縱彎復合振動模態(tài)球型超聲電機的研究.pdf

1、超聲電機是近三十年發(fā)展起來的一種新型驅(qū)動器，其工作原理是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)和超聲振動，將材料的微觀變形通過共振放大和摩擦運動轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)子的宏觀運動。目前實際應(yīng)用的超聲電機大多只有直線或旋轉(zhuǎn)一個自由度運動，但在全方位仿生運動的球形關(guān)節(jié)、機器人柔性關(guān)節(jié)和眼球以及月球登陸車等領(lǐng)域，都提出具有多自由度運動驅(qū)動器的需求，由于超聲電機具有結(jié)構(gòu)靈活，運動形式多樣的特點，使其比較適合球形轉(zhuǎn)子多自由度驅(qū)動的實現(xiàn)。目前國內(nèi)外對多自由度球型超聲電機的研究

2、和應(yīng)用尚屬探索性階段，現(xiàn)有的多自由度球型電機實現(xiàn)多自由度驅(qū)動大多借助幾個單方向的獨立驅(qū)動合成形式，振子之間的驅(qū)動作用存在相互阻礙和干擾，導致機械輸出特性不夠理想。因而對本課題的探索研究，一方面可以為多自由度球型超聲電機的研究提供新的思路，奠定理論基礎(chǔ)，另一方面也可以拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域，具有很強的現(xiàn)實意義。
　　本文首先從夾心換能器驅(qū)動過程的工作原理出發(fā)，研究主動縱振和被動彎振耦合關(guān)系對換能器驅(qū)動性能的影響，以此為依據(jù)，采用有限元參數(shù)化

3、建模的分析方法，選擇對換能器縱、彎振動影響較為敏感的尺寸參數(shù)進行總體優(yōu)化設(shè)計。通過有限元方法對優(yōu)化結(jié)果進行分析，驗證了優(yōu)化方法的正確性與可行性。
　　研制了一種基于四換能器協(xié)調(diào)驅(qū)動的球型超聲電機，該電機具有結(jié)構(gòu)簡單、輸出轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點。球型電機采用了四個相互正交排列的夾心換能器進行協(xié)調(diào)驅(qū)動，通過試驗測試出電機的輸出特性，最高轉(zhuǎn)速可達到12r/min，最大輸出轉(zhuǎn)距為0.45N·m。
　　設(shè)計出十字正交邊幅桿構(gòu)型，為研制單振子多自

4、由度驅(qū)動換能器奠定基礎(chǔ)。對單振子縱彎換能器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了綜合分析，得到各參數(shù)對換能器特征頻率的影響趨勢，為實現(xiàn)縱彎模態(tài)簡并做準備。利用有效機電耦合系數(shù)確定壓電陶瓷位置，并給出激勵換能器驅(qū)動足質(zhì)點產(chǎn)生三種正交橢圓軌跡的激勵方法。采用有限元瞬態(tài)運動分析方法，對換能器驅(qū)動足質(zhì)點橢圓軌跡進行了研究，建立了驅(qū)動質(zhì)點運動軌跡的關(guān)鍵圖譜。
　　研制了一種基于單振子縱彎換能器驅(qū)動的多自由度球型超聲電機，該電機具有絕對輸出轉(zhuǎn)矩大、驅(qū)動簡單和控制性