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悬浮式超声波致动器提要及研讨意向

宣布日期:2017-05-06 10:21    阅读次数:次

东京产业大学 中村 健太郎

1.叙言

以往的超声波马达是经由进程磨擦力驱动,牢固片压电振子与转子打仗,经由进程振动磨擦转子从而取得扭转力和鞭策力。固然具备高转矩、高节制性等特色,从道理上讲其速率没法跨越振子振动速率。压电振子的振动速率最大可从几百mm/s到几m/s2,以往的超声波马达是没法超出这个速率的。别的另有一个不可轻忽的是打仗面的磨损题目。凡是的打仗式超声波马达合用于低速高转矩的节制操纵,并不合适高速永劫间扭转用处。这里先容的悬浮式超声波致动器的振子与转子长短打仗式,转子浮于上方,其速率能够或许到达振动速率的数倍乃至是10倍以上。别的还呈现了替换氛围悬浮平台的超声波悬浮式平台。无需氛围泵和管道只经由进程电源便可运行,组成了小型集成系统。别的一方面,还在切磋使振动板在光滑面上悬浮的体例。

2.近场声悬浮景象

上述手艺是操纵了近场声悬浮景象完成了“非打仗式”。起首对该景象停止一下简略申明。如图1中超声波振动面的上方悬浮了一块平板,悬浮距离与振动幅度成比例干系,通俗在几10μm到1mm之间。悬浮物体分量增添时悬浮距离会响应变小。悬浮距离与板子分量的平方根成正比例干系。板子分量增添到必然程度后终究会打仗到振动板。

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此时,咱们假想当悬浮距离与振动幅度(0-p值)不异时能够或许悬浮的分量最大,那一枚邮票巨细的面积可悬浮跨越100kgf的分量。现实上由于振动面和悬浮板存在曲折等景象,能够或许悬浮的分量规模要比现实值小,但也仍是能够或许保障使大大都物体悬浮。图2为曲折振动面上悬浮硅圆板。能完成活塞振动的面积限定在一边或直径在4分之一波长巨细,是以悬浮大面积的物体时会用到曲折振动板。

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图3为附带角笛的BLT换能器驱动曲折振动板,在圆形或矩形的金属板上鼓励高频的曲折振动。

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此景象被作为展现用大型玻璃电路板非打仗传输手艺正在被进一步开辟中。图4中长尺形振动板两头装配上附带角笛的压电振子,从一边驱动,别的一边毗连电气负载使之产生曲折振动的前进波。驱动侧电源和负载侧阻抗彼此互换后,振动传布标的目的会产生逆转。操纵此振动系统,能够或许将平板物体悬浮在空中并从驱动侧向电气负载侧挪动。图5中所示振动板与悬浮物体之间的氛围层中产生了前进波传布标的目的的氛围流。悬浮平板由氛围流指导向程度标的目的挪动。由此产生的推力具备氛围粘性,并不是很大的推力。

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3.悬浮式高速扭转马达的操纵

经由进程曲折振动板使平板物体悬浮并传递这一手艺被进一步研讨,别的一方面,操纵这一景象也在深切研讨扭转马达和挪动平台。将图4中的振动板换成圆环外形就能够或许制成扭转型马达。如图6所示,2个振子的距离为4分之一波长,以90度相位差驱动圆环就会产生前进波。在振动圆环内侧的氛围空隙拔出转子。如图7在鼓励振动后转子悬浮,振动圆环直径约为60mm,图8为丈量振动速率和扭转数干系的成果。每分钟3000次以上的扭转数能够或许获得0.3m/s的振动速率。换算成周速率的话,约为10m/s。由此能够或许看出该布局能够或许获得比振动速率大良多的速率。

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操纵圆形曲折振动形式的周标的目的扭转能够或许实施元板型悬浮式马达。图9中所示不异直径圆板转子在悬浮进程中停止高速扭转。振动圆板的反面粘接有圆环状的压电陶瓷。如图9所示,4平分电极由2相电源驱动。由此振动形式仍是扭转并产生近似周标的目的的前进波振动。

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在此种振动形式下,当驱动相位差到达180度时扭转标的目的会产生逆转。

4.悬浮式线性平台的操纵

紧密加工中会用到氛围悬浮式平台,图11展现的是由超声波悬浮替换氛围悬浮。其道理与图4近似,只是将悬浮传递装配的悬浮平板换成了任务平台。若是仅仅是程度面的话,那横向的地位坚持才能会不充实,是以在振动体上设想了斜面。别的,任务平台上安排被加工物体后,加上振动体时薄板时被加工物体分量使振动体曲折,并打仗到任务平台,是以须要保障振动体具备杰出的刚性。横断面是以三角形优良陶瓷加工切削后制成的。压电陶瓷板粘接在振动体两侧,如图所示由压电片鼓励振动。由优良陶瓷做超声波振动体驱动的例子比拟少,可是能够或许获得充实的振动幅度。悬浮式任务平台也是一样的材质。此款悬浮式任务平台能够或许到达100g的负重才能。

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5.主动悬浮传递台

上述先容的均为振动板上悬浮物体的手艺。若是是在光滑的空中,将振动板反向安排后,振动板本身会悬浮起来。操纵该景象,正在研发一种主动式振动板。工场中会利用货盘输送零部件等产物,图12中是将主动悬浮式的货盘(货台)取代通俗的货盘。货台是经由进程振动板和软质资料撑持。粘接了压电陶瓷的曲折振动板4个能够或许到达10kgf以上的负载才能。由于空中通俗环境下并不曲折光滑,现实利用中会呈现某局部与振动板打仗的景象,但挪动所需的牵引力只要非常之一摆布的消减。一个振动板的耗电量为几十瓦。

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6.小结

以上先容了几个操纵近场声悬浮景象的非打仗型致动器、装备的操纵案例。对驱动频次大局部在20~40kHz之间,频次最高的也在100kHz以下。

固然今朝还不将这类悬浮式致动器完成商品化,可是其非磁性、无需氛围紧缩机等特色必将会在此后被普遍操纵。到当时,为完成操纵请求须要停止数据摹拟。对振动面和悬浮物体的氛围空隙良多环境下没法轻忽振幅幅度的巨细,是以有须要用到能够或许计较时辰挪动打仗面的方式。以往的线性声场计较方式是没法做到的,是以须要研讨开辟与之对应的数值计较方式。

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