一种旋转超声激振装置及时空相位调谐方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于压电驱动技术领域，具体涉及一种时空相位可动态调整的旋转压电超 声激振装置及性能调谐技术。
【背景技术】
[0002] 压电振子是超声电机的关键部件。压电陶瓷的逆压电效应激起超声频段的微幅振 动，进而在振子表面形成期望的微观振动。应当指出的是，现有超声振子通常采用预设模态 方式工作。事实上，受加工及装配误差的影响，振子的质量和刚度分布通常产生变化，因此 工作点将产生漂移，影响激振效率。
[0003] 若考虑由结构周期性导致的固有频率分裂和振型耦合现象，振子表面的波动将产 生畸变，影响了稳定性和工作效率。
【发明内容】
[0004] 本发明提供了一种旋转超声激振装置及时空相位调谐方法，本发明提高了激振装 置的工作效率和工作稳定性，满足了实际应用中的多种需要，详见下文描述：
[0005] -种旋转超声激振装置，包括：盘形定子、压电振子和调整机构三部分，所述盘形 定子、所述压电振子分别连接在所述调整机构上；
[0006] 所述压电振子沿所述盘形定子的轴向安装；所述盘形定子与所述压电振子沿周向 分组对称或均匀分布；
[0007] 在外接电压作用下，所述压电振子产生轴向振动，激起所述盘形定子周期振动；在 多个所述压电振子的激励下，所述盘形定子可产生行波或驻波。
[0008] 所述调整机构包括：定子支撑、定子夹持装置、压电振子夹持装置、压电振子锁紧 装置、T型槽紧固件和基座；
[0009] 所述盘形定子与所述定子支撑通过螺纹连接；所述定子夹持装置沿所述盘形定子 边缘夹持；
[0010] 所述定子夹持装置的下端与所述压电振子通过螺栓连接，所述压电振子插入所述 压电振子夹持装置；
[0011] 所述压电振子夹持装置插入所述压电振子锁紧装置；
[0012] 所述压电振子锁紧装置与所述T型槽紧固件通过螺栓连接，所述T型槽紧固件可 沿周向在所述基座的T型槽内移动。
[0013] 所述压电振子以d33模式工作，在交流电压作用下，所述压电振子将产生轴向伸 缩变形。
[0014] -种旋转超声激振装置的时空相位调谐方法，所述时空相位调谐方法包括以下步 骤：
[0015] 当压电振子沿周向分组对称分布时，
[0016] (1)如果w± 1Q辛qP，则抑制压电振子的柔体振动；
[0017] (2)如果w+lQ = qP且w-lQ辛qP，则激起压电振子的后行波响应；
[0018] (3)如果w+lQ辛qP且w-lQ = qP，则激起压电振子的前行波响应；
[0019] ⑷如果w± IQ = qP，激起压电振子的行波与驻波的混合响应；
[0020] 其中，P为压电振子的分组数；w为波数；1为谐波响应的阶数；Q和q为整数。
[0021] -种旋转超声激振装置的时空相位调谐方法，所述时空相位调谐方法包括以下步 骤：
[0022] 当压电振子沿周向均匀分布时，
[0023] (1)如果IQ = qP，将激起压电振子的零波数面外振动；
[0024] (2)如果IQ = qP± 1，则激起压电振子的波数为qP± 1的柔体振动；
[0025] (3)如果为其它条件，则激起压电振子的其它波数的柔体振动；
[0026] 其中，1为谐波响应的阶数；Q和q为整数；P为压电振子的分组数。
[0027] 本发明提供的技术方案的有益效果是：该装置主要由盘形定子、压电振子和调整 机构组成。其中，定子本体由黄铜或其它材料制成，沿其轴向安装若干压电振子，该压电振 子的位置可沿盘形定子的周向无级调整。本发明给出了可产生柔体振动的时空相位条件， 并给出了可进一步提升激振性能的动态调谐技术。具有如下的有益效果：
[0028] 1)压电振子采用d33工作模式，提高了激振效率；
[0029] 2)压电振子的数量可为多个，有助于提高激振效率；
[0030] 3)压电振子的位置可沿定子的周向无级调整，有利于找到适宜的激振点，可弥补 由加工和装配误差带来的工作点漂移问题；
[0031] 4)压电振子的时空相位不再限于传统的90°，提高了激振装置设计的灵活性。
【附图说明】
[0032] 图1示出了旋转压电激振装置示意图，图中仅给出了一个压电振子，事实上可以 为多个，其中（a)为主视图，（b)为俯视图；
[0033] 图2示出了盘形定子示意图，其中（a)为主视图，（b)为俯视图，所述定子为辐板 结构，由黄铜或其它金属制成；
[0034] 图3示出了定子支撑示意图，其中（a)为主视图，（b)为左视图，所述支撑的两端 均有螺纹，中部设置了四个方便拧紧的平面；
[0035] 图4示出了锁紧螺母示意图，其中（a)为主视图，（b)为左视图；
[0036] 图5示出了定子夹持装置示意图，其中（a)为主视图，（b)为左视图；
[0037] 图6示出了压电振子示意图，其中部设置四个方便施加预紧力的平面，其中（a)为 主视图，（b)为左视图；
[0038] 图7示出了压电振子夹持装置示意图，其中（a)、（b)和（c)分别为主、俯和左视 图；
[0039] 图8示出了压电振子紧固装置示意图，其中（a)、（b)和（c)分别为主、俯和左视 图；
[0040] 图9示出了 T型槽紧固件示意图，其中（a)为主视图，（b)为左视图；
[0041] 图10示出了激振装置的基座示意图，其中（a)为主视图，（b)为俯视图；
[0042] 图11示出了分组激振示意及坐标系示意图；
[0043] 图12示出了六压电振子二分组夹角与振幅的关系示意图；
[0044] 图13示出了十二压电振子多分组夹角与振幅的关系示意图。
[0045] 附图中，各部件列表如下：
[0046] 010 :盘形定子； 020 :定子支撑；
[0047] 030 :锁紧螺母； 040 :定子夹持装置；
[0048] 050:压电振子； 060 :压电振子夹持装置；
[0049] 070 :压电振子锁紧装置； 080 :T型槽紧固件；
[0050] 090 :基座； 021 :第一紧定螺钉；
[0051] 071 :第二紧定螺钉。
【具体实施方式】
[0052] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步 地详细描述。
[0053] 现有的压电振子的时空相位通常为π/2,如果采用其它相位，可大幅提升设计的 灵活性，有助于确定最优工作参数。为了克服现有超声振子激振效率较低及运转不稳定等 技术难题，本发明实施例提供一种时空相位可动态调的旋转压电超声激振装置及性能调谐 方法，给出了拓扑构型及时空相位调整机构，并设计了相应的调谐方法。
[0054] 实施例1
[0055] -种旋转超声激振装置，参见图1至图10,该旋转超声激振装置主要包括：盘形定 子010、定子支撑020、锁紧螺母030、定子夹持装置040、压电振子050、压电振子夹持装置 060、压电振子锁紧装置070、Τ型槽紧固件080和基座090。
[0056] 其中，盘形定子010与定子支撑020通过螺纹连接，并且通过锁紧螺母030锁紧； 定子夹持装置040沿盘形定子010边缘夹持，并且用第一紧定螺钉021锁紧。定子夹持装 置040的下端与压电振子050通过螺栓连接，压电振子050插入压电振子夹持装置060。压 电振子夹持装置060插入压电振子锁紧装置070,并且由第二紧定螺钉071锁紧。压电振 子锁紧装置070与Τ型槽紧固件080通过螺栓连接，Τ型槽紧固件080可沿周向在基座090 的Τ型槽内移动。
[0057] 本发明实施例在图2-图10中分别给出了盘形定子010、定子支撑020、锁紧螺母 030、定子夹持装置040、压电振子050、压电振子夹持装置060、压电振子锁紧装置070、Τ型 槽紧固件080和基座090的结构示意图，但本发明实施例仅以此为例说明该些器件的结构， 本发明实施例并不限制该些器件的具体结构、尺寸。
[0058] 参见图2,盘形定子010由轮毂、幅板和轮缘组成，轮毂的中心加工有螺纹孔，轮缘 的外侧加工了矩形截面的凹槽。
[0059] 参见图3,定子支撑020为柱状，其两端加工螺纹，中间部分铣削了四个平面。参见 图4,锁紧螺母030为非标件，用于紧固盘形定子010。
[0060] 参见图5,定子夹持装置040用于夹持盘形定子010,具体联接方式为将定子夹持 装置040与螺纹孔相对的凸起嵌入盘形定子010的凹槽，同时与压电振子050通过公称直 径较大的螺纹联接，而较小的螺纹用于安装紧定螺钉，使夹持装置040与盘形定子010牢固 联接。
[0061] 参见图6,压电振子050为本发明实施例的核心部件，其外形为两端加工了螺纹的 圆柱体，中间铣削了四个平面，内部夹持圆形压电陶瓷，在周期电压作用下，该压电振子050 将按d33模式被激振，产生轴向伸缩振动。
[0062] 参见图7,压电振子夹持装置060外形为柱状，一端加工了用于和压电振子050联 接的内螺纹，另一端设计为阶梯轴状，其上加工了用于锁紧该部件的三角形凹槽，为了方便 旋紧，该部件的外侧同样铣削了四个平面。
[0063] 参见图8,压电振子锁紧装置070的一端加工了光孔，孔壁加工了四个用于安装紧 定螺钉的螺纹孔，该压电振子锁紧装置070的另一端加工了与T型槽紧固件080联接的螺 纹孔，同时外侧铣削了四个平面。
[0064] 参见图9, T型槽紧固件080用于固定压电振子050,该T型槽紧固件080的大端 置于基座090的T型槽内，然后将位于小端的螺纹旋入压电振子锁紧装置070的螺纹孔。
[0065] 参见图10,基座090为盘形结构，其中间加工了用于安装定子支撑020的螺纹孔， 外侧加工了四个用于与地基紧固的光孔，内部加工了用于安装紧固件080的T型凹槽。
[0066] 该旋转超声激振装置的具体工作过程为：在外接电压作用下，压电振子050产生 轴向振动，从而激起盘形定子010周期振动。在多个压电振子050的激励下，盘形定子010 可产生行波或驻波。通过合理的设置压电振子