基于偏心輪受迫振動(dòng)的壓電馬達(dá)：原理、設(shè)計(jì)與性能研究一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代工業(yè)和高科技領(lǐng)域的不斷發(fā)展進(jìn)程中，對(duì)高精密自動(dòng)化控制的需求日益增長(zhǎng)，驅(qū)動(dòng)技術(shù)在其中占據(jù)著極為關(guān)鍵的地位。壓電馬達(dá)作為一種新型驅(qū)動(dòng)器，自20世紀(jì)80年代興起以來(lái)，憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，迅速成為世界范圍內(nèi)的新興前沿研究課題，在航空航天、生物醫(yī)療、顯微探測(cè)、智能機(jī)器人以及其他精密儀器等眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。壓電馬達(dá)是利用壓電體的壓電振動(dòng)實(shí)現(xiàn)電能到機(jī)械能高效轉(zhuǎn)換的新型換能機(jī)構(gòu)，其工作原理基于壓電材料的逆壓電效應(yīng)。當(dāng)對(duì)壓電材料施加電場(chǎng)時(shí)，壓電材料會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，通過(guò)巧妙設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，這些微觀的變形能夠被有效地轉(zhuǎn)化為宏觀的運(yùn)動(dòng)輸出。與傳統(tǒng)的電磁馬達(dá)相比，壓電馬達(dá)具有一系列顯著的優(yōu)點(diǎn)。在尺寸方面，壓電馬達(dá)能夠?qū)崿F(xiàn)小型化和微型化，滿足現(xiàn)代設(shè)備對(duì)緊湊結(jié)構(gòu)的需求，特別適用于空間受限的應(yīng)用場(chǎng)景，如微型機(jī)械系統(tǒng)和便攜式電子設(shè)備；在力矩輸出上，壓電馬達(dá)能夠在較小的體積下提供相對(duì)較大的力矩，為精密操作和驅(qū)動(dòng)提供了有力支持；其結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)使其便于集成到復(fù)雜的系統(tǒng)中，減少了系統(tǒng)的整體復(fù)雜度和體積；低速運(yùn)行時(shí)，壓電馬達(dá)能夠保持穩(wěn)定的輸出，避免了傳統(tǒng)馬達(dá)在低速下可能出現(xiàn)的抖動(dòng)和不穩(wěn)定問(wèn)題，適用于對(duì)精度要求高的低速運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)；此外，壓電馬達(dá)無(wú)電磁干擾的特性使其在對(duì)電磁環(huán)境敏感的領(lǐng)域，如醫(yī)療設(shè)備和電子通信設(shè)備中具有重要的應(yīng)用價(jià)值，不會(huì)對(duì)周圍的電子元件和信號(hào)傳輸產(chǎn)生干擾；斷電自鎖功能則為系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性提供了保障，在突發(fā)斷電情況下能夠保持設(shè)備的位置和狀態(tài)，防止意外事故的發(fā)生。盡管壓電馬達(dá)具備諸多優(yōu)勢(shì)，但現(xiàn)有的壓電馬達(dá)在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨著一些亟待解決的問(wèn)題。目前的壓電馬達(dá)主要依靠壓電定子振動(dòng)，通過(guò)摩擦傳動(dòng)的方式驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)或者直線運(yùn)動(dòng)。這種摩擦傳動(dòng)機(jī)制導(dǎo)致了一系列性能瓶頸，其中最為突出的是運(yùn)動(dòng)速度較低。由于摩擦力的限制，能量在傳遞過(guò)程中會(huì)有較大的損耗，難以實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，這在一些對(duì)速度要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景中限制了壓電馬達(dá)的應(yīng)用范圍。同時(shí)，長(zhǎng)期的摩擦作用會(huì)導(dǎo)致部件的磨損嚴(yán)重，不僅降低了馬達(dá)的使用壽命，還可能引發(fā)可靠性問(wèn)題，增加了維護(hù)成本和系統(tǒng)故障的風(fēng)險(xiǎn)。此外，輸出功率小和效率低也是困擾傳統(tǒng)壓電馬達(dá)的重要問(wèn)題，這使得壓電馬達(dá)在需要高功率輸出的場(chǎng)合難以滿足需求，限制了其在一些大型設(shè)備和高負(fù)載應(yīng)用中的應(yīng)用。為了從根本上突破這些限制，探索新型原理的壓電馬達(dá)成為了當(dāng)前研究的重要方向。基于偏心輪受迫振動(dòng)的壓電馬達(dá)的提出，正是為了徹底擺脫壓電馬達(dá)對(duì)摩擦力的依賴，為解決上述問(wèn)題提供了新的思路和途徑。這種新型壓電馬達(dá)采用了全新的工作原理，通過(guò)軸承實(shí)現(xiàn)定子與轉(zhuǎn)子之間的幾何連接，利用壓電疊堆強(qiáng)迫振動(dòng)的方式將壓電振動(dòng)能量直接饋入轉(zhuǎn)子，實(shí)現(xiàn)了非摩擦驅(qū)動(dòng)。這種創(chuàng)新的驅(qū)動(dòng)方式不僅有望提高馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)速度、輸出功率和效率，還能有效減少磨損，提高系統(tǒng)的可靠性和使用壽命。通過(guò)合理匹配偏心輪的不平衡量與壓電換能器輸出特性，以及優(yōu)化壓電疊堆的驅(qū)動(dòng)電壓相位，可以實(shí)現(xiàn)壓電疊堆的功率有效饋入偏心輪轉(zhuǎn)子中，進(jìn)一步提升馬達(dá)的性能。本研究對(duì)基于偏心輪受迫振動(dòng)的壓電馬達(dá)展開深入研究，從理論分析、設(shè)計(jì)制造到實(shí)驗(yàn)研究和應(yīng)用探討，形成了一套完整的研究體系。在理論分析方面，通過(guò)建立精確的力學(xué)模型，深入研究偏心輪轉(zhuǎn)子在受迫振動(dòng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡和能量饋入機(jī)制，為馬達(dá)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。在設(shè)計(jì)制造階段，精心探索壓電疊堆制作工藝，利用先進(jìn)的有限元分析軟件設(shè)計(jì)與之匹配的位移放大機(jī)構(gòu)，并對(duì)偏心輪轉(zhuǎn)子進(jìn)行強(qiáng)度校核和優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保馬達(dá)的性能和可靠性。實(shí)驗(yàn)研究則對(duì)制作的壓電馬達(dá)進(jìn)行全面的性能測(cè)試，驗(yàn)證理論分析的結(jié)果，深入了解馬達(dá)的輸出特性和工作規(guī)律。通過(guò)對(duì)這種新型壓電馬達(dá)的全面研究，有望為壓電馬達(dá)的發(fā)展開辟新的道路，推動(dòng)其在更多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀壓電馬達(dá)作為一種新型驅(qū)動(dòng)器，自問(wèn)世以來(lái)便受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，經(jīng)過(guò)多年的研究與發(fā)展，取得了豐碩的成果。在國(guó)外，日本、美國(guó)、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家在壓電馬達(dá)領(lǐng)域的研究起步較早，技術(shù)較為成熟，處于國(guó)際領(lǐng)先地位。日本在壓電馬達(dá)的研究和應(yīng)用方面成果顯著，是最早開展壓電馬達(dá)研究的國(guó)家之一，在多個(gè)領(lǐng)域都有深入的探索和應(yīng)用。東京工業(yè)大學(xué)的KantaroNakamura和SadayukiUeha等對(duì)如何減少壓電陶瓷聲馬達(dá)的磨損進(jìn)行了研究，通過(guò)優(yōu)化摩擦材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效降低了磨損程度，提高了馬達(dá)的使用壽命。日本在微小型壓電馬達(dá)的研發(fā)上處于世界前沿，東京大學(xué)TakeshiMorita等研制的薄膜壓電陶瓷馬達(dá)，定子直徑僅為2.4mm，長(zhǎng)10mm，最大轉(zhuǎn)速可達(dá)650r/m，最大輸出力矩為0.22mNm，輸入電壓100v，驅(qū)動(dòng)頻率85k，展現(xiàn)了日本在微納制造技術(shù)方面的高超水平，為微型機(jī)械系統(tǒng)和微裝配等領(lǐng)域提供了關(guān)鍵的驅(qū)動(dòng)解決方案；新生工業(yè)公司推出的直徑11mm、長(zhǎng)度2mm將壓電陶瓷縱向振動(dòng)變換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的超小型超聲波電動(dòng)機(jī)，屬于固體壓電陶瓷聲馬達(dá)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為70mNm，在小型化和高轉(zhuǎn)矩輸出方面取得了突破，適用于對(duì)空間和轉(zhuǎn)矩要求苛刻的場(chǎng)合，如便攜式電子設(shè)備和小型機(jī)器人等。此外，Shinsei公司開發(fā)了內(nèi)置編碼器的壓電陶瓷馬達(dá)，用于精確的速度和位置控制，滿足了精密儀器和自動(dòng)控制等領(lǐng)域?qū)Ω呔榷ㄎ坏男枨?，提高了系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性。在大功率、大力矩的行波壓電馬達(dá)研究方面，日本同樣投入了大量精力，設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)馬達(dá)尺寸分別為外徑50mm、70mm、90mm三種類型行波馬達(dá)，最大力矩輸出是通常壓電馬達(dá)的2倍，最大輸出能量是傳統(tǒng)的4倍，為工業(yè)自動(dòng)化和重型設(shè)備驅(qū)動(dòng)提供了新的選擇。美國(guó)在壓電馬達(dá)研究領(lǐng)域也有重要貢獻(xiàn)，賓洲州立大學(xué)材料研究室的Qing-MingWang和Xiao-HongDu對(duì)直接影響到壓電馬達(dá)機(jī)電轉(zhuǎn)換效率的因素進(jìn)行了研究，從材料特性、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)方式等多個(gè)角度分析了提高機(jī)電轉(zhuǎn)換效率的方法，為壓電馬達(dá)的性能優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)。美國(guó)在航天宇航、精密儀器等領(lǐng)域積極應(yīng)用壓電馬達(dá)技術(shù)，利用其無(wú)電磁干擾、高精度等特點(diǎn)，滿足這些領(lǐng)域?qū)υO(shè)備性能的嚴(yán)格要求。例如，在航天設(shè)備中，壓電馬達(dá)用于驅(qū)動(dòng)精密儀器的調(diào)整和定位，確保在復(fù)雜的太空環(huán)境下設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行和精確操作。德國(guó)在壓電馬達(dá)的材料研究和制造工藝方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，注重基礎(chǔ)研究和技術(shù)創(chuàng)新，其研發(fā)的壓電陶瓷材料具有優(yōu)異的性能，為高性能壓電馬達(dá)的制造提供了有力支持。德國(guó)的一些企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)在工業(yè)自動(dòng)化、汽車制造等領(lǐng)域應(yīng)用壓電馬達(dá)，提高了生產(chǎn)設(shè)備的精度和效率，推動(dòng)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。例如，在汽車制造中，壓電馬達(dá)用于控制零部件的精確運(yùn)動(dòng)，提高了汽車的裝配質(zhì)量和性能。國(guó)內(nèi)對(duì)壓電馬達(dá)的研究始于20世紀(jì)90年代，雖然起步較晚，但發(fā)展迅速，眾多高校和科研機(jī)構(gòu)在該領(lǐng)域展開了深入研究，并取得了一系列具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的成果。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)在壓電馬達(dá)研究方面成果突出，潘巧生博士首次提出了基于偏心輪受迫振動(dòng)的壓電馬達(dá)。該壓電馬達(dá)采用軸承實(shí)現(xiàn)定子與轉(zhuǎn)子之間的幾何連接，利用壓電疊堆強(qiáng)迫振動(dòng)的方式將壓電振動(dòng)能量饋入轉(zhuǎn)子，實(shí)現(xiàn)了非摩擦驅(qū)動(dòng)。通過(guò)合理匹配偏心輪的不平衡量與壓電換能器輸出特性，以及優(yōu)化壓電疊堆的驅(qū)動(dòng)電壓相位，提高了壓電疊堆的功率饋入效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在壓電疊堆的工作頻率僅為152Hz下，馬達(dá)的輸出速度高達(dá)9120rpm，輸出功率為8.45W，平均效率為25.3%，對(duì)于偏心輪最小的1#偏心輪，實(shí)驗(yàn)測(cè)試獲得速度高達(dá)15000rpm，是目前文獻(xiàn)可見的壓電馬達(dá)最高速度，為高速壓電馬達(dá)的研究和發(fā)展開辟了新的道路。深圳大學(xué)董蜀湘教授課題組受到腳踏自行車運(yùn)動(dòng)機(jī)理的啟發(fā)，提出了一種工作于第二階彎曲（B2）單振動(dòng)模態(tài)、具有納米分辨率和高功率密度特征的新型微型直線壓電馬達(dá)（LPUM）。該馬達(dá)結(jié)合B2模態(tài)反對(duì)稱振型特性，在振型的位移振幅最大的兩個(gè)部位設(shè)計(jì)一對(duì)左、右摩擦耦合驅(qū)動(dòng)頭，分別產(chǎn)生具有180°相位差、但具有同向運(yùn)動(dòng)軌跡的橢圓振動(dòng)，在一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)可實(shí)現(xiàn)兩次交替、同向驅(qū)動(dòng)滑塊運(yùn)動(dòng)，顯著改善了壓電馬達(dá)的輸出力和運(yùn)動(dòng)性能。研制的壓電馬達(dá)表現(xiàn)出優(yōu)秀的綜合驅(qū)動(dòng)特性，快的驅(qū)動(dòng)速度（211mm/s），較大的驅(qū)動(dòng)力（5.4N），以及高的功率密度（243mW/cm3），是已有報(bào)道的兩倍以上，還可在很寬的運(yùn)動(dòng)速度范圍（3.3μm/s-211mm/s）內(nèi)工作，具有超高的步進(jìn)位移分辨率（33nm），有效克服了傳統(tǒng)依靠復(fù)合模態(tài)工作的壓電馬達(dá)存在的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜、功耗大、易受環(huán)境溫度變化影響的弊端。盡管國(guó)內(nèi)外在壓電馬達(dá)研究方面取得了諸多成果，但現(xiàn)有研究仍存在一些不足之處。在理論研究方面，雖然對(duì)壓電馬達(dá)的工作原理和性能分析有了一定的認(rèn)識(shí)，但對(duì)于一些復(fù)雜的物理現(xiàn)象和耦合效應(yīng)，如壓電材料的非線性特性、熱-電-力多場(chǎng)耦合等，還缺乏深入系統(tǒng)的研究，導(dǎo)致理論模型與實(shí)際情況存在一定偏差，難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和優(yōu)化馬達(dá)的性能。在材料研究方面，目前常用的壓電陶瓷材料存在機(jī)電轉(zhuǎn)換效率有待提高、耐高溫性能差等問(wèn)題，限制了壓電馬達(dá)在一些特殊環(huán)境下的應(yīng)用。新型壓電材料的研發(fā)進(jìn)展緩慢，且成本較高，難以滿足大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用的需求。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，傳統(tǒng)壓電馬達(dá)的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，加工難度大，不利于小型化和集成化。同時(shí)，對(duì)于一些新型結(jié)構(gòu)的壓電馬達(dá)，如基于偏心輪受迫振動(dòng)的壓電馬達(dá)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化還處于探索階段，需要進(jìn)一步深入研究以提高馬達(dá)的性能和可靠性。在應(yīng)用研究方面，壓電馬達(dá)在一些高端領(lǐng)域的應(yīng)用還面臨著成本高、可靠性不足等問(wèn)題，限制了其大規(guī)模推廣應(yīng)用。此外，針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景的個(gè)性化設(shè)計(jì)和定制化服務(wù)還不夠完善，難以充分發(fā)揮壓電馬達(dá)的優(yōu)勢(shì)。1.3研究目標(biāo)與內(nèi)容本研究旨在深入探究基于偏心輪受迫振動(dòng)的壓電馬達(dá)，通過(guò)理論分析、設(shè)計(jì)制造、實(shí)驗(yàn)研究和應(yīng)用探討等多方面工作，突破現(xiàn)有壓電馬達(dá)的性能瓶頸，推動(dòng)壓電馬達(dá)技術(shù)的發(fā)展，為其在更多領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論和技術(shù)支持。具體研究?jī)?nèi)容如下：基于偏心輪受迫振動(dòng)的壓電馬達(dá)理論分析：建立基于偏心輪受迫振動(dòng)的壓電馬達(dá)精確力學(xué)模型，依據(jù)運(yùn)動(dòng)的微分方程，深入分析計(jì)算轉(zhuǎn)子質(zhì)心和形心軌跡，精確求解偏心輪轉(zhuǎn)子在受迫振動(dòng)中饋入的能量。通過(guò)對(duì)饋入能量大小進(jìn)行求導(dǎo)運(yùn)算，確定壓電疊堆驅(qū)動(dòng)電壓的理論最佳初始相位，深入剖析該新型壓電馬達(dá)的微觀工作機(jī)理，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)研究和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。研究壓電材料的特性、壓電疊堆的振動(dòng)特性以及偏心輪的動(dòng)力學(xué)特性之間的相互關(guān)系，揭示能量轉(zhuǎn)換和傳遞的內(nèi)在機(jī)制，為優(yōu)化馬達(dá)性能提供理論依據(jù)?；谄妮喪芷日駝?dòng)的壓電馬達(dá)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制作：探索壓電疊堆的制作工藝，研究如何通過(guò)合理的材料選擇、加工工藝和極化處理，提高壓電疊堆的性能和可靠性。利用ANSYS有限元分析軟件，設(shè)計(jì)與壓電疊堆匹配的位移放大機(jī)構(gòu)，通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，提高位移放大比，實(shí)現(xiàn)更大的輸出位移。根據(jù)預(yù)期壽命和工作要求，選擇合適的軸承，如6001氮化硅軸承，對(duì)壓電疊堆、位移放大機(jī)構(gòu)以及軸承進(jìn)行合理連接和裝配，形成高效穩(wěn)定的馬達(dá)定子。首次利用偏心輪作為壓電馬達(dá)的轉(zhuǎn)子，根據(jù)定子輸出特性精確匹配設(shè)計(jì)偏心輪轉(zhuǎn)子的不平衡量，使其能夠充分利用壓電振動(dòng)能量實(shí)現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)。對(duì)偏心輪轉(zhuǎn)子進(jìn)行強(qiáng)度校核，確保其在高速旋轉(zhuǎn)和復(fù)雜受力情況下的結(jié)構(gòu)完整性和可靠性。選擇和設(shè)計(jì)馬達(dá)的輔助裝置，包括內(nèi)耗較低的直流電磁電機(jī)及其支架、L形底座、霍爾傳感器及其支架等，搭建完整的壓電馬達(dá)機(jī)電系統(tǒng)?；谄妮喪芷日駝?dòng)的壓電馬達(dá)性能測(cè)試：制定科學(xué)合理的實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)方案，通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定驅(qū)動(dòng)電壓的最佳初始相位，驗(yàn)證理論分析的結(jié)果。以偏心不平衡量較大的6#偏心輪為轉(zhuǎn)子，系統(tǒng)測(cè)試馬達(dá)的空載輸出速度特性，研究在不同工作頻率和電壓下的速度變化規(guī)律。測(cè)試壓電疊堆工作頻率為152Hz時(shí)壓電馬達(dá)的輸出功率和效率，評(píng)估其綜合性能。測(cè)試另外五種偏心輪轉(zhuǎn)子的工作頻率范圍，分析偏心輪轉(zhuǎn)子不平衡量對(duì)馬達(dá)啟動(dòng)頻率和截止頻率的影響，驗(yàn)證理論計(jì)算的準(zhǔn)確性。研究不同負(fù)載條件下馬達(dá)的輸出特性，包括輸出力矩、速度、功率和效率等，分析負(fù)載對(duì)馬達(dá)性能的影響規(guī)律，為實(shí)際應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。基于偏心輪受迫振動(dòng)的壓電馬達(dá)應(yīng)用探討：深入探討該新型基于偏心輪受迫振動(dòng)的壓電馬達(dá)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用前景，如壓電飛輪儲(chǔ)能、離心分離、寬頻激振以及壓電泵等。對(duì)于壓電飛輪儲(chǔ)能，研究如何利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)高效實(shí)現(xiàn)能量饋入轉(zhuǎn)子，利用壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)飛輪動(dòng)能向電能的穩(wěn)定轉(zhuǎn)化，從而實(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)存和利用，分析其相比于電磁飛輪儲(chǔ)能在提高儲(chǔ)能容量方面的優(yōu)勢(shì)和潛力。在離心分離應(yīng)用中，研究如何利用壓電馬達(dá)的高速旋轉(zhuǎn)特性實(shí)現(xiàn)高效的離心分離，提高分離效率和精度。對(duì)于寬頻激振應(yīng)用，研究壓電馬達(dá)如何產(chǎn)生寬頻振動(dòng)，滿足不同振動(dòng)測(cè)試和應(yīng)用的需求。在壓電泵應(yīng)用中，研究如何利用壓電馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)特性實(shí)現(xiàn)高效的液體輸送，提高壓電泵的性能和可靠性。1.4研究方法與技術(shù)路線本研究綜合運(yùn)用理論分析、數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)研究等多種方法，對(duì)基于偏心輪受迫振動(dòng)的壓電馬達(dá)展開全面深入的探究。在理論分析方面，深入研究壓電材料的特性、壓電疊堆的振動(dòng)特性以及偏心輪的動(dòng)力學(xué)特性。依據(jù)運(yùn)動(dòng)的微分方程，建立精確的力學(xué)模型，通過(guò)嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，深入分析計(jì)算轉(zhuǎn)子質(zhì)心和形心軌跡，精確求解偏心輪轉(zhuǎn)子在受迫振動(dòng)中饋入的能量。運(yùn)用求導(dǎo)運(yùn)算，確定壓電疊堆驅(qū)動(dòng)電壓的理論最佳初始相位，深入剖析該新型壓電馬達(dá)的微觀工作機(jī)理，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)研究和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)。研究過(guò)程中，參考經(jīng)典的力學(xué)理論和壓電材料的相關(guān)理論，結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行合理的假設(shè)和簡(jiǎn)化，確保理論模型的準(zhǔn)確性和可靠性。數(shù)值模擬采用ANSYS等有限元分析軟件，對(duì)壓電疊堆、位移放大機(jī)構(gòu)以及偏心輪轉(zhuǎn)子等關(guān)鍵部件進(jìn)行模擬分析。通過(guò)建立詳細(xì)的三維模型，模擬不同工況下部件的應(yīng)力、應(yīng)變和位移分布情況，優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，提高位移放大比和偏心輪轉(zhuǎn)子的強(qiáng)度。模擬過(guò)程中，考慮材料的非線性特性和多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)，使模擬結(jié)果更接近實(shí)際情況。通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果的分析，及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)方案，減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)，降低研發(fā)成本。實(shí)驗(yàn)研究是本研究的重要環(huán)節(jié)，貫穿整個(gè)研究過(guò)程。在制作階段，探索壓電疊堆制作工藝，選擇合適的壓電陶瓷片，經(jīng)過(guò)打磨、割縫、引線、極化以及表面絕緣處理等步驟，制作出性能優(yōu)良的壓電疊堆。利用ANSYS設(shè)計(jì)的位移放大機(jī)構(gòu)進(jìn)行加工制作，并選擇6001氮化硅軸承等關(guān)鍵零部件，裝配成完整的壓電馬達(dá)樣機(jī)。在性能測(cè)試階段，制定科學(xué)合理的實(shí)驗(yàn)方案，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，使用高精度的測(cè)試儀器，對(duì)壓電馬達(dá)的輸出速度、輸出功率、效率等性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證理論分析和數(shù)值模擬的結(jié)果，深入了解壓電馬達(dá)的工作特性和影響因素。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)條件，確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的記錄和分析，通過(guò)對(duì)比不同實(shí)驗(yàn)條件下的數(shù)據(jù)，總結(jié)規(guī)律，為進(jìn)一步優(yōu)化壓電馬達(dá)性能提供依據(jù)?；谏鲜鲅芯糠椒ǎ狙芯康募夹g(shù)路線如圖1.1所示。首先，通過(guò)廣泛的文獻(xiàn)調(diào)研，深入了解國(guó)內(nèi)外壓電馬達(dá)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，明確研究目標(biāo)和內(nèi)容。接著，開展理論分析工作，建立基于偏心輪受迫振動(dòng)的壓電馬達(dá)力學(xué)模型，分析計(jì)算相關(guān)參數(shù)，確定壓電疊堆驅(qū)動(dòng)電壓的理論最佳初始相位。在數(shù)值模擬階段，利用ANSYS軟件對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行模擬分析，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。然后，根據(jù)理論分析和數(shù)值模擬的結(jié)果，制作壓電馬達(dá)樣機(jī)，并進(jìn)行性能測(cè)試。對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié)，驗(yàn)證理論和模擬的正確性，針對(duì)存在的問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。最后，探討該新型壓電馬達(dá)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用前景，為其實(shí)際應(yīng)用提供理論和技術(shù)支持。[此處插入圖1.1技術(shù)路線圖]二、偏心輪受迫振動(dòng)與壓電馬達(dá)基本原理2.1偏心輪受迫振動(dòng)原理2.1.1偏心輪結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)偏心輪作為一種特殊的凸輪結(jié)構(gòu)，其幾何中心與旋轉(zhuǎn)中心不重合，這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使其在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中展現(xiàn)出與眾不同的特性。從結(jié)構(gòu)上看，偏心輪通常由一個(gè)圓形輪體和位于輪體一側(cè)的偏心軸孔組成，當(dāng)偏心輪繞著旋轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其質(zhì)心會(huì)圍繞旋轉(zhuǎn)中心做圓周運(yùn)動(dòng)，而形心則固定在偏心輪的幾何中心位置，這種質(zhì)心與形心的相對(duì)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致了偏心輪在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生振動(dòng)。在許多工業(yè)設(shè)備中，偏心輪被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)生振動(dòng)，如振動(dòng)篩、破碎機(jī)等，通過(guò)偏心輪的高速旋轉(zhuǎn)，能夠?qū)㈦姍C(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為設(shè)備的振動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)物料的篩分、破碎等工藝過(guò)程。在振動(dòng)篩中，偏心輪的振動(dòng)使得篩網(wǎng)產(chǎn)生高頻振動(dòng)，促使物料在篩網(wǎng)上快速移動(dòng)并實(shí)現(xiàn)篩分，提高了篩分效率和精度。偏心輪在運(yùn)動(dòng)時(shí)，其產(chǎn)生的振動(dòng)具有一定的特點(diǎn)。振動(dòng)的頻率與偏心輪的旋轉(zhuǎn)速度直接相關(guān)，旋轉(zhuǎn)速度越快，振動(dòng)頻率越高；振幅則取決于偏心輪的偏心距和旋轉(zhuǎn)速度，偏心距越大，在相同旋轉(zhuǎn)速度下振幅越大。此外，偏心輪的振動(dòng)方向會(huì)隨著其旋轉(zhuǎn)而不斷變化，呈現(xiàn)出周期性的特點(diǎn)。當(dāng)偏心輪旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，其振動(dòng)方向也會(huì)完成一個(gè)周期的變化。這種周期性的振動(dòng)方向變化使得偏心輪在不同方向上對(duì)與之接觸的物體產(chǎn)生不同的作用力，從而實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)傳遞和工作任務(wù)。在一些機(jī)械裝置中，偏心輪的振動(dòng)方向變化可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，滿足不同的工程需求。2.1.2受迫振動(dòng)理論基礎(chǔ)受迫振動(dòng)是指振動(dòng)系統(tǒng)在周期性外力（即驅(qū)動(dòng)力）作用下所做的振動(dòng)。在實(shí)際的物理系統(tǒng)中，受迫振動(dòng)現(xiàn)象廣泛存在，例如建筑物在風(fēng)力、地震力等外力作用下的振動(dòng)，機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中由于不平衡力等因素產(chǎn)生的振動(dòng)等。當(dāng)振動(dòng)系統(tǒng)受到周期性外力作用時(shí)，系統(tǒng)會(huì)吸收外力的能量，從而產(chǎn)生持續(xù)的振動(dòng)。受迫振動(dòng)的相關(guān)理論是基于經(jīng)典力學(xué)中的牛頓第二定律建立起來(lái)的。對(duì)于一個(gè)質(zhì)量為m的物體，在受到周期性外力F(t)=F0cos(ωt)作用時(shí)，同時(shí)還受到回復(fù)力和阻尼力的作用。其中，回復(fù)力與物體的位移成正比，方向與位移方向相反，可表示為-kx，k為回復(fù)力系數(shù)；阻尼力與物體的速度成正比，方向與速度方向相反，可表示為-cv，c為阻尼系數(shù)。根據(jù)牛頓第二定律，可得到物體的運(yùn)動(dòng)方程為：m\frac{d^2x}{dt^2}=-kx-cv+F_0\cos(\omegat)這是一個(gè)二階線性非齊次常微分方程，其中\(zhòng)frac{d^2x}{dt^2}表示物體的加速度，\frac{dx}{dt}表示物體的速度，x表示物體的位移。該方程的解由兩部分組成，一部分是齊次方程的通解，描述了系統(tǒng)在沒有外力作用時(shí)的自由振動(dòng)情況，隨著時(shí)間的推移，這部分解會(huì)逐漸衰減；另一部分是特解，描述了系統(tǒng)在驅(qū)動(dòng)力作用下的穩(wěn)定振動(dòng)情況，這部分解的頻率與驅(qū)動(dòng)力的頻率相同。在穩(wěn)定狀態(tài)下，受迫振動(dòng)的振幅和相位與驅(qū)動(dòng)力的頻率、系統(tǒng)的固有頻率以及阻尼系數(shù)密切相關(guān)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)力的頻率接近系統(tǒng)的固有頻率時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，此時(shí)振幅會(huì)急劇增大。共振現(xiàn)象在工程中既有有利的一面，也有不利的一面。在一些聲學(xué)設(shè)備中，如揚(yáng)聲器、麥克風(fēng)等，利用共振原理可以增強(qiáng)聲音的效果；而在建筑結(jié)構(gòu)和機(jī)械設(shè)備中，共振可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的損壞和設(shè)備的故障，因此需要采取措施避免共振的發(fā)生。2.1.3偏心輪受迫振動(dòng)的動(dòng)力學(xué)分析在偏心輪受迫振動(dòng)的過(guò)程中，運(yùn)用動(dòng)力學(xué)知識(shí)對(duì)其進(jìn)行深入分析，能夠清晰地揭示其受力情況、運(yùn)動(dòng)方程以及能量轉(zhuǎn)化規(guī)律。當(dāng)偏心輪受到周期性的外力作用時(shí)，它會(huì)受到多種力的綜合作用。除了周期性的驅(qū)動(dòng)力外，還會(huì)受到由于自身旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力。離心力的大小與偏心輪的質(zhì)量、偏心距以及旋轉(zhuǎn)角速度的平方成正比，方向始終沿著偏心輪質(zhì)心與旋轉(zhuǎn)中心的連線向外。由于偏心輪與支撐結(jié)構(gòu)之間存在摩擦力，摩擦力的大小與偏心輪和支撐結(jié)構(gòu)之間的正壓力以及摩擦系數(shù)有關(guān)，方向與偏心輪的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向相反。這些力的共同作用決定了偏心輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)?；谏鲜鍪芰Ψ治觯⑵妮喪芷日駝?dòng)的運(yùn)動(dòng)方程。以偏心輪的旋轉(zhuǎn)中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立平面直角坐標(biāo)系。設(shè)偏心輪的質(zhì)量為m，偏心距為e，旋轉(zhuǎn)角速度為ω，受到的周期性驅(qū)動(dòng)力為F(t)=F0cos(ωt)，摩擦力為f。根據(jù)牛頓第二定律，在x和y方向上分別列出運(yùn)動(dòng)方程：m\ddot{x}=F_0\cos(\omegat)-m\omega^2e\cos(\omegat)-f_xm\ddot{y}=-m\omega^2e\sin(\omegat)-f_y其中，\ddot{x}和\ddot{y}分別表示偏心輪質(zhì)心在x和y方向上的加速度，f_x和f_y分別表示摩擦力在x和y方向上的分量。通過(guò)求解這組運(yùn)動(dòng)方程，可以得到偏心輪質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)軌跡和速度、加速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)。在偏心輪受迫振動(dòng)的過(guò)程中，能量的轉(zhuǎn)化和守恒是一個(gè)重要的方面。驅(qū)動(dòng)力對(duì)偏心輪做功，將外界的能量輸入到系統(tǒng)中。偏心輪在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，由于受到摩擦力等阻力的作用，會(huì)有一部分能量以熱能的形式散失掉，同時(shí)，偏心輪的動(dòng)能和勢(shì)能也會(huì)不斷地相互轉(zhuǎn)化。當(dāng)偏心輪的速度增大時(shí)，動(dòng)能增加，勢(shì)能減?。划?dāng)速度減小時(shí)，動(dòng)能減小，勢(shì)能增加。在穩(wěn)定的受迫振動(dòng)狀態(tài)下，輸入系統(tǒng)的能量與散失的能量達(dá)到平衡，使得偏心輪能夠保持穩(wěn)定的振動(dòng)狀態(tài)。通過(guò)對(duì)能量轉(zhuǎn)化的分析，可以進(jìn)一步理解偏心輪受迫振動(dòng)的本質(zhì)，為優(yōu)化偏心輪的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供理論依據(jù)。2.2壓電馬達(dá)工作原理2.2.1壓電效應(yīng)與壓電材料壓電效應(yīng)是壓電馬達(dá)工作的基礎(chǔ)原理之一，它揭示了壓電材料在機(jī)械應(yīng)力與電場(chǎng)之間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系。1880年，法國(guó)著名物理學(xué)家皮埃爾?居里與雅克?保羅?居里兄弟在研究晶體的對(duì)稱性時(shí)，首次發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)。當(dāng)某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而發(fā)生變形時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)相對(duì)表面上會(huì)出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，它又會(huì)恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象被稱為正壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力的方向改變時(shí)，電荷的極性也會(huì)隨之改變。與之相反，當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)時(shí)，這些電介質(zhì)會(huì)發(fā)生變形，電場(chǎng)去掉后，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象被稱為逆壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)為壓電材料的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，使得人們能夠利用材料的這種特性實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能之間的相互轉(zhuǎn)換。在實(shí)際應(yīng)用中，壓電材料的選擇至關(guān)重要，不同的壓電材料具有各自獨(dú)特的特性，適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景。常見的壓電材料包括晶體類、陶瓷類、高分子類、單晶類和復(fù)合類等。晶體類壓電材料以石英為代表，石英晶體具有優(yōu)異的壓電性能，其壓電常數(shù)相對(duì)穩(wěn)定，機(jī)械強(qiáng)度高，溫度穩(wěn)定性好，在高精度傳感器和標(biāo)準(zhǔn)頻率控制等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。在高精度的壓力傳感器中，石英晶體能夠?qū)毫ψ兓_地轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，保證了傳感器的高精度和穩(wěn)定性；在標(biāo)準(zhǔn)頻率控制領(lǐng)域，石英晶體振蕩器利用石英晶體的壓電效應(yīng)產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩頻率，為電子設(shè)備提供精確的時(shí)間基準(zhǔn)。然而，石英晶體的成本較高，加工難度大，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。陶瓷類壓電材料是目前應(yīng)用最廣泛的壓電材料之一，其中鋯鈦酸鉛（PZT）最為常見。PZT陶瓷具有較高的壓電常數(shù)，靈敏度高，能夠在較小的電場(chǎng)作用下產(chǎn)生較大的機(jī)械變形，適用于制作各種壓電驅(qū)動(dòng)器和傳感器。在超聲換能器中，PZT陶瓷將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲波，用于醫(yī)學(xué)成像、無(wú)損檢測(cè)等領(lǐng)域；在壓電馬達(dá)中，PZT陶瓷作為壓電元件，通過(guò)逆壓電效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)。PZT陶瓷的工作溫度相對(duì)較高，能夠在一定的高溫環(huán)境下保持穩(wěn)定的性能。但是，PZT陶瓷也存在一些缺點(diǎn)，如脆性較大，在受到較大外力時(shí)容易破裂，且其制造過(guò)程中可能會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定的污染。高分子類壓電材料如聚乙烯二醇、聚偏氟乙烯（PVDF）等，具有良好的柔韌性和可塑性，能夠制成各種形狀和尺寸的器件，適用于一些對(duì)材料柔韌性要求較高的特殊應(yīng)用場(chǎng)合。PVDF薄膜可以用于制作可穿戴的壓力傳感器，貼合在人體皮膚上，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)人體的生理壓力變化，為醫(yī)療健康監(jiān)測(cè)提供數(shù)據(jù)支持；在一些微型機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）中，高分子壓電材料的柔韌性和可加工性使其能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，滿足微小尺寸下的功能需求。這類材料的壓電性能相對(duì)較弱，機(jī)電轉(zhuǎn)換效率較低。單晶類壓電材料如壓電單晶鐵酸鋯、壓電單晶鐵酸鈦等，具有極高的壓電性能，在一些高端應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。在航空航天領(lǐng)域，單晶壓電材料用于制造高精度的傳感器和執(zhí)行器，能夠在極端環(huán)境下保持穩(wěn)定的性能，滿足飛行器對(duì)高可靠性和高精度的要求；在高端電子設(shè)備中，單晶壓電材料用于制作高性能的濾波器和振蕩器，提高設(shè)備的信號(hào)處理能力和頻率穩(wěn)定性。然而，單晶類壓電材料的制備工藝復(fù)雜，成本高昂，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。復(fù)合類壓電材料是將壓電陶瓷與高分子材料等復(fù)合而成，綜合了多種材料的優(yōu)點(diǎn)，具有比較優(yōu)異的壓電性能和機(jī)械性能。壓電陶瓷-高分子復(fù)合材料結(jié)合了壓電陶瓷的高壓電性能和高分子材料的柔韌性，在一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，這種復(fù)合材料可以用于制作生物傳感器，既能滿足對(duì)生物信號(hào)的敏感檢測(cè)需求，又能適應(yīng)生物體內(nèi)復(fù)雜的環(huán)境；在智能結(jié)構(gòu)中，復(fù)合壓電材料可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的自診斷和自適應(yīng)功能，提高結(jié)構(gòu)的可靠性和性能。復(fù)合類壓電材料的性能受到復(fù)合材料的組成和制備工藝的影響較大，需要精確控制制備過(guò)程來(lái)保證材料的性能。2.2.2傳統(tǒng)壓電馬達(dá)工作方式傳統(tǒng)壓電馬達(dá)主要依靠壓電定子的振動(dòng)以及摩擦傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)輸出。其工作過(guò)程基于壓電材料的逆壓電效應(yīng)，當(dāng)在壓電定子的壓電材料上施加交變電場(chǎng)時(shí)，壓電材料會(huì)產(chǎn)生周期性的機(jī)械變形，這種微觀的變形通過(guò)巧妙設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)被放大，使壓電定子產(chǎn)生宏觀的振動(dòng)。常見的壓電定子振動(dòng)模式包括縱向振動(dòng)、橫向振動(dòng)、彎曲振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)等，不同的振動(dòng)模式適用于不同類型的壓電馬達(dá)。以常見的行波型壓電馬達(dá)為例，其工作原理是利用壓電定子表面的行波來(lái)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。通過(guò)在壓電定子上施加兩組具有一定相位差的交變電壓，使得壓電定子表面產(chǎn)生一個(gè)沿圓周方向傳播的行波。行波的振動(dòng)會(huì)在壓電定子與轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生摩擦力，當(dāng)摩擦力足夠大時(shí)，就會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子沿著行波的傳播方向旋轉(zhuǎn)。在這個(gè)過(guò)程中，壓電定子的振動(dòng)起到了將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的關(guān)鍵作用，而摩擦力則是實(shí)現(xiàn)能量傳遞和轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的媒介。在直線型壓電馬達(dá)中，通常利用壓電定子的縱向振動(dòng)或彎曲振動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)。通過(guò)合理設(shè)計(jì)壓電定子的結(jié)構(gòu)和振動(dòng)模式，使壓電定子在振動(dòng)時(shí)能夠產(chǎn)生一個(gè)沿直線方向的驅(qū)動(dòng)力，通過(guò)摩擦力作用于滑塊或工作臺(tái)等運(yùn)動(dòng)部件，從而實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)。在一些精密定位系統(tǒng)中，直線型壓電馬達(dá)能夠提供高精度的直線位移，滿足對(duì)位置精度要求極高的應(yīng)用場(chǎng)景。盡管傳統(tǒng)壓電馬達(dá)在許多領(lǐng)域都有應(yīng)用，但其依靠摩擦傳動(dòng)的工作方式存在明顯的局限性。由于摩擦傳動(dòng)需要較大的摩擦力來(lái)保證能量的有效傳遞，這就導(dǎo)致了能量在傳遞過(guò)程中會(huì)有較大的損耗。摩擦力會(huì)使部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，降低了馬達(dá)的效率，難以實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)轉(zhuǎn)。在一些對(duì)速度要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景，如高速旋轉(zhuǎn)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、快速移動(dòng)的自動(dòng)化生產(chǎn)線等，傳統(tǒng)壓電馬達(dá)的低速特性限制了其應(yīng)用范圍。長(zhǎng)期的摩擦作用會(huì)導(dǎo)致壓電定子和轉(zhuǎn)子的磨損嚴(yán)重，降低了馬達(dá)的使用壽命。磨損不僅會(huì)使部件的尺寸和形狀發(fā)生變化，影響馬達(dá)的性能，還可能引發(fā)可靠性問(wèn)題，增加了維護(hù)成本和系統(tǒng)故障的風(fēng)險(xiǎn)。此外，由于摩擦系數(shù)的不穩(wěn)定以及磨損的不均勻性，傳統(tǒng)壓電馬達(dá)在運(yùn)行過(guò)程中的穩(wěn)定性和精度也會(huì)受到影響，難以滿足一些對(duì)精度要求極高的應(yīng)用需求，如精密儀器的驅(qū)動(dòng)和控制。2.2.3基于偏心輪受迫振動(dòng)的壓電馬達(dá)創(chuàng)新原理基于偏心輪受迫振動(dòng)的壓電馬達(dá)采用了全新的工作原理，從根本上擺脫了對(duì)摩擦力的依賴，為解決傳統(tǒng)壓電馬達(dá)的局限性提供了新的途徑。這種新型壓電馬達(dá)通過(guò)軸承實(shí)現(xiàn)定子與轉(zhuǎn)子之間的幾何連接，利用壓電疊堆的強(qiáng)迫振動(dòng)將壓電振動(dòng)能量直接饋入轉(zhuǎn)子，實(shí)現(xiàn)了非摩擦驅(qū)動(dòng)。其工作過(guò)程如下：壓電疊堆由多層壓電陶瓷片堆積而成，通過(guò)合理的制作工藝，使其具有良好的壓電性能。當(dāng)在壓電疊堆上施加交變電壓時(shí)，根據(jù)逆壓電效應(yīng)，壓電疊堆會(huì)產(chǎn)生周期性的機(jī)械振動(dòng)。為了放大這種振動(dòng)，利用ANSYS有限元分析軟件設(shè)計(jì)了與之匹配的位移放大機(jī)構(gòu)，將壓電疊堆的微小振動(dòng)進(jìn)行放大，提高了輸出位移。位移放大機(jī)構(gòu)與壓電疊堆相連，將放大后的振動(dòng)傳遞給軸承，再通過(guò)軸承傳遞到偏心輪轉(zhuǎn)子上。偏心輪作為轉(zhuǎn)子，其幾何中心與旋轉(zhuǎn)中心不重合，當(dāng)偏心輪受到來(lái)自壓電疊堆通過(guò)位移放大機(jī)構(gòu)和軸承傳遞的周期性外力作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生受迫振動(dòng)。在受迫振動(dòng)過(guò)程中，偏心輪的質(zhì)心圍繞旋轉(zhuǎn)中心做圓周運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生離心力。這個(gè)離心力會(huì)使偏心輪產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了將壓電振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能。與傳統(tǒng)壓電馬達(dá)相比，基于偏心輪受迫振動(dòng)的壓電馬達(dá)具有顯著的優(yōu)勢(shì)。由于采用了非摩擦驅(qū)動(dòng)方式，避免了摩擦力帶來(lái)的能量損耗，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的運(yùn)動(dòng)速度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在壓電疊堆的工作頻率僅為152Hz下，該新型壓電馬達(dá)的輸出速度高達(dá)9120rpm，對(duì)于偏心輪最小的1#偏心輪，實(shí)驗(yàn)測(cè)試獲得速度高達(dá)15000rpm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了傳統(tǒng)壓電馬達(dá)的速度。減少了磨損問(wèn)題，提高了馬達(dá)的使用壽命和可靠性。由于沒有摩擦，部件之間的磨損大大降低，減少了維護(hù)成本和系統(tǒng)故障的風(fēng)險(xiǎn)，能夠在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定的性能。這種新型壓電馬達(dá)的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，便于設(shè)計(jì)和制造，為大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用提供了有利條件。其獨(dú)特的工作原理也為壓電馬達(dá)的性能優(yōu)化和應(yīng)用拓展提供了更多的可能性，有望在更多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。三、基于偏心輪受迫振動(dòng)的壓電馬達(dá)設(shè)計(jì)3.1力學(xué)模型建立3.1.1轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)分析在基于偏心輪受迫振動(dòng)的壓電馬達(dá)中，偏心輪轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)是整個(gè)馬達(dá)工作的核心。由于偏心輪的幾何中心與旋轉(zhuǎn)中心不重合，當(dāng)偏心輪在壓電疊堆通過(guò)位移放大機(jī)構(gòu)和軸承傳遞的周期性外力作用下做受迫振動(dòng)時(shí)，其質(zhì)心和形心的運(yùn)動(dòng)軌跡呈現(xiàn)出獨(dú)特的特征。以偏心輪的旋轉(zhuǎn)中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立平面直角坐標(biāo)系。設(shè)偏心輪的質(zhì)量為m，偏心距為e，旋轉(zhuǎn)角速度為\omega。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，偏心輪的質(zhì)心圍繞旋轉(zhuǎn)中心做圓周運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)方程可以通過(guò)牛頓第二定律推導(dǎo)得出。根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，質(zhì)心在x方向和y方向的位移分別為：x_c=e\cos(\omegat)y_c=e\sin(\omegat)這表明質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)軌跡是以旋轉(zhuǎn)中心為圓心，偏心距e為半徑的圓。在實(shí)際的工程應(yīng)用中，偏心輪的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡直接影響著馬達(dá)的輸出特性。在一些高速旋轉(zhuǎn)的設(shè)備中，如離心機(jī)，偏心輪質(zhì)心的穩(wěn)定圓周運(yùn)動(dòng)是實(shí)現(xiàn)高效分離的關(guān)鍵。如果質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡不穩(wěn)定，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備振動(dòng)加劇，影響分離效果，甚至可能損壞設(shè)備。而偏心輪的形心固定在其幾何中心位置，在偏心輪做受迫振動(dòng)時(shí)，形心的運(yùn)動(dòng)相對(duì)較為簡(jiǎn)單，它隨著偏心輪的整體轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)方程與質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)方程存在一定的關(guān)聯(lián)。由于形心與質(zhì)心的位置關(guān)系固定，形心在x方向和y方向的位移可以通過(guò)質(zhì)心的位移和偏心輪的幾何參數(shù)來(lái)確定。x_g=x_c+\Deltaxy_g=y_c+\Deltay其中，\Deltax和\Deltay是形心相對(duì)于質(zhì)心在x方向和y方向的偏移量，它們?nèi)Q于偏心輪的形狀和結(jié)構(gòu)。在一些復(fù)雜形狀的偏心輪中，\Deltax和\Deltay的計(jì)算需要考慮偏心輪的幾何對(duì)稱性和質(zhì)量分布。通過(guò)對(duì)偏心輪質(zhì)心和形心軌跡的分析，可以進(jìn)一步深入了解偏心輪在受迫振動(dòng)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為建立精確的力學(xué)模型提供基礎(chǔ)。這些軌跡分析結(jié)果對(duì)于優(yōu)化偏心輪的設(shè)計(jì)具有重要指導(dǎo)意義。合理調(diào)整偏心距和質(zhì)量分布，可以使偏心輪的運(yùn)動(dòng)更加穩(wěn)定，提高馬達(dá)的性能。通過(guò)改變偏心距的大小，可以調(diào)整質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡的半徑，從而改變馬達(dá)的輸出力矩和轉(zhuǎn)速。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，還需要考慮偏心輪的材料特性和制造工藝，以確保偏心輪在高速旋轉(zhuǎn)和復(fù)雜受力情況下的結(jié)構(gòu)完整性和可靠性。3.1.2能量饋入計(jì)算在基于偏心輪受迫振動(dòng)的壓電馬達(dá)工作過(guò)程中，準(zhǔn)確計(jì)算偏心輪轉(zhuǎn)子在受迫振動(dòng)中饋入的能量是深入理解馬達(dá)工作機(jī)理和優(yōu)化性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。能量的饋入與壓電疊堆的驅(qū)動(dòng)特性、偏心輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)密切相關(guān)。根據(jù)能量守恒定律和動(dòng)力學(xué)原理，偏心輪轉(zhuǎn)子在受迫振動(dòng)中饋入的能量主要來(lái)源于壓電疊堆的強(qiáng)迫振動(dòng)。當(dāng)壓電疊堆在交變電壓的作用下產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，通過(guò)位移放大機(jī)構(gòu)和軸承將振動(dòng)能量傳遞給偏心輪轉(zhuǎn)子。設(shè)壓電疊堆的驅(qū)動(dòng)力為F(t)，偏心輪的位移為x(t)，則在一個(gè)振動(dòng)周期T內(nèi)，饋入偏心輪轉(zhuǎn)子的能量E可以通過(guò)以下積分計(jì)算：E=\int_{0}^{T}F(t)\cdotx(t)dt其中，F(xiàn)(t)與壓電疊堆的振動(dòng)特性、驅(qū)動(dòng)電壓的幅值和頻率等因素有關(guān)。在實(shí)際計(jì)算中，由于壓電疊堆的振動(dòng)是復(fù)雜的周期性運(yùn)動(dòng)，F(xiàn)(t)通?？梢员硎緸槎鄠€(gè)正弦函數(shù)的疊加，通過(guò)傅里葉變換等數(shù)學(xué)方法可以將其展開為：F(t)=F_0+\sum_{n=1}^{\infty}F_n\cos(n\omegat+\varphi_n)其中，F(xiàn)_0為直流分量，F(xiàn)_n為第n次諧波的幅值，\omega為驅(qū)動(dòng)電壓的角頻率，\varphi_n為第n次諧波的相位。偏心輪的位移x(t)同樣是一個(gè)復(fù)雜的函數(shù)，它與偏心輪的質(zhì)心和形心運(yùn)動(dòng)軌跡相關(guān)，可根據(jù)前面分析的運(yùn)動(dòng)方程得出。在受迫振動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，偏心輪的位移可以表示為：x(t)=A\cos(\omegat+\theta)其中，A為位移幅值，\theta為位移相位。將F(t)和x(t)代入能量計(jì)算公式中，經(jīng)過(guò)復(fù)雜的積分運(yùn)算和三角函數(shù)變換，可以得到饋入能量E的具體表達(dá)式。在計(jì)算過(guò)程中，需要考慮到不同頻率成分之間的相互作用以及相位差的影響。高頻諧波成分雖然幅值較小，但在某些情況下可能對(duì)能量饋入產(chǎn)生重要影響，需要進(jìn)行精確計(jì)算和分析。通過(guò)對(duì)饋入能量大小進(jìn)行求導(dǎo)運(yùn)算，可以確定壓電疊堆驅(qū)動(dòng)電壓的理論最佳初始相位\omega_0。求導(dǎo)過(guò)程中，將能量E視為關(guān)于驅(qū)動(dòng)電壓相位的函數(shù)，對(duì)其求導(dǎo)并令導(dǎo)數(shù)為零，即可得到使能量饋入最大的最佳初始相位。在實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)調(diào)整驅(qū)動(dòng)電壓的相位，可以優(yōu)化能量饋入效率，提高壓電馬達(dá)的性能。如果驅(qū)動(dòng)電壓相位設(shè)置不合理，會(huì)導(dǎo)致能量損失增加，馬達(dá)的輸出功率和效率降低。因此，準(zhǔn)確確定最佳初始相位對(duì)于提高壓電馬達(dá)的性能具有重要意義。3.1.3軸承受力分析在壓電馬達(dá)工作過(guò)程中，軸承作為連接定子與轉(zhuǎn)子的關(guān)鍵部件，承受著復(fù)雜的作用力，其受力情況直接影響著馬達(dá)的性能、可靠性和使用壽命。因此，深入分析軸承在工作過(guò)程中的受力情況，對(duì)于合理選擇軸承型號(hào)和優(yōu)化馬達(dá)結(jié)構(gòu)具有重要的指導(dǎo)意義。當(dāng)壓電馬達(dá)工作時(shí)，軸承主要受到來(lái)自偏心輪轉(zhuǎn)子的作用力，這些作用力包括由于偏心輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力、壓電疊堆振動(dòng)通過(guò)位移放大機(jī)構(gòu)傳遞的振動(dòng)力以及摩擦力等。由于偏心輪的質(zhì)心與旋轉(zhuǎn)中心不重合，在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生離心力，離心力的大小與偏心輪的質(zhì)量、偏心距以及旋轉(zhuǎn)角速度的平方成正比，方向始終沿著偏心輪質(zhì)心與旋轉(zhuǎn)中心的連線向外。離心力會(huì)對(duì)軸承產(chǎn)生徑向載荷，隨著偏心輪轉(zhuǎn)速的增加，離心力增大，對(duì)軸承的徑向承載能力提出了更高的要求。在高速旋轉(zhuǎn)的壓電馬達(dá)中，如果軸承的徑向承載能力不足，會(huì)導(dǎo)致軸承過(guò)早損壞，影響馬達(dá)的正常運(yùn)行。壓電疊堆的振動(dòng)通過(guò)位移放大機(jī)構(gòu)傳遞到軸承上，會(huì)產(chǎn)生周期性的振動(dòng)力。這種振動(dòng)力的大小和方向隨著壓電疊堆的振動(dòng)而變化，對(duì)軸承產(chǎn)生交變的載荷。振動(dòng)力的頻率與壓電疊堆的振動(dòng)頻率相同，當(dāng)振動(dòng)力的頻率與軸承的固有頻率接近時(shí)，可能會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，導(dǎo)致軸承的振動(dòng)加劇，磨損增加，甚至損壞。因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要合理選擇軸承的型號(hào)和參數(shù)，使其固有頻率與壓電疊堆的振動(dòng)頻率避開，以避免共振的發(fā)生。由于偏心輪與軸承之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生摩擦力。摩擦力的大小與偏心輪和軸承之間的正壓力以及摩擦系數(shù)有關(guān)，方向與偏心輪的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向相反。摩擦力不僅會(huì)消耗能量，降低馬達(dá)的效率，還會(huì)導(dǎo)致軸承的磨損。為了減小摩擦力，通常會(huì)在軸承表面涂抹潤(rùn)滑劑，選擇合適的潤(rùn)滑方式和潤(rùn)滑劑種類可以有效降低摩擦系數(shù)，減少磨損，提高軸承的使用壽命。在對(duì)軸承進(jìn)行受力分析時(shí)，通常采用力學(xué)分析方法和數(shù)值模擬方法相結(jié)合的方式。通過(guò)建立軸承的力學(xué)模型，運(yùn)用牛頓第二定律和材料力學(xué)等知識(shí)，可以得到軸承在不同工況下的受力表達(dá)式。利用ANSYS等有限元分析軟件，對(duì)軸承進(jìn)行數(shù)值模擬，能夠更直觀地了解軸承內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變分布情況，為軸承的選型和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。在模擬過(guò)程中，可以考慮多種因素的影響，如軸承的材料特性、結(jié)構(gòu)參數(shù)、工作溫度等，通過(guò)改變這些參數(shù)，分析軸承受力的變化規(guī)律，從而選擇出最適合的軸承型號(hào)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。三、基于偏心輪受迫振動(dòng)的壓電馬達(dá)設(shè)計(jì)3.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化3.2.1壓電疊堆設(shè)計(jì)與制作工藝壓電疊堆作為基于偏心輪受迫振動(dòng)的壓電馬達(dá)的核心部件之一，其性能直接影響著馬達(dá)的整體性能。因此，合理的設(shè)計(jì)和精細(xì)的制作工藝對(duì)于提高壓電疊堆的性能至關(guān)重要。在設(shè)計(jì)參數(shù)方面，壓電疊堆通常由多層壓電陶瓷片堆積而成。以常見的壓電疊堆設(shè)計(jì)為例，選用厚度為0.7mm的壓電陶瓷片，共堆積26層。這種多層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)能夠增強(qiáng)壓電效應(yīng)，提高壓電疊堆的輸出性能。在實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)調(diào)整壓電陶瓷片的層數(shù)和厚度，可以優(yōu)化壓電疊堆的輸出特性。增加壓電陶瓷片的層數(shù)，可以提高壓電疊堆的輸出位移和力，但同時(shí)也會(huì)增加制作成本和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性；減小壓電陶瓷片的厚度，可以提高壓電疊堆的響應(yīng)速度，但可能會(huì)降低其輸出力。因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要綜合考慮各種因素，根據(jù)具體的應(yīng)用需求來(lái)確定最佳的設(shè)計(jì)參數(shù)。制作步驟方面，壓電疊堆的制作是一個(gè)復(fù)雜而精細(xì)的過(guò)程，需要嚴(yán)格控制各個(gè)環(huán)節(jié)的工藝參數(shù)，以確保壓電疊堆的性能和質(zhì)量。首先，對(duì)壓電陶瓷片進(jìn)行打磨處理，去除表面的雜質(zhì)和不平整部分，保證其表面的光潔度和平整度，為后續(xù)的加工和性能提升奠定基礎(chǔ)。打磨過(guò)程中，需要使用高精度的打磨設(shè)備和合適的磨料，以確保打磨的精度和質(zhì)量。接著進(jìn)行割縫操作，根據(jù)設(shè)計(jì)要求在壓電陶瓷片上切割出特定的縫隙，這些縫隙能夠改變壓電陶瓷片的振動(dòng)模式，提高壓電疊堆的性能。割縫過(guò)程中，需要使用精密的切割設(shè)備，控制好切割的深度和寬度，以避免對(duì)壓電陶瓷片造成損傷。然后進(jìn)行引線操作，將導(dǎo)線連接到壓電陶瓷片上，以便引入驅(qū)動(dòng)電壓。引線的連接質(zhì)量直接影響到壓電疊堆的電氣性能，因此需要采用可靠的焊接或連接技術(shù)，確保導(dǎo)線與壓電陶瓷片之間的連接牢固、導(dǎo)電良好。完成引線后，對(duì)壓電疊堆進(jìn)行極化處理，這是賦予壓電陶瓷片壓電性能的關(guān)鍵步驟。極化過(guò)程中，需要在一定的溫度和電場(chǎng)條件下進(jìn)行，使壓電陶瓷片內(nèi)部的電疇取向一致，從而產(chǎn)生壓電效應(yīng)。極化處理的溫度和電場(chǎng)強(qiáng)度等參數(shù)需要根據(jù)壓電陶瓷片的材料特性和設(shè)計(jì)要求進(jìn)行精確控制，以獲得最佳的極化效果。最后進(jìn)行表面絕緣處理，在壓電疊堆的表面涂覆一層絕緣材料，防止漏電和短路等問(wèn)題，提高壓電疊堆的安全性和可靠性。絕緣材料的選擇需要考慮其絕緣性能、耐高溫性能和附著力等因素，確保絕緣處理的效果和穩(wěn)定性。為了進(jìn)一步提高壓電疊堆的性能，還可以采取一些性能優(yōu)化方法。在材料選擇方面，根據(jù)具體的應(yīng)用需求，選擇具有合適壓電性能的壓電陶瓷材料。對(duì)于需要高輸出力的應(yīng)用場(chǎng)景，可以選擇壓電常數(shù)較高的材料；對(duì)于需要高響應(yīng)速度的應(yīng)用場(chǎng)景，可以選擇介電常數(shù)較低的材料。通過(guò)優(yōu)化制作工藝參數(shù)，如調(diào)整打磨的精度、割縫的尺寸、極化的條件等，進(jìn)一步提高壓電疊堆的性能。在實(shí)際制作過(guò)程中，可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)和模擬分析，研究不同工藝參數(shù)對(duì)壓電疊堆性能的影響，從而確定最佳的工藝參數(shù)組合。對(duì)壓電疊堆進(jìn)行封裝設(shè)計(jì)，采用合適的封裝材料和結(jié)構(gòu)，保護(hù)壓電疊堆免受外界環(huán)境的影響，提高其可靠性和使用壽命。封裝材料需要具有良好的絕緣性能、耐腐蝕性和機(jī)械強(qiáng)度，封裝結(jié)構(gòu)需要設(shè)計(jì)合理，確保壓電疊堆在工作過(guò)程中能夠穩(wěn)定地發(fā)揮性能。3.2.2位移放大機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)在基于偏心輪受迫振動(dòng)的壓電馬達(dá)中，壓電疊堆產(chǎn)生的位移通常較小，難以直接滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)高效的位移放大機(jī)構(gòu)，將壓電疊堆的微小位移進(jìn)行放大，對(duì)于提高壓電馬達(dá)的輸出性能具有重要意義。利用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行位移放大機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是一種常用且有效的方法。ANSYS軟件具有強(qiáng)大的模擬分析功能，能夠?qū)ξ灰品糯髾C(jī)構(gòu)在不同工況下的應(yīng)力、應(yīng)變和位移分布情況進(jìn)行精確模擬，為優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供有力的數(shù)據(jù)支持。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先根據(jù)壓電疊堆的尺寸、形狀和輸出特性，確定位移放大機(jī)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)形式。常見的位移放大機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式包括杠桿式、橋式、柔性鉸鏈?zhǔn)降龋糠N結(jié)構(gòu)形式都有其獨(dú)特的優(yōu)缺點(diǎn)和適用場(chǎng)景。杠桿式位移放大機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，放大倍數(shù)易于調(diào)節(jié)，但存在較大的機(jī)械摩擦和間隙，影響放大精度；橋式位移放大機(jī)構(gòu)具有較高的放大倍數(shù)和精度，但結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，加工難度較大；柔性鉸鏈?zhǔn)轿灰品糯髾C(jī)構(gòu)具有無(wú)摩擦、無(wú)間隙、運(yùn)動(dòng)精度高等優(yōu)點(diǎn)，但柔性鉸鏈的設(shè)計(jì)和制造要求較高。根據(jù)具體的設(shè)計(jì)要求和應(yīng)用場(chǎng)景，選擇合適的結(jié)構(gòu)形式，并建立相應(yīng)的三維模型。在ANSYS軟件中，對(duì)建立的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將模型離散為多個(gè)小單元，以便進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。網(wǎng)格劃分的精度直接影響模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要根據(jù)模型的復(fù)雜程度和計(jì)算精度要求，合理選擇網(wǎng)格的尺寸和類型。設(shè)置材料屬性，根據(jù)位移放大機(jī)構(gòu)的實(shí)際材料，輸入其彈性模量、泊松比等材料參數(shù)，確保模擬結(jié)果的真實(shí)性。定義邊界條件，根據(jù)位移放大機(jī)構(gòu)在實(shí)際工作中的安裝和受力情況，設(shè)置相應(yīng)的約束和載荷條件。將壓電疊堆的輸出位移作為輸入載荷施加到位移放大機(jī)構(gòu)上，模擬其在工作過(guò)程中的變形和位移放大情況。通過(guò)模擬分析，可以得到位移放大機(jī)構(gòu)在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的位移放大比和應(yīng)力分布情況。根據(jù)模擬結(jié)果，優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，如調(diào)整杠桿的長(zhǎng)度、鉸鏈的形狀和尺寸等，以提高位移放大比，同時(shí)確保位移放大機(jī)構(gòu)在工作過(guò)程中的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。在優(yōu)化過(guò)程中，需要綜合考慮多個(gè)因素，位移放大比、應(yīng)力分布、結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和加工難度等。如果單純追求高位移放大比，可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中，降低結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和可靠性；而過(guò)于簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)可能無(wú)法滿足位移放大的要求。因此，需要通過(guò)多次模擬和優(yōu)化，找到最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合。經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，所設(shè)計(jì)的位移放大機(jī)構(gòu)的位移放大比可達(dá)4.62倍，靜態(tài)下輸出位移可達(dá)160μm，能夠有效地將壓電疊堆的微小位移進(jìn)行放大，滿足了壓電馬達(dá)的工作需求。在實(shí)際應(yīng)用中，還需要對(duì)位移放大機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證模擬分析的結(jié)果，進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高位移放大機(jī)構(gòu)的性能和可靠性。3.2.3偏心輪轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)與強(qiáng)度校核偏心輪轉(zhuǎn)子作為基于偏心輪受迫振動(dòng)的壓電馬達(dá)的關(guān)鍵部件，其設(shè)計(jì)直接影響著馬達(dá)的性能和可靠性。根據(jù)定子輸出特性精確匹配設(shè)計(jì)偏心輪轉(zhuǎn)子的不平衡量，是實(shí)現(xiàn)高效能量轉(zhuǎn)換和穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。在設(shè)計(jì)偏心輪轉(zhuǎn)子時(shí)，首先要根據(jù)定子的輸出特性，包括輸出位移、輸出力和振動(dòng)頻率等參數(shù)，來(lái)確定偏心輪轉(zhuǎn)子的不平衡量。偏心輪的不平衡量與馬達(dá)的輸出速度、輸出功率等性能密切相關(guān)。如果不平衡量過(guò)小，偏心輪轉(zhuǎn)子在受迫振動(dòng)中饋入的能量不足，導(dǎo)致馬達(dá)的輸出速度和功率較低；如果不平衡量過(guò)大，會(huì)使偏心輪轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生過(guò)大的離心力，增加軸承受力，降低馬達(dá)的穩(wěn)定性和可靠性。因此，需要通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，找到最佳的不平衡量匹配值。在理論分析方面，根據(jù)前面建立的力學(xué)模型，計(jì)算偏心輪轉(zhuǎn)子在不同不平衡量下的運(yùn)動(dòng)軌跡和能量饋入情況。通過(guò)改變偏心輪的質(zhì)量分布和偏心距，模擬不同的不平衡量條件，分析其對(duì)馬達(dá)輸出性能的影響。利用實(shí)驗(yàn)研究，制作不同不平衡量的偏心輪轉(zhuǎn)子，安裝在壓電馬達(dá)上進(jìn)行測(cè)試，測(cè)量馬達(dá)的輸出速度、輸出功率等性能參數(shù)，對(duì)比不同不平衡量下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定最佳的不平衡量。對(duì)偏心輪轉(zhuǎn)子進(jìn)行強(qiáng)度校核是確保其在高速旋轉(zhuǎn)和復(fù)雜受力情況下結(jié)構(gòu)完整性和可靠性的重要步驟。偏心輪轉(zhuǎn)子在工作過(guò)程中，會(huì)受到離心力、振動(dòng)力和摩擦力等多種力的作用，這些力可能導(dǎo)致偏心輪轉(zhuǎn)子產(chǎn)生變形、疲勞和斷裂等問(wèn)題。因此，需要對(duì)偏心輪轉(zhuǎn)子進(jìn)行強(qiáng)度校核，評(píng)估其在各種工況下的強(qiáng)度和可靠性。強(qiáng)度校核通常采用力學(xué)分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法。在力學(xué)分析方面，根據(jù)偏心輪轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)和受力情況，運(yùn)用材料力學(xué)和彈性力學(xué)等知識(shí)，計(jì)算其在不同載荷作用下的應(yīng)力和應(yīng)變。對(duì)于高速旋轉(zhuǎn)的偏心輪轉(zhuǎn)子，離心力是主要的載荷之一，根據(jù)離心力的計(jì)算公式，可以得到偏心輪轉(zhuǎn)子在不同轉(zhuǎn)速下的離心力大小，進(jìn)而計(jì)算出相應(yīng)的應(yīng)力和應(yīng)變。利用ANSYS等有限元分析軟件，對(duì)偏心輪轉(zhuǎn)子進(jìn)行數(shù)值模擬。建立偏心輪轉(zhuǎn)子的三維模型，設(shè)置材料屬性和邊界條件，模擬其在實(shí)際工作中的受力情況。通過(guò)模擬分析，可以得到偏心輪轉(zhuǎn)子內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變分布情況，找出應(yīng)力集中的區(qū)域和潛在的薄弱環(huán)節(jié)。根據(jù)模擬結(jié)果，對(duì)偏心輪轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，如增加局部的厚度、改進(jìn)圓角過(guò)渡等，提高其強(qiáng)度和可靠性。在強(qiáng)度校核過(guò)程中，需要考慮多種因素，如偏心輪轉(zhuǎn)子的材料特性、工作溫度、表面質(zhì)量等。不同的材料具有不同的強(qiáng)度和疲勞性能，需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景選擇合適的材料。工作溫度的變化會(huì)影響材料的性能，高溫可能導(dǎo)致材料的強(qiáng)度降低，因此需要考慮溫度對(duì)強(qiáng)度的影響。表面質(zhì)量的好壞也會(huì)影響偏心輪轉(zhuǎn)子的疲勞壽命，表面的缺陷和粗糙度可能會(huì)引發(fā)疲勞裂紋的產(chǎn)生，因此需要保證表面質(zhì)量符合要求。通過(guò)綜合考慮這些因素，進(jìn)行全面的強(qiáng)度校核，確保偏心輪轉(zhuǎn)子在工作過(guò)程中的可靠性和穩(wěn)定性。3.2.4整體結(jié)構(gòu)裝配與布局基于偏心輪受迫振動(dòng)的壓電馬達(dá)的整體結(jié)構(gòu)裝配與布局是一個(gè)系統(tǒng)性的工作，它涉及到各個(gè)部件之間的協(xié)同工作和相互配合，對(duì)于馬達(dá)的性能和可靠性有著重要影響。合理的裝配與布局能夠確保各部件之間的連接穩(wěn)固，能量傳遞高效，從而使壓電馬達(dá)能夠穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行。[此處插入壓電馬達(dá)整體結(jié)構(gòu)裝配圖]如圖[X]所示，壓電馬達(dá)的整體結(jié)構(gòu)主要包括壓電疊堆、位移放大機(jī)構(gòu)、偏心輪轉(zhuǎn)子、軸承、直流電磁電機(jī)及其支架、L形底座、霍爾傳感器及其支架等部件。在裝配過(guò)程中，首先將制作好的壓電疊堆通過(guò)特定的連接方式安裝在位移放大機(jī)構(gòu)上，確保兩者之間的連接緊密，能夠有效地傳遞振動(dòng)能量。通常采用高強(qiáng)度的膠粘劑或機(jī)械緊固的方式進(jìn)行連接，在使用膠粘劑時(shí)，要確保膠粘劑的粘結(jié)強(qiáng)度和耐久性，以保證壓電疊堆和位移放大機(jī)構(gòu)在長(zhǎng)期工作過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)；在采用機(jī)械緊固方式時(shí)，要合理選擇緊固螺栓的規(guī)格和數(shù)量，確保連接的可靠性。將位移放大機(jī)構(gòu)與軸承座相連，通過(guò)帶有直角鉸鏈的軸承座將位移放大機(jī)構(gòu)和軸承進(jìn)行連接和裝配，形成馬達(dá)的定子部分。這種連接方式能夠保證定子各部件之間的相對(duì)位置準(zhǔn)確，并且具有一定的靈活性，以適應(yīng)壓電疊堆振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的微小位移和變形。偏心輪轉(zhuǎn)子通過(guò)軸承安裝在定子上，實(shí)現(xiàn)定子與轉(zhuǎn)子之間的幾何連接。選擇合適的軸承對(duì)于保證偏心輪轉(zhuǎn)子的平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)至關(guān)重要。根據(jù)預(yù)期壽命和工作要求，選用6001氮化硅軸承，這種軸承具有較高的硬度、耐磨性和耐腐蝕性，能夠在高速旋轉(zhuǎn)和復(fù)雜受力條件下保持良好的性能。在安裝軸承時(shí)，要注意軸承的安裝精度，確保軸承的內(nèi)外圈與偏心輪轉(zhuǎn)子和定子之間的配合緊密，無(wú)間隙和松動(dòng)。同時(shí)，要對(duì)軸承進(jìn)行適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑，選擇合適的潤(rùn)滑劑和潤(rùn)滑方式，減少軸承的摩擦和磨損，提高其使用壽命。直流電磁電機(jī)及其支架安裝在L形底座上，為壓電馬達(dá)提供初始的啟動(dòng)動(dòng)力。直流電磁電機(jī)通過(guò)皮帶或聯(lián)軸器與偏心輪轉(zhuǎn)子相連，在啟動(dòng)時(shí)，直流電磁電機(jī)帶動(dòng)偏心輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，使其達(dá)到一定的轉(zhuǎn)速，然后壓電疊堆開始工作，將振動(dòng)能量饋入偏心輪轉(zhuǎn)子，實(shí)現(xiàn)壓電馬達(dá)的正常運(yùn)行?；魻杺鞲衅骷捌渲Ъ馨惭b在合適的位置，用于檢測(cè)偏心輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和位置信息。霍爾傳感器通過(guò)感應(yīng)偏心輪轉(zhuǎn)子上的磁性元件，將轉(zhuǎn)速和位置信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，為控制系統(tǒng)提供反饋信息，以便對(duì)壓電馬達(dá)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。在整體布局方面，各部件的布局要考慮到能量傳遞效率、散熱、維護(hù)方便等因素。壓電疊堆和位移放大機(jī)構(gòu)應(yīng)盡量靠近偏心輪轉(zhuǎn)子，以減少能量傳遞過(guò)程中的損耗，提高能量傳遞效率。為了保證壓電馬達(dá)在工作過(guò)程中的穩(wěn)定性，要合理分布各部件的質(zhì)量，使整個(gè)結(jié)構(gòu)的重心盡量靠近旋轉(zhuǎn)中心。考慮到壓電疊堆在工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，要為其設(shè)計(jì)合理的散熱通道，確保熱量能夠及時(shí)散發(fā)出去，避免因過(guò)熱導(dǎo)致壓電材料性能下降。在布局上還要預(yù)留足夠的空間，以便于對(duì)各部件進(jìn)行維護(hù)和檢修，降低維護(hù)成本，提高設(shè)備的可用性。通過(guò)合理的整體結(jié)構(gòu)裝配與布局，能夠使基于偏心輪受迫振動(dòng)的壓電馬達(dá)各部件協(xié)同工作，發(fā)揮出最佳性能，為其在實(shí)際應(yīng)用中提供可靠的保障。3.3輔助裝置設(shè)計(jì)3.3.1驅(qū)動(dòng)電源選擇與設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電源作為基于偏心輪受迫振動(dòng)的壓電馬達(dá)的重要輔助裝置，其性能直接影響著壓電馬達(dá)的工作效果和穩(wěn)定性。因此，選擇合適的驅(qū)動(dòng)電源并進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，對(duì)于滿足壓電馬達(dá)的工作需求至關(guān)重要。壓電馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)電源類型多樣，常見的包括直流電源、交流電源以及脈沖電源等。不同類型的驅(qū)動(dòng)電源具有各自的特點(diǎn)和適用場(chǎng)景。直流電源輸出穩(wěn)定的直流電壓，適用于一些對(duì)電壓穩(wěn)定性要求較高、工作頻率相對(duì)較低的壓電馬達(dá)。在一些小型的壓電馬達(dá)應(yīng)用中，直流電源能夠提供穩(wěn)定的能量，保證馬達(dá)的平穩(wěn)運(yùn)行。交流電源輸出周期性變化的交流電壓，其頻率和幅值可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，適用于需要周期性激勵(lì)的壓電馬達(dá)，如基于行波原理的壓電馬達(dá)。脈沖電源則輸出短暫的脈沖電壓，能夠提供高能量的瞬間激勵(lì)，適用于一些需要快速響應(yīng)和高功率輸出的壓電馬達(dá)。在選擇驅(qū)動(dòng)電源時(shí)，需要考慮多個(gè)參數(shù)，包括輸出電壓、輸出電流、頻率范圍以及功率等。輸出電壓應(yīng)根據(jù)壓電馬達(dá)的工作要求進(jìn)行選擇，確保能夠提供足夠的電場(chǎng)強(qiáng)度，激發(fā)壓電材料產(chǎn)生有效的機(jī)械振動(dòng)。不同型號(hào)的壓電馬達(dá)可能需要不同的驅(qū)動(dòng)電壓，一些壓電馬達(dá)需要較高的驅(qū)動(dòng)電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)較大的位移輸出，而另一些則對(duì)電壓要求相對(duì)較低。輸出電流要滿足壓電馬達(dá)在工作過(guò)程中的能量需求，確保能夠提供足夠的功率支持。頻率范圍應(yīng)與壓電馬達(dá)的工作頻率相匹配，以實(shí)現(xiàn)最佳的驅(qū)動(dòng)效果。對(duì)于基于偏心輪受迫振動(dòng)的壓電馬達(dá)，其工作頻率通常在一定范圍內(nèi)，驅(qū)動(dòng)電源的頻率范圍應(yīng)能夠覆蓋該工作頻率，并且能夠在該頻率范圍內(nèi)提供穩(wěn)定的輸出。功率也是一個(gè)重要的參數(shù)，要根據(jù)壓電馬達(dá)的功率需求選擇合適功率的驅(qū)動(dòng)電源，以保證驅(qū)動(dòng)電源能夠穩(wěn)定地為壓電馬達(dá)提供所需的能量。驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)要求主要包括穩(wěn)定性、可靠性和兼容性等方面。穩(wěn)定性是指驅(qū)動(dòng)電源在工作過(guò)程中能夠保持輸出電壓和電流的穩(wěn)定，不受外界干擾和負(fù)載變化的影響。采用穩(wěn)壓電路和濾波電路等技術(shù)手段，可以有效提高驅(qū)動(dòng)電源的穩(wěn)定性。穩(wěn)壓電路能夠根據(jù)輸入電壓和負(fù)載的變化，自動(dòng)調(diào)整輸出電壓，使其保持在設(shè)定的范圍內(nèi)；濾波電路則可以去除電源中的雜波和干擾信號(hào)，提高電源的純凈度。可靠性是指驅(qū)動(dòng)電源在長(zhǎng)時(shí)間工作過(guò)程中能夠穩(wěn)定運(yùn)行，不易出現(xiàn)故障。選用高質(zhì)量的電子元件和合理的電路設(shè)計(jì)，加強(qiáng)散熱和防護(hù)措施，可以提高驅(qū)動(dòng)電源的可靠性。高質(zhì)量的電子元件具有更好的性能和穩(wěn)定性，能夠減少故障的發(fā)生；合理的電路設(shè)計(jì)可以優(yōu)化電源的工作流程，降低電路的復(fù)雜度，提高可靠性；加強(qiáng)散熱措施可以防止電子元件因過(guò)熱而損壞，防護(hù)措施則可以防止電源受到外界環(huán)境的影響，如潮濕、灰塵等。兼容性是指驅(qū)動(dòng)電源能夠與壓電馬達(dá)以及其他相關(guān)設(shè)備良好配合，實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作。驅(qū)動(dòng)電源的接口類型和電氣參數(shù)應(yīng)與壓電馬達(dá)和其他設(shè)備相匹配，確保信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定和準(zhǔn)確。在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電源時(shí)，還需要考慮與控制系統(tǒng)的兼容性，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)壓電馬達(dá)的精確控制。3.3.2傳感器選型與安裝為了準(zhǔn)確測(cè)量基于偏心輪受迫振動(dòng)的壓電馬達(dá)的轉(zhuǎn)速、扭矩等參數(shù)，選擇合適的傳感器并進(jìn)行合理安裝是關(guān)鍵步驟。傳感器能夠?qū)弘婑R達(dá)的物理參數(shù)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，為控制系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)壓電馬達(dá)的精確監(jiān)測(cè)和控制。在轉(zhuǎn)速測(cè)量方面，常用的傳感器有霍爾傳感器、光電傳感器等。霍爾傳感器利用霍爾效應(yīng)來(lái)檢測(cè)磁場(chǎng)的變化，當(dāng)帶有磁性的物體經(jīng)過(guò)霍爾傳感器時(shí)，會(huì)引起傳感器輸出電壓的變化，通過(guò)測(cè)量這種電壓變化的頻率，就可以計(jì)算出物體的轉(zhuǎn)速。在基于偏心輪受迫振動(dòng)的壓電馬達(dá)中，可以在偏心輪轉(zhuǎn)子上安裝一個(gè)小磁體，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)變化被霍爾傳感器檢測(cè)到，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的測(cè)量?；魻杺鞲衅骶哂薪Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠在復(fù)雜的工作環(huán)境中穩(wěn)定工作。光電傳感器則是通過(guò)檢測(cè)光線的遮擋或反射來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速。在壓電馬達(dá)的軸上安裝一個(gè)帶有透光孔或反光片的圓盤，當(dāng)圓盤隨軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，光線會(huì)周期性地被遮擋或反射，光電傳感器接收到光線的變化信號(hào)，通過(guò)計(jì)算信號(hào)的頻率來(lái)確定轉(zhuǎn)速。光電傳感器具有精度高、非接觸式測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，不會(huì)對(duì)壓電馬達(dá)的運(yùn)行產(chǎn)生額外的阻力和磨損。扭矩測(cè)量通常采用應(yīng)變片式扭矩傳感器或磁電式扭矩傳感器。應(yīng)變片式扭矩傳感器是利用金屬應(yīng)變片在受到扭矩作用時(shí)產(chǎn)生應(yīng)變，從而導(dǎo)致電阻值發(fā)生變化的原理來(lái)測(cè)量扭矩。將應(yīng)變片粘貼在壓電馬達(dá)的輸出軸上，當(dāng)軸受到扭矩時(shí)，應(yīng)變片的電阻值發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量電阻值的變化并經(jīng)過(guò)一定的轉(zhuǎn)換算法，就可以得到扭矩的大小。應(yīng)變片式扭矩傳感器具有精度高、測(cè)量范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)安裝工藝要求較高，需要確保應(yīng)變片粘貼牢固且位置準(zhǔn)確。磁電式扭矩傳感器則是利用磁場(chǎng)的變化來(lái)測(cè)量扭矩，通過(guò)檢測(cè)軸在受到扭矩時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)變化，將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，從而得到扭矩值。磁電式扭矩傳感器具有響應(yīng)速度快、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，適用于動(dòng)態(tài)扭矩測(cè)量。在安裝傳感器時(shí)，要根據(jù)傳感器的類型和壓電馬達(dá)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇合適的安裝位置和方法。對(duì)于霍爾傳感器和光電傳感器，安裝位置應(yīng)保證能夠準(zhǔn)確檢測(cè)到偏心輪轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)信號(hào)，避免受到其他部件的干擾。將霍爾傳感器安裝在靠近偏心輪轉(zhuǎn)子的位置，使其能夠清晰地檢測(cè)到磁體的磁場(chǎng)變化；將光電傳感器安裝在能夠準(zhǔn)確檢測(cè)到光線變化的位置，確保測(cè)量的準(zhǔn)確性。在安裝過(guò)程中，要注意傳感器與被測(cè)部件之間的距離和角度，保證傳感器能夠正常工作。對(duì)于應(yīng)變片式扭矩傳感器，安裝時(shí)要確保應(yīng)變片粘貼在軸的合適位置，并且粘貼牢固，避免在軸的旋轉(zhuǎn)過(guò)程中出現(xiàn)松動(dòng)或脫落。在粘貼應(yīng)變片之前，需要對(duì)軸的表面進(jìn)行清潔和處理，以提高粘貼的質(zhì)量。對(duì)于磁電式扭矩傳感器，要注意其安裝位置的磁場(chǎng)環(huán)境，避免受到其他磁場(chǎng)的干擾，影響測(cè)量精度。3.3.3支架與底座設(shè)計(jì)支架與底座作為基于偏心輪受迫振動(dòng)的壓電馬達(dá)的支撐結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)對(duì)于保證壓電馬達(dá)的穩(wěn)定性和安裝便利性起著至關(guān)重要的作用。合理的支架與底座設(shè)計(jì)能夠?yàn)閴弘婑R達(dá)提供穩(wěn)固的支撐，減少振動(dòng)和位移，同時(shí)便于壓電馬達(dá)的安裝和維護(hù)。支架的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)壓電馬達(dá)的結(jié)構(gòu)和尺寸進(jìn)行優(yōu)化，確保能夠提供足夠的支撐力和穩(wěn)定性。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，要考慮支架的材料選擇、結(jié)構(gòu)形式以及與壓電馬達(dá)的連接方式。支架的材料應(yīng)具有較高的強(qiáng)度和剛度，能夠承受壓電馬達(dá)在工作過(guò)程中產(chǎn)生的各種力和振動(dòng)，同時(shí)要具有較好的減振性能，減少振動(dòng)對(duì)壓電馬達(dá)的影響。常用的支架材料有鋁合金、鋼材等。鋁合金具有密度小、強(qiáng)度較高、加工性能好等優(yōu)點(diǎn)，適用于一些對(duì)重量要求較高的場(chǎng)合；鋼材則具有更高的強(qiáng)度和剛度，適用于承受較大載荷的情況。支架的結(jié)構(gòu)形式可以采用框架式、懸臂式等，根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的結(jié)構(gòu)?？蚣苁街Ъ芙Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定，能夠提供全方位的支撐，適用于大型壓電馬達(dá)或?qū)Ψ€(wěn)定性要求較高的場(chǎng)合；懸臂式支架則具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占用空間小等優(yōu)點(diǎn)，適用于一些小型壓電馬達(dá)或安裝空間有限的場(chǎng)合。在連接方式上，要確保支架與壓電馬達(dá)之間的連接牢固可靠，通常采用螺栓連接、焊接等方式。螺栓連接便于安裝和拆卸，方便維護(hù)和更換部件；焊接則能夠提供更牢固的連接，但在維修時(shí)可能需要進(jìn)行切割等操作。底座是整個(gè)壓電馬達(dá)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其設(shè)計(jì)要考慮到穩(wěn)定性、平整度以及與其他設(shè)備的兼容性。底座的穩(wěn)定性是保證壓電馬達(dá)正常工作的關(guān)鍵，要具有足夠的重量和面積，以增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少振動(dòng)和位移。在一些高精度的應(yīng)用中，底座的平整度也非常重要，需要保證底座表面的平面度在一定范圍內(nèi)，以確保壓電馬達(dá)的安裝精度。底座的材料通常選擇具有較高強(qiáng)度和穩(wěn)定性的材料，如鑄鐵、鋼板等。鑄鐵具有良好的減振性能和穩(wěn)定性，適用于對(duì)振動(dòng)要求較高的場(chǎng)合；鋼板則具有較高的強(qiáng)度和剛性，適用于承受較大載荷的情況。底座的形狀和尺寸應(yīng)根據(jù)壓電馬達(dá)和其他設(shè)備的布局進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保能夠方便地安裝和連接其他設(shè)備。在底座上可以設(shè)置一些安裝孔和定位槽，便于固定壓電馬達(dá)和其他部件，同時(shí)要預(yù)留一定的空間，以便于布線和維護(hù)。為了提高底座的穩(wěn)定性和減振性能，可以在底座底部安裝減振墊或橡膠腳，減少振動(dòng)對(duì)周圍環(huán)境的影響。四、基于偏心輪受迫振動(dòng)的壓電馬達(dá)實(shí)驗(yàn)研究4.1實(shí)驗(yàn)裝置搭建4.1.1實(shí)驗(yàn)平臺(tái)組成為了深入研究基于偏心輪受迫振動(dòng)的壓電馬達(dá)的性能，搭建了一套完整的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由壓電馬達(dá)、驅(qū)動(dòng)電源、傳感器、測(cè)試儀器等部分組成，各部分相互協(xié)作，共同完成對(duì)壓電馬達(dá)性能的測(cè)試和分析。壓電馬達(dá)作為實(shí)驗(yàn)的核心部件，是基于偏心輪受迫振動(dòng)原理設(shè)計(jì)制作而成。它由壓電疊堆、位移放大機(jī)構(gòu)、偏心輪轉(zhuǎn)子、軸承以及其他輔助部件組成。壓電疊堆通過(guò)位移放大機(jī)構(gòu)將微小的振動(dòng)位移放大，然后傳遞給偏心輪轉(zhuǎn)子，使其產(chǎn)生受迫振動(dòng)并實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在實(shí)際制作過(guò)程中，壓電疊堆由26層厚度為0.7mm的壓電陶瓷片堆積而成，經(jīng)過(guò)打磨、割縫、引線、極化以及表面絕緣處理等步驟，確保其具有良好的壓電性能。位移放大機(jī)構(gòu)利用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，位移放大比可達(dá)4.62倍，靜態(tài)下輸出位移可達(dá)160μm，能夠有效地將壓電疊堆的微小位移放大，滿足偏心輪轉(zhuǎn)子的驅(qū)動(dòng)需求。偏心輪轉(zhuǎn)子根據(jù)定子輸出特性匹配設(shè)計(jì)了不平衡量，在受迫振動(dòng)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)高效的能量轉(zhuǎn)換和穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。軸承選用6001氮化硅軸承，具有較高的硬度、耐磨性和耐腐蝕性，能夠在高速旋轉(zhuǎn)和復(fù)雜受力條件下保證偏心輪轉(zhuǎn)子的平穩(wěn)運(yùn)行。驅(qū)動(dòng)電源為壓電馬達(dá)提供所需的電能，其性能直接影響著壓電馬達(dá)的工作效果。在實(shí)驗(yàn)中，選擇了能夠輸出穩(wěn)定交變電壓的驅(qū)動(dòng)電源，其輸出電壓、頻率和相位等參數(shù)可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求進(jìn)行精確調(diào)整。通過(guò)調(diào)整驅(qū)動(dòng)電源的輸出電壓幅值，可以改變壓電疊堆的振動(dòng)幅度，從而影響偏心輪轉(zhuǎn)子的受迫振動(dòng)強(qiáng)度和旋轉(zhuǎn)速度；調(diào)整驅(qū)動(dòng)電源的輸出頻率，可以使壓電疊堆的振動(dòng)頻率與偏心輪轉(zhuǎn)子的固有頻率相匹配，實(shí)現(xiàn)共振狀態(tài)，提高能量轉(zhuǎn)換效率；而調(diào)整驅(qū)動(dòng)電源的輸出相位，則可以優(yōu)化壓電疊堆的功率饋入偏心輪轉(zhuǎn)子的效果，進(jìn)一步提升壓電馬達(dá)的性能。傳感器在實(shí)驗(yàn)中起著關(guān)鍵的測(cè)量作用，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壓電馬達(dá)的運(yùn)行參數(shù)。采用霍爾傳感器來(lái)測(cè)量偏心輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，霍爾傳感器利用霍爾效應(yīng)，能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)到偏心輪轉(zhuǎn)子上磁性元件的磁場(chǎng)變化，從而計(jì)算出轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。為了測(cè)量壓電馬達(dá)的輸出扭矩，選用了應(yīng)變片式扭矩傳感器，將應(yīng)變片粘貼在壓電馬達(dá)的輸出軸上，當(dāng)軸受到扭矩作用時(shí)，應(yīng)變片的電阻值發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量電阻值的變化并經(jīng)過(guò)一定的轉(zhuǎn)換算法，就可以得到扭矩的大小。這些傳感器將測(cè)量得到的物理量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，傳輸給測(cè)試儀器進(jìn)行處理和分析。測(cè)試儀器用于對(duì)傳感器采集到的信號(hào)進(jìn)行處理、顯示和分析，從而獲取壓電馬達(dá)的各項(xiàng)性能參數(shù)。使用示波器來(lái)觀察驅(qū)動(dòng)電源的輸出電壓波形以及傳感器輸出的電信號(hào)波形，通過(guò)分析波形的幅值、頻率和相位等特征，了解壓電馬達(dá)的工作狀態(tài)。利用功率分析儀來(lái)測(cè)量壓電馬達(dá)的輸入功率和輸出功率，通過(guò)計(jì)算輸出功率與輸入功率的比值，得到壓電馬達(dá)的效率。數(shù)據(jù)采集卡則用于將傳感器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行存儲(chǔ)和進(jìn)一步分析。在計(jì)算機(jī)上使用專門的數(shù)據(jù)分析軟件，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和繪圖，直觀地展示壓電馬達(dá)的性能參數(shù)隨不同實(shí)驗(yàn)條件的變化規(guī)律。4.1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備選型與參數(shù)設(shè)置在搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)設(shè)備的選型和參數(shù)設(shè)置至關(guān)重要，直接關(guān)系到實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。對(duì)于驅(qū)動(dòng)電源的選型，充分考慮了壓電馬達(dá)的工作要求。由于壓電馬達(dá)需要交變電壓來(lái)激發(fā)壓電疊堆的振動(dòng)，因此選擇了具有高精度電壓輸出調(diào)節(jié)功能的交流驅(qū)動(dòng)電源。該驅(qū)動(dòng)電源的輸出電壓范圍為0-500V，頻率范圍為10Hz-100kHz，能夠滿足基于偏心輪受迫振動(dòng)的壓電馬達(dá)在不同實(shí)驗(yàn)條件下的驅(qū)動(dòng)需求。在參數(shù)設(shè)置方面，根據(jù)壓電馬達(dá)的性能測(cè)試需求，調(diào)整驅(qū)動(dòng)電源的輸出電壓幅值、頻率和相位。在測(cè)試壓電馬達(dá)的空載輸出速度特性時(shí)，將驅(qū)動(dòng)電壓幅值設(shè)置為不同的等級(jí)，從50V逐漸增加到300V，頻率設(shè)置為152Hz，這是壓電疊堆的工作頻率，通過(guò)改變電壓幅值來(lái)觀察馬達(dá)輸出速度的變化；在研究驅(qū)動(dòng)電壓相位對(duì)壓電馬達(dá)性能的影響時(shí)，將電壓幅值固定在150V，頻率為152Hz，逐步調(diào)整驅(qū)動(dòng)電壓的相位，從0°變化到360°，記錄不同相位下馬達(dá)的輸出功率和效率等參數(shù)，以確定最佳的驅(qū)動(dòng)電壓相位。在傳感器選型方面，根據(jù)測(cè)量參數(shù)的特點(diǎn)和精度要求進(jìn)行選擇。霍爾傳感器選用了型號(hào)為A3144的線性霍爾傳感器，該傳感器具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確地測(cè)量偏心輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。其測(cè)量范圍為0-20000rpm，精度可達(dá)±1rpm，滿足實(shí)驗(yàn)對(duì)轉(zhuǎn)速測(cè)量的精度要求。應(yīng)變片式扭矩傳感器選用了量程為0-5N?m的傳感器，其精度為±0.5%FS（滿量程），能夠準(zhǔn)確測(cè)量壓電馬達(dá)在不同負(fù)載下的輸出扭矩。在安裝傳感器時(shí)，嚴(yán)格按照傳感器的安裝要求進(jìn)行操作，確保傳感器的安裝位置準(zhǔn)確，能夠準(zhǔn)確地測(cè)量到所需的物理量。將霍爾傳感器安裝在靠近偏心輪轉(zhuǎn)子的位置，使其能夠清晰地檢測(cè)到磁性元件的磁場(chǎng)變化；將應(yīng)變片式扭矩傳感器安裝在壓電馬達(dá)的輸出軸上，并且確保應(yīng)變片粘貼牢固，避免在軸的旋轉(zhuǎn)過(guò)程中出現(xiàn)松動(dòng)或脫落，影響測(cè)量精度。測(cè)試儀器的選型也經(jīng)過(guò)了仔細(xì)考慮。示波器選用了具有高帶寬和高采樣率的數(shù)字示波器，型號(hào)為DS1054Z，其帶寬為50MHz，采樣率為1GSa/s，能夠清晰地顯示驅(qū)動(dòng)電源的輸出電壓波形以及傳感器輸出的電信號(hào)波形，便于觀察和分析信號(hào)的細(xì)節(jié)特征。功率分析儀選用了WT310E數(shù)字功率分析儀，該分析儀能夠準(zhǔn)確測(cè)量功率、電壓、電流、功率因數(shù)等參數(shù)，測(cè)量精度高達(dá)±0.1%，滿足對(duì)壓電馬達(dá)功率測(cè)量的高精度要求。數(shù)據(jù)采集卡選用了NIUSB-6211數(shù)據(jù)采集卡，具有16位分辨率和高達(dá)250kS/s的采樣速率，能夠快速、準(zhǔn)確地將傳感器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行存儲(chǔ)和分析。在使用測(cè)試儀器之前，對(duì)其進(jìn)行了校準(zhǔn)和調(diào)試，確保儀器的測(cè)量精度和性能符合實(shí)驗(yàn)要求。4.1.3實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)調(diào)試在完成實(shí)驗(yàn)設(shè)備的選型和安裝后，對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了全面的調(diào)試，以確保各部件能夠正常工作，實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蝽樌M(jìn)行。首先對(duì)驅(qū)動(dòng)電源進(jìn)行調(diào)試，檢查其輸出電壓、頻率和相位的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。使用萬(wàn)用表測(cè)量驅(qū)動(dòng)電源的輸出電壓，與設(shè)置的電壓值進(jìn)行對(duì)比，確保電壓輸出準(zhǔn)確。利用頻率計(jì)測(cè)量驅(qū)動(dòng)電源的輸出頻率，驗(yàn)證其是否在設(shè)定的頻率范圍內(nèi)。通過(guò)示波器觀察驅(qū)動(dòng)電源的輸出電壓波形，檢查波形是否正常，有無(wú)雜波和失真現(xiàn)象。在不同的電壓和頻率設(shè)置下，反復(fù)測(cè)試驅(qū)動(dòng)電源的輸出性能，確保其能夠穩(wěn)定地為壓電馬達(dá)提供所需的電能。接著對(duì)傳感器進(jìn)行調(diào)試，檢查其測(cè)量準(zhǔn)確性和信號(hào)傳輸穩(wěn)定性。對(duì)于霍爾傳感器，將其靠近一個(gè)已知轉(zhuǎn)速的旋轉(zhuǎn)物體，通過(guò)與該物體的實(shí)際轉(zhuǎn)速進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證霍爾傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速的準(zhǔn)確性。調(diào)整霍爾傳感器的安裝位置和角度，確保其能夠穩(wěn)定地檢測(cè)到偏心輪轉(zhuǎn)子上磁性元件的磁場(chǎng)變化，輸出穩(wěn)定的電信號(hào)。對(duì)于應(yīng)變片式扭矩傳感器，在沒有施加扭矩的情況下，檢查其輸出信號(hào)是否為零，如有偏差，進(jìn)行零點(diǎn)校準(zhǔn)。在施加已知扭矩的情況下，測(cè)量傳感器的輸出信號(hào)，并與理論值進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證其測(cè)量精度。檢查傳感器與測(cè)試儀器之間的連接線路，確保連接牢固，無(wú)松動(dòng)和接觸不良現(xiàn)象，保證信號(hào)能夠準(zhǔn)確地傳輸?shù)綔y(cè)試儀器中。對(duì)測(cè)試儀器進(jìn)行調(diào)試，確保其各項(xiàng)功能正常。校準(zhǔn)示波器的探頭，使其測(cè)量的電壓幅值準(zhǔn)確。設(shè)置示波器的觸發(fā)條件和顯示參數(shù)，以便能夠清晰地觀察信號(hào)波形。對(duì)功率分析儀進(jìn)行校準(zhǔn)，確保其測(cè)量的功率、電壓、電流等參數(shù)準(zhǔn)確。檢查數(shù)據(jù)采集卡與計(jì)算機(jī)之間的通信是否正常，設(shè)置好數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)等參數(shù)，確保能夠準(zhǔn)確地采集和存儲(chǔ)傳感器輸出的信號(hào)數(shù)據(jù)。在對(duì)各部件進(jìn)行單獨(dú)調(diào)試后，進(jìn)行了整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)。啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)電源，使壓電馬達(dá)開始工作，同時(shí)運(yùn)行測(cè)試儀器，實(shí)時(shí)采集和分析壓電馬達(dá)的運(yùn)行參數(shù)。觀察示波器上顯示的驅(qū)動(dòng)電源輸出電壓波形、傳感器輸出信號(hào)波形，以及功率分析儀和數(shù)據(jù)采集卡采集到的數(shù)據(jù)，檢查實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是否正常工作。在聯(lián)調(diào)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)進(jìn)行排查和解決。如果發(fā)現(xiàn)某個(gè)參數(shù)的測(cè)量值異常，檢查相關(guān)的傳感器、連接線路和測(cè)試儀器，找出問(wèn)題所在并進(jìn)行修復(fù)。通過(guò)多次聯(lián)調(diào)，確保實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、準(zhǔn)確地工作，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)研究提供可靠的保障。4.2實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)4.2.1驅(qū)動(dòng)電壓相位優(yōu)化實(shí)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)電壓相位對(duì)基于偏心輪受迫振動(dòng)的壓電馬達(dá)性能有著重要影響，為了確定最佳初始相位，開展了驅(qū)動(dòng)電壓相位優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)以偏心不平衡量較大的6#偏心輪為轉(zhuǎn)子，在壓電疊堆工作頻率為152Hz、驅(qū)動(dòng)電壓幅值固定為150V的條件下，通過(guò)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電源的相位控制器，將驅(qū)動(dòng)電壓相位從0°逐步增加到360°，以15°為一個(gè)步長(zhǎng)，測(cè)量并記錄每個(gè)相位下壓電馬達(dá)的輸出功率和效率等性能參數(shù)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，使用功率分析儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壓電馬達(dá)的輸入功率和輸出功率，通過(guò)計(jì)算輸出功率與輸入功率的比值得到效率。利用霍爾傳感器測(cè)量偏心輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，結(jié)合扭矩傳感器測(cè)量的輸出扭矩，計(jì)算出輸出功率。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量和記錄均采用高精度的測(cè)試儀器，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。在每個(gè)相位設(shè)置下，保持實(shí)驗(yàn)條件穩(wěn)定，待壓電馬達(dá)運(yùn)行穩(wěn)定后再進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，避免因?qū)嶒?yàn)條件波動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，繪制出壓電馬達(dá)輸出功率和效率隨驅(qū)動(dòng)電壓相位變化的曲線。從曲線中可以直觀地看出，在不同的驅(qū)動(dòng)電壓相位下，壓電馬達(dá)的輸出功率和效率呈現(xiàn)出明顯的變化趨勢(shì)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓相位在某一特定值附近時(shí)，壓電馬達(dá)的輸出功率和效率達(dá)到最大值，該相位即為最佳初始相位。通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定的最佳初始相位與理論分析得出的壓電疊堆驅(qū)動(dòng)電壓理論最佳初始相位進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證理論分析的準(zhǔn)確性。如果實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析存在偏差，