新型多工作模式塔形直線超聲電機的研究.pdf

1、直線超聲電機具有無電磁干擾、結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計靈活等特點，尤其它能直接實現(xiàn)直線運動并獲得很高定位精度的優(yōu)點，使之受到業(yè)界廣泛關(guān)注。近些年，直線超聲電機的基礎(chǔ)理論研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究均獲得長足進(jìn)步，一些直線超聲電機在德國、日本、美國、以色列等發(fā)達(dá)國家已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段，部分產(chǎn)品對一些高新技術(shù)裝備的性能提升提供了強有力的支撐。經(jīng)過近些年的銳意開拓，我國直線超聲電機的研究開發(fā)工作取得了較大進(jìn)展，但距離實際應(yīng)用還有一定差距。
　　本課題在國家自然

2、科學(xué)基金重點項目“壓電精密致動技術(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)直線型超聲電機為研究對象，設(shè)計制作了三種不同塔形結(jié)構(gòu)的原理樣機，通過對比研究電機的不同驅(qū)動方式對輸出性能的影響規(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，為直線超聲電機在大行程情況下的微納米級定位控制技術(shù)奠定基礎(chǔ)。本論文的主要研究內(nèi)容和成果如下:
　　1、通過回顧直線型超聲電機的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀，概括了直線型超聲電機的

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

4、　　2、研究了雙模態(tài)驅(qū)動直線超聲電機的相關(guān)問題，包括異形工作模態(tài)的設(shè)計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;采用了突變結(jié)構(gòu)彈性支撐結(jié)構(gòu)，用于緩解支撐對定子工作模態(tài)的影響;通過測定定子的工作模態(tài)頻率與預(yù)壓力的關(guān)系，獲得了電機在共振運行模式下的最佳工作點;設(shè)計了基于三滾子結(jié)構(gòu)的通用化的超聲電機一維精密定位運動平臺。
　　3、提出了一類傾

5、斜動子結(jié)構(gòu)超聲電機的設(shè)計方法，并研制了一種單模態(tài)驅(qū)動雙向運動的斜軌塔形直線超聲電機。分析了電機的工作原理及設(shè)計原則，并推導(dǎo)了電機運行的導(dǎo)軌傾角適用范圍，為這一類直線超聲電機的深化研究和工程設(shè)計提供了理論依據(jù)。
　　4、發(fā)現(xiàn)了由非對稱結(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)動雙向運動的非對稱定子結(jié)構(gòu)的塔形直線超聲電機。分析了非對稱塔形直線超聲電機的工作原理，為非對稱定子結(jié)構(gòu)這一類直線超聲電機的深化研究和工程設(shè)計提供了

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和非對稱塔形直線超聲電機的特性，分別為這兩種超聲電機設(shè)計了四種工作模式:共振連續(xù)運行模式、非共振連續(xù)模式、共振和非共振狀態(tài)步進(jìn)運行模式;通過四種工作模式的組合，建立實現(xiàn)大行程微納米級精度的定位方法。實驗表明，兩種超聲電機在共振連續(xù)運行模式可以實現(xiàn)高速穩(wěn)定運行、在非共振連續(xù)運行模式可以實現(xiàn)低速穩(wěn)定運行、在共振和非共振狀態(tài)步進(jìn)運行模式可以穩(wěn)定實現(xiàn)納米級（＜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在精確定位方面的潛力。這種思路可推廣運用到其它類型的直線超聲電機上。
　　6、根據(jù)定子的振動能與能量閾值的關(guān)系對超聲電機的瞬態(tài)特性和“死區(qū)特性”進(jìn)行了理論研究，得出以下結(jié)論:超聲電機的步距取決于超聲電機的瞬態(tài)特性;超聲電機的最小步距取決于超聲電機的“死區(qū)”特性。對模態(tài)控制解耦塔形超聲電機的“死區(qū)”特性進(jìn)行了實驗研究，用實驗證實了“死區(qū)速度”的存在，進(jìn)而證明了超聲電機的最小步距