60mm旋轉(zhuǎn)行波超聲電機的設計與工藝開題報告.doc

一、選題的依據(jù)及意義在當今21世紀，隨著電子信息技術的不斷發(fā)展和計算機的廣泛應用?？刂萍夹g同樣也得到迅猛的發(fā)展。在當前的控制技術中，必然有一個實現(xiàn)驅(qū)動和控制的微電機伺服系統(tǒng)，這個系統(tǒng)很大程度上決定了系統(tǒng)整體性能的好與壞。為了使微電機伺服系統(tǒng)達到靈活性、快速性、簡便性控制的要求，多年以來，國內(nèi)外的科技界和工業(yè)界一直致力于研究各種新型微型電機。其中，性能卓越的超聲波電機利用壓電陶瓷逆壓電效應產(chǎn)生超聲振動，并將這種振動通過摩擦耦合來直接驅(qū)動轉(zhuǎn)子和滑塊的旋轉(zhuǎn)。這種直接用于驅(qū)動的電機從20世紀80年代以來就深受世界各國科研工作者的青睞?，F(xiàn)已成為機電控制領域的研究熱點。這種電機打破了傳統(tǒng)的電機概念，不是通過電場的相互作用將電能轉(zhuǎn)換成機械能，沒有電磁繞組和磁路，不以電磁的相互作用傳遞能量。而是利用電能產(chǎn)生超聲振動獲得驅(qū)動力，通過摩擦耦合將動力轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子或滑塊的運動。相對于傳統(tǒng)的電機而言，它慣性小、響應快、可控制性好、不受磁場影響、同時本身也不產(chǎn)生磁場、定位精度高等特點。它還具有重量輕、結(jié)構簡單、效率高、噪音小、低速大轉(zhuǎn)矩、可直接驅(qū)動負載等特性。由于直接驅(qū)動負載，避免了使用齒輪變速而產(chǎn)生的振動噪音、間隙以及低效率、難控制等一些問題。所以說，超聲電機是一種全新的自動控制執(zhí)行元件，也是一種嶄新的傳統(tǒng)的傳動模式，是對傳統(tǒng)電磁驅(qū)動原理的突破和有力的補充。超聲電機可采用不同的振動模式來產(chǎn)生驅(qū)動力，因而可研制出多種不同的超聲電機，包括駐波型、行波型，其中又包括直線型、旋轉(zhuǎn)型、縱向振動型、縱-扭復合型等。而旋轉(zhuǎn)型行波超聲電機是所有類型中結(jié)構較簡單、用途最廣泛的一種，也是最有發(fā)展前景的一種。從超聲電機的發(fā)展歷史來看，在1942年，美國的Williams和Brown就提出了超聲電機的原始思想。1982年，日本科學家指田年生成功研制了行波超聲電機。這標志著超聲電機應用到了實際的生產(chǎn)生活中。經(jīng)過這四十年里的努力，完成了從設想到現(xiàn)實的轉(zhuǎn)變。在當今這個社會，超聲電機的應用涉及到航空、航天、汽車制造、生物工程、化工、醫(yī)學等領域。具體有照相機的鏡頭調(diào)焦、驅(qū)動裝置的精確定位、閥門控制、機器人關節(jié)的驅(qū)動、核磁共振裝置中的應用等方面。正是因為超聲電機的獨特特點，它可廣泛用于機器人、微型機械的驅(qū)動、精密儀器的驅(qū)動、強磁場環(huán)境下設備驅(qū)動裝置等。據(jù)有關專家預測：隨著超聲波電機的卓越性能日益被人們認識和采用，它將在較大程度上替代小型電磁微型電機。同時，超聲波電機的推廣應用和它的驅(qū)動控制技術密不可分的，只有結(jié)合有效的控制方法和控制策略，才能發(fā)揮超聲波電機的卓越性能。對于超聲電機的研究與開發(fā)，將不斷完善電機方面的理論知識和豐富電機的產(chǎn)品的類型，并極大地促進工業(yè)智能化、自動化的發(fā)展。將取代傳統(tǒng)的小型或微型電機。并能夠在上述領域得到廣泛的應用，并促進該領域的技術革新。因此，對超聲電機的研究有著非常重要的科學意義，同時還有廣泛的應用的前景和良好的實用價值。二、國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢（含文獻綜述）超聲波電機是國內(nèi)外日益受到重視的一種新型直接驅(qū)動電機。與傳統(tǒng)的電磁式電機不同，超聲波電機沒有磁極和繞組，不依靠電磁介質(zhì)來傳遞能量，而是利用壓電陶瓷的逆壓電效應，通過各種伸縮振動模式的轉(zhuǎn)換與耦合，將材料的微觀變形通過共振放大和摩擦耦合轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子或者滑塊的宏觀運動。在其研究和發(fā)展過程中，曾有很多不同的命名，如振動電機、壓電電機、聲表面波電機、超聲馬達等，現(xiàn)在國內(nèi)比較常用的稱謂是超聲電機或超聲電機。超聲波電機具有功率密度大、無電磁干擾、低速大轉(zhuǎn)矩、動作響應大、運作無噪聲、無輸入自鎖等卓越特性，在非線形運動領域要比傳統(tǒng)的電磁電機性能優(yōu)越得多。超聲波電機在工業(yè)控制系統(tǒng)、啟齒專用電器、超高精度測量儀器、辦公自動化設備、智能機器人等領域有著十分廣闊的應用前景，近年來備受科技界和工業(yè)街的重視，是當前非連續(xù)驅(qū)動控制領域的一個研究熱點。1.超聲波電機的國外研究日本的超聲波電機及其驅(qū)動控制的產(chǎn)業(yè)化應用處于世界領先的地位，它掌握著世界上大多數(shù)的超聲波電機的制造與控制技術的發(fā)明專利，幾乎所有的知名大學和研究所都在進行研究，如東京大學、東京工業(yè)大學、東京農(nóng)工大學、山形大學等都至少有一個屬于本校的超聲波電機研究小組，或進行理論分析研究、或進行新原理、新結(jié)構的超聲電機的研究、或進行超聲波電機控制專用芯片的集成。日本參與研發(fā)、商業(yè)制造及銷售的大公司更多，如佳能公司、新生公司、本多公司、松下公司、美能達公司、尼康公司精工和NEC公司等。近10年，日本的超聲波電機進入了實用化的商業(yè)應用階段。由于日本在超聲波電機及驅(qū)動控制領域所獲得的極大成功和較高的商業(yè)利潤，美、英、法、德等國不甘落后，緊隨日本之后，各自在相關的超聲波電機及其驅(qū)動控制、新結(jié)構、新原理、新的應用領域等方面取的了一定的研究成果。美國的密蘇里大學（Missour-Rolla）主要從事電機工作時定子與轉(zhuǎn)子之間的接觸模型以及接觸力對電機壽命影響的研究，并同AlliedSignalAerospace公司合作進行行波超聲波電機加工工藝及其控制技術的研究。MIT的航空航天系和人工智能中心研制出直徑僅為2mm的超聲馬達，還開發(fā)了具有雙齒面的行波型超聲馬達。同時與美國國家航空宇航局（NASA）的噴氣推進實驗室、材料研究室共同研究開發(fā)了用于火星探測器操作臂關節(jié)驅(qū)動的大力矩超聲波電機。英國的伯明翰大學（Birmingham）主要從事基于“諧波齒”理論的超聲波電機的研究，以及實現(xiàn)超聲波電機高精度的定位控制、探索開環(huán)的可控性等研究。德國Paderborn大學的J.Wallaschek所領導的科研小組主要從事超聲波電機振動分析和動態(tài)接觸等方面的研究，如：線性、旋轉(zhuǎn)行波電機的振動分析和動態(tài)接觸問題，電機的線性和非線性振動穩(wěn)定性問題，電機運動的控制問題，復合材料的動態(tài)特性以及結(jié)構的阻抗匹配研究等。法國的CedratRecherche研究所借助光學干涉儀及電測量的方法，對所研究的線性電機定子的切線振動位移、法線位移、切線振動速度、法線力因子做了系統(tǒng)的測試和評估。另外，還有許多國家陸續(xù)參與到研究超聲波電機及其驅(qū)動控制技術的研究中來。但是，目前大多數(shù)其他國家主要側(cè)重于驅(qū)動控制技術的研究和實際應用。2.超聲波電機國內(nèi)得研究現(xiàn)狀國外超聲波電機獲得成功應用被多次報道，因而在20世紀的80年代末期到90年代的初獲得我國科學工作者得關注。雖然我國超聲波電機及其驅(qū)動控制技術得研究起步較晚，但發(fā)展迅速。19861990年間，四川壓電與聲光技術研究所得劉大春、劉一聲等人將日本得有關超聲波電機得研究情況陸續(xù)介紹到國內(nèi)。進入20世紀90年代以來，隨著國內(nèi)得科研人員從國外學成回國，國內(nèi)的超聲波電機得試制工作逐步進入正軌，國內(nèi)除了東南大學外，有多個高校加入到超聲波電機的研究行列，主要有清華大學、南京航空航天大學、浙江大學、哈爾濱工業(yè)大學等國內(nèi)著名高校，還有中科院、電子工業(yè)部21所、長春光機所等科研院所，對典型的幾種超聲波電機的運行原理、數(shù)學建模、仿真計算、樣機制作、驅(qū)動技術及惡劣測試等進行研究，并取得一大批的研究成果?，F(xiàn)在國內(nèi)有壓電與聲光、現(xiàn)代科技譯叢、國際科技消息、微電機等刊物介紹超聲波電機。東南大學研制的系列行波型、步進型和柱狀夾心式超聲波電機樣機水平已接近使用要求，直徑為100的均壓行超聲波電機及超聲波電機多功能驅(qū)動控制裝置分別獲得國家專利；南京航天航空大學研制出多種結(jié)構型式的樣機，如環(huán)形行波型超聲波電機、雙面齒型、圓板型、駐波型超聲波電機；清華大學則研究了目前國內(nèi)直徑最?。?）的超聲波電機，有望在心臟的微循環(huán)系統(tǒng)中應用，環(huán)形中空用超聲波電機的樣機已進行優(yōu)化設計；浙江大學研制了大力矩和高重復定位精度的縱扭復合型超聲波電機；華中科技大學研制了大扭矩行波型超聲波電機并對轉(zhuǎn)子尺寸和形狀對輸出功率和輸入轉(zhuǎn)矩得影響作了深入的研究。國內(nèi)所研制的超聲波電機已接近實用要求并渴望逐步實現(xiàn)批量生產(chǎn)，有些擬用于軍工的導彈引導裝置，有些電機的產(chǎn)業(yè)化應用前景被國內(nèi)大型企業(yè)和傳統(tǒng)電機生產(chǎn)廠家看好。三、研究內(nèi)容設計一臺直徑為60mm的板式旋轉(zhuǎn)行波超聲電機，要求(1)定子外徑為60mm，工作振動模態(tài)為B09，模態(tài)頻率在413kHz之間；（2）額定轉(zhuǎn)矩0.5Nm，堵轉(zhuǎn)力矩0.8Nm，最大輸出功率3W；（3）額定轉(zhuǎn)速50r/min，轉(zhuǎn)速范圍10100r/min；（4）質(zhì)量m3