超声波电机的优化设计及在多自由度控制系统中的应用研究

摘要

超声波电机靠摩擦驱动，具有低速大力矩、响应快、断电自锁等一系列优点，吸引国内外科研人员对超声波电机进行了大量的研究。相对而言，超声波电机的应用还不很充分，因此面向应用的超声波电机研究是一个重要方向。论文重点探讨了超声波电机的优化设计，包括圆柱定子超声波电机和圆环型行波超声波电机的优化设计以及摩擦材料的选型及优化实验，同时对超声波电机在多自由度控制系统中的应用进行了研究。
　　 论文的主要工作有：
　　 根据圆柱定子超声波电机的特点，在对电机定子有限元模型分析基础上，通过对压电陶瓷的改进设计，实现了15mm圆柱定子超声波电机两相共振频率趋于一致；通过对定子开槽和定子支撑的优化设计，创造性地实现了15mm圆柱定子超声波电机短型化并使电机安装使用更为便利。针对圆柱定子三自由度球转子超声波电机输出力矩小的特点，提出一种双定子夹持型三自由度超声波电机结构，大大提高了球转子的输出转矩，从根本上解决了球转子安装和固定的问题。
　　 由于超声波电机靠摩擦驱动，摩擦材料不可或缺。在对几种摩擦材料进行试验的基础上，实现了一种独特的用于超声波电机摩擦材料的制备方法和工艺，满足了超声波电机对摩擦材料的寿命和温度稳定性要求。针对所研究的行波超声波电机及摩擦材料进行了极限条件下的试验，为超声波电机的进一步改进和应用提供了试验依据。
　　 论文根据不同的应用需求，提出了无磁型超声波电机、双定子双转子超声波电机及转子驱动型超声波电机的结构，给出了设计过程并进行了试验，拓宽了超声波电机的应用范围。
　　 根据机器人机械系统的特点，论文对超声波电机驱动的二轴机械臂的逆向运动学模型进行了分析，导出了关节具体位置姿态计算方法。根据此计算方法，设计了机械臂的控制软件和硬件，实验表明超声波电机驱动的二轴机械臂实现了快速、精确定位。在此基础上，对超声波电机在二维X-Y精密平台和三自由度相机桅杆的应用进行了硬件设计和软件设计，为进一步实现超声波电机在复杂机械臂控制系统中及复杂环境中的应用打下基础。