基于平面內(nèi)應(yīng)變的三自由度超聲波電機研究.pdf

1、多自由度致動器是一種全新概念的致動器，其轉(zhuǎn)子可以產(chǎn)生兩個以上自由度的轉(zhuǎn)動，提供了一種新型多自由度運動驅(qū)動方法，可以代替目前廣泛使用的多自由度運動致動方法一由復(fù)雜機構(gòu)與多個電機構(gòu)成的機械系統(tǒng)。采用多自由度致動器可以有效的減小設(shè)備體積、降低設(shè)備重量并簡化運動學(xué)逆解求解過程等。多自由度超聲波電機是利用超聲波電機原理來實現(xiàn)的多自由度運動的致動器，除具有多自由度致動器所具有的優(yōu)點外，還具有超聲波電機所特有的結(jié)構(gòu)緊湊、低速時輸出轉(zhuǎn)矩大、靜態(tài)保持力矩

2、大、無電磁干擾等優(yōu)點。本文研究面向微小型機器人應(yīng)用的新型三自由度超聲波電機，重點研究電機在實現(xiàn)多自由度運動過程中兩個重要的能量轉(zhuǎn)換過程。
　　通過結(jié)構(gòu)形式分析比較，提出了一種基于平面內(nèi)應(yīng)變的三自由度超聲波電機。該電機利用壓電陶瓷的d31效應(yīng)在定子內(nèi)實現(xiàn)固有頻率接近、振動方向垂直的一階伸縮振動模態(tài)和兩個平面內(nèi)二階彎曲振動模態(tài)，通過伸縮振動與彎曲振動的疊加實現(xiàn)了轉(zhuǎn)子繞X軸和Y軸的轉(zhuǎn)動；以90。相位差同時激勵兩個平面內(nèi)一階彎曲振動模態(tài)，

3、實現(xiàn)了轉(zhuǎn)子繞Z軸的轉(zhuǎn)動。同傳統(tǒng)的采用壓電陶瓷d33效應(yīng)的多自由度超聲波電機相比，該電機結(jié)構(gòu)更加簡單、更易于加工以及實現(xiàn)微型化。采用育限元軟件ANSYS建立了電機的模型，對電機進(jìn)行了分析、設(shè)計，實現(xiàn)了電機樣機。
　　電機的電一動致動特性體現(xiàn)了電機將交變激勵信號的電能轉(zhuǎn)換為定子質(zhì)點微小振動的機械能的能力。而通過求取定子在外部激勵信號作用下的響應(yīng)能夠確定定子末端質(zhì)點運動與激勵信號之間的關(guān)系，因此本文在經(jīng)典層合板理論以及Euler-Ber

4、noulli梁理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合壓電方程建立定子在激勵信號作用下的運動方程，得到了定子受迫振動的解析解，并將其用于定子末端接觸圓上質(zhì)點運動軌跡分析，從理論上對所提出的三自由度超聲波電機的運行機理進(jìn)行了分析。
　　電機通過定子與轉(zhuǎn)子間的摩擦接觸將定子質(zhì)點微小振動能量轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子宏觀轉(zhuǎn)動能量。本文將定子與轉(zhuǎn)子間的接觸圓進(jìn)行離散化，分析了定子與轉(zhuǎn)子間的摩擦接觸。在三維點接觸模型的基礎(chǔ)上，得到了接觸圓上各點所受的法向力、摩擦力、粘彈力等。然

5、后，綜合考慮了接觸過程中出現(xiàn)的滑動與粘滯，建立了電機的力傳遞模型。通過對模型進(jìn)行計算仿真，得到了電機的機械特性曲線、預(yù)測了電機的輸出性能以及分析了各參數(shù)對電機性能的影響。
　　為全面測試新型三自由度超聲波電機樣機的性能為其設(shè)計了驅(qū)動電路并建立實驗系統(tǒng)。驅(qū)動電路基于直接數(shù)字頻率合成囂(DDS)原理，利用在FPGA元件實現(xiàn)的DDS陣列產(chǎn)生四路正弦激勵信號，并采用高壓運算放大器進(jìn)行功率放大，從而實現(xiàn)各路驅(qū)動信號幅值和頻率及驅(qū)動信號之間的