纵弯复合型多自由度超声电机的研究

论文摘要

超声电机(USM)是近年来发展起来的一种新型驱动器,其结构简单、功率密度大、低速大转矩、定位精度高、响应速度快、断电自锁及无电磁干扰的特点,使得它能在众多领域得到发展和应用。特别是多自由度超声电机结构灵活、运动形式多样的特点,可满足仿生运动球形关节、机器人眼球和柔性关节以及月球登陆车等领域对多自由度驱动器的需求。目前国内外对多自由度超声电机的研究和应用尚属探索阶段,大多采用几个振子单方向独立驱动合成,振子间驱动作用存在相互阻碍和干扰,导致电机输出特性不够理想。本课题的研究,可以为单振子多自由度超声电机的研究提供新的思路,奠定理论基础,拓宽超声电机应用领域。本文以驱动足作为研究对象,建立多自由度刚体驱动足驱动轨迹解析模型,对其振动输入方式进行分析,得到三类输出转子转动轴,实现驱动足的多自由度驱动。提出十字正交聚能器结构,以及以此为基础延伸的多自由度纵弯复合型驱动器结构,为研制单驱动足多自由度超声电机奠定了基础。采用有限元分析软件ANSYS 9.0,在刚体驱动足驱动轨迹解析模型的指导下,针对材质为硬铝驱动足进行振动形态仿真,建立了三类输出转子转动轴情况下典型驱动质点驱动轨迹图谱,对比分析各情况驱动效果一致性。对驱动器结构参数进行综合分析,得到各参数对各振动模态特征频率的影响趋势,进行纵弯模态特征频率简并。对简并后的驱动器进行瞬态响应分析及谐响应分析,在机电耦合状态下,研究驱动质点驱动效果一致性。根据驱动器振动模态特征频率简并及有限元分析的结果,研制了一种基于单驱动足纵弯换能器驱动的多自由度超声电机,该电机结构紧凑、驱动简单、控制性能好。对样机进行了实验研究及性能测试,验证了纵弯复合型多自由度超声电机理论分析与仿真研究的正确性和可靠性。样机机械输出特性指标分别为:绕X、Y轴旋转,输出最大转距0.97N·m,最高转速11r/min;绕Z轴旋转,输出最大转距0.27N·m,最高转速66r/min;转子轴位于平面YOZ内,最高转速8.1r/min。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 超声电机的分类及特点
• 1.2.1 超声电机分类
• 1.2.2 超声电机的特点及应用
• 1.3 超声电机国内外研究现状
• 1.4 多自由度超声电机研究现状
• 1.4.1 国外多自由度超声电机研究现状
• 1.4.2 国内多自由度超声电机研究现状
• 1.5 多自由度超声电机存在的问题
• 1.6 本课题的研究目标和研究内容
• 第2章 多自由度驱动器驱动机理及结构研究
• 2.1 引言
• 2.2 多自由度驱动足驱动轨迹解析模型
• 2.3 驱动足驱动轨迹的振动输入方式分析
• 2.3.1 幅值为零情况分析
• 2.3.2 相位差为nπ情况分析
• 2.3.3 各向幅值不为零且相位差不为nπ情况分析
• 2.4 纵弯复合型多自由度驱动器结构提出
• 2.4.1 十字正交聚能器结构
• 2.4.2 多自由度超声电机驱动器结构
• 2.4.3 换能器材料的选择
• 2.5 本章小结
• 第3章 多自由度驱动足振动形态分析
• 3.1 引言
• 3.2 驱动足有限元模型的建立
• 3.3 驱动足不同驱动情况仿真与分析
• 3.3.1 转子转动轴为X、Y、Z 轴
• 3.3.2 转子转动轴位于平面XOY、XOZ、YOZ 内
• 3.3.3 转子转动轴为空间任意轴
• 3.4 本章小结
• 第4章 纵弯复合型多自由度超声电机有限元分析
• 4.1 引言
• 4.2 超声电机有限元建模
• 4.3 振动模态特征频率简并
• 4.4 瞬态响应分析及谐响应分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 纵弯复合型多自由度超声电机实验分析
• 5.1 引言
• 5.2 纵弯复合型多自由度超声电机实验装置建立
• 5.3 驱动器阻抗特性测试
• 5.4 电机性能测试
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢