真空下超聲波驅動接觸狀態(tài)研究
摘要：超聲馬達接觸界面的狀態(tài)直接影響超聲馬達的驅動特性。采用自制的模擬超聲馬達定子表面一質點橢圓振動的超聲波驅動模擬實驗裝置，研究了接觸預壓力、激勵電壓和真空度對超聲波驅動摩擦驅動頭與摩擦片接觸狀態(tài)的影啊。結果表明：隨著接觸預壓力和真空度的增加，摩擦驅動頭和摩擦片的接觸時間變長；激勵電壓對摩擦驅動頭和摩擦片的接觸效果影響較小。出真空卜粘結力的增加及聲懸浮力的減小是引起摩擦驅動頭和摩擦片的接觸時間變長的主要原兇。
關鍵詞：超聲波；摩擦驅動；接觸狀態(tài)
O引言
行波型超聲馬達定子表而某一質點在微觀狀態(tài)下做周期性高頻橢圓振動，而不同的質點在同一時刻處于橢圓振動軌跡的不同位置，且各點位置連續(xù)，在定子表面形成了高頻正弦行波，靠接觸摩擦力驅動轉子轉動…。對超聲馬達定子表面一個質點在一個周期內的微觀摩擦驅動狀態(tài)的研究，將有助于深入理解行波型超聲馬達的宏觀摩擦驅動機理。
在1988年Kurosawa和ueha就分析了超聲馬達定、轉子的接觸界面特性，在轉子的法向建立線彈性接觸模型P J。Maen0等用有限元方法研究了超聲馬達定、轉予間接觸狀態(tài)和相互作用指出只有把比普通摩擦試驗測得的更低的動、靜摩擦系數(shù)代入理論公式中，才能得到與超聲波驅動試驗結果一致的結論”0。Adachi等從實驗和理論的兩個方面研究了超聲波驅動r的摩擦微機理”0。storck和wallaschek等研究I=r超聲馬達疋、轉子之間接觸層的切向彈性對超聲馬達特性的影響，劉超聲馬達的設計具有重要的指導意義0 J。羅云霞等研究了接觸預壓緊力和兩相超聲波振動的激勵電壓峰峰值之比對超聲波驅動r的摩擦特性的影啊_6J。作者在前期工作中，對超聲波驅動中的垂直超聲波振動的減摩作用進行1r理論研究，得出垂直方向超聲波振動是導致超聲波驅動動摩擦系數(shù)降低的原兇l|J。周鐵英等測試了大氣與真空下行波超聲馬達定轉r接觸狀態(tài)，認為大氣F存在的聲懸浮力使定、轉子間分離時間比真空下的長Ⅸj。日前對真空下超聲波驅動接觸狀態(tài)研究報道較少，兇此，在真空下對超聲波驅動接觸狀態(tài)進行系統(tǒng)深入的研究顯得尤為重要。
本義采用文獻9提出的電接觸法，研制超聲波驅動模擬實驗裝置，間接測量超聲波驅動摩擦驅動頭與摩擦片的實際接觸狀態(tài)，結合測得的接觸界面的接觸波形圖，分析接觸預壓力、激勵電
壓和真空度對超聲波驅動特性的影響，為建立超聲馬達摩擦界面的驅動模型和分析超聲馬達摩擦磨損規(guī)律提供試驗依據和理論指導。
1試驗部分
1 1實驗裝置
為了模擬定予表面某點的橢圓振動效果，采用了文獻10提出的復合超聲波振動體，如圖1a1所示。該復合超聲波振動體的水平振動和垂直振動分別是利用兩組壓電陶瓷片產生。當向兩組
壓電陶瓷片分別施加同一頻率、相位相差90。的驅動電壓激振時，該超聲波振動體的摩擦驅動頭的前端點做高頻橢圓運動。將圖1a)所示超聲波振動體安裝在自制的模擬超聲波驅動摩擦試驗臺(圖1b)上，用壓電晶體式動態(tài)力傳感器測量接觸界面的動態(tài)接觸壓力和驅動力，通過測量R2兩端的電壓波形，間接測量接觸界面的接觸狀態(tài)。實驗裝置能夠方便地更換摩擦副、改變工作電壓和預壓力。其中，預壓力由振動體自重和試驗裝置頂端的砝碼提供。測量數(shù)據用計算機采集和處理。試驗中用的摩擦驅動頭和摩擦片材料均為紫銅，將試驗臺放入真空腔內。真空測試系統(tǒng)由真率腔、真空控制系統(tǒng)、超聲馬達控制系統(tǒng)等組成。通過調節(jié)真窄控制系統(tǒng)，可使真空室內的真空度達到試驗要求的范圍。
圖1超聲波驅動模擬實驗臺示意同
1 2試驗
|
