CN114166384B - 一种行波超声电机定-动子间动态接触力测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种行波超声电机定‑动子间动态接触力测量系统及方法，测量系统包括行波超声电机、预压力标定装置和接触电阻测量模块。测量前，用电压为V ₁的直流电信号DC‑1激励行波超声电机定子使其产生静变形，并利用预压力标定装置和接触电阻测量模块绘制多组电压V ₁下定子和动子组成的接触电阻随预压力的关系曲线；测量时，用电压为V ₂的交流电信号AC‑2激励行波超声电机定子驱动动子运动，并用接触电阻测量模块测出运动时定、动子间的接触电阻；根据V ₁=V ₂时接触电阻与静态接触力间的关系曲线确定动子和定子之间的动态接触力。

Description

一种行波超声电机定-动子间动态接触力测量系统及方法

技术领域

本发明涉及压电驱动和测量信号处理领域，尤其涉及一种行波超声电机定-动子间动态接触力测量系统及方法。

背景技术

根据工作振动模态的种类，行波超声电机可以划分为圆环面内和面外行波、圆筒行波、杆式行波等超声电机。不论何种行波超声电机，它们均包括定子、动子和弹簧。借助弹簧，实现定子、动子间静态预压力的施加。利用摩擦，定子驱动动子转动或直线运动。

超声电机未工作时，定、动子间静态预压力可以通过弹簧的刚度和压缩量计算出来。但是，超声电机工作时，定子会产生高频(kHz级甚至MHz级)、微幅(微米级)振动。激光位移传感器存在着测量区域范围小、测量精度和采样频率低以及被测物体摆放位置受限的缺陷，难以实现对弹簧压缩量的动态精确监测。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种行波超声电机定-动子间动态接触力测量系统及方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种行波超声电机定-动子间动态接触力测量系统，包括行波超声电机、预压力标定装置和接触电阻测量模块；

所述行波超声电机包括定子和动子，其中，所述定子包括基体和压电陶瓷片，所述动子位于基体上方且和所述基体相抵，所述环形压电陶瓷片用于激发基体的面外振动模态进而驱动动子转动；

所述预压力标定装置包括工作台、直线压力机、压力传感器和固定板，其中，所述工作台水平放置；所述直线压力机设置在所述工作台上，其输出轴竖直朝上并通过所述压力传感器和所述定子的下端相连，使得所述定子水平设置；所述固定板水平设置在所述工作台正上方，用于配合直线压力机抵住动子的上端使得动子、基体之间形成静态压力；所述压力传感器用于测量动子、基体之间的静态压力；

所述接触电阻测量模块包含直流恒压电源、定值电阻R₁和示波器，其中，所述直流恒压源的正极依次和定值电阻R₁、动子相连，直流恒压源的负极和基体相连，由于动子和基体接触，直流恒压源、定值电阻R₁、动子、基体首尾相连形成环路；令动子和基体接触时形成接触电阻R₂，动子和基体均和大地无导体连接；

所述示波器用于实时测量定值电阻R₁的电压以及接触电阻R₂的电压。

本发明还公开了一种该行波超声电机定-动子间动态接触力测量系统的测量方法，包含如下步骤：

步骤A)，进行静态接触力标定：

步骤A1)，将压力传感器示数清零，并使得固定板和动子之间存在间隙；令驱动电压的电压幅值V₁等于预设的最小驱动电压阈值，预设的电压步长阈值为ΔV；

步骤A2)，采用电压幅值为V₁的直流电信号DC-1驱动压电陶瓷片激励基体产生具有0个节圆、n个节径的面外变形；

步骤A3)，调节直流恒压源的电压为V₀；

步骤A4)，记此时的接触电阻为R₂(F₀,V₁)，其中F₀为此时压力传感器的示数；用示波器读出此时定值电阻R₁、接触电阻R₂两端的静态电压信号，分别记为U₁(F₀,V₁)和U₂(F₀,V₁)；此时，接触电阻

步骤A5)，驱动直线压力机伸长，使所述动子上端与固定板接触，且动子与固定板无导体连接；

步骤A6)，驱动直线压力机继续伸长，使得定子、动子间静态接触压力F由F₀逐渐增大至预设的最大压力阈值F_max，利用公式

F→F_max计算加载条件下不同静态接触压力对应的接触电阻阻值，绘制出驱动电压为V₁时加载条件下接触电阻阻值随静态接触压力变化的关系曲线；

步骤A7)，驱动直线压力机收缩，使得定子、动子间静态接触压力F由F_max逐渐减小至F₀，即使得直线压力机逐渐卸载，并利用公式

F→F₀计算卸载条件下不同静态接触压力对应的接触电阻阻值，绘制出驱动电压为V₁时卸载条件下接触电阻阻值随静态接触压力变化的关系曲线；

步骤A8)，判断V₁是否大于等于预设的最大驱动电压阈值，如果V₁小于预设的最大驱动电压阈值，则令V₁＝V₁+ΔV，跳转执行步骤A2)；

步骤B)，如果需要对用电压幅值为V₂的交流电信号AC-2驱动的待测量行波超声电机进行定-动子间的动态接触力的测量：

步骤B1)，将待测量行波超声电机的动子通过定值电阻R₁和直流恒压源的正极相连，待测量行波超声电机定子的基体和直流恒压源的负极相连，形成环路；并采用示波器实时测量定值电阻R₁的电压以及接触电阻的电压；

步骤B2)，用电压幅值为V₂的交流电信号AC-2激励待测量超声电机的定子产生具有0个节圆、n个节径的面外行波振动模态；借助摩擦，待测量超声电机的定子驱动其动子转动；

步骤B3)，实时测量此时定值电阻R₁、接触电阻

两端的动态电压

利用公式

计算不同时刻接触电阻的阻值，并绘制接触电阻

随时间的变化曲线；

步骤B4)，根据接触电阻

的变化率，判断待测量行波超声电机进行定-动子间动态接触力载荷处于加载条件下还是卸载条件下：当

时，接触电阻

将会增大，动态接触力处于卸载条件下；当

时，接触电阻

将会减小，动态接触力处于加载条件下；

步骤B5)，如果动态接触力载荷处于加载条件下，查找到驱动电压最接近V₂的V₁，并在该V₁时加载条件下接触电阻阻值随静态接触压力变化的关系曲线中查找到接触电阻R₂等于接触电阻

时对应静态接触力F，将该静态接触力F作为此时待测量行波超声电机进行定-动子间的动态接触力；

如果动态接触力载荷处于卸载条件下，查找到驱动电压最接近V₂的V₁，并在该V₁时卸载条件下接触电阻阻值随静态接触压力变化的关系曲线中查找到接触电阻R₂等于接触电阻

时对应静态接触力F，将该静态接触力F作为此时待测量行波超声电机进行定-动子间的动态接触力。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.利用电学方法测量定、动子形成的接触电阻来表征两者间的动态接触状况，能够实现对超高接触频率物体间动态接触力的测量；

2.由于行波超声电机工作前后定、动子间接触区域并不一致，用工作前接触区域近似代替工作后接触区域会带来很大误差。在标定接触电阻阶段，行波超声电机需要受到直流信号激励产生与工作振动模态幅值和形状相同的静变形。用变形的接触电阻与工作时的接触电阻对应，能够减少动态接触力的测量误差。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中预压力标定装置的结构示意图；

图3是本发明中接触电阻测量模块的线路连接示意图；

图4是超声电机驱动动子运动的线路连接示意图；

图5是静态接触力标定方法的状态变化示意图。

图中，1-固定板，2-压力传感器，3-压力机，4-工作台，5-动子，6-基体，7-压电陶瓷片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

应当理解，尽管这里可以使用术语第一、第二、第三等描述各个元件、组件和/或部分，但这些元件、组件和/或部分不受这些术语限制。这些术语仅仅用于将元件、组件和/或部分相互区分开来。因此，下面讨论的第一元件、组件和/或部分在不背离本发明教学的前提下可以成为第二元件、组件或部分。

如图1所示，本发明公开了一种行波超声电机定-动子间动态接触力测量系统，包括行波超声电机、预压力标定装置和接触电阻测量模块；

所述行波超声电机包括定子和动子，其中，所述定子包括基体和压电陶瓷片，所述动子位于基体上方且和所述基体相抵，所述环形压电陶瓷片用于激发基体的面外振动模态进而驱动动子转动；

如图2所示，所述预压力标定装置包括工作台、直线压力机、压力传感器和固定板，其中，所述工作台水平放置；所述直线压力机设置在所述工作台上，其输出轴竖直朝上并通过所述压力传感器和所述定子的下端相连，使得所述定子水平设置；所述固定板水平设置在所述工作台正上方，用于配合直线压力机抵住动子的上端使得动子、基体之间形成静态压力；所述压力传感器用于测量动子、基体之间的静态压力；

如图3所示，所述接触电阻测量模块包含直流恒压电源、定值电阻R₁和示波器，其中，所述直流恒压源的正极依次和定值电阻R₁、动子相连，直流恒压源的负极和基体相连，由于动子和基体接触，直流恒压源、定值电阻R₁、动子、基体首尾相连形成环路；令动子和基体接触时形成接触电阻R₂，动子和基体均和大地无导体连接；

所述示波器用于实时测量定值电阻R₁的电压以及接触电阻R₂的电压。

本发明还公开了一种该行波超声电机定-动子间动态接触力测量系统的测量方法，包含如下步骤：

步骤A)，进行静态接触力标定：

步骤A1)，将压力传感器示数清零，并使得固定板和动子之间存在间隙；令驱动电压的电压幅值V₁等于预设的最小驱动电压阈值，预设的电压步长阈值为ΔV；

步骤A2)，采用电压幅值为V₁的直流电信号DC-1驱动压电陶瓷片激励基体产生具有0个节圆、n个节径的面外变形；

步骤A3)，调节直流恒压源的电压为V₀；

步骤A4)，记此时的接触电阻为R₂(F₀,V₁)，其中F₀为此时压力传感器的示数；用示波器读出此时定值电阻R₁、接触电阻R₂两端的静态电压信号，分别记为U₁(F₀,V₁)和U₂(F₀,V₁)；此时，接触电阻

步骤A5)，驱动直线压力机伸长，使所述动子上端与固定板接触，且动子与固定板无导体连接；

步骤A6)，驱动直线压力机继续伸长，使得定子、动子间静态接触压力F由F₀逐渐增大至预设的最大压力阈值F_max，利用公式

F→F_max计算加载条件下不同静态接触压力对应的接触电阻阻值，绘制出驱动电压为V₁时加载条件下接触电阻阻值随静态接触压力变化的关系曲线；

步骤A7)，驱动直线压力机收缩，使得定子、动子间静态接触压力F由F_max逐渐减小至F₀，即使得直线压力机逐渐卸载，并利用公式

F→F₀计算卸载条件下不同静态接触压力对应的接触电阻阻值，绘制出驱动电压为V₁时卸载条件下接触电阻阻值随静态接触压力变化的关系曲线；步骤A1)至步骤A7)的过程如图5所示；

步骤A8)，判断V₁是否大于等于预设的最大驱动电压阈值，如果V₁小于预设的最大驱动电压阈值，则令V₁＝V₁+ΔV，跳转执行步骤A2)；

步骤B)，如果需要对用电压幅值为V₂的交流电信号AC-2驱动的待测量行波超声电机进行定-动子间的动态接触力的测量：

步骤B1)，将待测量行波超声电机的动子通过定值电阻R₁和直流恒压源的正极相连，待测量行波超声电机定子的基体和直流恒压源的负极相连，形成环路；并采用示波器实时测量定值电阻R₁的电压以及接触电阻的电压；

步骤B2)，如图4所示，用电压幅值为V₂的交流电信号AC-2激励待测量超声电机的定子产生具有0个节圆、n个节径的面外行波振动模态；借助摩擦，待测量超声电机的定子驱动其动子转动；

步骤B3)，实时测量此时定值电阻R₁、接触电阻

两端的动态电压

利用公式

计算不同时刻接触电阻的阻值，并绘制接触电阻

随时间的变化曲线；

步骤B4)，根据接触电阻

的变化率，判断待测量行波超声电机进行定-动子间动态接触力载荷处于加载条件下还是卸载条件下：当

时，接触电阻

将会增大，动态接触力处于卸载条件下；当

时，接触电阻

将会减小，动态接触力处于加载条件下；

步骤B5)，如果动态接触力载荷处于加载条件下，查找到驱动电压最接近V₂的V₁，并在该V₁时加载条件下接触电阻阻值随静态接触压力变化的关系曲线中查找到接触电阻R₂等于接触电阻

时对应静态接触力F，将该静态接触力F作为此时待测量行波超声电机进行定-动子间的动态接触力；

如果动态接触力载荷处于卸载条件下，查找到驱动电压最接近V₂的V₁，并在该V₁时卸载条件下接触电阻阻值随静态接触压力变化的关系曲线中查找到接触电阻R₂等于接触电阻

时对应静态接触力F，将该静态接触力F作为此时待测量行波超声电机进行定-动子间的动态接触力。

本发明标定不同载荷下接触电阻，测量接触电阻，反推出动态接触力。由于行波超声电机工作前后定、动子间接触区域并不一致，用工作前接触区域近似代替工作后接触区域会带来很大误差。在标定接触电阻阶段，行波超声电机需要受到直流信号激励产生与工作振动模态幅值和形状相同的静变形。用变形的定子与动子间的接触电阻与接触电阻对应，能够减少动态接触力测量误差。

对于其他类型的行波超声电机如利用圆环面内行波工作的超声电机、杠式行波超声电机，本方法仍适用。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种行波超声电机定-动子间动态接触力测量系统，其特征在于，包括行波超声电机、预压力标定装置和接触电阻测量模块；

所述行波超声电机包括定子和动子，其中，所述定子包括基体和压电陶瓷片，所述动子位于基体上方且和所述基体相抵，所述压电陶瓷片用于激发基体的面外振动模态进而驱动动子转动；

所述预压力标定装置包括工作台、直线压力机、压力传感器和固定板，其中，所述工作台水平放置；所述直线压力机设置在所述工作台上，其输出轴竖直朝上并通过所述压力传感器和所述定子的下端相连，使得所述定子水平设置；所述固定板水平设置在所述工作台正上方，用于配合直线压力机抵住动子的上端使得动子、基体之间形成静态压力；所述压力传感器用于测量动子、基体之间的静态压力；

所述接触电阻测量模块包含直流恒压电源、定值电阻R₁和示波器，其中，所述直流恒压源的正极依次和定值电阻R₁、动子相连，直流恒压源的负极和基体相连，由于动子和基体接触，直流恒压源、定值电阻R₁、动子、基体首尾相连形成环路；令动子和基体接触时形成接触电阻R₂，动子和基体均和大地无导体连接；

所述示波器用于实时测量定值电阻R₁的电压以及接触电阻R₂的电压。

2.根据权利要求1所述的行波超声电机定-动子间动态接触力测量系统的测量方法，其特征在于，包含如下步骤：

步骤A)，进行静态接触力标定：

步骤A1)，将压力传感器示数清零，并使得固定板和动子之间存在间隙；令驱动电压的电压幅值V₁等于预设的最小驱动电压阈值，预设的电压步长阈值为ΔV；

步骤A2)，采用电压幅值为V₁的直流电信号DC-1驱动压电陶瓷片激励基体产生具有0个节圆、n个节径的面外变形；

步骤A3)，调节直流恒压源的电压为V₀；

步骤A4)，记此时的接触电阻为R₂(F₀,V₁)，其中F₀为此时压力传感器的示数；用示波器读出此时定值电阻R₁、接触电阻R₂两端的静态电压信号，分别记为U₁(F₀,V₁)和U₂(F₀,V₁)；此时，接触电阻

步骤A5)，驱动直线压力机伸长，使所述动子上端与固定板接触，且动子与固定板无导体连接；

步骤A6)，驱动直线压力机继续伸长，使得定子、动子间静态接触压力F由F₀逐渐增大至预设的最大压力阈值F_max，利用公式

F→F_max计算加载条件下不同静态接触压力对应的接触电阻阻值，绘制出驱动电压为V₁时加载条件下接触电阻阻值随静态接触压力变化的关系曲线；

步骤A7)，驱动直线压力机收缩，使得定子、动子间静态接触压力F由F_max逐渐减小至F₀，即使得直线压力机逐渐卸载，并利用公式

F→F₀计算卸载条件下不同静态接触压力对应的接触电阻阻值，绘制出驱动电压为V₁时卸载条件下接触电阻阻值随静态接触压力变化的关系曲线；

步骤A8)，判断V₁是否大于等于预设的最大驱动电压阈值，如果V₁小于预设的最大驱动电压阈值，则令V₁＝V₁+ΔV，跳转执行步骤A2)；

步骤B)，如果需要对用电压幅值为V₂的交流电信号AC-2驱动的待测量行波超声电机进行定-动子间的动态接触力的测量：

步骤B1)，将待测量行波超声电机的动子通过定值电阻R₁和直流恒压源的正极相连，待测量行波超声电机定子的基体和直流恒压源的负极相连，形成环路；并采用示波器实时测量定值电阻R₁的电压以及接触电阻的电压；

步骤B2)，用电压幅值为V₂的交流电信号AC-2激励待测量超声电机的定子产生具有0个节圆、n个节径的面外行波振动模态；借助摩擦，待测量超声电机的定子驱动其动子转动；

步骤B3)，实时测量此时定值电阻R₁、接触电阻

两端的动态电压

利用公式

计算不同时刻接触电阻的阻值，并绘制接触电阻

随时间的变化曲线；

步骤B4)，根据接触电阻

的变化率，判断待测量行波超声电机定-动子间动态接触力载荷处于加载条件下还是卸载条件下：当

时，接触电阻

将会增大，动态接触力处于卸载条件下；当

时，接触电阻

将会减小，动态接触力处于加载条件下；

步骤B5)，如果动态接触力载荷处于加载条件下，查找到驱动电压最接近V₂的V₁，并在该V₁时加载条件下接触电阻阻值随静态接触压力变化的关系曲线中查找到接触电阻R₂等于接触电阻

时对应静态接触力F，将该静态接触力F作为此时待测量行波超声电机定-动子间的动态接触力；

如果动态接触力载荷处于卸载条件下，查找到驱动电压最接近V₂的V₁，并在该V₁时卸载条件下接触电阻阻值随静态接触压力变化的关系曲线中查找到接触电阻R₂等于接触电阻

时对应静态接触力F，将该静态接触力F作为此时待测量行波超声电机定-动子间的动态接触力。

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