基于諧波摩擦減速的低速超聲電機的研究.pdf

1、超聲電機雖然只有20年發(fā)展歷史，但由于其具有結構簡單、設計靈活、低速、力矩密度大、響應快、無電磁干擾等優(yōu)點，在航空航天、機器人、光學儀器、醫(yī)療器械、精加工、辦公自動化、信息產(chǎn)業(yè)、汽車等領域中具有廣闊的應用前景。但超聲電機發(fā)展歷史較短，輸出性能有著很多不足，特別是行波超聲電機的低速平滑性能尚不能滿足某些特殊領域的實際需要。行波超聲電機定子表面質點的振幅通常在微米數(shù)量級，不足以克服摩擦副粗糙度對其低速平滑性的影響。為解決這一問題，本文在行波

2、超聲電機的基礎上引入次級諧波摩擦傳動，提出一種低速平滑性好的基于諧波摩擦減速的超聲電機，并針對諧波摩擦減速超聲電機的結構、工作原理以及次級柔輪的徑向變形與電機機械特性的匹配模型進行了全面的研究。
　　諧波摩擦減速超聲電機由初級超聲行波驅動——雙錐面齒行波超聲電機，和次級機械行波減速——諧波摩擦傳動機構組成。本文首先分析了傳統(tǒng)圓環(huán)形行波超聲電機由于其結構和工作原理而存在的輸出力矩小、轉子需要軸承定位的問題，提出并研制一種雙錐面齒驅動

3、、并通過錐形驅動齒實現(xiàn)自身軸系支承的無軸承行波超聲電機。電機定子為雙面齒有支撐的對稱結構，與兩個轉子分別接觸，增大了電機定轉子之間的接觸面積，大大提高了電機的輸出力矩及電機的熱穩(wěn)定性。定子齒面為錐齒面，利用定轉子間的接觸錐面對轉子直接定位，實現(xiàn)了行波超聲電機的無軸承支撐，避免了真空、高低溫高輻射等特殊環(huán)境給常規(guī)驅動技術帶來的潤滑等難題。該電機定、轉子間的接觸錐面可實現(xiàn)次級諧波摩擦傳動構件——鋼球之間相對定子軸同心度的誤差補償，保證各鋼球

4、施加于柔輪的應力相對平衡。分析定子關鍵結構參數(shù)定子基體厚度、定子齒高、齒面斜度、齒根高度及定子彈性支撐等對定子諧振頻率及振動強度的影響，為定子齒結構參數(shù)優(yōu)化設計提供一定的理論指導。最后驗證了行波超聲電機定子上質點的橢圓運動軌跡，并利用有限元瞬態(tài)分析，證明了雙錐面齒行波超聲電機在壓電陶瓷激勵下，可以在定子齒上形成橢圓運動軌跡。
　　諧波摩擦減速超聲電機的次級諧波摩擦傳動可以有效放大諧波幅值，弱化粗糙度對行波超聲電機低速平滑性的不良影

5、響，實現(xiàn)大速比的減速功能，使超聲電機的最低平滑速度降低兩至三個數(shù)量級，以滿足許多低速驅動應用場合的需要，進一步擴大超聲電機在精密驅動及航空航天等特定領域的應用。
　　初級雙錐面齒行波超聲電機和均布在其外圓周上的鋼球構成次級諧波摩擦傳動系統(tǒng)的機械行波波發(fā)生器。當內部的行波超聲電機旋轉時，鋼球擠壓柔輪使之產(chǎn)生靜態(tài)徑向變形，變形產(chǎn)生的諧波數(shù)與鋼球數(shù)目相同，鋼球繞內部電機軸線轉動時，在柔輪上形成繞電機軸線旋轉的機械行波。柔輪表面質點產(chǎn)生橢

6、圓運動，當剛輪以一定預緊力壓在柔輪上時，剛輪在其和柔輪接觸點間的摩擦力作用下，產(chǎn)生旋轉運動。當鋼球繞內部電機軸線轉一周時，剛輪僅轉過剛輪內圓周長和柔輪外圓周長差的距離，因此實現(xiàn)了大的減速比。在圍繞諧波摩擦減速超聲電機結構研究的基礎上，分析了諧波摩擦傳動的原理、柔輪波形曲線的理論模型以及柔輪質點的運動軌跡，在此基礎上分析了諧波摩擦傳動系統(tǒng)的傳動比。最后分析了柔輪的結構參數(shù)對柔輪應力分布的影響。
　　分析柔輪最大徑向變形的影響因素，以

7、及諧波摩擦傳動比的下限與柔輪最大徑向變形的匹配模型。在針對諧波摩擦傳動系統(tǒng)各主要構件力學分析的基礎上分析柔輪的最大徑向變形與雙錐面齒無軸承行波超聲電機輸出力矩的匹配，得出滿足材料疲勞強度極限及匹配關系的柔輪最大徑向變形的匹配模型，該匹配模型可用于指導選擇合理的柔輪最大徑向變形，從理論上確保諧波摩擦減速超聲電機的諧波減速部分能夠正常工作。然后利用實驗，通過使用不同的鋼球和與之協(xié)調的剛輪，驗證柔輪變形與雙錐面齒無軸承行波超聲電機輸出力矩的匹

8、配模型。
　　首先測試裝配前雙錐面齒無軸承行波超聲電機定子的阻抗頻率特性，進行超聲電機的阻抗匹配。然后測試雙錐面齒無軸承行波超聲電機的機械輸出特性，其最大空載速度達到120r/min，堵轉力矩為0.85N?m，是實驗室相近規(guī)格傳統(tǒng)單面齒行波超聲電機堵轉力矩的2.1倍。最后測試諧波摩擦減速超聲電機樣機的機械輸出特性，該樣機空載條件下，驅動電壓峰峰值為40V時，電機的速度達到0.05r/min的最低速，驅動電壓峰峰值為320V時，電機