一种旋转—直线运动的两自由度超声波电机的研究

摘要

多自由度超声波电机具有结构简单易装配、机械集成度高，而且驱动便捷、分辨率高，能够实现运动的多样化且不受电磁干扰等优点，可应用于机器人关节、精密装配、微小型机器人、医疗辅助设备等机电装置中，成为近些年超声波电机研究领域的热点课题。其中，具有旋转和平动两种自由度的超声波电机，因其运动方式是实际生活中常见的形式，具有较高的研究价值和广泛的应用前景。这种电机通常可以分别实现旋转和直线运动，有些电机可以实现螺栓运动。为此，本文设计了一种新型单定子旋转—直线二自由度超声波电机，并针对该电机进行了原理分析、数学建模、有限元仿真、性能测试及结构优化等一系列研究，取得的进展有:
　　(1)提出了一种基于单定子的旋转—直线二自由度杆式超声波电机结构。该结构巧妙地利用了倾斜放置的压电陶瓷片，激发了定子弹性体两个模态的运动并将其放大为转子的宏观运动。电机仅需单电源供电，具有结构简单紧凑的特点，可以适用于微型化应用的场合。实验研制的样机最小长度仅为25mm、直径仅为2.5mm。
　　(2)提出了一种应用于新型二自由度超声波电机的驱动方法。由于电机结构特殊，一些传统超声波电机的驱动方法不能适用。本文采用非对称方波电压输入，利用近谐振点惯性冲击的方式有效地驱动了转子运动，并通过控制输入方波的频率、占空比和幅值，分别实现了转子运动模式的切换、运动方向的改变和运动速度的调节。
　　(3)提出了一种基于复损耗的旋转—直线二自由度超声波电机定子建模方法。本文采用等效模型推导了定子模态振型的解析解，并准确的预测了电机的谐振频率。进一步地，本文利用压电损耗因子和金属损耗因子，推导了定子端面谐振振幅的近似计算方法，用于计算在直线和旋转模式下定子端面的最大位移值和最大旋转角度。通过建立有限元模型做比对发现，数学模型计算值与仿真结果数据基本吻合，这验证了数学模型的正确性。
　　(4)提出了一种应用于新型二自由度超声波电机的定子优化设计方法。提出以电机定子结构参数为变量，以两自由度电机定子的输出性能为优化目标，借助相对敏感系数的概念对定子进行优化设计的方案。在综合比较后，选择了多组结构建立数学模型，并研制样机。实验发现优化后的样机性能得到了大幅度提升。
　　本研究设计的新型旋转—直线二自由度超声波电机，丰富了多自由度超声波电机的种类、延伸了其应用领域，所采用的建模和优化方法对于超声波电机的机理特性分析、结构的设计及优化有着积极的作用。

目录

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致谢

摘要

图目录

表目录

1．绪论

1．1 多自由度超声波电机的研究背景

1．2 多自由度超声波电机的分类及特点

1．2．1 旋转型多自由度超声波电机

1．2．2 平动型多自由度起声波电机

1．2．3 旋转-平动型乡自由度超声波电机

1．3 多自由度电机的位姿检测技术

1．3．1 接触型检测机构

1．3．2 非接触型检测机构

1．4 多自由度电机的应用举例和前景分析

1．5 多自由度电机的发展方向

1．6 本文研究的主要内容和意义

2．旋转—直线二自由度超声波电机的分析与设计

2．1 旋转—直线二自由度超声波电机的研究背景

2．1．1 旋转—直线二自由度超声波电机的研究意义

2．1．2 旋转—直线二自由度超声波电机的研究基础

2．2 旋转—直线二自由度超声波电机的结构设计

2．3 旋转—直线二自由度超声波电机的运行机理

2．3．1 直线运动模式分析

2．3．2 旋转运动模式分析

2．4 旋转—直线二自由度超声波电机的模态仿真

2．5 旋转—直线二自由度超声波电机的驱动分析

2．6 本章小结

3．旋转—直线二自由度超声波电机的数学模型

3．1 超声波电机的谐振振幅的研究意义

3．2 压电材料的损耗分析

3．2．1 压电材料损耗的研究状况

3．2．2 压电陶瓷的主要性能参数

3．3 基于压电损耗的超声波电机数学模型

3．3．1 直线运动模型

3．3．2 旋转运动模型

3．4 基于压电及金属损耗的超声波电机数学模型

3．4．1 直线运动模型

3．4．2 旋转运动模型

3．5 基于电机数学模型的驱动分析

3．6 本章小结

4．旋转—直线二自由度超声波电机的仿真与实验研究

4．1 旋转—直线二自由度超声波电机定子的仿真分析

4．1．1 有限元仿真参数设置

4．1．2 有限元仿真结果

4．1．3 有限元仿真结论

4．1．4 有限元仿真与数学模型的比对

4．2 旋转—直线二自由度超声波电机定子的实验分析

4．2．1 旋转—直线二自由度超声波电机的制作

4．2．2 旋转—直线二自由度超声波电机的驱动

4．2．3 旋转—直线二自由度超声波电机的检测

4．2．4 旋转—直线二自由度超声波电机实验结果分析

4．3 本章小结

5．旋转—直线二自由度超声波电机的优化设计

5．1 电机的参数优化方法

5．2 电机的参数优化设计

5．2．1 基于解析模型和敏感系数的优化方法

5．2．2 参数及其敏感系数的优化分析

5．3 电机的参数优化分析

5．4 电机的参数优化验证

5．5 本章小结

6．结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

个人简历