具有柔性定子支座与可调预紧的多自由度球形转子压电作动器

《Advances in Mechanical Engineering》：A multi-degree-of-freedom spherical rotor piezoelectric actuator with flexible stator supports and adjustable preloading

　　

多自由度球形转子压电作动器需要多个定子与曲面转子保持稳定接触，因此其性能对预紧力不均极为敏感。本文提出一种球形转子压电作动器，由三个对称布置的行波定子、柔性定子基座及可调弹簧预紧机构组成。柔性基座提供局部柔顺性以补偿装配偏差，并改善定子-转子接触适应性。有限元分析与振动测量识别出B(0,9)工作模态，其频率分别约为29.6 kHz和30.0–30.3 kHz。样机试验表明，在峰值驱动电压270 V、名义计算预紧力120 N条件下，最大空载转速为42°/s；在270 V、名义计算预紧力153.7 N条件下，最大堵转转矩为0.64 N·m。在相同运行条件下，摩擦材料高度测量表明，柔性基座定子的周向高度差小于刚性基座定子，这为更均匀的磨损分布提供了量化证据，并为改善的接触均匀性提供了间接证据。同时，测得的三维轨迹初步验证了在所测工作空间内的协调多轴运动。这些结果证明了所提出作动器的可行性及其在紧凑型多自由度运动应用中的潜力。

在精密工程、机器人、航空航天机构与光电指向系统等领域，能够直接产生多自由度运动的紧凑型作动器日益重要。传统多自由度系统通常由多个单自由度作动器串并联组合而成，虽然技术成熟，但结构庞大、装配误差累积、传动链复杂且动态响应受限。集成式球形驱动可借助单一紧凑机构实现绕多轴旋转，是一种有吸引力的解决方案，但如何在紧凑结构中保持多定子与曲面转子之间的一致预紧和稳定接触，仍是关键机械难题。压电驱动基于逆压电效应将电激励转化为机械振动，行波超声电机因响应快、转矩密度大、电磁兼容、定位分辨率高及可自锁等特点，适用于精密运动。定子与转子通过摩擦接触传递输出，预紧力的大小和分布强烈影响振动传递、接触状态、输出转矩、运行速度、效率与寿命。预紧不足会引起界面滑移和过大振动变形，预紧过大则抑制定子振动并增加摩擦损失，预紧不均还会造成局部应力集中、输出不稳定与不均匀磨损。对于球形转子作动器，多个定子须同时与曲面转子保持稳定接触，上述效应尤为突出。已有多种结构方案虽提升了紧凑性、运动分辨率和速度，但机械支撑与预紧传递结构差异较大，稳定的多定子接触仍是重要挑战。当前两个问题尚未充分解决：一是多定子施加的预紧力在球形转子上难以均匀分布，尤其在加工和装配误差下更为突出；二是接触适应性差会削弱自定心能力并增大运动波动。这表明定子机械支撑与预紧路径应协同设计，而非将预紧机构视为独立辅助部件。针对上述问题，研究人员提出了一种集成三个周向布置行波定子、柔性定子基座和可调弹簧预紧机构的球形转子压电作动器，其核心创新在于柔性基座与弹簧预紧机构的协同使用：柔性基座提供局部柔顺性以补偿装配偏差并改善定子-转子接触