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多自由度关节直接驱动系统建模及其运动轨迹研究

作　者: 李鹏
导　师: 罗卫东
学　校: 贵州大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 多自由度关节直接驱动系统压电陶瓷圆柱定子运行机理轨迹
分类号: TM359.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

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,分析了超声波电机的特点、发展、应用及其分类,总结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提供了理论依据。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。

全文目录

摘要  4-5
Summary  5-6
第一章绪论  6-16
  1.1 引言  6
  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  6-13
    1.2.1 多自由度关节直接驱动系统在国外的研究及发展状况  6-11
    1.2.2 多自由度关节直接驱动系统在国内的研究及发展状况  11-12
    1.2.3 国内外研究现状总结  12-13
  1.3 多自由度关节直接驱动系统的研究方向分析  13-14
  1.4 本文研究的课题来源、内容及意义  14-15
  1.5 本章小节  15-16
第二章多自由度关节直接驱动系统的分类、特点及其应用  16-24
  2.1 多自由度关节直接驱动系统的分类  16-17
  2.2 多自由度关节直接驱动系统的种类介绍  17-21
    2.2.1 驻波型驱动系统  17-18
    2.2.2 行波型驱动系统  18-20
    2.2.3 混合型驱动系统  20-21
  2.3 多自由度关节直接驱动系统的特点及应用  21-24
    2.3.1 超声波电机的特点  21-23
    2.3.2 超声波电机的应用  23-24
第三章多自由度关节直接驱动系统的振动特性  24-34
  3.1 压电陶瓷的压电效应与压电方程  24-31
    3.1.1 压电效应的简介  24-25
    3.1.2 压电效应的相关参数  25-27
    3.1.3 压电方程式  27-31
  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  31-32
    3.2.1 多自由度关节直接驱动系统的结构  31
    3.2.2 兰杰文振子  31-32
  3.3 振动模态  32-33
  3.4 多自由度关节直接驱动系统的动态特性分析  33-34
  3.5 本章小节  34
第四章多自由度关节直接驱动系统的运动轨迹分析  34-49
  4.1 多自由度关节直接驱动系统的运行机理  34-42
    4.1.1 两相弯曲振动产生的圆柱定子的运动轨迹  34-38
    4.1.2 两相弯曲振动时定子驱动转子的运动  38-39
    4.1.3 一弯一纵振动产生的圆柱定子的运动轨迹  39-40
    4.1.4 一弯一纵振动时定子驱动转子的运动  40-42
  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  42-48
    4.2.1 三相同时激励时定子表面一点的运动轨迹方程  42-45
    4.2.2 三相同时激励时定子表面一点的运动仿真  45-48
  4.3 本章小结  48-49
第五章多自由度关节直接驱动系统的建模及有限元分析  49-74
  5.1 有限元概论  49-50
    5.1.1 有限元简介  49
    5.1.2 有限元软件ANSYS的简介  49-50
  5.2 多自由度关节直接驱动系统定子的建模  50-56
    5.2.1 多自由度关节直接驱动系统定子有限元模型的前处理  50-52
    5.2.2 多自由度关节直接驱动系统定子的模态求解分析  52-56
  5.3 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  56-61
    5.3.1 多自由度关节直接驱动系统定子模态运动的合成  56-60
    5.3.2 定子有限元模型模态合成结果分析  60-61
  5.4 压电材料的有限元分析  61-73
    5.4.1 压电材料有限元模型的建立  61-63
    5.4.2 利用ANSYS对压电陶瓷片进行分析求解及后处理  63-73
  5.5 本章小节  73-74
第六章全文总结  74-75
致谢  75-76
参考文献  76-79
附录  79-80

多自由度关节直接驱动系统建模及其运动轨迹研究

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