申请书-一种应用于内窥镜的旋转-直线运动马达的研究

朽木易折，金石可镂。千里之行，始于足下。第页/共页一种应用于内窥镜的旋转-直线运动马达的研究一、引言旋转-直线运动压电马达是一类比较异常的电机，其本身脱胎于旋转型压电马达，通过螺纹的传动把旋转运动转换成直线运动。因为螺纹结构具有异常强的抗冲击能力，定位精度也较高，这类马达在光学精密驱动系统、医疗器械以及机器人等领域有着广泛的应用前景[[]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，清华大学的周铁英等提出了一种旋转-直线运动压电马达[4]，将压电陶瓷（12片）粘贴到金属薄壁圆筒定子外侧的平面上，转子与金属薄壁圆筒定子通过螺纹相啮合，通过鼓励压电片使定子中产生沿圆周方向的面内弯曲行波，通过螺纹直接驱动转子旋改变转换成转子的旋转-直线运动。但是该马达的转子为多面体管体结构，多个压电陶瓷片粘贴在多面体的各个面上形成驱动体，对加工要求较高，制作工序也较为复杂。图1周铁英提出的旋转-直线压电马达结构2013年，哈尔滨工业大学的程廷海等人提出了一种贴片式旋转-直线运动压电[[]程廷海，郭向东，包钢.中空柱状定子二阶弯振的旋转-直线超声电机.电机与控制学报，2013,17(3):8~12.]，马达采用中空柱状定子的两个二阶弯曲振动的耦合，在定子自由端的内表面合成一个驱动行波，通过螺纹传动实现输出轴的旋转-直线运动输出。定子尺寸长×宽×[]程廷海，郭向东，包钢.中空柱状定子二阶弯振的旋转-直线超声电机.电机与控制学报，2013,17(3):8~12.图2程廷海提出的旋转-直线压电马达结构基于以上旋转-直线压电马达的设计，该项目融合了各方面优势，提出了一种圆筒状旋转直线压电马达，从运动输出方式分析，这也属于直线运动马达的一种，其最大特点在于通过绕螺纹的方式来实现直线运动。该结构的亮点在于激发了定子弹性体的两个模态的运动并将其放大为转子的宏观运动。同时，该马达省去了其他传动机构，结构十分容易，能更好地实现微型化，在精密驱动领域，异常是微型光学模组中具有十分重要的应用前景。二、旋转-直线运动压电马达的结构本项目提出的新型旋转-直线运动马达的构造结构如图3所示，该旋转-直线运动马达由定子跟转子两部分组成，定子由压电陶瓷圆筒（1）与金属圆筒（2）组成，压电陶瓷圆筒与金属圆筒粘接在一起，定子与转子（3）之间有互相配合的螺纹，定子与转子通过螺纹副传动。压电陶瓷圆筒在外加电场的作用下产生特定的形变，带着金属圆筒一起振动，这里金属内圆筒起到了两个作用，一是对于压电陶瓷圆筒的振动举行放大，二是金属内圆环上的螺纹跟定子的螺纹相配合，作为驱动机构。图3旋转-直线运动压电马达的暗示图图4为本项目中所用到的3个零件，通过与一元硬币尺寸的对照，可以直观感觉它们的大小。其中，压电陶瓷圆筒的外径（直径）是3.7mm，内径是3.1mm，高度是3mm。金属圆筒的外径是3.1mm，内径是2.5mm，高度是3mm。金属转子的外径是2.5mm，内径是1.8mm，高度是1.5mm。金属圆筒的内侧与转子的外侧有一对互相匹配的螺纹副，螺距为0.25mm。图4旋转-直线运动压电马达的零件实物图所选用的金属圆筒的材料参数对马达输出性能有很大影响，因为定子金属弹性体是压电陶瓷振动放大的重要环节，弹性体材料的挑选和优化也是压电马达设计中不可缺少的步骤。定子材料要求耐磨、导热性好、热膨胀系数小、质量轻、有较好的工艺性和价格便宜等[[]赵淳生.压电马达技术与应用.压电与声光,2009,31(1):148.]。目前压电马达常用的金属材料有黄铜、磷青铜、不锈钢、45号钢、铝合金等。南京航空航天大学使用上述金属材料制作了行波型旋转压电马达定子，并[]赵淳生.压电马达技术与应用.压电与声光,2009,31(1):148.转子是具有外螺纹的中空结构的金属圆环，与定子的内螺纹相吻合并旋入定子中。本实验中，转子也挑选磷青铜材料，需要驱动的部件（例如镜头）放置在转子的中空部分，随着转子一起举行旋转-直线运动。表1磷青铜材料的参数密度(kg/m3)泊松比杨氏模量(Gpa)屈服应力(Gpa)磷青铜89200.38100110~670本项目中，我们用环氧树脂将压电陶瓷圆筒跟金属圆筒粘接在一起，共同组成该马达的定子，得到如图5所示的压电马达的定子与动子的实物图。图5旋转-直线运动压电马达的定子与转子马达零件加工好以后，定子与转子之间的接触状态就决定了，他们之间的预压力也无法调节了，两者之间的预压力既不能太大也不能太小，所以对于螺纹副的配合度要适当去挑选，对螺纹副加工精度的要求也是异常高的。同时，在举行零件加工时，还需要使金属圆筒内表面与金属转子外表面有充足的光洁度，定子和转子之间需要流畅配合。三、旋转-直线运动压电马达的运行机理首先，利用有限元软件ANSYS建立了一个如图6所示的定子模型，模型由两个薄圆筒组成，外筒是压电陶瓷圆筒，内筒是金属圆筒，建模的过程中，为了简便运算，忽略螺纹，我们首先分析了它的模态，计算出来的第一阶模态（B02）如图5所示，它的变形如图所示，总体上来说就是由一个圆筒变成了一个椭圆筒的形状，这是圆筒的二阶的圆周向行波振动。而且我们发现第二阶模态跟第一阶模态是同形的，只是在空间上存在着90°的相位角，所以这是一个异常有应用前景的工作模态，在本项目中，我们便是以前两阶模态作为工作模态来构建我们的压电马达。图6定子的有限元模型图7压电定子的第一阶模态图8是压电陶瓷圆筒的结构暗示图，(a)为正视图，(b)为鸟瞰图。压电陶瓷圆筒沿筒壁方向极化，在筒的内外壁分离镀有电极，内壁的电极是一个整体，用来接地；外壁的电极沿圆周方向均分为8个区域（A1、B1、C1、D1、A2、B2、C2、D2），用来接鼓励信号。其中，电极A1与电极A2沿压电陶瓷圆筒的直径方向对称分布，称为A激振组，同样的方式定义B激振组（B1、B2），C激振组（C1、C2）和D激振组（D1、D2）。当采用图9所示的电压施加方式时，也就是A激振组施加sinωt的信号，C激振组施加-sinωt的信号，B激振组跟D激振组都悬空，电极A1、A2对应的区域倘若陶瓷片沿圆周方向伸长（或缩短），因为A、C激振组的电压方向相反，电极C1、C2对应的区域的陶瓷片则会产生缩短（或伸长）的形变，囫囵压电陶瓷圆筒将产生如图12(a)所示的驻波谐振振动R1。同理，当在B激振组施加sinωt的信号，D激振组施加-sinωt的信号，A跟C激振组悬空时，囫囵压电陶瓷圆筒将产生如图12(b)所示的驻波谐振振动R2。R1与R2也是两个同形振动模态，在空间上有45°的相位角。注重到图12所示的压电陶瓷圆筒的实际变形跟图7模拟得到的振型存在着一定的区别，实际情况下，马达定子的变形比R1跟R2所示变形要更为复杂，除了圆周方向上的变形，还会有圆筒轴向方向上的变形。图8压电陶瓷圆筒的结构暗示图当A、C跟B、D两对激振组被同时鼓励时，压电陶瓷圆筒将会同时鼓励R1跟R2两个驻波谐振振动，当加载在A、C上的交变信号与加载在B、D上的交变信号之间的频率、相位满意一定条件时，这两个驻波振动将耦合形成一个行波振动。其中，当加载在A、C激振组上的交变信号与加载在B、D激振组上的交变信号满意频率相等、幅值相同、相位差满意90°时，如图10所示的电压鼓励方式，R1和R2将叠加耦合，在压电陶瓷圆筒上形成2个波长的驱动行波，囫囵定子也将随之振动，通过螺纹副传动，实现转子的顺时针旋转-直线输出。当加载在A、C激振组上的交变信号与加载在B、D激振组上的交变信号满意频率相等、幅值相同、相位差满意270°时，如图11所示的电压鼓励方式，R1和R2将叠加耦合，在压电陶瓷圆筒上形成2个波长的反向的驱动行波，囫囵定子也将随之振动，通过螺纹副传动，实现转子的逆时针旋转-直线输出。图9压电陶瓷圆筒的电压施加方式1图10压电陶瓷圆筒的电压施加方式2图11压电陶瓷圆筒的电压施加方式3图12压电陶瓷圆筒的形变暗示图四、旋转-直线运动压电马达的性能测试图13为旋转直线运动压电马达的实物图，要举行马达的测试的时候，在定子外面包裹一层柔性电路板（FPC板），柔性电路板的前端有8个焊盘，每个焊盘对应一块电极区域，然后将A1与A2、B1与B2、C1与C2、D1与D2分离连在一起，然后从尾端引出来4个接线端，如图11所示。通过4个接线端施加适当的电压，即可以驱动马达运动。从图11可以更直观的看出我们的马达整体结构是相当容易的。图13旋转-直线运动压电马达的实物图图14是该型压电定子典型的阻抗频率特性，测试在HP4294型阻抗分析仪上举行。图中4条曲线分离对应着A1-A2、B1-B2、C1-C2、D1-D2这4组电极分离单独测得的阻抗频率特性曲线。从图中可以看出，4组阻抗频率特性曲线是异常临近的，得到的谐振频率都在100kHz左右，说明囫囵马达定子的轴对称性很好。在下面马达的测试过程中，我们也挑选100kHz作为工作频率。随后，对马达的驱动情况举行了分析，因为我们需要驱动的部件是镜头，镜头分量很轻（<1g），所以我们并不是很协助马达的驱动力，实验中，我们通过在转子的中空部分放置重物（如金属圆球、金属杆）来预估马达的驱动力，发现附加10g的重物时，马达依然可以流畅运行，说明马达在驱动力方面能满意需求。我们重点测试了马达的运动速度，测试过程中我们采用的仪器是基恩士（KEYENCE）公司的LK-G系列的激光测距仪，测试转子不同时刻的位移，通过位移的微分来求解速度。详细到本项目中，因为转子是中空的结构，测试的过程中，我们固定一个薄圆片在转子的中空结构中，然后用激光束打在圆片的中央，通过激光位移传感器来监控圆片（转子）不同时刻在激光方向上的位移。图15是我们得到的一个典型的位移随时光变化的曲线，电信号的参数为：f=100kHz，V=60Vp-p，运动方向为逆向运动。从图中曲线的细节我们可以看出，位移曲线并不是直线的，而是波浪振荡前进的方式。经分析可知，这种方式其实是合理的，因为本身定子的运动类型是旋转直线型，通过螺纹来实现螺旋前进的，在转子前进的过程中，除了转子本身的直线运动以外，转子本身还会产生一定的晃动，因为转子本身跟定子之间是一个偏松的配合，它们之间有一定的间隙。如图13所示，螺纹副的螺距为0.25mm，转子在550ms的时光里面大约直线运动了1.7mm，相当于历经了7个螺纹的高度，图中正巧就对应了7个波浪状的起伏，验证了我们理论的准确性。位移曲线的斜率代表了不同时刻转子运动的即时速度，但是我们更协助的是马达运动过程中的平均速度，我们用总的位移除以运动时光来得到转子直线运动的平均速度，如本图中对应的平均速度就是3.1mm/s，我们也可以从直线运动的速度推算出转子的转速，其值约为77.7rad/s。图14旋转直线运动压电马达的阻抗特性曲线图15马达转子直线运动位移与时光的关系图16为压电马达两个方向上直线运动速度（平均速度）与所加电压之间的关系。从图中可以看出，马达的启动电压为25Vp-p，此时，正向速度为1.2mm/s，逆向速度为0.8mm/s。随着电压的增强，正向与逆向的速度都增强，但是正向运动的速度一直比逆向运动速度要大一些，当驱动电压增强到100Vp-p时，正向速度达到8.3mm/s，逆向速度达到6.3mm/s。正逆向的速度存在着较大的差别，这与螺纹的加工工艺有关系，在本项目中金属圆筒的内螺纹是采用传统的“攻丝”的主意加工出来的，必然会导致在旋进与旋出两个方向上转子的运行情况存在一定的差异。理论上随着电压的增强，压电马达还将得到更高的驱动特性。但是我们的压电陶瓷圆筒的壁厚为0.3mm，电压过高的话，会导致陶瓷管发热严重，甚至会导致压电陶瓷的退极化，从而影响压电马达的使用寿命，所以我们仅仅测试到100Vp-p的数据，马达的正常工作电压也应保持在100Vp-p以下。图16压电马达直线运动速度与驱动电压的关系五、旋转-直线马达马达在内窥镜上的应用内窥镜是扩散了传统光学、人体工程学、精密机械、现代电子、数学、软件于一体的检测仪器。它具有图像传感器、光学镜头、光源照明、机械装置等，