新型多工作模式塔形直線超聲電機的研究.pdf

1、直線超聲電機具有無電磁干擾、結構簡單、設計靈活等特點，尤其它能直接實現(xiàn)直線運動并獲得很高定位精度的優(yōu)點，使之受到業(yè)界廣泛關注。近些年，直線超聲電機的基礎理論研究和應用基礎研究均獲得長足進步，一些直線超聲電機在德國、日本、美國、以色列等發(fā)達國家已進入產(chǎn)業(yè)化階段，部分產(chǎn)品對一些高新技術裝備的性能提升提供了強有力的支撐。經(jīng)過近些年的銳意開拓，我國直線超聲電機的研究開發(fā)工作取得了較大進展，但距離實際應用還有一定差距。
　　本課題在國家自然

2、科學基金重點項目“壓電精密致動技術的基礎研究”(No.50735002)的資助下，以多工作模式塔形拓撲結構直線型超聲電機為研究對象，設計制作了三種不同塔形結構的原理樣機，通過對比研究電機的不同驅動方式對輸出性能的影響規(guī)律，揭示其微步進特性，建立高精度定位控制方法和措施，為直線超聲電機在大行程情況下的微納米級定位控制技術奠定基礎。本論文的主要研究內(nèi)容和成果如下:
　　1、通過回顧直線型超聲電機的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀，概括了直線型超聲電機的

3、特點;對現(xiàn)有塔形結構直線超聲電機和多工作模式直線超聲電機進行了概述分析，明確了本課題的研究目標。按照超聲電機驅動端面的理論運動軌跡對超聲電機進行了分類，認為這種分類方法更容易將超聲電機的多種工作模式及多種運行機理統(tǒng)一化。在此基礎上，提出了將超聲電機驅動端面的運動軌跡分為推程與回程運動軌跡，并對推程運動軌跡做功與回程運動軌跡做功進行比較的能量傳遞分析方法。通過對超聲電機進行能量傳遞分析，得出了各類超聲電機所共同遵循的能量傳遞規(guī)律。

4、　　2、研究了雙模態(tài)驅動直線超聲電機的相關問題，包括異形工作模態(tài)的設計和接觸邊界條件的頻率協(xié)調方法、定子支撐方法、預壓力施加方式及其對定子最佳工作頻率的影響規(guī)律。研制了一種工作模態(tài)控制解耦的塔形直線超聲電機;采用了突變結構彈性支撐結構，用于緩解支撐對定子工作模態(tài)的影響;通過測定定子的工作模態(tài)頻率與預壓力的關系，獲得了電機在共振運行模式下的最佳工作點;設計了基于三滾子結構的通用化的超聲電機一維精密定位運動平臺。
　　3、提出了一類傾

5、斜動子結構超聲電機的設計方法，并研制了一種單模態(tài)驅動雙向運動的斜軌塔形直線超聲電機。分析了電機的工作原理及設計原則，并推導了電機運行的導軌傾角適用范圍，為這一類直線超聲電機的深化研究和工程設計提供了理論依據(jù)。
　　4、發(fā)現(xiàn)了由非對稱結構引起的塔形定子模態(tài)轉化現(xiàn)象，并由此研制了一種單模態(tài)驅動雙向運動的非對稱定子結構的塔形直線超聲電機。分析了非對稱塔形直線超聲電機的工作原理，為非對稱定子結構這一類直線超聲電機的深化研究和工程設計提供了

6、理論依據(jù)。
　　5、根據(jù)工作模態(tài)控制解耦塔形直線超聲電機和非對稱塔形直線超聲電機的特性，分別為這兩種超聲電機設計了四種工作模式:共振連續(xù)運行模式、非共振連續(xù)模式、共振和非共振狀態(tài)步進運行模式;通過四種工作模式的組合，建立實現(xiàn)大行程微納米級精度的定位方法。實驗表明，兩種超聲電機在共振連續(xù)運行模式可以實現(xiàn)高速穩(wěn)定運行、在非共振連續(xù)運行模式可以實現(xiàn)低速穩(wěn)定運行、在共振和非共振狀態(tài)步進運行模式可以穩(wěn)定實現(xiàn)納米級（＜100nm）微步距;因此

7、四種工作模式的組合應用可以充分發(fā)揮這兩種塔形直線超聲電機在精確定位方面的潛力。這種思路可推廣運用到其它類型的直線超聲電機上。
　　6、根據(jù)定子的振動能與能量閾值的關系對超聲電機的瞬態(tài)特性和“死區(qū)特性”進行了理論研究，得出以下結論:超聲電機的步距取決于超聲電機的瞬態(tài)特性;超聲電機的最小步距取決于超聲電機的“死區(qū)”特性。對模態(tài)控制解耦塔形超聲電機的“死區(qū)”特性進行了實驗研究，用實驗證實了“死區(qū)速度”的存在，進而證明了超聲電機的最小步距