循轨摩擦振动执行器的机理与运行特性研究

摘要

旋转摩擦焊接和线性摩擦焊接是特殊的固态连接加工技术，具有能耗低、无污染、生产效率高等优点，但产热量不均匀的不足限制了其进一步应用。循轨摩擦焊接兼顾了旋转摩擦焊接和线性摩擦焊接的优点，又具有产热量均匀的特点，近年来得到迅速发展。循轨摩擦振动执行器(Orbital Friction Vibration Actuator, OFVA)作为循轨摩擦振动焊机的主要执行部件，具有重要的研究价值。但是，循轨摩擦振动执行器的磁路结构较为特殊，其计算和分析具有特殊性，目前对其研究较少。本文以电磁式和永磁式循轨摩擦振动执行器为研究对象，对该执行器的机理、振动特性、电磁力特性和动态运行特性等问题进行了研究。
　　对循轨摩擦振动执行器的机理进行了研究。推导了循轨摩擦振动执行器产生椭圆形和圆形运动所需的电磁力表达式，并在此基础上，进一步推导了空载和负载时循轨摩擦振动执行器的系统振幅放大因子表达式，分析了振幅放大因子随振动频率的变化关系和影响系统振幅的主要因素。分析结果表明，空载时，XY方向上的振幅放大因子表达式是一致的；负载时，振幅放大因子表达式与空载时的表达式具有一定比例关系。
　　对电磁式循轨摩擦振动执行器的运行特性进行了研究。在三维有限元数值计算结果的基础上，建立了由三相对称正弦电流源和电压源驱动的仿真模型。分析了执行器所产生圆形运动轨迹的误差。计算结果表明，当系统振幅相同时，在电压源驱动下执行器所产生圆形运动轨迹的误差小于电流源驱动。对电磁式循轨摩擦振动执行器的运行特性进行了计算和分析。分析结果表明，在相同的振动频率下，随着电流幅值的增大，系统振幅逐渐增大。样机静态电磁力-位移特性和运行特性的实验验证了仿真结果正确性。
　　提出了一种用于焊接金属零件的永磁式循轨摩擦振动执行器(Permanent Manget Orbital Friction Vibration Actuator, PMOFVA)结构。根据执行器的结构特点，将其电磁场模型简化为单相永磁式摩擦振动执行器(Permanent Manget Friction Vibration Actuator, PMFVA)，其在本质上类似于永磁直线振荡执行器(Permanent Magnet Linear Oscillating Actuator, PMLOA)。对比分析了采用五种磁极结构时极弧系数对单相永磁式摩擦振动执行器单元电磁推力的影响。分析结果表明，当磁极结构采用准 Halbach阵列时，执行器单元可产生较大的电磁推力和较小的定子铁心损耗。分析了单相永磁式摩擦振动执行器的结构参数对电磁推力及其波动量的影响规律。最后，采用三维有限元法计算了单相永磁式摩擦振动执行器的静态电磁力-位移特性和电流-电磁推力特性，并进行实验验证。
　　对永磁式循轨摩擦振动执行器的运行特性进行了研究。在三维有限元数值计算结果的基础上，建立了由两相对称正弦电流源和电压源驱动的仿真模型。分析了在电流源和电压源驱动方式下执行器所产生圆形运动轨迹的误差。研究结果表明，在电压源驱动下，执行器所产生圆形运动轨迹的误差明显小于电流源驱动。对永磁式循轨摩擦振动执行器的运行特性进行了计算和分析。分析结果表明，在相同的振动频率下，随着电流幅值的增大，系统振幅呈线性增大。

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第1章 绪 论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 摩擦焊接的种类和发展现状

1.3 循轨摩擦振动执行器的关键问题及研究现状

1.4 本文的主要研究内容

第2章 循轨摩擦振动执行器的机理研究

2.1 引言

2.2 循轨摩擦振动执行器的运行原理

2.3 循轨运动时所需驱动电磁力分析

2.4 循轨摩擦振动执行器的振动特性分析

2.5 恒幅时合成电磁力与振动角频率的关系

2.6 本章小结

第3章 电磁式循轨摩擦振动执行器的运行特性分析

3.1 引言

3.2 电磁式循轨摩擦振动执行器的结构设计

3.3 单相运行时静态电磁力分析

3.4 电磁式循轨摩擦振动执行器的仿真计算模型

3.5 电磁式循轨摩擦振动执行器的运行特性分析

3.6 电磁式循轨摩擦振动执行器的实验研究

3.7 本章小结

第4章 单相永磁式摩擦振动执行器的推力特性研究

4.1 引言

4.2 永磁式循轨摩擦振动执行器的结构与运行原理

4.3 单相永磁式摩擦振动执行器的设计特点

4.4 单相永磁式摩擦振动执行器单元的电磁推力对比分析

4.5 单相永磁式摩擦振动执行器的电磁推力分析

4.6 单相永磁式摩擦振动执行器的静态电磁推力特性测试

4.7 本章小结

第5章 永磁式循轨摩擦振动执行器运行特性的分析

5.1 引言

5.2 永磁式循轨摩擦振动执行器的仿真计算模型

5.3 永磁式循轨摩擦振动执行器的运行特性仿真

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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