基于諧波摩擦減速的低速超聲電機(jī)的研究.pdf

1、超聲電機(jī)雖然只有20年發(fā)展歷史，但由于其具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)靈活、低速、力矩密度大、響應(yīng)快、無電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、機(jī)器人、光學(xué)儀器、醫(yī)療器械、精加工、辦公自動(dòng)化、信息產(chǎn)業(yè)、汽車等領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。但超聲電機(jī)發(fā)展歷史較短，輸出性能有著很多不足，特別是行波超聲電機(jī)的低速平滑性能尚不能滿足某些特殊領(lǐng)域的實(shí)際需要。行波超聲電機(jī)定子表面質(zhì)點(diǎn)的振幅通常在微米數(shù)量級(jí)，不足以克服摩擦副粗糙度對(duì)其低速平滑性的影響。為解決這一問題，本文在行波

2、超聲電機(jī)的基礎(chǔ)上引入次級(jí)諧波摩擦傳動(dòng)，提出一種低速平滑性好的基于諧波摩擦減速的超聲電機(jī)，并針對(duì)諧波摩擦減速超聲電機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理以及次級(jí)柔輪的徑向變形與電機(jī)機(jī)械特性的匹配模型進(jìn)行了全面的研究。
　　諧波摩擦減速超聲電機(jī)由初級(jí)超聲行波驅(qū)動(dòng)——雙錐面齒行波超聲電機(jī)，和次級(jí)機(jī)械行波減速——諧波摩擦傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。本文首先分析了傳統(tǒng)圓環(huán)形行波超聲電機(jī)由于其結(jié)構(gòu)和工作原理而存在的輸出力矩小、轉(zhuǎn)子需要軸承定位的問題，提出并研制一種雙錐面齒驅(qū)動(dòng)

3、、并通過錐形驅(qū)動(dòng)齒實(shí)現(xiàn)自身軸系支承的無軸承行波超聲電機(jī)。電機(jī)定子為雙面齒有支撐的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，與兩個(gè)轉(zhuǎn)子分別接觸，增大了電機(jī)定轉(zhuǎn)子之間的接觸面積，大大提高了電機(jī)的輸出力矩及電機(jī)的熱穩(wěn)定性。定子齒面為錐齒面，利用定轉(zhuǎn)子間的接觸錐面對(duì)轉(zhuǎn)子直接定位，實(shí)現(xiàn)了行波超聲電機(jī)的無軸承支撐，避免了真空、高低溫高輻射等特殊環(huán)境給常規(guī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)帶來的潤滑等難題。該電機(jī)定、轉(zhuǎn)子間的接觸錐面可實(shí)現(xiàn)次級(jí)諧波摩擦傳動(dòng)構(gòu)件——鋼球之間相對(duì)定子軸同心度的誤差補(bǔ)償，保證各鋼球

4、施加于柔輪的應(yīng)力相對(duì)平衡。分析定子關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)定子基體厚度、定子齒高、齒面斜度、齒根高度及定子彈性支撐等對(duì)定子諧振頻率及振動(dòng)強(qiáng)度的影響，為定子齒結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的理論指導(dǎo)。最后驗(yàn)證了行波超聲電機(jī)定子上質(zhì)點(diǎn)的橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡，并利用有限元瞬態(tài)分析，證明了雙錐面齒行波超聲電機(jī)在壓電陶瓷激勵(lì)下，可以在定子齒上形成橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡。
　　諧波摩擦減速超聲電機(jī)的次級(jí)諧波摩擦傳動(dòng)可以有效放大諧波幅值，弱化粗糙度對(duì)行波超聲電機(jī)低速平滑性的不良影

5、響，實(shí)現(xiàn)大速比的減速功能，使超聲電機(jī)的最低平滑速度降低兩至三個(gè)數(shù)量級(jí)，以滿足許多低速驅(qū)動(dòng)應(yīng)用場合的需要，進(jìn)一步擴(kuò)大超聲電機(jī)在精密驅(qū)動(dòng)及航空航天等特定領(lǐng)域的應(yīng)用。
　　初級(jí)雙錐面齒行波超聲電機(jī)和均布在其外圓周上的鋼球構(gòu)成次級(jí)諧波摩擦傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械行波波發(fā)生器。當(dāng)內(nèi)部的行波超聲電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，鋼球擠壓柔輪使之產(chǎn)生靜態(tài)徑向變形，變形產(chǎn)生的諧波數(shù)與鋼球數(shù)目相同，鋼球繞內(nèi)部電機(jī)軸線轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在柔輪上形成繞電機(jī)軸線旋轉(zhuǎn)的機(jī)械行波。柔輪表面質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生橢

6、圓運(yùn)動(dòng)，當(dāng)剛輪以一定預(yù)緊力壓在柔輪上時(shí)，剛輪在其和柔輪接觸點(diǎn)間的摩擦力作用下，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)鋼球繞內(nèi)部電機(jī)軸線轉(zhuǎn)一周時(shí)，剛輪僅轉(zhuǎn)過剛輪內(nèi)圓周長和柔輪外圓周長差的距離，因此實(shí)現(xiàn)了大的減速比。在圍繞諧波摩擦減速超聲電機(jī)結(jié)構(gòu)研究的基礎(chǔ)上，分析了諧波摩擦傳動(dòng)的原理、柔輪波形曲線的理論模型以及柔輪質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，在此基礎(chǔ)上分析了諧波摩擦傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比。最后分析了柔輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)柔輪應(yīng)力分布的影響。
　　分析柔輪最大徑向變形的影響因素，以

7、及諧波摩擦傳動(dòng)比的下限與柔輪最大徑向變形的匹配模型。在針對(duì)諧波摩擦傳動(dòng)系統(tǒng)各主要構(gòu)件力學(xué)分析的基礎(chǔ)上分析柔輪的最大徑向變形與雙錐面齒無軸承行波超聲電機(jī)輸出力矩的匹配，得出滿足材料疲勞強(qiáng)度極限及匹配關(guān)系的柔輪最大徑向變形的匹配模型，該匹配模型可用于指導(dǎo)選擇合理的柔輪最大徑向變形，從理論上確保諧波摩擦減速超聲電機(jī)的諧波減速部分能夠正常工作。然后利用實(shí)驗(yàn)，通過使用不同的鋼球和與之協(xié)調(diào)的剛輪，驗(yàn)證柔輪變形與雙錐面齒無軸承行波超聲電機(jī)輸出力矩的匹

8、配模型。
　　首先測試裝配前雙錐面齒無軸承行波超聲電機(jī)定子的阻抗頻率特性，進(jìn)行超聲電機(jī)的阻抗匹配。然后測試雙錐面齒無軸承行波超聲電機(jī)的機(jī)械輸出特性，其最大空載速度達(dá)到120r/min，堵轉(zhuǎn)力矩為0.85N?m，是實(shí)驗(yàn)室相近規(guī)格傳統(tǒng)單面齒行波超聲電機(jī)堵轉(zhuǎn)力矩的2.1倍。最后測試諧波摩擦減速超聲電機(jī)樣機(jī)的機(jī)械輸出特性，該樣機(jī)空載條件下，驅(qū)動(dòng)電壓峰峰值為40V時(shí)，電機(jī)的速度達(dá)到0.05r/min的最低速，驅(qū)動(dòng)電壓峰峰值為320V時(shí)，電機(jī)