一種旋轉(zhuǎn)—直線運(yùn)動(dòng)的兩自由度超聲波電機(jī)的研究.pdf

1、多自由度超聲波電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易裝配、機(jī)械集成度高，而且驅(qū)動(dòng)便捷、分辨率高，能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)動(dòng)的多樣化且不受電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于機(jī)器人關(guān)節(jié)、精密裝配、微小型機(jī)器人、醫(yī)療輔助設(shè)備等機(jī)電裝置中，成為近些年超聲波電機(jī)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)課題。其中，具有旋轉(zhuǎn)和平動(dòng)兩種自由度的超聲波電機(jī)，因其運(yùn)動(dòng)方式是實(shí)際生活中常見的形式，具有較高的研究?jī)r(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。這種電機(jī)通常可以分別實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)和直線運(yùn)動(dòng)，有些電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)螺栓運(yùn)動(dòng)。為此，本文設(shè)計(jì)了一種新型單定子

2、旋轉(zhuǎn)—直線二自由度超聲波電機(jī)，并針對(duì)該電機(jī)進(jìn)行了原理分析、數(shù)學(xué)建模、有限元仿真、性能測(cè)試及結(jié)構(gòu)優(yōu)化等一系列研究，取得的進(jìn)展有:
　　(1)提出了一種基于單定子的旋轉(zhuǎn)—直線二自由度桿式超聲波電機(jī)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)巧妙地利用了傾斜放置的壓電陶瓷片，激發(fā)了定子彈性體兩個(gè)模態(tài)的運(yùn)動(dòng)并將其放大為轉(zhuǎn)子的宏觀運(yùn)動(dòng)。電機(jī)僅需單電源供電，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊的特點(diǎn)，可以適用于微型化應(yīng)用的場(chǎng)合。實(shí)驗(yàn)研制的樣機(jī)最小長(zhǎng)度僅為25mm、直徑僅為2.5mm。
　

3、　(2)提出了一種應(yīng)用于新型二自由度超聲波電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方法。由于電機(jī)結(jié)構(gòu)特殊，一些傳統(tǒng)超聲波電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方法不能適用。本文采用非對(duì)稱方波電壓輸入，利用近諧振點(diǎn)慣性沖擊的方式有效地驅(qū)動(dòng)了轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)，并通過控制輸入方波的頻率、占空比和幅值，分別實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)模式的切換、運(yùn)動(dòng)方向的改變和運(yùn)動(dòng)速度的調(diào)節(jié)。
　　(3)提出了一種基于復(fù)損耗的旋轉(zhuǎn)—直線二自由度超聲波電機(jī)定子建模方法。本文采用等效模型推導(dǎo)了定子模態(tài)振型的解析解，并準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)了電機(jī)的諧

4、振頻率。進(jìn)一步地，本文利用壓電損耗因子和金屬損耗因子，推導(dǎo)了定子端面諧振振幅的近似計(jì)算方法，用于計(jì)算在直線和旋轉(zhuǎn)模式下定子端面的最大位移值和最大旋轉(zhuǎn)角度。通過建立有限元模型做比對(duì)發(fā)現(xiàn)，數(shù)學(xué)模型計(jì)算值與仿真結(jié)果數(shù)據(jù)基本吻合，這驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型的正確性。
　　(4)提出了一種應(yīng)用于新型二自由度超聲波電機(jī)的定子優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。提出以電機(jī)定子結(jié)構(gòu)參數(shù)為變量，以兩自由度電機(jī)定子的輸出性能為優(yōu)化目標(biāo)，借助相對(duì)敏感系數(shù)的概念對(duì)定子進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的方案