧凑，但重量大:定子采用厚金属法兰制成，四支腿很细，可能由于疲劳而不能保持很长时间。

　　本文提出了一种具有环形压电换能器的三维超声电机的创新设计思想。每个压电换能器粘接在弹性薄翼缘上，形成一个单矩型驱动器，可以在较高的振动模式下激励，产生三维旋转运动的球形转子。

　　为了进行对比，研究人员添加了表1，表1突出了所提出的USM电机与文献中提到的其他电机的区别。

　　研究人员所提出的压电式超声电机由两个粘在薄板金属翼缘上的圆盘形环形压电换能器组成(图1)。球形转子放置在压电换能器之间，换能器是由谐波电信号驱动的，频率较高的振动模式的unimorph结构。USM的定子是一种复合结构，其中法兰和压电传感器使用环氧树脂粘结，形成两个单一的压电驱动器。这种类型的驱动器的好处是产生较大的弯曲位移与较高的机械力和扭矩，这是旋转一个球体。提出的USM有可能用于光学机械系统、仿人机器人、军事和空间应用。

　　研究人员所研制的USM的基本设计思想和结构如图1a所示。一个球形转子(1)被插入到两个unimorph压电驱动器之间，如图1b所示。电机是对称的;因此，顶部和底部执行机构是相同的。压电环形换能器由硬质PZT-4陶瓷制成。压电陶瓷环沿厚度方向极化，与Z轴平行，电极覆盖压电换能器的上下表面。上表面电极分为3段，段与段夹角为120°。所述底面电极连续粘接在法兰上。三个接触元件(4)粘接在上电极(2)上，并且它们位于每个分段电极的中心。

　　当电信号使压电换能器振动时，产生作用于接触元件与球面转子之间的摩擦力，从而得到转子的转动。三个螺栓(5,6)是用来使电机装配。通过转动螺母(5)可调节接触元件(4)与球形转子(1)之间的预紧力。

　　USM驱动方案和压电换能器的分段电极布置如图1c所示。该装置由三通道信号发生器(7)和控制器(8)组成。上下传感器的三对分段电极电连接到通道a、B、c，由控制器放大谐波电信号。在某一时刻只有一个通道是活动的，它被用来旋转球体。这样的设置允许实现压电驱动器的特定部分的激励，并诱导在椭圆轨迹的接触元件(4)运动。

　　当驱动器出现更高的弯曲模式时，所提出的USM的工作原理由激励接触元件的椭圆运动提供(图1b)。当驱动信号以特定频率定义并应用于压电驱动器的特定电极时，会激发谐振振动。因此，得到了接触单元的椭圆运动，并实现了对球体表面的斜碰撞。结果，转子围绕一个特定轴的方向旋转就产生了。转子的转速和转矩是由电信号的幅度控制的。通过切换信号发生器的通道和退出特定的分段电极对来改变旋转方向。

　　研究人员设计了unimorph作动器的三维简化模型，并进行了数值仿真。仿真的目的是确定共振频率和振动模式使用三种不同设计的驱动器的法兰。将压电作动器作为单阶结构进行分析，即将换能器与法兰用环氧树脂粘结，将另一个压电换能器用软橡胶垫片固定在法兰上，进行数值模拟。分析了作动器接触点的三维振动幅值和轨迹。所有仿真分两步进行:首先进行模态分析，然后进行谐响应研究。

　　USM驱动器由一个压电环形传感器、接触元件和薄法兰组成。所有的几何形状都是使用Autodesk Inventor Professional 2018进行设计和准备，计算使用COMSOL Multiphysics 5.4。为了准备计算模型，只设计了特定的元件，即压电换能器、接触元件和薄翼缘。其他组件，如胶层，软橡胶垫片，和电极，不包括在内。压电环形换能器尺寸:外径20mm，内径15mm，厚度3mm。采用PZT-4硬型压电陶瓷制作压电换能器。这种压电陶瓷广泛应用于超声电机。

　　对盘形法兰和三角法兰进行了研究。薄法兰盘由磷青铜C52100制成，尺寸为:外径35 mm，中心孔15 mm，厚度0.3 mm。执行机构和法兰的尺寸如图2所示。接触元件由抗摩擦材料氧化铝(Al2O3)制成。这些接触元件的尺寸如下，即宽度:1 mm;长度:2.2 mm，高度:1.5 mm。表2列出了PZT-4压电陶瓷的性能和元件尺寸。

　　图2.执行机构、法兰尺寸:(a)盘形法兰执行机构;(b)带有三角法兰的执行机构。

　　研究人员在执行器未夹紧的情况下进行模频分析，并采用短路边界条件。压电换能器和两种类型法兰组合的unimorph驱动器进行了分析(图3)。本研究的目的是找出可以用于转子驱动的驱动器的模态形状和固有频率。对位移轨迹进行研究，这些轨迹位于顶部接触单元上，如图4所示。

　　图3.所使用的数值模型模拟:(a)压电驱动器，当法兰连接使用软橡胶垫片;(b)带环形凸缘的压电单矩器;(c)带有三角凸缘的压电单矩器。

　　首先，研究人员对压电换能器进行了模频分析。研究了20至110 kHz的频率范围。结果表明，在环形换能器的轴向和径向方向上，有几种模式的位移占主导地位。需要这种类型的位移来产生接触点的三维椭圆运动。谐振频率为93.2 kHz时压电换能器的模态形状如图5所示。

　　研究人员研制了一种新型的带有球形转子的压电式超声电机，提出了一种采用球形转子和双单晶型驱动器的压电超声电机，其主要目标是小型化和高功率密度。一个unimorph驱动器结合压电环形传感器粘结到一个薄青铜法兰。研究了青铜法兰的两种形状:盘形和三角形。进行了数值仿真和实验，验证了该作动器的工作原理。确定了可用于生成三维转子运动的特定模态振型。谐响应分析结果表明，当凸缘为盘形时，振动幅值最大;分析了接触点的振动轨迹，结果表明，接触点运动的椭圆轨迹在工作频率下产生，并能产生球形转子的旋转运动。研究人员采用环形压电换能器和带有圆盘形和三角形凸缘的单晶型压电作动器，制作了三种超声电机样机。对作动器振动的测量验证了数值模拟的结果。盘形法兰和三角形法兰在谐振频率下的测量结果与数值模拟的差异小于~1%和~3%。他们利用预负载(球形转子的重量)确定了unimorph致动器的谐振频率的振幅和位移的一些下降。相应的，无预载/有预载执行器的共振频率(工作频率)为:对于盘形配置94.4 kHz/94.5 kHz，对于三角形配置93.7 kHz/93.9 kHz。圆盘形驱动器在工作频率和驱动电信号幅值为70 V时，转子的转速约为30转/分，三角形驱动器为27转/分。