旋转型驻波压电作动器的设计和试验研究

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压电作动器技术具有快速响应、运动精度高、结构简单等优点而受到广泛关注。继行波型超声电机成功用于照相机光学调焦系统之后,小型化以适应更小空间的应用成为努力的方向。对于手机内置摄像头,使用行波型超声电机显得过于复杂,难以进一步小型化。各种小型化原理和结构方案被提出,但由于多采用单定子两个模态叠加的方式实现驱动,对设计和制造提出了很高的要求。定子尺寸较小时,设计和加工误差对工作性能产生显著影响,而摩擦工作产生的磨损对两个工作模态产生不同的影响,使最初的频率差进一步增大,导致驱动能力下降甚至失效。针对上述问题,提出一种旋转型驻波压电作动器的新原理,采用两个相同独立的振子错位安装的驱动方式,避免了两相模态频率差难以控制的问题,降低了设计和加工的难度。具体研究内容包括:  1.对现有压电作动器进行了总结和分析,提出了一种新型的旋转型驻波压电作动器的结构设计方案。分析了压电振子在一个周期内,对转子的正向压力和驱动力的周期变化关系。通过理论分析规划了压电振子的振动模态,并利用有限元方法对结构尺寸进行了优化。具有结构简单、易于小型化的特点。  2.建立了压电作动器实验测试系统,对压电作动器原理样机进行了振动测试和机械特性实验。实验表明,该压电作动器的启动停止时间是毫秒级的,具有响应速度快的特点;压电作动器的调压实验表明,施加于压电作动器的电压与速度成正比,压电作动器有调速方便的特性。  3.针对光阑开合调节,对压电作动器的原型机的转子进行改装,设计了用于光阑的旋转型驻波压电作动器系统。实验表明该系统结构紧凑;在400Vp-p的驱动电压下压电作动器的分辨率达到0.34mrad,压电作动器运动精度高;用于光阑的旋转型驻波压电作动器的响应时间为毫秒级,具有快速响应的特点;用于光阑的旋转型驻波压电作动器开关速度平稳,且开启和关闭的速度与施加的电压成线性关系,具有良好的综合性能。  4.根据原理样机的设计原则,开展对旋转型驻波压电作动器的小型化设计研究。设计了小型压电作动器的结构方案,对其运动原理进行了说明。通过有限元分析的方法对小型压电作动器的压电振子进行了结构尺寸的设计。
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