60mm旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)的設(shè)計(jì)與工藝開題報(bào)告.doc

一、選題的依據(jù)及意義在當(dāng)今21世紀(jì)，隨著電子信息技術(shù)的不斷發(fā)展和計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用?？刂萍夹g(shù)同樣也得到迅猛的發(fā)展。在當(dāng)前的控制技術(shù)中，必然有一個(gè)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)和控制的微電機(jī)伺服系統(tǒng)，這個(gè)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(jī)伺服系統(tǒng)達(dá)到靈活性、快速性、簡(jiǎn)便性控制的要求，多年以來(lái)，國(guó)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(jī)。其中，性能卓越的超聲波電機(jī)利用壓電陶瓷逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生超聲振動(dòng)，并將這種振動(dòng)通過(guò)摩擦耦合來(lái)直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子和滑塊的旋轉(zhuǎn)。這種直接用于驅(qū)動(dòng)的電機(jī)從20世紀(jì)80年代以來(lái)就深受世界各國(guó)科研工作者的青睞?，F(xiàn)已成為機(jī)電控制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。這種電機(jī)打破了傳統(tǒng)的電機(jī)概念，不是通過(guò)電場(chǎng)的相互作用將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，沒(méi)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(dòng)獲得驅(qū)動(dòng)力，通過(guò)摩擦耦合將動(dòng)力轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子或滑塊的運(yùn)動(dòng)。相對(duì)于傳統(tǒng)的電機(jī)而言，它慣性小、響應(yīng)快、可控制性好、不受磁場(chǎng)影響、同時(shí)本身也不產(chǎn)生磁場(chǎng)、定位精度高等特點(diǎn)。它還具有重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、噪音小、低速大轉(zhuǎn)矩、可直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載等特性。由于直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，避免了使用齒輪變速而產(chǎn)生的振動(dòng)噪音、間隙以及低效率、難控制等一些問(wèn)題。所以說(shuō)，超聲電機(jī)是一種全新的自動(dòng)控制執(zhí)行元件，也是一種嶄新的傳統(tǒng)的傳動(dòng)模式，是對(duì)傳統(tǒng)電磁驅(qū)動(dòng)原理的突破和有力的補(bǔ)充。超聲電機(jī)可采用不同的振動(dòng)模式來(lái)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，因而可研制出多種不同的超聲電機(jī)，包括駐波型、行波型，其中又包括直線型、旋轉(zhuǎn)型、縱向振動(dòng)型、縱-扭復(fù)合型等。而旋轉(zhuǎn)型行波超聲電機(jī)是所有類型中結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)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(jī)的發(fā)展歷史來(lái)看，在1942年，美國(guó)的Williams和Brown就提出了超聲電機(jī)的原始思想。1982年，日本科學(xué)家指田年生成功研制了行波超聲電機(jī)。這標(biāo)志著超聲電機(jī)應(yīng)用到了實(shí)際的生產(chǎn)生活中。經(jīng)過(guò)這四十年里的努力，完成了從設(shè)想到現(xiàn)實(shí)的轉(zhuǎn)變。在當(dāng)今這個(gè)社會(huì)，超聲電機(jī)的應(yīng)用涉及到航空、航天、汽車制造、生物工程、化工、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。具體有照相機(jī)的鏡頭調(diào)焦、驅(qū)動(dòng)裝置的精確定位、閥門控制、機(jī)器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)、核磁共振裝置中的應(yīng)用等方面。正是因?yàn)槌曤姍C(jī)的獨(dú)特特點(diǎn)，它可廣泛用于機(jī)器人、微型機(jī)械的驅(qū)動(dòng)、精密儀器的驅(qū)動(dòng)、強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下設(shè)備驅(qū)動(dòng)裝置等。據(jù)有關(guān)專家預(yù)測(cè)：隨著超聲波電機(jī)的卓越性能日益被人們認(rèn)識(shí)和采用，它將在較大程度上替代小型電磁微型電機(jī)。同時(shí)，超聲波電機(jī)的推廣應(yīng)用和它的驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)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(jī)的卓越性能。對(duì)于超聲電機(jī)的研究與開發(fā)，將不斷完善電機(jī)方面的理論知識(shí)和豐富電機(jī)的產(chǎn)品的類型，并極大地促進(jìn)工業(yè)智能化、自動(dòng)化的發(fā)展。將取代傳統(tǒng)的小型或微型電機(jī)。并能夠在上述領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，并促進(jìn)該領(lǐng)域的技術(shù)革新。因此，對(duì)超聲電機(jī)的研究有著非常重要的科學(xué)意義，同時(shí)還有廣泛的應(yīng)用的前景和良好的實(shí)用價(jià)值。二、國(guó)內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢(shì)（含文獻(xiàn)綜述）超聲波電機(jī)是國(guó)內(nèi)外日益受到重視的一種新型直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)。與傳統(tǒng)的電磁式電機(jī)不同，超聲波電機(jī)沒(méi)有磁極和繞組，不依靠電磁介質(zhì)來(lái)傳遞能量，而是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，通過(guò)各種伸縮振動(dòng)模式的轉(zhuǎn)換與耦合，將材料的微觀變形通過(guò)共振放大和摩擦耦合轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子或者滑塊的宏觀運(yùn)動(dòng)。在其研究和發(fā)展過(guò)程中，曾有很多不同的命名，如振動(dòng)電機(jī)、壓電電機(jī)、聲表面波電機(jī)、超聲馬達(dá)等，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)比較常用的稱謂是超聲電機(jī)或超聲電機(jī)。超聲波電機(jī)具有功率密度大、無(wú)電磁干擾、低速大轉(zhuǎn)矩、動(dòng)作響應(yīng)大、運(yùn)作無(wú)噪聲、無(wú)輸入自鎖等卓越特性，在非線形運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域要比傳統(tǒng)的電磁電機(jī)性能優(yōu)越得多。超聲波電機(jī)在工業(yè)控制系統(tǒng)、啟齒專用電器、超高精度測(cè)量?jī)x器、辦公自動(dòng)化設(shè)備、智能機(jī)器人等領(lǐng)域有著十分廣闊的應(yīng)用前景，近年來(lái)備受科技界和工業(yè)街的重視，是當(dāng)前非連續(xù)驅(qū)動(dòng)控制領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。1.超聲波電機(jī)的國(guó)外研究日本的超聲波電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用處于世界領(lǐng)先的地位，它掌握著世界上大多數(shù)的超聲波電機(jī)的制造與控制技術(shù)的發(fā)明專利，幾乎所有的知名大學(xué)和研究所都在進(jìn)行研究，如東京大學(xué)、東京工業(yè)大學(xué)、東京農(nóng)工大學(xué)、山形大學(xué)等都至少有一個(gè)屬于本校的超聲波電機(jī)研究小組，或進(jìn)行理論分析研究、或進(jìn)行新原理、新結(jié)構(gòu)的超聲電機(jī)的研究、或進(jìn)行超聲波電機(jī)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(dá)公司、尼康公司精工和NEC公司等。近10年，日本的超聲波電機(jī)進(jìn)入了實(shí)用化的商業(yè)應(yīng)用階段。由于日本在超聲波電機(jī)及驅(qū)動(dòng)控制領(lǐng)域所獲得的極大成功和較高的商業(yè)利潤(rùn)，美、英、法、德等國(guó)不甘落后，緊隨日本之后，各自在相關(guān)的超聲波電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制、新結(jié)構(gòu)、新原理、新的應(yīng)用領(lǐng)域等方面取的了一定的研究成果。美國(guó)的密蘇里大學(xué)（Missour-Rolla）主要從事電機(jī)工作時(shí)定子與轉(zhuǎn)子之間的接觸模型以及接觸力對(duì)電機(jī)壽命影響的研究，并同AlliedSignalAerospace公司合作進(jìn)行行波超聲波電機(jī)加工工藝及其控制技術(shù)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(dá)，還開發(fā)了具有雙齒面的行波型超聲馬達(dá)。同時(shí)與美國(guó)國(guó)家航空宇航局（NASA）的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室、材料研究室共同研究開發(fā)了用于火星探測(cè)器操作臂關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)的大力矩超聲波電機(jī)。英國(guó)的伯明翰大學(xué)（Birmingham）主要從事基于“諧波齒”理論的超聲波電機(jī)的研究，以及實(shí)現(xiàn)超聲波電機(jī)高精度的定位控制、探索開環(huán)的可控性等研究。德國(guó)Paderborn大學(xué)的J.Wallaschek所領(lǐng)導(dǎo)的科研小組主要從事超聲波電機(jī)振動(dòng)分析和動(dòng)態(tài)接觸等方面的研究，如：線性、旋轉(zhuǎn)行波電機(jī)的振動(dòng)分析和動(dòng)態(tài)接觸問(wèn)題，電機(jī)的線性和非線性振動(dòng)穩(wěn)定性問(wèn)題，電機(jī)運(yùn)動(dòng)的控制問(wèn)題，復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)特性以及結(jié)構(gòu)的阻抗匹配研究等。法國(guó)的CedratRecherche研究所借助光學(xué)干涉儀及電測(cè)量的方法，對(duì)所研究的線性電機(jī)定子的切線振動(dòng)位移、法線位移、切線振動(dòng)速度、法線力因子做了系統(tǒng)的測(cè)試和評(píng)估。另外，還有許多國(guó)家陸續(xù)參與到研究超聲波電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的研究中來(lái)。但是，目前大多數(shù)其他國(guó)家主要側(cè)重于驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的研究和實(shí)際應(yīng)用。2.超聲波電機(jī)國(guó)內(nèi)得研究現(xiàn)狀國(guó)外超聲波電機(jī)獲得成功應(yīng)用被多次報(bào)道，因而在20世紀(jì)的80年代末期到90年代的初獲得我國(guó)科學(xué)工作者得關(guān)注。雖然我國(guó)超聲波電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)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(shù)研究所得劉大春、劉一聲等人將日本得有關(guān)超聲波電機(jī)得研究情況陸續(xù)介紹到國(guó)內(nèi)。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)得科研人員從國(guó)外學(xué)成回國(guó)，國(guó)內(nèi)的超聲波電機(jī)得試制工作逐步進(jìn)入正軌，國(guó)內(nèi)除了東南大學(xué)外，有多個(gè)高校加入到超聲波電機(jī)的研究行列，主要有清華大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、浙江大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等國(guó)內(nèi)著名高校，還有中科院、電子工業(yè)部21所、長(zhǎng)春光機(jī)所等科研院所，對(duì)典型的幾種超聲波電機(jī)的運(yùn)行原理、數(shù)學(xué)建模、仿真計(jì)算、樣機(jī)制作、驅(qū)動(dòng)技術(shù)及惡劣測(cè)試等進(jìn)行研究，并取得一大批的研究成果?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)有壓電與聲光、現(xiàn)代科技譯叢、國(guó)際科技消息、微電機(jī)等刊物介紹超聲波電機(jī)。東南大學(xué)研制的系列行波型、步進(jìn)型和柱狀?yuàn)A心式超聲波電機(jī)樣機(jī)水平已接近使用要求，直徑為100的均壓行超聲波電機(jī)及超聲波電機(jī)多功能驅(qū)動(dòng)控制裝置分別獲得國(guó)家專利；南京航天航空大學(xué)研制出多種結(jié)構(gòu)型式的樣機(jī)，如環(huán)形行波型超聲波電機(jī)、雙面齒型、圓板型、駐波型超聲波電機(jī)；清華大學(xué)則研究了目前國(guó)內(nèi)直徑最小（1）的超聲波電機(jī)，有望在心臟的微循環(huán)系統(tǒng)中應(yīng)用，環(huán)形中空用超聲波電機(jī)的樣機(jī)已進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；浙江大學(xué)研制了大力矩和高重復(fù)定位精度的縱扭復(fù)合型超聲波電機(jī)；華中科技大學(xué)研制了大扭矩行波型超聲波電機(jī)并對(duì)轉(zhuǎn)子尺寸和形狀對(duì)輸出功率和輸入轉(zhuǎn)矩得影響作了深入的研究。國(guó)內(nèi)所研制的超聲波電機(jī)已接近實(shí)用要求并渴望逐步實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，有些擬用于軍工的導(dǎo)彈引導(dǎo)裝置，有些電機(jī)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景被國(guó)內(nèi)大型企業(yè)和傳統(tǒng)電機(jī)生產(chǎn)廠家看好。三、研究?jī)?nèi)容設(shè)計(jì)一臺(tái)直徑為60mm的板式旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)，要求(1)定子外徑為60mm，工作振動(dòng)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