氣動(dòng)系統(tǒng)的螺旋式超聲運(yùn)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)及其應(yīng)用研究.pdf

1、以壓縮空氣為工作介質(zhì)的氣動(dòng)技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,但是由于氣體介質(zhì)的可壓縮性大以及非線性嚴(yán)重,導(dǎo)致氣動(dòng)系統(tǒng)的定位精度較低以及低速運(yùn)動(dòng)時(shí)易爬行等問題,限制了氣動(dòng)技術(shù)的發(fā)展。針對(duì)這一問題,本文提出了一種采用新型工作原理的螺旋式超聲解鎖與速度控制機(jī)構(gòu)(文中命名為超聲運(yùn)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)),將其應(yīng)用到氣動(dòng)控制系統(tǒng)中,目的在于改善氣動(dòng)系統(tǒng)的定位精度與速度控制能力。
　　通過對(duì)超聲振動(dòng)的減摩效應(yīng)與超聲驅(qū)動(dòng)作用的機(jī)理分析,得出超聲運(yùn)動(dòng)控制機(jī)

2、構(gòu)提出的理論與實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。超聲運(yùn)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)主要由超聲振子與螺紋輸出軸組成,在超聲振動(dòng)的減摩效應(yīng)與超聲驅(qū)動(dòng)的共同作用下,控制超聲振子同螺紋輸出軸間摩擦系數(shù),提供二者間相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì),實(shí)現(xiàn)螺旋式傳動(dòng)副的自鎖與解鎖狀態(tài)轉(zhuǎn)換以及速度控制的功能。
　　通過定義螺紋距徑比、摩擦系數(shù)剩余率以及判定系數(shù)的概念,分析了螺紋參數(shù)與摩擦系數(shù)對(duì)超聲運(yùn)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)的自鎖與解鎖狀態(tài)的影響規(guī)律。分析結(jié)果表明,當(dāng)判定系數(shù)大于1時(shí),超聲運(yùn)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)處于解鎖狀態(tài);選擇大的

3、螺紋距徑比,減小摩擦系數(shù)剩余率,有利于機(jī)構(gòu)的解鎖設(shè)計(jì)。通過建立該機(jī)構(gòu)的電壓-速度控制特性的數(shù)學(xué)模型,得出其具有承載能力大、輸出速度線性可控的特點(diǎn)。
　　考慮轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與剪切變形的影響,對(duì)自由約束彎曲振動(dòng)梁的共振頻率計(jì)算公式進(jìn)行了修正,擴(kuò)展了頻率計(jì)算公式的適用范圍。采用有限元仿真與實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法,驗(yàn)證了理論分析結(jié)果的正確性。以修正公式為理論基礎(chǔ),建立了用于描述彎曲振動(dòng)梁的固有振動(dòng)特性的諧振曲線的數(shù)學(xué)模型,為開展彎曲振動(dòng)模態(tài)超聲振子的振

4、動(dòng)特性研究提供了理論基礎(chǔ)。
　　通過對(duì)壓電片貼片式彎曲振動(dòng)模態(tài)超聲振子的布片激振方式進(jìn)行分析,研究了壓電元件的布片位置與布片長度對(duì)超聲振子輸出性能的影響規(guī)律。得出壓電片的布片位置位于超聲振子振動(dòng)的中心波腹處,布片長度不宜超過兩個(gè)振動(dòng)節(jié)點(diǎn)間距離為合理的布片方式。采用有限元分析的方法,驗(yàn)證了理論分析結(jié)果的正確性,為開展柱狀彎曲振動(dòng)模態(tài)超聲振子的設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)。
　　實(shí)現(xiàn)了兩種不同結(jié)構(gòu)與激振模式的超聲運(yùn)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)原型樣機(jī)的研制

5、。一種為行波單波長超聲運(yùn)動(dòng)控制機(jī)構(gòu),超聲振子采用黃銅材料的中空方柱型結(jié)構(gòu),自重24g,尺寸為長×寬×內(nèi)徑為20mm×8mm×M4mm;另一種為行波三波長超聲運(yùn)動(dòng)控制機(jī)構(gòu),超聲振子采用外表面加工有十二棱面的中空柱狀多面體結(jié)構(gòu),材料為45號(hào)鋼,自重206g,尺寸為長×寬×內(nèi)徑為36mm×46mm×Tr38mm。
　　通過定義轉(zhuǎn)折負(fù)載、穩(wěn)態(tài)速度以及載重比的概念,開展了超聲運(yùn)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)在質(zhì)量負(fù)載下的實(shí)驗(yàn)研究。兩臺(tái)樣機(jī)均可實(shí)現(xiàn)螺旋式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

6、的自鎖與解鎖狀態(tài)轉(zhuǎn)換功能。通過調(diào)節(jié)激勵(lì)電壓,可實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)構(gòu)輸出速度的線性控制。單波長超聲運(yùn)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)的激振頻率為49.30kHz,激勵(lì)電壓有效值7V時(shí),載重比為30:1以上;三波長超聲運(yùn)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)的激振頻率為42.90kHz,激勵(lì)電壓有效值14V時(shí),可獲得80:1以上的載重比能力。
　　將三波長超聲運(yùn)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)應(yīng)用于氣動(dòng)控制系統(tǒng)中,實(shí)現(xiàn)了一套帶有超聲運(yùn)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)的新型氣動(dòng)控制系統(tǒng),測(cè)試了該系統(tǒng)的定位與速度控制特性。測(cè)試結(jié)果表明,通過