行波型超聲波電機畢業(yè)設計說明書.pdf

目錄目錄 第 1 章 緒論 2 1.1 超聲波電機的定義與發(fā)展歷史 2 1.2 超聲波電機的基本工作原理 3 1.3 超聲波電機的分類4 1.4 超聲波電機的特點和應用5 1.5 超聲波電機技術(shù)的展望5 第 2 章 行波型超聲波電機的運行機理. 錯誤錯誤！未定義書簽未定義書簽。 2.1 橢圓運動的分析錯誤錯誤！未定義書簽未定義書簽。 2.2 駐波的產(chǎn)生及行波的合成 錯誤錯誤！未定義書簽未定義書簽。 第 3 章 行波型超聲波電機的理論計算與設計.錯誤錯誤！未定義書簽未定義書簽。 3.1 定子諧振頻率的計算錯誤錯誤！未定義書簽未定義書簽。 3.2 壓電陶瓷換能器的設計和制作 錯誤錯誤！未定義書簽未定義書簽。 3.2.1 壓電陶瓷的設計.錯誤錯誤！未定義書簽未定義書簽。 3.2.2 壓電陶瓷材料的選用. 錯誤錯誤！未定義書簽未定義書簽。 3.2.3 壓電陶瓷的接線方式. 錯誤錯誤！未定義書簽未定義書簽。 3.3 定子的設計及制作錯誤錯誤！未定未定義書簽義書簽。 3.3.1 定子尺寸與行波超聲波電機輸出特性的關(guān)系. 錯誤錯誤！未定義書簽未定義書簽。 3.3.2 定子的內(nèi)外徑尺寸的選擇. 錯誤錯誤！未定義書簽未定義書簽。 3.3.3 定子的振動模態(tài)的選擇. 錯誤錯誤！未定義書簽未定義書簽。 3.3.4 定子的齒形齒數(shù)設計. 錯誤錯誤！未定義書簽未定義書簽。 3.3.5 定子的結(jié)構(gòu)設計.錯誤錯誤！未定義書簽未定義書簽。 3.3.7 定子材料的選擇錯誤錯誤！未定義書簽未定義書簽。 3.4 轉(zhuǎn)子的設計及制作錯誤錯誤！未定義書簽未定義書簽。 3.4.1 超聲波電機轉(zhuǎn)子的柔性要求.錯誤錯誤！未定義書簽未定義書簽。 3.4.2 定轉(zhuǎn)子徑向彎曲配合. 錯誤錯誤！未定義書簽未定義書簽。 3.4. 摩擦層的設計.錯誤錯誤！未定義書簽未定義書簽。 3.5 定轉(zhuǎn)子設計的總結(jié)錯誤錯誤！未定義書簽未定義書簽。 第 4 章 樣機整體結(jié)構(gòu)設計.錯誤錯誤！未定義書簽未定義書簽。 第 5 章 全文總結(jié) 8 參考文獻 9 致謝錯誤錯誤！未定義書簽未定義書簽。 附錄錯誤錯誤！未定義書簽未定義書簽。 英文翻譯譯文 錯誤錯誤！未定義書簽未定義書簽。 1 行波型超聲波電機設計行波型超聲波電機設計 摘要摘要：超聲波電機是一種利用壓電陶瓷的逆壓電效應工作的新概念、新原理電機。與傳統(tǒng)電磁型電 機截然不同，其驅(qū)動力矩并非由電磁感應產(chǎn)生，它利用壓電陶瓷的壓電效應使定子產(chǎn)生超聲波振動， 通過定子和轉(zhuǎn)子間的摩擦力來驅(qū)動轉(zhuǎn)子。由于超聲波電機特殊的工作原理，它具有很多傳統(tǒng)電磁電 機無法比擬的優(yōu)越性能，如結(jié)構(gòu)緊湊、低速大轉(zhuǎn)矩、響應速度快、不受磁場影響、斷電自鎖、可直 接驅(qū)動負載等。正是由于超聲波電機具有許多的優(yōu)點和廣闊的應用前景，成為當前世界范圍內(nèi)的一 門新興前沿課題。 本文主要以旋轉(zhuǎn)行波型超聲波電機為研究對象，設計制作超聲波電機的實驗樣機。研究的主要 內(nèi)容可概括如下：系統(tǒng)地總結(jié)國內(nèi)外超聲波電機的發(fā)展歷史和重要意義，介紹了超聲波電機的工作 原理、分類、特點及其應用前景。在對超聲波電機相關(guān)理論研究的基礎(chǔ)上，從超聲波電機定子設計 著手，詳細介紹了超聲波電機的設計和制作過程。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：超聲波電機 壓電陶瓷 行波 please contact Q 3053703061 give you more perfect drawings 2 此處省去此處省去 NNNNN 需要更多更完整的圖紙和說明書請聯(lián)系需要更多更完整的圖紙和說明書請聯(lián)系 秋秋 3053703061 2 第第 1 章章 緒論緒論 本章主要介紹超聲波電機的概念、分類、特點及其應用，總結(jié)了其發(fā)展歷史和應用 展望。 1.1 超聲超聲波電機的定義與發(fā)展歷史波電機的定義與發(fā)展歷史 傳統(tǒng)電機的發(fā)明和發(fā)展已有 100 多年的歷史。無論在理論上、設計方法上或制造技 術(shù)上，都已達到十分完善的程度。由于它的工作原理和結(jié)構(gòu)的限制，難以滿足當前對電 機所提出的短、小、薄、低噪聲、無電磁干擾等要求。為此，世界各國都在努力研究各 種新型電機。其中，二十世紀末期發(fā)展起來的超聲波電機算是最典型的一種。 超聲波電機（Ultrasonic Motor，簡稱 USM）的基本結(jié)構(gòu)及工作原理完全不同于傳 統(tǒng)的電機，沒有繞組與磁路，不以電磁作用傳遞能量，而是一種利用超聲波振動能作為 驅(qū)動源的新原理電機，是電機制造、機械振動學、摩擦學、功能材料、電子技術(shù)和自動 控制等學科綜合交叉發(fā)展的產(chǎn)物。它將電能通過壓電陶瓷轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械振動能，然后又借 助摩擦力將機械振動能轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動或旋轉(zhuǎn)運動。由于超聲波電機特殊的工作原理， 它具有很多傳統(tǒng)電磁電機無法比擬的優(yōu)越性能，如低速大轉(zhuǎn)矩、體積小、重量輕、功率 密度大、響應速度快、微位移、不受電磁場的影響、掉電自保護、設計自由度大、可直 接驅(qū)動負載等。可以說，超聲波電機技術(shù)是處于當今世界高新技術(shù)之一。 雖然USM是近二十年才備受重視并得到巨大發(fā)展的一種新型直接驅(qū)動電機，其發(fā)展 史卻可追溯到五十多年以前。50多年前，人們就知道了超聲波電機的這個驅(qū)動原理，然 而由于當時材料與技術(shù)的局限，超聲波電機只能是“空中樓閣”，沒有得以實現(xiàn)。一直 到80年代初， 具有高轉(zhuǎn)換效率的壓電材料出現(xiàn)以 后， 再加上電力電子控制技術(shù)的發(fā)展， 才逐步研 制出各種各樣的超聲波電機。據(jù)筆者收集的資 料，將超聲波電機的發(fā)展歷史過程總結(jié)如下： 利用彈性振動獲得動力的嘗試是從鐘表開 始的。1961年，英國的Bulova Watch Ltd鐘表公 司首次提出了用彈性體振動能量作為驅(qū)動力的 理論，并研制成音叉驅(qū)動的手表，在國際上引起 了轟動。 1973年，美國IBM公司的H.V.Barth博士首先研制成功原理性超聲波電機，如圖1.1 所示。該電機由一個轉(zhuǎn)子和兩個驅(qū)動振子構(gòu)成，當振子(1)激振時轉(zhuǎn)子順時針方向回轉(zhuǎn)， 當振子(2)激振時，轉(zhuǎn)子逆時針方向回轉(zhuǎn)。與此同時，前蘇聯(lián)的V.H.Lavrinenko等人也 圖1.1 H.V.Barth 的超聲波電機 3 研制出幾乎與Barth相同的原理性超聲波電機。并指出了超聲波電機結(jié)構(gòu)簡單、成本低、 低速大轉(zhuǎn)矩、單位質(zhì)量功率大、運動精確、能量轉(zhuǎn)換效率高等一些基本特性。1978年， 前蘇聯(lián)的Vasiliev等成功地構(gòu)造了一種能夠驅(qū)動較大負載的超聲波電機， 如圖1.2所示。 圖1.2 前蘇聯(lián)的Vasiliev構(gòu)造的超聲波電機 這種電機使用兩個金屬塊夾持壓電元件結(jié)構(gòu)的超聲換能器， 利用振動片的縱向振動 及誘發(fā)的彎曲振動，通過摩擦來使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。結(jié)構(gòu)上不僅能夠降低了共振頻率，而且放 大振幅。但由于在運轉(zhuǎn)條件下，電機的磨損和發(fā)熱嚴重，很難保持振動片的恒幅振動， 故也未獲得實際應用。使超聲波電動機真正走上實用的是日本的指田年生，在1980年成 功制造了一種振動片型超聲波電動機。所用振子是用螺栓壓緊的郎之萬（Langevin）振 子，一種能工作在超聲領(lǐng)域的切割式振子。振子的前端面作縱向振動，其上安裝楔形的 振動片，振動片前端跟圓板狀的轉(zhuǎn)子接觸，前端的運動軌跡是一個變形了的橢圓。這種 超聲波電動機具有高速性，無負荷速度是2000rpm；高效率，最大效率達60%；壽命短， 因為振動片和轉(zhuǎn)子之間近乎直角的接觸，兩者之間接觸和脫離瞬間的滑動無法解決，因 此產(chǎn)生的磨損使壽命較短。為了解決這個問題，指田年生在1982年發(fā)明了行波型超聲波 電動機，該電機的原理利用行波在有限彈性體內(nèi)傳播時表面質(zhì)點產(chǎn)生的橢圓運動，行波 型超聲波電動機只需改變驅(qū)動相位差即可實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，而且定子、轉(zhuǎn)子之間是多點輪流 接觸，磨擦很小。行波型超聲波電動機具有良好的應用前景，引起了眾多大公司和大學 的興趣，爭先對超聲波電動機進行研究和開發(fā)，從而使超聲波電動機進入大規(guī)模的實驗 研究和實用化開發(fā)階段。 1.2 超聲波電機的基本工作原理超聲波電機的基本工作原理 如圖 1.3 所示為超聲波電機的工作基本原理示意圖。 超聲波電機一般由高頻輸入電 源、定子（壓電陶瓷和彈性體）和轉(zhuǎn)子（移動體和耐磨材料)組成。在壓電陶瓷上加頻 率為幾十千赫的高頻交流電源， 利用逆壓電效應即電致伸縮效應產(chǎn)生幾十千赫的超聲波 振動。然后，將這種振動通過彈性體和移動體之間的摩擦力變換成旋轉(zhuǎn)或直線運動，或 者直接用壓電振子產(chǎn)生彎曲振動驅(qū)動移動體轉(zhuǎn)動。 4 圖 1.3 超聲波電機的基本原理示意圖 從這里可以看出，超聲波電機是利用壓電陶瓷逆壓電效應原理。高頻電源產(chǎn)生信號 的頻率和電機的固有頻率一致，形成共振，產(chǎn)生高頻機械振動。這種振動借助定子和轉(zhuǎn) 子間的摩擦耦合來驅(qū)動電機運動。這就是超聲波電機的基本工作原理。其能量轉(zhuǎn)換可分 為以下兩個過程：高頻交流通過壓電陶瓷的逆壓電效應把電能轉(zhuǎn)換為定子的機械能； 定轉(zhuǎn)子之間通過摩擦耦合把定子的機械能轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子的機械能。 1.3 超聲波電機的分類超聲波電機的分類 超聲波電機利用壓電陶瓷的壓電效應及彈性體的機械振動，通過轉(zhuǎn)子與定子間的摩 擦力來驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動。 由于壓電陶瓷的極化形式多樣， 彈性體的振動模式也具有多樣性， 可采用不同的振動模態(tài)來產(chǎn)生驅(qū)動力，因而可以研制出多種不同結(jié)構(gòu)的超聲波電機，如 環(huán)型或盤型、直線型、球型、彎扭耦合型、縱扭復合型、非接觸型及自校正型等等。一 般按照使用的波動方式的不同分為駐波型和行波型兩種。根據(jù)輸出運動的形式不同又可 以分為旋轉(zhuǎn)型和直線型。根據(jù)驅(qū)動位移的量級也可以分為一般的超聲波電機和微動超聲 波電機 （微米級和亞微米級的驅(qū)動位移） 。 而根據(jù)輸出運動自由度的個數(shù)不同可分為單自 由度與多自由度。另外還可以根據(jù)定子與轉(zhuǎn)子的接觸形式分為接觸式與非接觸式。 以上從不同的角度對超聲波電機做了整理和分類，具體分類情況可見表 1-1。從上 面的分類中可以知道超聲波電機可以有很多種不同的形態(tài)。但是，從目前的搜集到的各 國研究資料可以發(fā)現(xiàn)， 回旋型超聲波電機是所有類型中結(jié)構(gòu)較簡單， 用途最廣泛的一種， 也是最有發(fā)展前途的一種。最常見的有駐波型超聲波電機和行波型超聲波電機。駐波型 超聲波電機的特點是變換效率高，但旋轉(zhuǎn)的方向一定，結(jié)構(gòu)尺寸大。行波型超聲波電機 5 的特點是結(jié)構(gòu)尺寸小，旋轉(zhuǎn)方向可以改變，速度和位置容易控制。 表 1-1 超聲波電機的分類情況 按驅(qū)動方式分 按定轉(zhuǎn)子力傳遞接觸方式分 按運動方式分 按自由度分 單一模態(tài)型 連續(xù)的局部面接觸 復合模態(tài)型 連續(xù)的點（線）接觸 行波 型 模態(tài)轉(zhuǎn)換型 斷續(xù)的整個面接觸 直線運動 單自由度 單一模態(tài)型 接觸 斷續(xù)的點（線）接觸 復合模態(tài)型 空氣 超 聲 波 電 機 駐波 型 單一模態(tài)型 非接 觸 液體 旋轉(zhuǎn)運動 多自由度 1.4 超聲波電機的特點和應用超聲波電機的特點和應用 超聲波電機是近二十年來發(fā)展起來的一種新型電機。它突破了傳統(tǒng)電機的概念，沒 有電磁繞組和磁路，不用電磁相互作用來轉(zhuǎn)換能量，而是利用壓電陶瓷的逆壓電效應和 超聲振動來轉(zhuǎn)換能量。與電磁式電機相比，超聲波電機具有如下的幾個突出的優(yōu)點：1、 低速大轉(zhuǎn)矩；2、體積小、重量輕；3、反應速度快、控制特性好；4、無電磁感應影響； 5、停止時具有保持力矩；6、運行無噪音；7、形式靈活，設計自由度大；8、可在很低 的電壓下工作；9、適應環(huán)境能力強。 超聲波電機以其新穎的工作原理和獨有的性能特點，引起人們的廣泛的注意。它有 著很好的應用前景。其應用領(lǐng)域涉及到航空航天、汽車制造、生物工程、機器人、儀器 儀表、醫(yī)學等領(lǐng)域。從目前的研究情況來看，超聲波電機產(chǎn)品可用于照相機的自動聚焦 系統(tǒng)的驅(qū)動器；航空航天領(lǐng)域自動駕駛儀伺服驅(qū)動器；機器人或微型機械自動控制系統(tǒng) 的驅(qū)動器；高級轎車門窗和座椅靠頭調(diào)節(jié)的驅(qū)動裝置；窗簾或百葉窗自動升降裝置；CD 光盤唱頭驅(qū)動裝置；精密儀器儀表、精確定位裝置；醫(yī)學領(lǐng)域，如人造心臟的驅(qū)動器、 人工關(guān)節(jié)驅(qū)動器；強磁場環(huán)境條件下設備的驅(qū)動裝置，如未來的磁浮火車；不希望驅(qū)動 裝置產(chǎn)生磁場的場合，如磁通門的自動測試轉(zhuǎn)臺等?？梢灶A言，隨著超聲波電機在工業(yè) 界的成功應用，將會發(fā)生一場新的技術(shù)革命。 1.5 超聲波電機技術(shù)的展望超聲波電機技術(shù)的展望 超聲波電機在國際上得到越來越多的應用。 專家預言： 21 世紀將是超聲波電機大放 光芒的時代，它將有可能部分取代微、小型的傳統(tǒng)電磁電機而得到更廣泛的應用。 可以預計：在 21 世紀，為了發(fā)展我國人造衛(wèi)星、導彈、火箭、飛機、機器人、微 型機械、汽車、磁浮列車以及其他精密儀器，將需要大量的、高性能的超聲波電機。超 聲波電機技術(shù)的發(fā)展，必將對我國國防和其他國民經(jīng)濟各部門起著重大作用。 6 超聲波電機作為一種新型驅(qū)動器，是一種典型的機電一體化產(chǎn)品。超聲波電機正經(jīng) 歷一個從研究開發(fā)向?qū)嶋H應用的轉(zhuǎn)折時期，相信經(jīng)過工程化、商品化研制，超聲波電機 將會使整個機械、電子工業(yè)和人類生活產(chǎn)生一次巨大的變革。 please contact Q 3053703061 give you more perfect drawings 2 此處省去 NNNNN 需要更多更完整的圖紙和說明書請聯(lián)系 秋 3053703061 7 8 第第 5 章章 全文總結(jié)全文總結(jié) 超聲波電機是國外八十年代發(fā)展起來的一種新型直接驅(qū)動微電機。 它的基本結(jié)構(gòu)及 工作完全不同于傳統(tǒng)的電磁電機，主要由高頻電源、壓電陶瓷、定子、轉(zhuǎn)子以及預壓力 機構(gòu)等組成。它主要利用壓電陶瓷的逆壓電效應將電能轉(zhuǎn)化為電機定子的機械振動能， 然后借助摩擦力將機械振動能傳遞給轉(zhuǎn)子，產(chǎn)生直線運動或旋轉(zhuǎn)運動。由于超聲波電機 獨特的工作原理，它具有低速大轉(zhuǎn)矩、響應快、不受磁場影響、斷電自鎖等許多優(yōu)點。 在精確定位裝置、微型機械、工業(yè)控制、儀器儀表、智能機器人、航天航空等領(lǐng)域有良 好的應用前景，因此引起了學術(shù)界和企業(yè)界的重視。國內(nèi)外有很多科研機構(gòu)都正在對其 進行研究。 超聲波電機的發(fā)展歷史還很短，在分析、設計、控制等方面還有許多問題要解決。 本文詳細地查閱大量國內(nèi)外文獻資料的基礎(chǔ)上， 總結(jié)和分析了國內(nèi)外超聲波電機的研究 現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)，以目前最具有發(fā)展前景的行波型超聲波電機作為論文的研究對象，進 行了深入細致的研究。在理論研究基礎(chǔ)上，完成了行波超聲波電機的理論計算、設計制 作。 9 參考文獻參考文獻 1 上羽貞行，富川義郎.超聲波馬達理論與應用M.楊志剛，鄭學倫 譯