一種旋轉—直線運動的兩自由度超聲波電機的研究.pdf

1、多自由度超聲波電機具有結構簡單易裝配、機械集成度高，而且驅動便捷、分辨率高，能夠實現運動的多樣化且不受電磁干擾等優(yōu)點，可應用于機器人關節(jié)、精密裝配、微小型機器人、醫(yī)療輔助設備等機電裝置中，成為近些年超聲波電機研究領域的熱點課題。其中，具有旋轉和平動兩種自由度的超聲波電機，因其運動方式是實際生活中常見的形式，具有較高的研究價值和廣泛的應用前景。這種電機通?？梢苑謩e實現旋轉和直線運動，有些電機可以實現螺栓運動。為此，本文設計了一種新型單定子

2、旋轉—直線二自由度超聲波電機，并針對該電機進行了原理分析、數學建模、有限元仿真、性能測試及結構優(yōu)化等一系列研究，取得的進展有:
　　(1)提出了一種基于單定子的旋轉—直線二自由度桿式超聲波電機結構。該結構巧妙地利用了傾斜放置的壓電陶瓷片，激發(fā)了定子彈性體兩個模態(tài)的運動并將其放大為轉子的宏觀運動。電機僅需單電源供電，具有結構簡單緊湊的特點，可以適用于微型化應用的場合。實驗研制的樣機最小長度僅為25mm、直徑僅為2.5mm。
　

3、　(2)提出了一種應用于新型二自由度超聲波電機的驅動方法。由于電機結構特殊，一些傳統(tǒng)超聲波電機的驅動方法不能適用。本文采用非對稱方波電壓輸入，利用近諧振點慣性沖擊的方式有效地驅動了轉子運動，并通過控制輸入方波的頻率、占空比和幅值，分別實現了轉子運動模式的切換、運動方向的改變和運動速度的調節(jié)。
　　(3)提出了一種基于復損耗的旋轉—直線二自由度超聲波電機定子建模方法。本文采用等效模型推導了定子模態(tài)振型的解析解，并準確的預測了電機的諧

4、振頻率。進一步地，本文利用壓電損耗因子和金屬損耗因子，推導了定子端面諧振振幅的近似計算方法，用于計算在直線和旋轉模式下定子端面的最大位移值和最大旋轉角度。通過建立有限元模型做比對發(fā)現，數學模型計算值與仿真結果數據基本吻合，這驗證了數學模型的正確性。
　　(4)提出了一種應用于新型二自由度超聲波電機的定子優(yōu)化設計方法。提出以電機定子結構參數為變量，以兩自由度電機定子的輸出性能為優(yōu)化目標，借助相對敏感系數的概念對定子進行優(yōu)化設計的方案