مهندسی ساخت و تولید ایران

مهندسی ساخت و تولید ایران

موقعیت‌دهی با یک موتور التراسونیک موج روان از طریق کنترل دامنه‌ی پالس ورودی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشجوی کارشناسی ارشد، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران
2 استاد، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران
3 دانشجوی دکتری، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران
چکیده
هدف این مقاله موقعیت‌دهی یک موتور التراسونیک موج روان با اعمال ورودی‌های پالسی کنترل شده است. به این منظور یک موتور آلتراسونیک ساخته شده که استاتور آن یک سیم مستقیم است .در موتورهای التراسونیک با موج روان حرکت توسط موج روان ایجاد می‌شود. برخلاف موتورهای التراسونیک کرمی‌شکل که به سادگی موقعیت‌دهی می‌شوند، موقعیت‌دهی با موتورهای موج روان مشکل بوده و در این زمینه پژوهشی نیز گزارش نشده است. در این مقاله به کمک یک پیزوالکتریک چند لایه، موج روان داخل استاتور خطی ایجاد شده سپس با پیدا کردن فرکانس مطلوب موج روان در استاتور ایجاد شده و باعث حرکت اسلایدر روی استاتور می‌شود. هدف این پژوهش به دست آوردن کوچکترین گام حرکت و موقعیت‌دهی با استفاده از موتور التراسونیک ساخته شده است. به این منظور با اعمال ولتاژهای پالسی موتور به حرکت درآمده و با کنترل دامنه، موقعیت‌دهی انجام می‌شود. در ادامه به منظور بررسی مود‌های ارتعاشی استاتور طراحی شده و استخراج مودهای قابل استفاده برای راه‌اندازی موتور، فرکانس‌های طبیعی مجموع استک پیزوالکتریک و مفتول فولاد زنگ‌نزن با استفاده از روش اجزای محدود مورد تحلیل قرار گرفت و مطابقت فرکانس‌های طبیعی بدست آمده در آنالیز مودال و پاسخ فرکانسی نیز مشاهده گردید. در نهایت کوچکترین پالسی که باعث حرکت اسلایدر می‌شود به دست آمده و حداقل گام جابه‌جایی قابل دسترس تعیین می‌گردد. تاکنون کوچک‌ترین گام جا‌به‌جایی برابر با 2/0 میلی­متر به دست آمده و در ادامۀ پژوهش امکان دستیابی به گام‌های کوچکتر بررسی خواهد شد.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Positioning by traveling wave ultrasonic motor via input pulse amplitude

نویسندگان English

Seyedeh Tina Alagha 1
Yousef Hojjat 2
Behzad Ghavami Namin 3
1 MSc Student, Department of Mechanical Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
2 Professor, Department of Mechanical Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
3 PhD Student, Department of Mechanical Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
چکیده English

The purpose of this article is to position a travelling wave ultrasonic motor by applying controlled pulse inputs. An ultrasonic motor with a straight wire stator has been constructed for this purpose. In travelling wave ultrasonic motors, movement is generated by travelling waves, unlike worm-shaped ultrasonic motors that are easily positioned. Positioning with travelling wave motors is challenging, and no research has been reported in this field. In this study, a travelling wave is created inside the linear stator using a multi-layer piezoelectric. By identifying the desired frequency, the travelling wave is generated in the stator, causing the slider to move along it. The research aims to achieve the smallest movement step and precise positioning using the ultrasonic motor. The motor is moved by applying pulse voltages, and positioning is controlled by managing the range. To examine the vibration modes of the designed stator and extract usable modes for motor initiation, the natural frequencies of the piezoelectric stack and steel wire were analyzed using the finite element method. Correspondence between the natural frequencies obtained in the modal analysis and frequency response was observed. Finally, the smallest pulse causing slider movement was identified, and the minimum achievable displacement step was determined. The smallest displacement step achieved so far is 0.2 mm. Further research will investigate the possibility of achieving smaller steps.

کلیدواژه‌ها English

Ultrasonic Motor
Traveling Wave
Piezoelectric Stack
Positioning
 [1] Hojjat Y, Ansari S, Karafi MR. Present a procedure and fabrication of linear phased array ultrasonic for focusing waves in low frequency. Iranian Journal of Manufacturing Engineering. 2016;2(4):47-56. doi: 10.13140/RG.2.1.3943.8965 [In Persian]
 [2] Hojjat Y, Shirkosh M. Application of threadless screw to precise linear positioning. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing. 2021 Feb;22:355-64. doi: 10.1007/s12541-020-00407-8
 [3] Hojjat Y, Karafi MR, Tehrani MD. A novel ultrasonic motor with roller interface (RUSM). In2009 IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics 2009 Jul 14 (pp. 1406-1411). IEEE. doi: 10.1109/AIM.2009.5229886 [In Persian]
 [4] Shi M, Liu X, Feng K, Zhang K. Experimental and numerical investigation of a self-adapting non-contact ultrasonic motor. Tribology International. 2021 Jan 1;153:106624. doi: 10.1016/j.triboint.2020.106624
 [5] Mu S, Shibata S, Yamamoto T, Nakashima S, Tanaka K. Intelligent Control of Ultrasonic Motor Using PID Control Combined with Artificial Bee Colony Type Neural Networks. In3rd EAI International Conference on Robotic Sensor Networks: ROSENET 2019 2021 (pp. 71-80). Springer International Publishing. doi: 10.1007/978-3-030-46032-7_7
 [6] Zhou N, Li J, Chen P, Qing T, Cui Y. A flexible shaft based travelling wave ultrasonic motor with high-precision positioning characteristics. Precision Engineering. 2021 Sep 1;71:200-8. doi: 10.1016/j.precisioneng.2021.03.011
 [7] Zeng W, Pan S, Chen L, Ren W, Huan Y, Liang Y. Research on Fast and Precise Positioning Strategy of an Ultrasonic Motor Based on the Ultrasonic Friction Reduction Theory. Micromachines. 2022 Sep 17;13(9):1542. doi: 10.3390/mi13091542
 [8] Yang L, Huan Y, Ren W, Ma C, Tang S, Hu X. Position control method for ultrasonic motors based on beat traveling wave theory. Ultrasonics. 2022 Sep 1;125:106793. doi: 10.1016/j.ultras.2022.106793
 [9] Luna L, López K, Garrido R, Mondié S, Cantera L. A Delay-based Nonlinear Controller for Nanopositioning of Linear Ultrasonic Motors. International Journal of Control, Automation and Systems. 2024 Jan;22(1):36-47. doi: 10.1007/s12555-021-0951-x
 [10] Jahantab SH, Hojjat Y, Ghavami Namin B, Shirkosh M. A novel spherical ultrasonic motor with wire stators and measuring torque and preload via a new method. Scientific Reports. 2023 Jul 24;13(1):11910. doi: 10.1038/s41598-023-39111-8 [In Persian]