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纵弯复合振动模态球型超声电机的研究

作　者: 赵学涛
导　师: 陈维山
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 超声电机夹心换能器有限元分析多自由度超声驱动器
分类号: TM359.9
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
下　载: 423次
引　用: 2次
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内容摘要

超声电机是近三十年发展起来的一种新型驱动器,其工作原理是利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动,将材料的微观变形通过共振放大和摩擦运动转化成转子的宏观运动。目前实际应用的超声电机大多只有直线或旋转一个自由度运动,但在全方位仿生运动的球形关节、机器人柔性关节和眼球以及月球登陆车等领域,都提出具有多自由度运动驱动器的需求,由于超声电机具有结构灵活,运动形式多样的特点,使其比较适合球形转子多自由度驱动的实现。目前国内外对多自由度球型超声电机的研究和应用尚属探索性阶段,现有的多自由度球型电机实现多自由度驱动大多借助几个单方向的独立驱动合成形式,振子之间的驱动作用存在相互阻碍和干扰,导致机械输出特性不够理想。因而对本课题的探索研究,一方面可以为多自由度球型超声电机的研究提供新的思路,奠定理论基础,另一方面也可以拓宽其应用领域,具有很强的现实意义。本文首先从夹心换能器驱动过程的工作原理出发,研究主动纵振和被动弯振耦合关系对换能器驱动性能的影响,以此为依据,采用有限元参数化建模的分析方法,选择对换能器纵、弯振动影响较为敏感的尺寸参数进行总体优化设计。通过有限元方法对优化结果进行分析,验证了优化方法的正确性与可行性。研制了一种基于四换能器协调驱动的球型超声电机,该电机具有结构简单、输出转矩大等优点。球型电机采用了四个相互正交排列的夹心换能器进行协调驱动,通过试验测试出电机的输出特性,最高转速可达到12r/min,最大输出转距为0.45 N·m。设计出十字正交边幅杆构型,为研制单振子多自由度驱动换能器奠定基础。对单振子纵弯换能器的结构参数进行了综合分析,得到各参数对换能器特征频率的影响趋势,为实现纵弯模态简并做准备。利用有效机电耦合系数确定压电陶瓷位置,并给出激励换能器驱动足质点产生三种正交椭圆轨迹的激励方法。采用有限元瞬态运动分析方法,对换能器驱动足质点椭圆轨迹进行了研究,建立了驱动质点运动轨迹的关键图谱。研制了一种基于单振子纵弯换能器驱动的多自由度球型超声电机,该电机具有绝对输出转矩大、驱动简单和控制性能好等优点。电机输出性能指标为:绕X、Y轴旋转时,输出转距为0.97 N·m,最高转速可达11r/min,绕Z轴旋转时,输出转距为0.27 N·m,最高转速可达66r/min。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-15
第1章绪论  15-30
  1.1 引言  15-16
  1.2 超声电机研究发展状况与成果  16-19
    1.2.1 国外超声电机发展状况  16-17
    1.2.2 国内超声电机发展状况  17
    1.2.3 超声电机研究取得的成果  17-19
  1.3 超声电机研究的课题与方向  19-20
  1.4 多自由度球型超声电机研究现状  20-28
    1.4.1 行波型球型电机  20-23
    1.4.2 驻波球型电机  23-24
    1.4.3 板式球型电机  24-27
    1.4.4 单振子圆柱体球型电机  27-28
  1.5 多自由度球型电机存在的问题  28-29
  1.6 本课题主要研究内容  29-30
第2章主被动纵弯压电超声换能器的优化设计  30-56
  2.1 引言  30-31
  2.2 主被动纵弯换能器式超声电机驱动原理  31-32
  2.3 换能器优化设计的基础理论  32-35
    2.3.1 压电陶瓷的性能参数  32-33
    2.3.2 压电方程  33-34
    2.3.3 驱动头纵向振动的波动方程  34-35
  2.4 主被动纵弯换能器的初始设计  35-42
    2.4.1 初始参数确定  36-38
    2.4.2 换能器材料选择  38-39
    2.4.3 驱动头形状参数的灵敏度分析  39-42
  2.5 主被动纵弯换能器的优化设计  42-49
    2.5.1 有限元法模态分析的力学基础  42-44
    2.5.2 主被动纵弯换能器的参数化有限元建模  44-46
    2.5.3 主被动纵弯换能器优化  46-49
  2.6 换能器优化结果的分析  49-55
    2.6.1 优化结果  49-50
    2.6.2 优化结果有限元谐振分析  50-53
    2.6.3 优化结果有限元瞬态分析  53-55
  2.7 本章小结  55-56
第3章四换能器协调驱动球型超声电机  56-75
  3.1 引言  56
  3.2 四换能器驱动球型超声电机结构与原理  56-59
    3.2.1 球型电机结构  56-57
    3.2.2 球型超声电机驱动原理  57-59
  3.3 球型电机动转子力学接触模型  59-60
  3.4 换能器阻抗匹配研究  60-67
    3.4.1 动态等效电容、电感及输入阻抗计算  61-64
    3.4.2 电机阻抗匹配试验  64-65
    3.4.3 输入阻抗测试与调节  65-67
    3.4.4 换能器阻抗匹配试验  67
  3.5 四换能器驱动球型超声电机实验研究  67-74
    3.5.1 实验系统的建立  67-68
    3.5.2 减摩激励对电机性能的影响  68-69
    3.5.3 换能器驱动位置及姿态对电机性能的影响  69-72
    3.5.4 电机性能测试  72-74
  3.6 本章小结  74-75
第4章正交纵弯复合振动模态驱动器的研究  75-99
  4.1 引言  75
  4.2 正交纵弯复合振动模态驱动器结构设计  75-82
    4.2.1 十字正交聚能器构型  76-77
    4.2.2 正交纵弯复合振动模态驱动器结构  77-78
    4.2.3 驱动器压电陶瓷组分布与激励  78-82
  4.3 基于多模态简并的驱动质点轨迹分析  82-87
    4.3.1 两路纵振叠加驱动质点运动轨迹  82-85
    4.3.2 纵、弯振动叠加驱动质点运动轨迹  85-86
    4.3.3 三路纵弯振动叠加驱动质点运动轨迹  86-87
  4.4 纵弯复合振动模态驱动器多模态频率简并  87-90
    4.4.1 驱动器模态简并过程  87-88
    4.4.2 纵弯复合模态驱动器尺寸参数灵敏度分析  88-90
    4.4.3 纵弯复合模态驱动器模态简并结果  90
  4.5 驱动器有限元谐响应分析  90-91
  4.6 驱动器瞬态驱动轨迹分析  91-97
  4.7 本章小结  97-99
第5章纵弯复合驱动的球型超声电机  99-117
  5.1 引言  99-100
  5.2 纵弯复合振动模态驱动器式球型超声电机结构  100-101
  5.3 球型电机摩擦传动分析  101-104
  5.4 球型超声电机实验测试  104-116
    5.4.1 实验装置  104-105
    5.4.2 驱动器阻抗特性测试  105-107
    5.4.3 速度控制信号检测  107-108
    5.4.4 改进 BP 算法的神经网络球型电机速度控制  108-113
    5.4.5 电机性能测试  113-116
  5.5 本章小结  116-117
结论  117-118
参考文献  118-127
攻读博士期间所发表的学术论文  127-128
攻读博士期间申请的专利  128-130
致谢  130-131
个人简历  131

纵弯复合振动模态球型超声电机的研究

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