多自由度关节直接驱动系统建模及运动轨迹研究

摘要

多自由度关节直接驱动系统（超声波电机）是利用压电材料的逆压电效应，将电能直接转变成机械振动能，并利用摩擦转变成旋转或其它方式的运动，即就是在极化的压电陶瓷和金属构成的定子上加上交流电源，使定子表面产生超声频率的机械振动，使金属材料组成的转子转动的一种直接驱动的新型电机。目前从事超声波电机研究及其应用开发的有日本、德、法、美、英、中、韩、西班牙、葡萄牙、波兰等国。由于超声波电机具有低速大转矩、无电磁干扰、动作响应快、定位精度高、结构多样化、无输入自锁等卓越特性，在非连续运动、精密控制等领域要比传统的电磁马达性能优越的多。我国超声波电机的研究也有十多年的历史，超声波电机也逐渐应用到一些军事和民用项目，但产业化生产还是空白。
　　本文的主要工作和成果如下:
　　首先，阐述了超声波电机的特点、发展、应用及其分类，介绍了多自度超声波电机的发展史和目前的研究状况，分析了三自由度电机研究的方向及难点。
　　其次，系统地分析了圆柱定子三自由度超声波电机受两相激励时绕三个旋转轴运行的机理和相应的运动轨迹。应用几何原理和振动理论推导出了圆柱定子三自由度超声波电机三相同时激励时的运动轨迹方程并以该轨迹方程为基础，仿真出同频率、不同相位差、不同电压激励时不同位置的运动轨迹，同时分析了这三个影响因素对定子表面一点轨迹的影响，为三自由度超声波电机的轨迹控制和姿态控制奠定了理论基础。
　　第三：用ansys有限元软件对压电材料和圆柱定子进行有限元建模，通过分析定子的振动模态，得出定子有两个正交的较接近的弯曲模态，最后再对模型进行仿真分析，输出研究的结果。

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第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 多自由度关节直接驱动系统的国内外的研究、发展状况

1.3 多自由度关节直接驱动系统的研究方向分析

1.4 本文研究的课题来源、内容及意义

1.5 本章小节

第二章 多自由度关节直接驱动系统的分类、特点及其应用

2.1 多自由度关节直接驱动系统的分类

2.2 多自由度关节直接驱动系统的种类介绍

2.3 多自由度关节直接驱动系统的特点及应用

2.4 本章小节

第三章 多自由度关节直接驱动系统的振动特性

3.1 压电陶瓷的压电效应与压电方程

3.2 多自由度关节直接驱动系统的结构及兰杰文振子的介绍

3.3 振动模态

3.4 多自由度关节直接驱动系统的动态特性分析

3.5 本章小节

第四章 多自由度关节直接驱动系统的运动轨迹分析

4.1 多自由度关节直接驱动系统的运行机理

4.2 三相同时激励时定子表面一点的运动轨迹方程及仿真运动

4.3 本章小结

第五章 多自由度关节直接驱动系统的建模及有限元分析

5.1 有限元概论

5.2 压电材料的有限元分析

5.3 多自由度关节直接驱动系统定子的建模

5.4 多自由度关节直接驱动系统定子模态运动的合成及结果分析

第六章 全文总结

致谢

参考文献

附录

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