超声波电机的装配调试技术

第9卷第6期信息与电子工程Vo1．9，No．62011年12月INFORMATIONANDELECTRONICENGINEERINGDec．，2011文章编号：1672-2892(2011)06-0778-04超声波电机的装配调试技术高跃民，姬海英(中国工程物理研究院电子工程研究所，四川绵阳621900)摘要：超声波电机的装配调试是超声波电机研制的重要环节，主要难点是压电振子粘接、预紧力调试及机电匹配调试。本文自主摸索出一套适合超声波电机快速小批量生产的装配和调试技术。采用摩擦材料、定子弹性体、压电陶瓷、柔性印制电路板的一体化粘接，解决压电振子的粘接难题；采用粗调和微调相结合的方法，快速完成机电匹配调试，缩短生产周期。形成一套规范化的装配调试方法及流程，并应用于超声波电机的小批量生产和研制，研制出的超声波电机微型扁平，体积为14mm×14mm×4mm，输出力矩达到2mN·m，通过功率谱密度(PSD)为0.2g2/Hz的随机振动和–40℃~60℃的高低温试验，并集成应用到系统中实现步进驱动功能。关键词：超声波电机；压电振子；装配；调试中图分类号：TN605；TM354文献标识码：AAssemblyanddebuggingtechnologyforultrasonicmotorGAOYue-min，JIHai-ying(InstituteofElectronicEngineering，ChinaAcademyofEngineeringPhysics，MianyangSichuan621900，China)Abstract：Assemblyanddebuggingofultrasonicmotoraretheimportantlinksofultrasonicmotordevelopment.Thebondingofpiezo-electricvibratorandthematchadjustingofdrive-controlcircuitarethemaindifficulties.Asetofbonding，assemblyandadjustingmethodsforsmallbatchproductionwasexplored.Integrationbondingoffrictionmaterial，piezoelectricceramic，flexiblePrintedCircuitBoard(PCB)achieveshighadhesionandprecisepositioning.Combinationofcoarseandfineadjustingachievesthefastmechanicalandelectricalmatchingsettingtoshortenthecycleofproduct.Thissetofassemblyandsettingmethodswassuccessfullyappliedinbatchproduct.Abatchofultrasonicmotorswasdevelopedwiththevolumeof14mm×14mm×4mm，outputtorque2mN·m，andpassedthe0.2g2/HzPSD(PowerSpectralDensity)randomvibrationandtemperaturetestfrom–40℃to60℃.Thedevelopedultrasonicmotorswereintegratedappliedinsystemtorealizestepdriving.Keywords：ultrasonicmotor；piezo-electricvibrator；assembly；debugging超声波电机利用压电陶瓷的逆压电效应，将电能转变为机械振动，通过定、转子之间的摩擦力，实现对电机转子的推动。超声波电机低速大转矩，无电磁干扰，动作响应快速，运行无噪声，定位精度高，在许多领域有着广泛的应用前景[1-3]。超声波电机通常由压电振子、转子、基座及机盖等零部件组成。压电振子包括压电陶瓷环、金属弹性体、摩擦材料和柔性印制电路板(PCB)。超声波电机的装配调试，是超声波电机研制生产中的重要环节，也是制约超声波电机批量生产和应用的难点之一。超声波电机的装配调试，直接影响到超声波电机的工作性能、长期贮存性和环境适应能力[4-6]。作者所在的课题组，在多年超声波电机研制过程中，摸索研究出一套简洁有效的超声波电机的装配调试工艺和技术，掌握了压电振子的一体化粘接技术，超声波电机本体和驱动控制电路的机电匹配调试技术，装配质量评估及筛选技术，并应用到小批量生产过程中。本文介绍的超声波电机装配调试流程是先将压电陶瓷环、摩擦材料、柔性PCB与金属弹性体粘接为压电振子，通过阻抗分析仪测试出压电振子的阻抗匹配参数，并进行质量评估及筛选，然后装配基座、转子及机盖等零部件形成超声波电机本体，根据自锁力矩、转矩和转速等指标要求，调节预紧力并固化，最后将超声波电机本体与驱动控制电路相联，进行机电匹配调试。超声波电机的装配调试流程见图1。在超声波电机的装配调试流程中，收稿日期：2011-09-27；修回日期：2011-10-27第6期高跃民等：超声波电机的装配调试技术779压电振子的装配与粘接、预紧力调试、机电匹配调试是难点和重点。1压电振子的装配与粘接压电振子包括压电陶瓷环、金属弹性体、摩擦材料和柔性电路板等零部件，压电振子的装配需要保证各个零部件的精确对位和电学参数，是超声波电机装配的基础环节和难点。压电陶瓷环是超声波电动机将电能转换为机械能的关键换能材料，其质量的好坏直接影响电动机的性能[7]，装配前要先对压电陶瓷环进行筛选，压电陶瓷环内外圆要光滑、均匀、无裂纹，并与金属弹性体的尺寸匹配，外圆尺寸稍小于金属弹性体外径，内圆尺寸稍大于金属弹性体内径，压电陶瓷环上各极化分区的压电常数d33差值在±10%。压电陶瓷环厚度均匀，镀银层无气泡和无脱银现象。粘接前，先将压电陶瓷片与金属弹性体在粘接夹具上进行预装、编号并测试，如果左右两极的电容测量值相差大于0.04nF，则更换压电片直到两极电容值小于0.02nF。将PCB、压电陶瓷环、金属弹性体和摩擦材料环等零件，放入烘箱内80℃加热30min后，用精密天平称取F-2315单组份环氧胶，在夹具上逐层放上零部件，涂胶、装配、预装成为压电振子，用力矩扳手对预装好的压电振子加压至3N·m的扭矩压力。使用电容表复检预装好的压电振子两极电容，如果电容值相差小于0.02nF，则说明预装成功，如果电容值相差过大，可松开夹具重新调整，调整至合适后放入烘箱内加热固化3h，随炉冷却至室温，取出后脱模。压电振子的粘接要避免边缘脱胶和气泡，这种现象会导致定子表面质点的振动幅值大大下降，并产生较大的集中应力，影响输出性能和使用寿命。因此，涂胶时采用甩胶机涂匀涂胶，预装好压电振子后外加合适的压力，使得胶层均匀变薄，不擦除微量溢出的胶液，以免导致胶层缺失。1.1粘接剂的选择原则选用抗剪切强度和抗剥离强度高、流动性好的胶粘剂，设计合理的胶粘工艺，控制胶层厚度，保证压电陶瓷环与金属弹性体之间的胶粘效果[8]。通常多采用高温固化的环氧树脂胶，对比了不同的胶粘剂通过冷热交变的抗老化、抗疲劳试验，以及抗振动等大量的实验，表1是不同粘接剂的测试数据。经过对比研究，选用上海海鹰粘接技术研究所生产的F-2315单组份环氧胶，采用外加压力压薄胶层20mm，并加温固化，提高定子的振动幅值，改善电动机的输出性能。1.2摩擦材料的粘接超声波电机的摩擦材料，需具有耐磨、耐高温、摩擦系数适中、热稳性好等特点，一般采用改性的高分子材料，制作在定子或转子表面上，其性能直接影响超声波电机的机械性能和使用寿命。采用性能优良的PEEK聚醚醚酮作为摩擦材料，这种高分子材料属于难粘接材料，与金属弹性体的粘接质量不容易保证。采用了表面预处理方法来提高粘接效果。表面处理方法可以改善摩擦处理粘接面的表面极性，降低接触角，提高粘接面的表面粗糙度，保证摩擦材料与金属弹性体的粘接效果。常用的表面处理方法有化学法、熔融法、辐射法、气体热氧化法、低温等离子法和激光处理等。本课题组经过摸索实验，采用低温氧气等离子法对摩擦材料粘接面进行表面处理，低气压放电产生的电离氧气，在电场作用下，气体中的自由电子从电场获得能量成为高能电子、反应型的氧等离子体，与聚醚醚酮高分子表面发生化学反应而引入大量的氧基团，使其表面分子链上产生极性，表面张力明显提高，同时通过表面的交联和蚀刻作用，使得摩擦材料发生表面物理变化，明显地改善聚合物表面的接触角和表面能，这种表面处理法的优点是处理时间短，速度快，操作简单，控制容易，实用环保。vibratorparametertestingandevaluationintegratedbondingstatorelastomerpiezoelectricceramicfrictionPCBrotorpretighteningforceadjustingultrasonicmotormainpartdriveandcontrolcircuitimpedancematchultrasonicmotorFig.1Assemblyanddebuggingofultrasonicmotor图1超声波电机的装配调试流程图表1不同胶粘剂拉伸剪切强度测试值Table1Testvaluesofsheartensilestrengthofdifferentadhesives(/MPa)F-2315DG-3SEP-100LeTai32614.91514.9077.54312.539780信息与电子工程第9卷1.3压电振子的评估筛选压电振子加温加压固化后，随炉冷却到常温，需要进行初步评估和筛选。用电容表分别测量左右两极与基体之间的电容值，如果电容值相差在0.02nF以内，说明基本合格，然后采用阻抗分析仪，测量压电振子的导纳圆等阻抗特性，好的压电振子，导纳圆直径大且形状为单一的圆，如果测出的导纳圆内出现寄生圆，则说明元器件或装配粘接质量不合格，应予以剔除，见图2。在压电振子这个关键装配环节设置质量评估和筛选环节，可以有效提高整机的成品率。在评估和筛选压电振子装配质量的同时，记录下相应编号的压电振子阻抗匹配参数，包括谐振频率、反谐振频率、最大导纳、静电容、动态电容、动态电感、自由介电常数、机械品质因素和机电耦合系数等，为后续的超声波电机本体与驱动控制电路的机电匹配调试提供谐振频率和匹配电感的参考数据。2超声波电机的预紧力调试将测试筛选出的压电振子装配到超声波电机的基座上，再安装转子和顶盖等零部件，便形成了超声波电机的本体。根据自锁力矩、转矩和转速等指标要求，调整预紧螺钉，改变定子和转子间的接触压力，用精密线张力计测试堵转力矩数据直到调节出适当的预紧力。为了保证批生产的一致性，采用精密力矩螺丝刀来统一定量调整预紧力。用力矩螺丝刀1N·m来拧紧预紧螺钉，转子的堵转力矩为40mN·m左右。调试时将转子转动一周考察堵转力矩的均匀性，如不均匀可以分别选配预紧螺钉和弹性环节，调至转动均匀后进行温度时效，使弹性元件尽快稳定，然后复测转子力矩，当所有参数调试完毕并稳定后，用激光将预紧螺钉点焊固定，防止在振动环境试验中螺钉松动，确保状态稳定。3超声波电机的机电匹配调试超声波电机的压电振子是容性负载，装配调试时要考虑超声波电机本体与驱动控制电路的阻抗匹配的问题，无阻抗匹配或匹配不当，会严重影响其驱动效率[9-10]。压电振子的阻抗在谐振状态下最小，在一定的频率段，超声波电机才能得到最佳的阻抗匹配而输出最大的功率。装配调试时，需要把超声波电机本体和驱动控制电路进行谐振参数匹配。串联电感匹配能有效地剔除方波中的谐波成分，充分抑制波形的干扰，同时又能保证适中的机电耦合系数，同时考虑系统提供的电源为恒压源，因此经过综合考虑选用电感串联匹配。根据前面测出的压电振子阻抗匹配参数，匹配相适应的电感后，按照测试出的谐振频率初调电路参数，再根据电机运转的情