多自由度关节直接驱动系统的建模与仿真分析

论文摘要

多自由度关节直接驱动系统是近几年来发展的一种新型的多自由度超声电机,它主要由定子、转子以及激励电源等部件所组成,把交变电压加在压电陶瓷上可以在定子表面产生超声振动,通过定子与转子之间的摩擦力驱动转子运动。与一般电磁电机相比,多自由度关节直接驱动系统的主要特点有:(1)大力矩低转速,不需减速机构。(2)能量密度大,可达电磁电机的3～10倍。(3)响应速度快。(4)定位精度高。(5)无电磁干扰。(6)因为靠摩擦驱动,具有自锁功能。所以,多自由度关节直接驱动系统是一种很有前途的多自由度超声电机,是新型电机的一个发展趋势。本文以圆柱定子三自由度驱动系统为例,从原始振动轨迹出发,运用振动理论,得出最基本的单相激励的振动方程,在此基础上应用几何学,运动学原理,对激励频率相同,激励电压和激励的初相位各不相同的电信号引起的各单相振动进行合成,推导出该驱动系统在激励时的轨迹运动方程,以此轨迹运动方程为基础,用ansys有限元软件对其进行有限元建模,通过分析定子的振动模态,得出定子有两个正交的较接近的弯曲模态,最后再对模型进行仿真分析,输出研究的结果。本课题所研究的多自由度关节直接驱动系统涉及到振动学、波动学、摩擦学、电力电子学、现代控制技术等众多领域,对它的研究可使我国的新型电机的理论、设计、制造、控制上一个新的台阶,社会效益显著,经济效益巨大,填补国内在此方面的空白,具有十分重要的理论意义和实用价值。

论文目录

• 摘要
• Summary
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 多自由度关节直接驱动系统在国内外的研究、发展状况
• 1.2.1 多自由度关节直接驱动系统在国外的研究及发展状况
• 1.2.2 多自由度关节直接驱动系统在国内的研究及发展状况
• 1.3 本文研究的课题来源、内容及意义
• 1.4 本章小节
• 第二章 多自由度关节直接驱动系统的结构、主要特点及其应用
• 2.1 多自由度关节直接驱动系统简介
• 2.2 多自由度关节直接驱动系统的种类介绍
• 2.2.1 行波型驱动系统
• 2.2.2 驻波型驱动系统
• 2.2.3 混合型驱动系统
• 2.3 多自由度关节直接驱动系统的主要特点
• 2.4 多自由度关节直接驱动系统的主要应用
• 2.5 本章小节
• 第三章 多自由度关节直接驱动系统的基础理论及动态特性
• 3.1 压电陶瓷的压电效应
• 3.1.1 压电效应的简介
• 3.1.2 压电效应的相关参数
• 3.1.3 压电方程式
• 3.2 波动现象
• 3.2.1 波动现象
• 3.2.2 波动方程式
• 3.3 多自由度关节直接驱动系统的动态特性分析
• 3.4 本章小节
• 第四章 ANSYS有限元软件在压电材料上的应用
• 4.1 有限元概论
• 4.1.1 有限元简介
• 4.1.2 有限单元法的基本原理和基本思路
• 4.2 大型通用有限元软件ANSYS的简介
• 4.3 ANSYS软件各模块介绍
• 4.3.1 前处理模块PREP7
• 4.3.2 求解模块SOLUTION
• 4.3.3 后处理模块POST1和POST26
• 4.4 ANSYS的基本使用
• 4.4.1 有限元法的基本架构
• 4.4.2 有限元分析的基本流程
• 4.5 ANSYS有限元软件在压电材料上的应用
• 4.5.1 压电材料有限元模型的建立
• 4.5.2 利用ANSYS对压电陶瓷片进行分析求解及后处理
• 4.5.3 不同内径大小压电陶瓷片的分析比较
• 4.6 本章小节
• 第五章 多自由度关节直接驱动系统的建模仿真分析
• 5.1 多自由度关节直接驱动系统定子的建模
• 5.1.1 多自由度关节直接驱动系统定子有限元模型的前处理
• 5.1.2 多自由度关节直接驱动系统定子的模态求解分析
• 5.1.3 多自由度关节直接驱动系统定子的运动机理
• 5.2 多自由度关节直接驱动系统定子模态运动的合成
• 5.3 定子有限元模型模态合成结果分析
• 5.4 本章小节
• 第六章 全文总结及未来研究方向
• 致谢
• 参考文献
• 附录