申請書-一種應(yīng)用于內(nèi)窺鏡的旋轉(zhuǎn)-直線運動馬達的研究

朽木易折，金石可鏤。千里之行，始于足下。第頁/共頁一種應(yīng)用于內(nèi)窺鏡的旋轉(zhuǎn)-直線運動馬達的研究一、引言旋轉(zhuǎn)-直線運動壓電馬達是一類比較異常的電機，其本身脫胎于旋轉(zhuǎn)型壓電馬達，通過螺紋的傳動把旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線運動。因為螺紋結(jié)構(gòu)具有異常強的抗沖擊能力，定位精度也較高，這類馬達在光學(xué)精密驅(qū)動系統(tǒng)、醫(yī)療器械以及機器人等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景[[]OtaT,PatronikNA,SchwartzmanD,etal.MinimallyInvasiveEpicardialInjectionsUsingaNovelSemiautonomousRoboticDevice.Circulation,2008,118(4):115-120.][[]PatronikNA,OtaT,ZenatiMA,etal.AMiniatureMobileRobotforNavigationandPositioningontheBeatingHeart.IEEETransactiononRobotics,2009,25(5):1109-1124.][[][]OtaT,PatronikNA,SchwartzmanD,etal.MinimallyInvasiveEpicardialInjectionsUsingaNovelSemiautonomousRoboticDevice.Circulation,2008,118(4):115-120.[]PatronikNA,OtaT,ZenatiMA,etal.AMiniatureMobileRobotforNavigationandPositioningontheBeatingHeart.IEEETransactiononRobotics,2009,25(5):1109-1124.[]BekirogluE.UltrasonicMotors:Theirmodels,Drives,ControlsandApplications.JournalofElectroceramics,2008,20(3-4):277-286.2005年，清華大學(xué)的周鐵英等提出了一種旋轉(zhuǎn)-直線運動壓電馬達[4]，將壓電陶瓷（12片）粘貼到金屬薄壁圓筒定子外側(cè)的平面上，轉(zhuǎn)子與金屬薄壁圓筒定子通過螺紋相嚙合，通過鼓勵壓電片使定子中產(chǎn)生沿圓周方向的面內(nèi)彎曲行波，通過螺紋直接驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋改變轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)-直線運動。但是該馬達的轉(zhuǎn)子為多面體管體結(jié)構(gòu)，多個壓電陶瓷片粘貼在多面體的各個面上形成驅(qū)動體，對加工要求較高，制作工序也較為復(fù)雜。圖1周鐵英提出的旋轉(zhuǎn)-直線壓電馬達結(jié)構(gòu)2013年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的程廷海等人提出了一種貼片式旋轉(zhuǎn)-直線運動壓電[[]程廷海，郭向東，包鋼.中空柱狀定子二階彎振的旋轉(zhuǎn)-直線超聲電機.電機與控制學(xué)報，2013,17(3):8~12.]，馬達采用中空柱狀定子的兩個二階彎曲振動的耦合，在定子自由端的內(nèi)表面合成一個驅(qū)動行波，通過螺紋傳動實現(xiàn)輸出軸的旋轉(zhuǎn)-直線運動輸出。定子尺寸長×寬×[]程廷海，郭向東，包鋼.中空柱狀定子二階彎振的旋轉(zhuǎn)-直線超聲電機.電機與控制學(xué)報，2013,17(3):8~12.圖2程廷海提出的旋轉(zhuǎn)-直線壓電馬達結(jié)構(gòu)基于以上旋轉(zhuǎn)-直線壓電馬達的設(shè)計，該項目融合了各方面優(yōu)勢，提出了一種圓筒狀旋轉(zhuǎn)直線壓電馬達，從運動輸出方式分析，這也屬于直線運動馬達的一種，其最大特點在于通過繞螺紋的方式來實現(xiàn)直線運動。該結(jié)構(gòu)的亮點在于激發(fā)了定子彈性體的兩個模態(tài)的運動并將其放大為轉(zhuǎn)子的宏觀運動。同時，該馬達省去了其他傳動機構(gòu)，結(jié)構(gòu)十分容易，能更好地實現(xiàn)微型化，在精密驅(qū)動領(lǐng)域，異常是微型光學(xué)模組中具有十分重要的應(yīng)用前景。二、旋轉(zhuǎn)-直線運動壓電馬達的結(jié)構(gòu)本項目提出的新型旋轉(zhuǎn)-直線運動馬達的構(gòu)造結(jié)構(gòu)如圖3所示，該旋轉(zhuǎn)-直線運動馬達由定子跟轉(zhuǎn)子兩部分組成，定子由壓電陶瓷圓筒（1）與金屬圓筒（2）組成，壓電陶瓷圓筒與金屬圓筒粘接在一起，定子與轉(zhuǎn)子（3）之間有互相配合的螺紋，定子與轉(zhuǎn)子通過螺紋副傳動。壓電陶瓷圓筒在外加電場的作用下產(chǎn)生特定的形變，帶著金屬圓筒一起振動，這里金屬內(nèi)圓筒起到了兩個作用，一是對于壓電陶瓷圓筒的振動舉行放大，二是金屬內(nèi)圓環(huán)上的螺紋跟定子的螺紋相配合，作為驅(qū)動機構(gòu)。圖3旋轉(zhuǎn)-直線運動壓電馬達的暗示圖圖4為本項目中所用到的3個零件，通過與一元硬幣尺寸的對照，可以直觀感覺它們的大小。其中，壓電陶瓷圓筒的外徑（直徑）是3.7mm，內(nèi)徑是3.1mm，高度是3mm。金屬圓筒的外徑是3.1mm，內(nèi)徑是2.5mm，高度是3mm。金屬轉(zhuǎn)子的外徑是2.5mm，內(nèi)徑是1.8mm，高度是1.5mm。金屬圓筒的內(nèi)側(cè)與轉(zhuǎn)子的外側(cè)有一對互相匹配的螺紋副，螺距為0.25mm。圖4旋轉(zhuǎn)-直線運動壓電馬達的零件實物圖所選用的金屬圓筒的材料參數(shù)對馬達輸出性能有很大影響，因為定子金屬彈性體是壓電陶瓷振動放大的重要環(huán)節(jié)，彈性體材料的挑選和優(yōu)化也是壓電馬達設(shè)計中不可缺少的步驟。定子材料要求耐磨、導(dǎo)熱性好、熱膨脹系數(shù)小、質(zhì)量輕、有較好的工藝性和價格便宜等[[]趙淳生.壓電馬達技術(shù)與應(yīng)用.壓電與聲光,2009,31(1):148.]。目前壓電馬達常用的金屬材料有黃銅、磷青銅、不銹鋼、45號鋼、鋁合金等。南京航空航天大學(xué)使用上述金屬材料制作了行波型旋轉(zhuǎn)壓電馬達定子，并[]趙淳生.壓電馬達技術(shù)與應(yīng)用.壓電與聲光,2009,31(1):148.轉(zhuǎn)子是具有外螺紋的中空結(jié)構(gòu)的金屬圓環(huán)，與定子的內(nèi)螺紋相吻合并旋入定子中。本實驗中，轉(zhuǎn)子也挑選磷青銅材料，需要驅(qū)動的部件（例如鏡頭）放置在轉(zhuǎn)子的中空部分，隨著轉(zhuǎn)子一起舉行旋轉(zhuǎn)-直線運動。表1磷青銅材料的參數(shù)密度(kg/m3)泊松比楊氏模量(Gpa)屈服應(yīng)力(Gpa)磷青銅89200.38100110~670本項目中，我們用環(huán)氧樹脂將壓電陶瓷圓筒跟金屬圓筒粘接在一起，共同組成該馬達的定子，得到如圖5所示的壓電馬達的定子與動子的實物圖。圖5旋轉(zhuǎn)-直線運動壓電馬達的定子與轉(zhuǎn)子馬達零件加工好以后，定子與轉(zhuǎn)子之間的接觸狀態(tài)就決定了，他們之間的預(yù)壓力也無法調(diào)節(jié)了，兩者之間的預(yù)壓力既不能太大也不能太小，所以對于螺紋副的配合度要適當去挑選，對螺紋副加工精度的要求也是異常高的。同時，在舉行零件加工時，還需要使金屬圓筒內(nèi)表面與金屬轉(zhuǎn)子外表面有充足的光潔度，定子和轉(zhuǎn)子之間需要流暢配合。三、旋轉(zhuǎn)-直線運動壓電馬達的運行機理首先，利用有限元軟件ANSYS建立了一個如圖6所示的定子模型，模型由兩個薄圓筒組成，外筒是壓電陶瓷圓筒，內(nèi)筒是金屬圓筒，建模的過程中，為了簡便運算，忽略螺紋，我們首先分析了它的模態(tài)，計算出來的第一階模態(tài)（B02）如圖5所示，它的變形如圖所示，總體上來說就是由一個圓筒變成了一個橢圓筒的形狀，這是圓筒的二階的圓周向行波振動。而且我們發(fā)現(xiàn)第二階模態(tài)跟第一階模態(tài)是同形的，只是在空間上存在著90°的相位角，所以這是一個異常有應(yīng)用前景的工作模態(tài)，在本項目中，我們便是以前兩階模態(tài)作為工作模態(tài)來構(gòu)建我們的壓電馬達。圖6定子的有限元模型圖7壓電定子的第一階模態(tài)圖8是壓電陶瓷圓筒的結(jié)構(gòu)暗示圖，(a)為正視圖，(b)為鳥瞰圖。壓電陶瓷圓筒沿筒壁方向極化，在筒的內(nèi)外壁分離鍍有電極，內(nèi)壁的電極是一個整體，用來接地；外壁的電極沿圓周方向均分為8個區(qū)域（A1、B1、C1、D1、A2、B2、C2、D2），用來接鼓勵信號。其中，電極A1與電極A2沿壓電陶瓷圓筒的直徑方向?qū)ΨQ分布，稱為A激振組，同樣的方式定義B激振組（B1、B2），C激振組（C1、C2）和D激振組（D1、D2）。當采用圖9所示的電壓施加方式時，也就是A激振組施加sinωt的信號，C激振組施加-sinωt的信號，B激振組跟D激振組都懸空，電極A1、A2對應(yīng)的區(qū)域倘若陶瓷片沿圓周方向伸長（或縮短），因為A、C激振組的電壓方向相反，電極C1、C2對應(yīng)的區(qū)域的陶瓷片則會產(chǎn)生縮短（或伸長）的形變，囫圇壓電陶瓷圓筒將產(chǎn)生如圖12(a)所示的駐波諧振振動R1。同理，當在B激振組施加sinωt的信號，D激振組施加-sinωt的信號，A跟C激振組懸空時，囫圇壓電陶瓷圓筒將產(chǎn)生如圖12(b)所示的駐波諧振振動R2。R1與R2也是兩個同形振動模態(tài)，在空間上有45°的相位角。注重到圖12所示的壓電陶瓷圓筒的實際變形跟圖7模擬得到的振型存在著一定的區(qū)別，實際情況下，馬達定子的變形比R1跟R2所示變形要更為復(fù)雜，除了圓周方向上的變形，還會有圓筒軸向方向上的變形。圖8壓電陶瓷圓筒的結(jié)構(gòu)暗示圖當A、C跟B、D兩對激振組被同時鼓勵時，壓電陶瓷圓筒將會同時鼓勵R1跟R2兩個駐波諧振振動，當加載在A、C上的交變信號與加載在B、D上的交變信號之間的頻率、相位滿意一定條件時，這兩個駐波振動將耦合形成一個行波振動。其中，當加載在A、C激振組上的交變信號與加載在B、D激振組上的交變信號滿意頻率相等、幅值相同、相位差滿意90°時，如圖10所示的電壓鼓勵方式，R1和R2將疊加耦合，在壓電陶瓷圓筒上形成2個波長的驅(qū)動行波，囫圇定子也將隨之振動，通過螺紋副傳動，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的順時針旋轉(zhuǎn)-直線輸出。當加載在A、C激振組上的交變信號與加載在B、D激振組上的交變信號滿意頻率相等、幅值相同、相位差滿意270°時，如圖11所示的電壓鼓勵方式，R1和R2將疊加耦合，在壓電陶瓷圓筒上形成2個波長的反向的驅(qū)動行波，囫圇定子也將隨之振動，通過螺紋副傳動，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的逆時針旋轉(zhuǎn)-直線輸出。圖9壓電陶瓷圓筒的電壓施加方式1圖10壓電陶瓷圓筒的電壓施加方式2圖11壓電陶瓷圓筒的電壓施加方式3圖12壓電陶瓷圓筒的形變暗示圖四、旋轉(zhuǎn)-直線運動壓電馬達的性能測試圖13為旋轉(zhuǎn)直線運動壓電馬達的實物圖，要舉行馬達的測試的時候，在定子外面包裹一層柔性電路板（FPC板），柔性電路板的前端有8個焊盤，每個焊盤對應(yīng)一塊電極區(qū)域，然后將A1與A2、B1與B2、C1與C2、D1與D2分離連在一起，然后從尾端引出來4個接線端，如圖11所示。通過4個接線端施加適當?shù)碾妷海纯梢则?qū)動馬達運動。從圖11可以更直觀的看出我們的馬達整體結(jié)構(gòu)是相當容易的。圖13旋轉(zhuǎn)-直線運動壓電馬達的實物圖圖14是該型壓電定子典型的阻抗頻率特性，測試在HP4294型阻抗分析儀上舉行。圖中4條曲線分離對應(yīng)著A1-A2、B1-B2、C1-C2、D1-D2這4組電極分離單獨測得的阻抗頻率特性曲線。從圖中可以看出，4組阻抗頻率特性曲線是異常臨近的，得到的諧振頻率都在100kHz左右，說明囫圇馬達定子的軸對稱性很好。在下面馬達的測試過程中，我們也挑選100kHz作為工作頻率。隨后，對馬達的驅(qū)動情況舉行了分析，因為我們需要驅(qū)動的部件是鏡頭，鏡頭分量很輕（<1g），所以我們并不是很協(xié)助馬達的驅(qū)動力，實驗中，我們通過在轉(zhuǎn)子的中空部分放置重物（如金屬圓球、金屬桿）來預(yù)估馬達的驅(qū)動力，發(fā)現(xiàn)附加10g的重物時，馬達依然可以流暢運行，說明馬達在驅(qū)動力方面能滿意需求。我們重點測試了馬達的運動速度，測試過程中我們采用的儀器是基恩士（KEYENCE）公司的LK-G系列的激光測距儀，測試轉(zhuǎn)子不同時刻的位移，通過位移的微分來求解速度。詳細到本項目中，因為轉(zhuǎn)子是中空的結(jié)構(gòu)，測試的過程中，我們固定一個薄圓片在轉(zhuǎn)子的中空結(jié)構(gòu)中，然后用激光束打在圓片的中央，通過激光位移傳感器來監(jiān)控圓片（轉(zhuǎn)子）不同時刻在激光方向上的位移。圖15是我們得到的一個典型的位移隨時光變化的曲線，電信號的參數(shù)為：f=100kHz，V=60Vp-p，運動方向為逆向運動。從圖中曲線的細節(jié)我們可以看出，位移曲線并不是直線的，而是波浪振蕩前進的方式。經(jīng)分析可知，這種方式其實是合理的，因為本身定子的運動類型是旋轉(zhuǎn)直線型，通過螺紋來實現(xiàn)螺旋前進的，在轉(zhuǎn)子前進的過程中，除了轉(zhuǎn)子本身的直線運動以外，轉(zhuǎn)子本身還會產(chǎn)生一定的晃動，因為轉(zhuǎn)子本身跟定子之間是一個偏松的配合，它們之間有一定的間隙。如圖13所示，螺紋副的螺距為0.25mm，轉(zhuǎn)子在550ms的時光里面大約直線運動了1.7mm，相當于歷經(jīng)了7個螺紋的高度，圖中正巧就對應(yīng)了7個波浪狀的起伏，驗證了我們理論的準確性。位移曲線的斜率代表了不同時刻轉(zhuǎn)子運動的即時速度，但是我們更協(xié)助的是馬達運動過程中的平均速度，我們用總的位移除以運動時光來得到轉(zhuǎn)子直線運動的平均速度，如本圖中對應(yīng)的平均速度就是3.1mm/s，我們也可以從直線運動的速度推算出轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，其值約為77.7rad/s。圖14旋轉(zhuǎn)直線運動壓電馬達的阻抗特性曲線圖15馬達轉(zhuǎn)子直線運動位移與時光的關(guān)系圖16為壓電馬達兩個方向上直線運動速度（平均速度）與所加電壓之間的關(guān)系。從圖中可以看出，馬達的啟動電壓為25Vp-p，此時，正向速度為1.2mm/s，逆向速度為0.8mm/s。隨著電壓的增強，正向與逆向的速度都增強，但是正向運動的速度一直比逆向運動速度要大一些，當驅(qū)動電壓增強到100Vp-p時，正向速度達到8.3mm/s，逆向速度達到6.3mm/s。正逆向的速度存在著較大的差別，這與螺紋的加工工藝有關(guān)系，在本項目中金屬圓筒的內(nèi)螺紋是采用傳統(tǒng)的“攻絲”的主意加工出來的，必然會導(dǎo)致在旋進與旋出兩個方向上轉(zhuǎn)子的運行情況存在一定的差異。理論上隨著電壓的增強，壓電馬達還將得到更高的驅(qū)動特性。但是我們的壓電陶瓷圓筒的壁厚為0.3mm，電壓過高的話，會導(dǎo)致陶瓷管發(fā)熱嚴重，甚至?xí)?dǎo)致壓電陶瓷的退極化，從而影響壓電馬達的使用壽命，所以我們僅僅測試到100Vp-p的數(shù)據(jù)，馬達的正常工作電壓也應(yīng)保持在100Vp-p以下。圖16壓電馬達直線運動速度與驅(qū)動電壓的關(guān)系五、旋轉(zhuǎn)-直線馬達馬達在內(nèi)窺鏡上的應(yīng)用內(nèi)窺鏡是擴散了傳統(tǒng)光學(xué)、人體工程學(xué)、精密機械、現(xiàn)代電子、數(shù)學(xué)、軟件于一體的檢測儀器。它具有圖像傳感器、光學(xué)鏡頭、光源照明、機械裝置等，