基于平面內(nèi)應(yīng)變的三自由度超聲波電機(jī)研究.pdf

1、多自由度致動(dòng)器是一種全新概念的致動(dòng)器，其轉(zhuǎn)子可以產(chǎn)生兩個(gè)以上自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)，提供了一種新型多自由度運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)方法，可以代替目前廣泛使用的多自由度運(yùn)動(dòng)致動(dòng)方法一由復(fù)雜機(jī)構(gòu)與多個(gè)電機(jī)構(gòu)成的機(jī)械系統(tǒng)。采用多自由度致動(dòng)器可以有效的減小設(shè)備體積、降低設(shè)備重量并簡(jiǎn)化運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解求解過(guò)程等。多自由度超聲波電機(jī)是利用超聲波電機(jī)原理來(lái)實(shí)現(xiàn)的多自由度運(yùn)動(dòng)的致動(dòng)器，除具有多自由度致動(dòng)器所具有的優(yōu)點(diǎn)外，還具有超聲波電機(jī)所特有的結(jié)構(gòu)緊湊、低速時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩大、靜態(tài)保持力矩

2、大、無(wú)電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)。本文研究面向微小型機(jī)器人應(yīng)用的新型三自由度超聲波電機(jī)，重點(diǎn)研究電機(jī)在實(shí)現(xiàn)多自由度運(yùn)動(dòng)過(guò)程中兩個(gè)重要的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程。
　　通過(guò)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(jī)。該電機(jī)利用壓電陶瓷的d31效應(yīng)在定子內(nèi)實(shí)現(xiàn)固有頻率接近、振動(dòng)方向垂直的一階伸縮振動(dòng)模態(tài)和兩個(gè)平面內(nèi)二階彎曲振動(dòng)模態(tài)，通過(guò)伸縮振動(dòng)與彎曲振動(dòng)的疊加實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子繞X軸和Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)；以90。相位差同時(shí)激勵(lì)兩個(gè)平面內(nèi)一階彎曲振動(dòng)模態(tài)，

3、實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。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(jī)相比，該電機(jī)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單、更易于加工以及實(shí)現(xiàn)微型化。采用育限元軟件ANSYS建立了電機(jī)的模型，對(duì)電機(jī)進(jìn)行了分析、設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)樣機(jī)。
　　電機(jī)的電一動(dòng)致動(dòng)特性體現(xiàn)了電機(jī)將交變激勵(lì)信號(hào)的電能轉(zhuǎn)換為定子質(zhì)點(diǎn)微小振動(dòng)的機(jī)械能的能力。而通過(guò)求取定子在外部激勵(lì)信號(hào)作用下的響應(yīng)能夠確定定子末端質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)與激勵(lì)信號(hào)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(lì)信號(hào)作用下的運(yùn)動(dòng)方程，得到了定子受迫振動(dòng)的解析解，并將其用于定子末端接觸圓上質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡分析，從理論上對(duì)所提出的三自由度超聲波電機(jī)的運(yùn)行機(jī)理進(jìn)行了分析。
　　電機(jī)通過(guò)定子與轉(zhuǎn)子間的摩擦接觸將定子質(zhì)點(diǎn)微小振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子宏觀(guān)轉(zhuǎn)動(dòng)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(diǎn)接觸模型的基礎(chǔ)上，得到了接觸圓上各點(diǎn)所受的法向力、摩擦力、粘彈力等。然

5、后，綜合考慮了接觸過(guò)程中出現(xiàn)的滑動(dòng)與粘滯，建立了電機(jī)的力傳遞模型。通過(guò)對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算仿真，得到了電機(jī)的機(jī)械特性曲線(xiàn)、預(yù)測(cè)了電機(jī)的輸出性能以及分析了各參數(shù)對(duì)電機(jī)性能的影響。
　　為全面測(cè)試新型三自由度超聲波電機(jī)樣機(jī)的性能為其設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)電路并建立實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)電路基于直接數(shù)字頻率合成囂(DDS)原理，利用在FPGA元件實(shí)現(xiàn)的DDS陣列產(chǎn)生四路正弦激勵(lì)信號(hào)，并采用高壓運(yùn)算放大器進(jìn)行功率放大，從而實(shí)現(xiàn)各路驅(qū)動(dòng)信號(hào)幅值和頻率及驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間的