一种谐振冲击式直线马达及压电振子频率匹配方法

本发明涉及压电驱动器领域，具体涉及一种谐振冲击式直线马达及压电振子频率匹配方法。

背景技术：

1、谐振冲击式压电马达利用压电振子的多个振动模态合成高频、大振幅的近似锯齿波振动，通过定子与动子之间的摩擦耦合实现机械传动，将冲击式压电马达的驱动状态从准静态扩展到谐振频率，具有运动速度快、驱动力强、输出功率大等优点。因此，谐振冲击式压电马达在生物样品快速操作、光学平台精确定位、地外行星钻探取样等精密驱动系统中具有重要的发展潜力和应用价值。

2、近年来，有多项专利申请涉及谐振冲击式压电马达，并提出压电振子的频率匹配方法。专利申请cn109378995a，名称为“一种高频谐振压电惯性驱动直线位移平台”，由基体、第一压电驱动器、第二压电驱动器、主惯性体、辅惯性体构成非对称的惯性动子(即压电振子)，具有反相固有振动模态和同相固有振动模态，通过改变基体、主惯性体、辅惯性体的质量比值调整惯性动子反相固有振动频率与同相固有振动频率的比值为1:2。专利申请cn111082699a，名称为“一种非正弦周期谐振的压电振子”，由基体、质量体、u形支架、支承支架、弯曲支架和压电片构成，压电振子具有一阶横向振动模态和二阶横向振动模态，改变两侧弯曲支架的厚度比值可调整压电振子两个振动模态的固有频率比值为1:2或1:3，采用两个压电片分别激励产生两个固有频率下的正弦谐振，使得压电振子的基体合成谐振状态下的近似锯齿波或方波振动。

3、上述压电振子是构成谐振冲击式压电马达的关键部件，具备两个有效的固有振动模态，且两个振动模态的谐振频率比值满足1:2关系，需要通过特定的结构设计和参数调整实现频率匹配。然而，实际加工完成的压电振子在材料特性和结构尺寸等方面与设计参数存在差异，导致实际的谐振频率比值不能精确满足1:2关系，大大降低了马达的实际工作效果。通过材料特性和结构尺寸的精确控制来保证频率匹配效果无疑将极大提高加工成本。因此，可靠的结构设计和灵活的频率匹配方法仍然是谐振冲击式压电马达发展的难点。

技术实现思路

1、为了克服上述关键技术中的不足，本发明提供一种谐振冲击式直线马达及压电振子频率匹配方法，通过在压电振子的振动模态节点处设置调整结构，使得谐振频率比值可在1:2附近进行精确地调节，从而解决因材料特性制备差异和结构尺寸加工公差带来的频率不匹配问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

3、一种谐振冲击式直线马达，包括压电振子、直线光轴、基座和底座；

4、所述压电振子为对称结构，中心设有中心套管，中心套管的外圈从中点向外依次共轴设置调整圆环a、金属圆管、压电圆环、调整圆环b和紧固螺帽，中心套管的外圈两端和紧固螺帽的内圈外端设有螺纹，通过紧固螺帽将调整圆环a、金属圆管、压电圆环、调整圆环b与中心套管固定为整体结构，所述紧固螺帽的外端设置凸台，凸台两面安装预紧簧片；

5、所述直线光轴通过中心套管和预紧簧片贯穿压电振子，预紧簧片与直线光轴接触并通过螺钉施加预紧力；

6、所述基座设置在底座两侧，两侧基座相互平行且垂直于底座,所述直线光轴的两端通过安装在底座上的基座固定；

7、所述压电振子包含两个固有振动模态，即一阶轴向振动模态和二阶轴向振动模态，两个振动模态的谐振频率比值f1:f2满足1:2关系。

8、所述调整圆环a和调整圆环b由若干金属环片组成，调整圆环a位于压电振子的1/2处，即一阶轴向振动模态的节点处，调整圆环b分别位于压电振子的1/4和3/4处，即二阶轴向振动模态的节点处。

9、为了达到上述目的，采用上述一种谐振冲击式直线马达，本发明还提供一种压电振子频率匹配方法，该频率匹配方法包括以下步骤：

10、步骤一、测试压电振子两个振动模态的谐振频率，计算谐振频率比值f1:f2；

11、步骤二、若谐振频率比值f1:f2小于1:2，将调整圆环a的金属环片部分或全部由低密度、低刚度金属环片替换为高密度、高刚度金属环片，提高一阶轴向振动模态的谐振频率f1，降低二阶轴向振动模态的谐振频率f2，使谐振频率比值f1:f2变大满足1:2关系；

12、步骤三、若谐振频率比值f1:f2大于1:2，将调整圆环b的金属环片部分或全部由低密度、低刚度金属环片替换为高密度、高刚度金属环片，降低一阶轴向振动模态的谐振频率f1，提高二阶轴向振动模态的谐振频率f2，使谐振频率比值f1:f2变小满足1:2关系。

13、进一步地，所述低密度、低刚度金属环片的材料为铝合金，所述高密度、高刚度金属环片的材料为不锈钢。

14、与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

15、(1)本发明压电振子是由中心套管、调整圆环a、金属圆管、压电圆环、调整圆环b、紧固螺帽和预紧簧片组成的朗之万振子，具有较强的功率驱动能力，且安装拆卸方便、加工成本较低。

16、(2)本发明压电振子采用对称结构，一阶轴向振动模态和二阶轴向振动模态谐振频率比值f1:f2的理论值即为1:2，避免了复杂的结构设计。

17、(3)本发明频率匹配方法利用设置在压电振子振动模态节点处的调整圆环完成，改变调整圆环的材料特性，即由低密度、低刚度材料替换为高密度、高刚度材料，两个振动模态的谐振频率反向变化实现比值改变，且调整圆环a和调整圆环b具有相反的调整效果，可实现较大的频率比值调整范围。

技术特征：

1.一种谐振冲击式直线马达，其特征在于，包括压电振子、直线光轴、基座和底座；

2.权利要求1所述的一种谐振冲击式直线马达，其特征在于，所述调整圆环a和调整圆环b均由若干金属环片组成。

3.权利要求2所述的一种谐振冲击式直线马达，其特征在于，调整圆环a位于压电振子的1/2处，即一阶轴向振动模态的节点处，调整圆环b分别位于压电振子的1/4和3/4处，即二阶轴向振动模态的节点处。

4.权利要求3所述的一种谐振冲击式直线马达，其特征在于，所述压电振子频率匹配方法包括以下步骤：

5.权利要求4所述的一种谐振冲击式直线马达，其特征在于，所述低密度、低刚度金属环片的材料为铝合金。

6.权利要求4所述的一种谐振冲击式直线马达，其特征在于，所述高密度、高刚度金属环片的材料为不锈钢。

技术总结
本发明公开了一种谐振冲击式直线马达及压电振子频率匹配方法，通过一阶轴向振动模态和二阶轴向振动模态在压电振子两端合成谐振状态下的近似锯齿波振动，在非对称摩擦耦合作用下沿直线光轴平滑运动；自由状态下压电振子一阶轴向振动模态和二阶轴向振动模态的谐振频率理论比值接近1:2，在振动模态节点处设置调整圆环A和调整圆环B，通过改变两种材料金属环片的比例精确调整谐振频率比值满足1:2关系。本发明设计一种安装拆卸方便的压电振子，并提供一种灵活的频率匹配方法，解决因材料特性制备差异和结构尺寸加工公差带来的频率不匹配问题，保证谐振冲击式压电马达的实际工作效果。

技术研发人员：潘成亮,吴旭,朱琦,程征泰,夏豪杰,张进,李维诗,赵会宁
受保护的技术使用者：合肥工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15