縱彎復(fù)合振動(dòng)模態(tài)球型超聲電機(jī)的研究.pdf

1、超聲電機(jī)是近三十年發(fā)展起來(lái)的一種新型驅(qū)動(dòng)器，其工作原理是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)和超聲振動(dòng)，將材料的微觀變形通過(guò)共振放大和摩擦運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)子的宏觀運(yùn)動(dòng)。目前實(shí)際應(yīng)用的超聲電機(jī)大多只有直線或旋轉(zhuǎn)一個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)，但在全方位仿生運(yùn)動(dòng)的球形關(guān)節(jié)、機(jī)器人柔性關(guān)節(jié)和眼球以及月球登陸車(chē)等領(lǐng)域，都提出具有多自由度運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的需求，由于超聲電機(jī)具有結(jié)構(gòu)靈活，運(yùn)動(dòng)形式多樣的特點(diǎn)，使其比較適合球形轉(zhuǎn)子多自由度驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)多自由度球型超聲電機(jī)的研究

2、和應(yīng)用尚屬探索性階段，現(xiàn)有的多自由度球型電機(jī)實(shí)現(xiàn)多自由度驅(qū)動(dòng)大多借助幾個(gè)單方向的獨(dú)立驅(qū)動(dòng)合成形式，振子之間的驅(qū)動(dòng)作用存在相互阻礙和干擾，導(dǎo)致機(jī)械輸出特性不夠理想。因而對(duì)本課題的探索研究，一方面可以為多自由度球型超聲電機(jī)的研究提供新的思路，奠定理論基礎(chǔ)，另一方面也可以拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。
　　本文首先從夾心換能器驅(qū)動(dòng)過(guò)程的工作原理出發(fā)，研究主動(dòng)縱振和被動(dòng)彎振耦合關(guān)系對(duì)換能器驅(qū)動(dòng)性能的影響，以此為依據(jù)，采用有限元參數(shù)化

3、建模的分析方法，選擇對(duì)換能器縱、彎振動(dòng)影響較為敏感的尺寸參數(shù)進(jìn)行總體優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)有限元方法對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行分析，驗(yàn)證了優(yōu)化方法的正確性與可行性。
　　研制了一種基于四換能器協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)的球型超聲電機(jī)，該電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點(diǎn)。球型電機(jī)采用了四個(gè)相互正交排列的夾心換能器進(jìn)行協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試出電機(jī)的輸出特性，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)到12r/min，最大輸出轉(zhuǎn)距為0.45N·m。
　　設(shè)計(jì)出十字正交邊幅桿構(gòu)型，為研制單振子多自

4、由度驅(qū)動(dòng)換能器奠定基礎(chǔ)。對(duì)單振子縱彎換能器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了綜合分析，得到各參數(shù)對(duì)換能器特征頻率的影響趨勢(shì)，為實(shí)現(xiàn)縱彎模態(tài)簡(jiǎn)并做準(zhǔn)備。利用有效機(jī)電耦合系數(shù)確定壓電陶瓷位置，并給出激勵(lì)換能器驅(qū)動(dòng)足質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生三種正交橢圓軌跡的激勵(lì)方法。采用有限元瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)分析方法，對(duì)換能器驅(qū)動(dòng)足質(zhì)點(diǎn)橢圓軌跡進(jìn)行了研究，建立了驅(qū)動(dòng)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡的關(guān)鍵圖譜。
　　研制了一種基于單振子縱彎換能器驅(qū)動(dòng)的多自由度球型超聲電機(jī)，該電機(jī)具有絕對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩大、驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單和控制性