多自由度超声电机研究的一些新进展

多自由度超声电机是从九十年代初开始研究的、在单自由度超声电机的基础上发展起来的一种新型电机。由于这种电机能提供两个或两个以上自由度的运动，且具有超声电机本身的独特优点，因而有广阔的应用前景。文中列举了几种最新出现的多自由度超声电机，阐述了它们的结构、工作原理和特点，为关注这方面发展动态的同行们提供参考。     

多自由度球形超声电机的发展和应用

综述了国内外多自由度球形超声电机的研究现状及其应用场合,详细介绍了国内外目前已经发展的几种多自由度球形超声电机的结构、原理、性能和特点,针对原有的圆柱－球体三自由度球形超声电机的一些缺点提出了改进的结构方案,并指明了它在今后研究中需要解决的关键技术及其应用前景。     

多自由度超声电机设计与应用研究

设计了一种锥型结构的多自由度超声电机,电机定子采用单足驱动方式,利用四分区的叠层式压电陶瓷作为激励元件,在两路相位差90°的正弦信号激励下,驱动足分别产生沿X-Z平面、Y-Z平面的椭圆运动轨迹,进而驱动电机动子作直线运动。针对多自由度超声电机定子结构及实现2个自由度运动输出的要求,自行设计两自由度平台解决方案。     

圆柱形多自由度超声电机特性的实验研究

从提高驱动效率、改善输出性能的角度出发,研制了一台新结构形式的圆柱形多自由度超声电机,对电机定子的工作模态和电机的输出性能进行了测试.电机定子的模态实验表明,无论是工作频率的一致性、驱动端的振幅,还是压电陶瓷元件与工作振型的相互位置关系,均较好地满足了设计要求.电机输出性能的测试结果表明,电机的输出转速和输出转矩得到显著提高,电机的性能体积比超过国外同类型、同规格的电机.     

圆柱-球体多自由度超声电机设计的若干问题

首先介绍了圆柱 球体多自由度超声电机及其工作原理。在此基础上 ,从实现该种电机的运动和提高其输出性能的角度出发 ,提出了电机的设计要求。分析了振动模态、工作频率、工作振幅、压电元件的位置、安装支座的位置、定转子间的预压力、干扰模态对该种电机性能的影响 ,进而阐明了满足电机设计要求所采取的技术途径。     

单振子二自由度超声电机驱动电源

设计了用于平板形单振子二自由度超声电机的驱动电源,并针对驱动电源电流负荷较大,输出功率利用率不高的问题,提出了优化驱动性能的措施.该电源利用压控振荡器产生正弦小信号,经高压及功率放大后得到较高的驱动电压及较大的驱动电流实现电机驱动.根据压电振子等效电路模型及工作特性,采取与超声电机并联电感的方法优化了电源驱动性能.制作了驱动电源样机,并对输出性能及优化效果进行了测试.测试结果表明:设计的电源驱动电压及频率可独立连续调节,可输出理想的正弦信号波形;在49.127 kHz、49.756 kHz两种频率下,接超声电机负载时,最大输出电压分别为176.0 V及171.2 V;超声电机并联1.442 mH电感后,电源驱动电流可减少至原来的7.27％和7.41％,功率因数可提高至0.968和0.9550.得到的结果显示,设计的电源满足超声电机驱动要求,采取的优化措施在减小电源电流负荷及提高电源输出功率利用率方面效果明显.     

圆柱形多自由度超声电机椭圆倾角和接触角的研究

定子驱动端面形成的椭圆运动是实现超声电机驱动的关键，因而椭圆运动的性质直接影响超声电机的性能。分析了圆柱形多自由度超声电机驱动点的椭圆运动轨迹及其特点。在此基础上给出了椭圆倾角的计算公式，分析了椭圆倾角与接触角之间的关系，得到了最佳接触角。提出了保证最佳接触角的方法。通过实验，分析了接触角对电机输出性能的影响。     

多自由度超声电机优化设计及在x-y平台的应用

为了探索和快速实现多自由度超声电机的设计及应用,提出一种锥型结构的多自由度超声电机。该电机定子采用单足驱动方式,利用四分区的叠层压电陶瓷作为激励元件,分析其产生两维直线运动的驱动机理。利用有限元软件ANSYS对电机建立参数化模型,并导入到多学科优化软件Optimus中进行全局优化求解。优化结果表明,电机多个设计目标都得以实现,最后制作实验样机并成功应用在x-y平台上。     

杆式超声电机频率一致性设计关键问题研究

首先介绍了杆式多自由度超声电机及其工作原理,在此基础上,为提高该种电机其整机动力学输出性能,根据电机振子设计要求,用有限元方法建立了其结构动力学模型并确定了振子结构形式以及压电陶瓷片在杆式超声电机振子中的最佳安放位置;其次基于螺栓联接非线性系统,考虑摩擦、接触等非线性因素对杆式超声电机精确有限元建模。据此设计、制造了杆式超声电机原理样机,实验验证表明很好地满足了电机频率一致性设计。     

圆柱-球体多自由度超声电机定子驱动端面的运动分析与仿真

对圆柱 球体多自由度超声电机定子的驱动端面的运动形式作出了基本假设 ,在已知一个特定驱动点振幅的前提条件下 ,建立起定子上一般驱动点的运动方程。结合在MATLAB环境下对驱动点的运动仿真结果 ,分析了驱动点运动的规律和特点。由于这个特定驱动点的振幅是可计算的和可测量的 ,因而本文提出的电机定子驱动端面的运动分析、仿真方法是定量的 ,这为进一步弄清该种电机的驱动机理、改进和提高电机的性能、实现电机输出性能的仿真设计等提供了有效的依据。     

基于3-RRP并联机构的腕关节设计与分析

针对球面3-RRP并联机构的理论分析不足以致运动学与动力学特性不明确的问题,设计了该构型的具体结构,分析了其运动学传递约束与驱动力矩特性。根据关于位置反解的Panda-Kahan理论,明确了灵活姿态空间与可达姿态空间的分布情况。基于旋量互易积,建立了关节的运动传递与约束能效系数。在此基础上,应用多参数平面模型技术,进一步揭示了参数尺度、姿态空间、性能指标之间的耦合关系,从而确定了参数取值,明晰了优质姿态空间范围和性能指标分布趋势。并基于虚功原理,建立了动力学模型,定性分析了驱动力矩特性。研究结果表明：该腕关节机构兼具机构紧凑、姿态空间大、完全的运动约束性能与优秀的运动传递性能、大负载重量比的特点,符合人体腕关节功能特性。     

基于超声电机的主操作手装置设计

设计了使用连杆机构作为基本骨架结构的主操作手装置,由超声电机作为驱动器,能够测量手指关节弯曲角度,并能提供指尖力反馈。并且采用ADAMS仿真软件,仿真计算出人手指尖所需要额外承受的由主手自重带来的力的大小。同时验证主操作手机械设计的合理性与可行性。     

基于CFD的射流曝气器关键结构参数研究

运用CFD方法对单级单喷嘴自吸式曝气器进行数值模拟,通过改变影响射流曝气器充氧能力的结构参数,获得了射流曝气器内部流场的流态情况,反映了不同结构参数对其充氧能力的影响,并获得了具有较好充氧能力射流曝气器关键结构参数。     

面向直线超声电机定子机电耦合模型的研究

针对所设计的一台驻波型直线超声电机,利用分析动力学的Lagrange方程,采用振型假定法建立定子的机电耦合模型。运用该模型可以计算出该超声电机定子在特定模态下的模态质量、模态刚度等参数。利用ANSYS计算结果对该模型的计算结果进行了验证,并给出了实际电机定子的频率值。结合电机的摩擦模型,可预估出电机的性能,可实现该类型电机的设计、仿真一体化。     

圆柱—球体三自由度超声电机运动机理研究

研制了一种新型的圆柱—球体三自由度超声电机 ,分析了该电机结构 ,推导了电机输出三自由度旋转运动的机理。该电机采用了三组压电陶瓷元件 ,可在定子上单独激出两个在空间上相互垂直的弯曲振动模态和一个纵向振动模态 ,当这些振动模态中任意两个组合时 ,在定子顶部的圆形平面上任一点产生的椭圆运动可驱动转子绕单轴旋转 ,两两组合即可形成对转子三个自由度转动的驱动。样机的实验结果证明了理论分析的正确。本文内容为该电机的进一步研究提供了理论依据。     

螺旋驱动杆式行波型超声电机

设计了一种螺旋驱动杆式行波型超声电机,初步分析了其驱动机理。推导了螺纹牙型角与定子长度以及转子直径三者之间的关系,并以提高螺纹驱动效率为目标函数,确定了电机主要结构尺寸,优化了用于放大振幅的定子凹槽结构。加工制作了样机,并搭建了试验装置,测试了电机的主要性能参数。试验表明：电机实际工作频率为24.5kHz,与仿真结果基本一致;调节相差可实现正反转控制,启停灵敏;在220V驱动电压下,电机最大空载转速为40r/min,堵转轴向力为1.7N。     

基于杆式直线超声电机的微量注射系统

为解决传统步进电机式注射泵尺寸较大且精度不高的问题,采用杆式直线超声电机作为注射系统的驱动元件,并通过调整驱动信号的电压和占空因数对流量进行控制。电机总体尺寸仅为4mm×4mm×15mm,弥补了传统微量注射泵体积过大的缺陷,满足便携式注射泵的需求。在实验中通过调控电压和占空因数,可以精确地控制超声电机注射系统的流速。在没有外加减速机构的情况下,当驱动电压峰峰值为300V、占空因数为100%时,系统流速为61.87μL/s;当驱动电压为200V、占空因数为1%时,超声电机注射系统流速为0.01μL/s,精度高于传统步进电机注射泵的最低流量0.028μL/s。说明杆式直线超声电机注射系统可以通过调整占空因数对流速进行有效的控制,并且在保持性能的前提下,使整体尺寸大幅减小,达到轻便易携的目的。     

功率超声加工关键技术的研究进展

功率超声加工是现代超声技术的重要组成部分,在新型材料加工上有着广阔的应用前景.简要介绍超声加工技术的发展,着重讨论了超声加工技术中超声波电源、超声换能器、变幅杆和工具等关键技术的研究现状,最后结合作者近几年的研究成果,提出超声加工技术的发展趋势.     

傅里叶变换的行波型中空超声电机的系统效率

由于行波型中空超声电机的驱动信号为高压、高频信号,因此,由行波型中空超声电机及其驱动器组成的系统的各级功率与效率不容易获取,这些因素均影响到后续对行波型中空超声电机性能的研究。针对此问题,首先,通过傅里叶变换的方法对超声电机驱动信号进行处理,构建了电机及其驱动系统各级效率的计算方法;然后,通过实验获取了行波型中空超声电机及其驱动器组成的系统的效率,并进一步研究了驱动频率、驱动电压及谐振匹配点对系统效率的影响。实验表明:驱动频率越靠近谐振频率,系统总效率越高;驱动电压越大,系统总效率越高;驱动电路匹配的谐振点远远高于电机机械谐振频率,使得驱动信号频率介于电路谐振频率和机械谐振频率之间时系统的效率最高。