新型多工作模式塔形直線超聲電機(jī)的研究.pdf

1、直線超聲電機(jī)具有無電磁干擾、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)靈活等特點(diǎn)，尤其它能直接實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)并獲得很高定位精度的優(yōu)點(diǎn)，使之受到業(yè)界廣泛關(guān)注。近些年，直線超聲電機(jī)的基礎(chǔ)理論研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究均獲得長(zhǎng)足進(jìn)步，一些直線超聲電機(jī)在德國(guó)、日本、美國(guó)、以色列等發(fā)達(dá)國(guó)家已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段，部分產(chǎn)品對(duì)一些高新技術(shù)裝備的性能提升提供了強(qiáng)有力的支撐。經(jīng)過近些年的銳意開拓，我國(guó)直線超聲電機(jī)的研究開發(fā)工作取得了較大進(jìn)展，但距離實(shí)際應(yīng)用還有一定差距。
　　本課題在國(guó)家自然

2、科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“壓電精密致動(dòng)技術(shù)的基礎(chǔ)研究”(No.50735002)的資助下，以多工作模式塔形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)直線型超聲電機(jī)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)制作了三種不同塔形結(jié)構(gòu)的原理樣機(jī)，通過對(duì)比研究電機(jī)的不同驅(qū)動(dòng)方式對(duì)輸出性能的影響規(guī)律，揭示其微步進(jìn)特性，建立高精度定位控制方法和措施，為直線超聲電機(jī)在大行程情況下的微納米級(jí)定位控制技術(shù)奠定基礎(chǔ)。本論文的主要研究?jī)?nèi)容和成果如下:
　　1、通過回顧直線型超聲電機(jī)的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀，概括了直線型超聲電機(jī)的

3、特點(diǎn);對(duì)現(xiàn)有塔形結(jié)構(gòu)直線超聲電機(jī)和多工作模式直線超聲電機(jī)進(jìn)行了概述分析，明確了本課題的研究目標(biāo)。按照超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)端面的理論運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)超聲電機(jī)進(jìn)行了分類，認(rèn)為這種分類方法更容易將超聲電機(jī)的多種工作模式及多種運(yùn)行機(jī)理統(tǒng)一化。在此基礎(chǔ)上，提出了將超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)端面的運(yùn)動(dòng)軌跡分為推程與回程運(yùn)動(dòng)軌跡，并對(duì)推程運(yùn)動(dòng)軌跡做功與回程運(yùn)動(dòng)軌跡做功進(jìn)行比較的能量傳遞分析方法。通過對(duì)超聲電機(jī)進(jìn)行能量傳遞分析，得出了各類超聲電機(jī)所共同遵循的能量傳遞規(guī)律。

4、　　2、研究了雙模態(tài)驅(qū)動(dòng)直線超聲電機(jī)的相關(guān)問題，包括異形工作模態(tài)的設(shè)計(jì)和接觸邊界條件的頻率協(xié)調(diào)方法、定子支撐方法、預(yù)壓力施加方式及其對(duì)定子最佳工作頻率的影響規(guī)律。研制了一種工作模態(tài)控制解耦的塔形直線超聲電機(jī);采用了突變結(jié)構(gòu)彈性支撐結(jié)構(gòu)，用于緩解支撐對(duì)定子工作模態(tài)的影響;通過測(cè)定定子的工作模態(tài)頻率與預(yù)壓力的關(guān)系，獲得了電機(jī)在共振運(yùn)行模式下的最佳工作點(diǎn);設(shè)計(jì)了基于三滾子結(jié)構(gòu)的通用化的超聲電機(jī)一維精密定位運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。
　　3、提出了一類傾

5、斜動(dòng)子結(jié)構(gòu)超聲電機(jī)的設(shè)計(jì)方法，并研制了一種單模態(tài)驅(qū)動(dòng)雙向運(yùn)動(dòng)的斜軌塔形直線超聲電機(jī)。分析了電機(jī)的工作原理及設(shè)計(jì)原則，并推導(dǎo)了電機(jī)運(yùn)行的導(dǎo)軌傾角適用范圍，為這一類直線超聲電機(jī)的深化研究和工程設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。
　　4、發(fā)現(xiàn)了由非對(duì)稱結(jié)構(gòu)引起的塔形定子模態(tài)轉(zhuǎn)化現(xiàn)象，并由此研制了一種單模態(tài)驅(qū)動(dòng)雙向運(yùn)動(dòng)的非對(duì)稱定子結(jié)構(gòu)的塔形直線超聲電機(jī)。分析了非對(duì)稱塔形直線超聲電機(jī)的工作原理，為非對(duì)稱定子結(jié)構(gòu)這一類直線超聲電機(jī)的深化研究和工程設(shè)計(jì)提供了

6、理論依據(jù)。
　　5、根據(jù)工作模態(tài)控制解耦塔形直線超聲電機(jī)和非對(duì)稱塔形直線超聲電機(jī)的特性，分別為這兩種超聲電機(jī)設(shè)計(jì)了四種工作模式:共振連續(xù)運(yùn)行模式、非共振連續(xù)模式、共振和非共振狀態(tài)步進(jìn)運(yùn)行模式;通過四種工作模式的組合，建立實(shí)現(xiàn)大行程微納米級(jí)精度的定位方法。實(shí)驗(yàn)表明，兩種超聲電機(jī)在共振連續(xù)運(yùn)行模式可以實(shí)現(xiàn)高速穩(wěn)定運(yùn)行、在非共振連續(xù)運(yùn)行模式可以實(shí)現(xiàn)低速穩(wěn)定運(yùn)行、在共振和非共振狀態(tài)步進(jìn)運(yùn)行模式可以穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)納米級(jí)（＜100nm）微步距;因此

7、四種工作模式的組合應(yīng)用可以充分發(fā)揮這兩種塔形直線超聲電機(jī)在精確定位方面的潛力。這種思路可推廣運(yùn)用到其它類型的直線超聲電機(jī)上。
　　6、根據(jù)定子的振動(dòng)能與能量閾值的關(guān)系對(duì)超聲電機(jī)的瞬態(tài)特性和“死區(qū)特性”進(jìn)行了理論研究，得出以下結(jié)論:超聲電機(jī)的步距取決于超聲電機(jī)的瞬態(tài)特性;超聲電機(jī)的最小步距取決于超聲電機(jī)的“死區(qū)”特性。對(duì)模態(tài)控制解耦塔形超聲電機(jī)的“死區(qū)”特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了“死區(qū)速度”的存在，進(jìn)而證明了超聲電機(jī)的最小步距