A multi-degree-of-freedom spherical rotor piezoelectric actuator with flexible stator supports and adjustable preloading

定子 执行机构 转子(电动) 振动 有限元法 材料科学 控制理论(社会学) 预加载 扭矩 声学 电压 压电 弹簧(装置) 机械 结构工程 工程类 推力 弹道 机械工程
作者
Jintao Wu,Chuanhu Niu,Qichong Ma,Jiyang Zhang,Song Pan
出处
期刊:Advances in Mechanical Engineering [SAGE Publishing]
卷期号:18 (9)
标识
DOI:10.1177/16878132261486745
摘要

Multi-degree-of-freedom spherical rotor piezoelectric actuators require multiple stators to maintain stable contact with a curved rotor, making their performance sensitive to nonuniform preload. This paper proposes a spherical rotor piezoelectric actuator comprising three symmetrically arranged traveling-wave stators, flexible stator bases, and adjustable spring preloading mechanisms. The flexible bases provide local compliance to accommodate assembly deviations and improve stator-rotor contact adaptability. Finite element analysis and vibration measurements identified the B(0,9) operating mode at approximately 29.6 and 30.0–30.3 kHz, respectively. Prototype tests demonstrated a maximum no-load speed of 42°/s at a peak driving voltage of 270 V and a nominal calculated preload of 120 N, and a maximum stall torque of 0.64 N·m at 270 V and a nominal calculated preload of 153.7 N. Under identical operating conditions, friction-material height measurements showed that the flexible-base stator exhibited a smaller circumferential height difference than the rigid-base stator, providing quantitative evidence of a more uniform wear distribution and indirect evidence of improved contact uniformity. Meanwhile, the measured three-dimensional trajectory preliminarily verified coordinated multi-axis motion within the tested workspace. These results demonstrate the feasibility of the proposed actuator and its potential for compact multi-degree-of-freedom motion applications.
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