摇头型超声电机在国内外的发展

文章从原理上对摇头型超声电机进行了阐述和分类，并介绍了摇头型超声电机在国内外的最新发展动态。     

关节独立五指灵巧手指的耦合运动规划

利用超声电机低速和大转矩的特性设计了由其驱动的五指灵巧手,传动方式采用的是腱传动方式,每个手指均有4个自由度和4个关节,即其手指具有相互独立的关节,从而可以使手指末端两个关节的运动完全依照人手的二次运动方程耦合关系进行运动规划。然而这种关节运动耦合关系会导致在求运动学反解时某些关节角得不到解析解,于是采用数值迭代法,获得了相应的数值解;进而获得了灵巧手的单指运动空间,并通过ADAMS仿真验证了算法的正确性。     

圆柱形三自由度超声电机输出性能的仿真设计

研制了一种基于两个二阶弯振模态和一个一阶纵振模态的圆柱形三自由度超声电机.其定子的长度、直径和质量分别为20 mm,56 mm和130 g;转子直径为25 mm;转子绕X、Y和z-轴的空载转速分别为33、35和66 r·min-1,堵转矩分别为24.8、36.6和30.2 mN·m.根据圆柱形三自由度超声电机的结构和工作原理,建立了它的输出性能仿真数学模型.用有限元方法对定子进行结构动力学分析,得到定子上各驱动点的工作频率和工作振幅,计算驱动点的位移和速度;假设定子和转子是弹性接触的,即定、转子之间的接触点由一系列弹簧相连接,根据定、转子的相对运动和胡克定理,计算出每个接触弹簧的变形和弹性力;计算定、转子之间的摩擦力;进而计算出电机的输出力矩、功率损失和驱动效率.根据所建立的数学模型,用MATLAB软件编制了仿真设计程序,计算出电机的输出性能,并与实验结果进行了比较和分析.实验显示,当输出转矩较小时,仿真结果与实验结果符合良好;随着输出转矩的增加,二者之间的误差逐渐增大,而且实验值小于仿真值.结果表明,实际输出性能的下降是由定、转子之间的打滑造成的.电机输出性能仿真的实现,将为电机的性能预估和优化设计打下理论基础.     

行波超声电机定子的非线性振动

分析了超声电机定、转子间接触力的非线性特性引起的旋转型行波超声电机(TWUM)定子的非线性振动,以此为基础,建立了TWUM定子的非线性振动模型,并用KBM法求解了该模型.求解结果表明,定子的振动是非线性的,且会产生非线性的跳跃和迟滞现象,定子的非线性振动还会使TWUM输出的堵转力矩也出现跳跃现象.基于实验测得的TRUM空载转速的跳跃对定子的非线性振动进行了验证.在此基础上,对影响定、转子间接触力的几个因素进行了分析.分析结果表明,定子上的激励电压越高,施加在定、转子间的预压力越小,定、转子间相对滑动的摩擦系数越小;定子齿越短,摩擦材料越软,定子振动的非线性现象就越不明显,TWUM的运行稳定性就越好,TWUM的工作频带也就越宽.     

弯曲振动模态下近场悬浮力问题

为解决弯曲振动模态下求解近场悬浮力问题时表面振幅不一致的情况及忽略惯性力影响的问题,该文提出对在任意拉格朗日-欧拉法(ALE)坐标描述下求解挤压膜中的流体控制方程的方法.利用该方法得出悬浮高度与辐射压力的关系,之后对不同质量的悬浮重物进行悬浮实验,将数据结果与理论曲线进行对比,验证了该文中理论和数值分析方法的合理性.     

基于不对称振动模态的毫米级直线超声波电动机的研制

介绍了一款微型直线超声波电动机的研制。该电机利用两个频率不相等的不对称弯振模态工作,可以实现单相驱动和两相驱动。建立了电机定子的运动学模型,分析了在单相、两相驱动下定子驱动质点的运动轨迹,推导出其椭圆运动轨迹方程。利用有限元对在不同频率驱动下定子驱动点的运动轨迹进行了仿真,检验了电机运动机理分析的正确性。制作了微型直线超声波电动机样机,该电机定子的尺寸仅为1.72 mm×1.72 mm×6mm,在驱动频率为131.9 kHz、激励电压为40 V时,电机单相、两相激励时的空载速度分别为3.9 mm/s和4.9 mm/s。     

微喷孔电火花加工电极气动进给系统的设计

针对电火花微喷孔加工微细电极,人工送丝费时、费力、装夹不便等特性,利用气动原理设计开发了气吹电极垂直进给机构,基于FX1N系列PLC,设计开发了微喷孔电火花加工电极气动进给自动控制系统,解决了微喷孔在电火花机床加工电极无法自动进给的难点。加工试验表明,该系统进给速度快,电极夹持效果好,无弯曲可能,加工精度和一致性高。所加工的微喷孔直径小于ϕ0.2 mm,单孔加工精度误差达到2 μm,孔壁内表面粗糙度Ra小于0.6 μm,可满足各种微喷孔加工。     

圆筒型非接触式压电作动器的设计与试验研究

 提出了一种基于超声悬浮和驱动的非接触式压电作动器,该作动器中的转子呈完全悬浮状态。转子的悬浮由兰杰文换能器提供,自身旋转与定位由圆筒型定子提供。通过分别对换能器和定子的压电陶瓷片施加电压,使得换能器悬浮端面激发出一阶弯曲振动模态,而定子激发出两相B(0,3)驻波并合成一高声强行波,进而诱发高声强声场来驱动转子。分别建立了非接触式压电作动器中兰杰文换能器和定子的有限元模型,对换能器和定子进行了分析、设计、扫频以及定频试验,确定了结构方案, 最后加工、制造了样机。搭建了整个样机的测试系统,对其悬浮和驱动特性进行了分析,测得转子转速可达4261r/min。结果表明转子在近声场的作用下成功地实现了完全悬浮式的高速旋转。      

超声电机定子振动分析的模态选择

结构的主动控制通常是通过对结构的少数几个主要模态的控制来实现的.常用的假设模态法可以建立系统的低阶近似运动方程,但很难找到适用于整个系统的假设模态;有限元法的求解精度较高,但得到的动力学方程数目较大,影响系统后续计算分析的效率.本文在超声电机定子振动模态有限元分析的基础上,引入模态选择方法,对结构模态截断,仅保留特定的模态来实现模型降阶.以旋转型行波超声电机定子为例,用APDL实现了从有限元分析结果中自动识别工作模态,提取特定的模态参数和相应等效电路模型的电学参数,仿真计算了定子的机械和电学响应.激光多普勒测振试验得到的定子工作模态频率与假设模态法计算值的相对误差为9.1%,与有限元法计算值的相对误差为0.3%;动力响应的试验值与模态选择法计算值的相对误差为3%.实验结果表明,本文采取的模态参数提取方法是有效的,相比假设模态法能更精确地反映实际自由定子的运动状况.