旋转行波超声电机的设计与工艺

1目录1.前言1.1概述………………………………………………………………………（01）1.1.1超声电机的定义………………………………………………………（01）1.1.2超声电机的特点………………………………………………………（01）1.1.3超声电机的应用………………………………………………………（03）1.2超声电机技术的发展及其研究意义……………………………………（04）1.2.1超声电机的发展过程…………………………………………………（05）1.2.2研究超声电机的意义…………………………………………………（08）1.3超声电机的分类…………………………………………………………（08）1.4本文主要研究的方向和内容安排………………………………………（08）2.旋转行波超声电机的工作原理2.1引言………………………………………………………………………（10）2.2旋转行波超声电机的工作原理及其结构………………………………（10）2.2.1旋转行波超声电机的工作原理………………………………………（10）2.2.2旋转行波超声电机的结构……………………………………………（11）2.3旋转行波超声电机的运动机理分析……………………………………（11）2.3.1压电陶瓷与压电振子…………………………………………………（11）2.3.2压电陶瓷的极化配电装置……………………………………………（13）2.3.3弯曲驻波的产生过程…………………………………………………（14）2.3.4弯曲行波的产生过程和运动分析……………………………………（16）2.4超声电机定子表面质点的运动分析……………………………………（18）2.5本章小结…………………………………………………………………（20）3.超声电机的定子模态分析计算3.1引言………………………………………………………………………（21）3.2定子固有频率的理论计算………………………………………………（21）3.2.1共振频率的计算………………………………………………………（21）3.2.2共振振幅的计算………………………………………………………（23）3.3定子建模与计算…………………………………………………………（25）3.3.1ANSYS简介……………………………………………………………（25）23.3.2定子建模………………………………………………………………（25）3.3.3定子的ANSYS分析……………………………………………………（27）3.4本章小结…………………………………………………………………（29）4.旋转行波超声电机的结构设计4.1引言………………………………………………………………………（30）4.2超声电机的设计流程……………………………………………………（31）4.3定子的结构设计…………………………………………………………（31）4.3.1定子内外径的选择……………………………………………………（32）4.3.2振动模态的设计与模态阶数的选择…………………………………（32）4.3.3定子厚度的确定………………………………………………………（33）4.3.4定子齿的设计…………………………………………………………（33）4.3.5定子内支撑板设计……………………………………………………（34）4.3.6粘结层对定子振动特性的影响………………………………………（34）4.4转子的设计………………………………………………………………（34）4.5摩擦层的设计……………………………………………………………（35）4.6超声电机的设计结果……………………………………………………（36）4.7板式旋转行波超声电机的装配结构……………………………………（37）4.8本章小结…………………………………………………………………（39）5.定子的机加工工艺设计5.1分析零件的作用…………………………………………………………（40）5.2加工对象材料分析………………………………………………………（40）5.2.1定子材料………………………………………………………………（40）5.2.2QSn6.5—0.4的性能和用途…………………………………………（40）5.3零件的技术要求…………………………………………………………（41）5.3.1工艺要求………………………………………………………………（41）5.3.2技术依据………………………………………………………………（41）5.3.3生成类型的确定………………………………………………………（41）5.4制定定子的工艺路线……………………………………………………（41）5.4.1工艺路线方案一………………………………………………………（42）5.4.2工艺路线方案二………………………………………………………（42）35.4.3工艺路线方案三………………………………………………………（43）5.5确定切削用量……………………………………………………………（43）5.6刀具的选用………………………………………………………………（44）6.全文总结…………………………………………………………………（46）致谢……………………………………………………………………………（47）参考文献………………………………………………………………………（48）附录……………………………………………………………………………（49）南昌航空大学科技学院学士学位论文11.前言1.1概述1.1.1超声电机的定义超声电机也称为超声马达，是利用电能产生超声振动来获得驱动力，通过摩擦耦合将驱动力转化成转子或滑块的运动，根据ToshiikuSashida（指田年生）的定义：超声马达是一种利用在超声波频率范围内的机械振动作为驱动源的驱动器。其英文名字为Ultrasonicmotor，简称USM。1.1.2超声电机的特点超声电机（USM）是一种新型的直接驱动型微型电机，相对于传统的电磁电机而言，其原理完全不同。从而在实际使用过程中，超声电机具有很多不同于传统电磁电机的特性。主要的区别在以下几个方面：能量转换过程传统电磁电机的定子和转子都是刚体结构，两者之间存在空隙，没有物理接触。一般而言，输入电源功率由流经定子或者转子的线圈的电流产生气隙磁场，磁场再将力施加到转子上，从而获得机械功率的输出。由此可知，传统电磁电机的电能转化为机械能的能量转换过程是通过电磁感应实现的。当不考虑定转子中磁性材料的饱和和磁滞，能量转化过程是线性可逆的，能够反过来产生电能。超声电机及的定转子是直接接触，靠摩擦驱动。通常，在超声电机的定子上都黏结有压电陶瓷元件，对压电陶瓷元件上施加交变电压，能够激发出定子弹性体的机械振动，此振动通过定子与转子之间的接触摩擦转化为转子的定向运动。由此可知，在超声电机中存在两个能量转换过程。一个是压电陶瓷和定子之间的机电能量转换，它是通过逆压电效应实现的，另外一个是定子与转子之间的机械能量的转换，它是通过摩擦耦合实现的。当忽略压电陶瓷和弹性材料的滞后效应，定子的自由振动和压电陶瓷机电能量转换也是线性可逆的，反过来也能产生电能。机械特性和效率电磁电机的一种典型类型是直流（DC）电机，其转矩—转速和效率—转速曲线如图1.1(a)所示。USM的转矩—转速和效率—转矩曲线如图1.1(b)所示。对比两者的机械特性曲线和效率曲线，不难得出如下结论：USM具有类似于DC电机的机械特性，DC电机的最大效率在小转矩、大转速（接近空载速度）附近，而USM的最大南昌航空大学科技学院学士学位论文2(a)DC电机转矩/效率—速度曲线(b)USM电机转矩/效率—速度曲线图1.1DC电机和USM电机的转矩阵—速度曲线效率是在低速、大转矩附近。换句话说，DC适合于高速运转，而USM适合于低速运转。响应特性电机能否用于定位控制系统在很大程度上取决于电机启停时的瞬态响应特性。应用闭环位置和速度反馈能够将定位最终控制在纳米级精度范围内，但是响应时间和频率限制却取决于电机和传动机构的动态特性，一般是由输出转矩和转动惯量表示的。电磁电机具有转速高、转矩小、转子惯量大等特点，响应时间常大于10ms，且会随着减速箱的增加而增大。由于响应慢，电机启停角度很大，通常是转动的一部分。USM具有转矩大、空载转速低、转子惯量小等特点，响应时间常小于1ms。快速响应需要以100KHz或更高的频率采样的电机才能获取减速过程。在这些瞬态运动中，转子位置以0.01度的数量级变化，这个小角度就能解释USM在闭环控制中实现几个纳米的分辨率。快速响应性极大地增加了闭环系统的稳定性，使得定位调整频率高达1KHz，而传统的电磁电机仅能达到100Hz左右。通过以上的分析可以知道超声电机与传统电机的区别。作为一个新的技术，有其特有的性能：低速、大转矩；无电磁噪声、电磁兼容性好；动态响应快、控制性能好；断电自锁；运行无噪音；微位移特性；南昌航空大学科技学院学士学位论文3结构简单，设计形式灵活、自由度大，易实现小型化和多样化；易实现工业自动化流水线生产；耐低温、真空，适合太空环境。超声电机经过半个世纪的发展，在众多科学家的努力，完成了从理论到实际应用的转变。超声电机具有以上优良特性，但由于工作机理及其他方面的原因，超声电机存在一些不足，主要表现在以下五个方面：目前超声电机的寿命相对较短；随着环境温度和自身工作温度的升高，压电陶瓷的物理特性会发生一定的变化，从而会导致电机的参数发生一定漂移，致使电机的性能出现一定改变；需要专门设计两相驱动电源进行驱动且对电源有特定的要求，这就使得超声电机的驱动电路较之传统电机要复杂得多，另外，较大尺寸驱动电源也限制了超声电机在某些领域中的应用；超声电机的速度与控制变量间呈现较强的时变非线性关系，这给超声电机的控制带来了不少困难；价格仍比较贵。必须指出的是，虽然超声电机存在一些不尽人意之处，但其卓越的性能是传统电机所无法比拟的。同时，上述的某些所谓的缺点或不足也并非超声电机固有的，随着超声电机研究的不断深入，其中的一些缺点将逐渐地被克服掉，比如现今的旋转型行波电机与早期的相比其寿命已有成倍的提高，完全可以满足一般工程应用中长时间工作的要求；驱动电源的微型化方面也已取得了实质性的突破；超声电机的频率跟踪技术已能保证行波超声电机在长时间内连续稳定运转。因此在研究与应用超声电机时，都必须设法充分发挥其优点，同时尽可能避免或弥补其不足，做到取长补短。1.1.3超声电机的应用因为超声电机有别于传统电磁电机，并且具有优良的性能。如结构简单、体积小、无电磁干扰、定位精度高等。因为这些优良性能，超声电机被认为在机器人、计算机、汽车、航空航天、精密仪器仪表、伺服控制等领域有广阔的应用前景，现在有些领域已经得到成功的应用。1.照相机调焦；1987年，日本的佳能公司（Canon）把超声电机应用于EOS系列照相机的配用的EF50mmF1.0L、EF300mmF2.8L、EF28~80mmF2.8L~4L等镜头中。其后，其他照相机制造商也纷纷加入研究超声电机在照相调焦的应用，如尼康(Nikon)等。使用超声电机的镜头有静音、定位精度高、调焦时间短、无齿轮减速机构等特点，南昌航空大学科技学院学士学位论文4所以其结构简单，重量轻。2.太空人机器人中的应用；太空机器人对电机有着特别的要求，即轻重量、大转矩、能在超低温环境下正常工作等。美国国家航空宇航局（NASA）属下的喷气推进实验室（Jetpropulsionlaboratory）开发出的环形行波超声电机用于太空行走微型机器人的微型仪器机械臂（MIA-MicroInstrumentArm）和微型桅杆式机械臂（MMA-MicroMastArm）等。3.精密定位装置和随动系统中的应用；因为超声电机具有定位精度高、断电自锁的特点，所以还可以用于精密定位装置，如坐标平台的驱动源。其启停响应快的特点很适合随动系统，如在导弹导引头装置中应用。4.民用装置中应