超聲電機(jī)的應(yīng)用

1、超聲電機(jī)的應(yīng)用Application of ultrasolic motor摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，一些更加前沿的領(lǐng)域，比如航空航天，精密儀器等，對所使用的電機(jī)有更多的要求，比如尺寸微小，噪聲低，無電磁干擾等，受制于工作原理和結(jié)構(gòu)形式，傳統(tǒng)電磁電機(jī)已經(jīng)無法完全滿足這些要求。因此各國科學(xué)家紛紛探索基于其他工作原理的新型微特電機(jī)，如靜電電機(jī)，光熱電機(jī)，超聲電機(jī)，形狀記憶合金電機(jī)，微波電機(jī)等。其中超聲電機(jī)由于具有卓越的優(yōu)點(diǎn)，目前發(fā)展迅速，應(yīng)用也較為廣泛。本文主要介紹超聲電機(jī)目前的應(yīng)用和潛在的應(yīng)用價值，以及制約其大規(guī)模應(yīng)用的問題所在。Abstract: With the progress of sc

2、ience and technology, some more frontier areas, such as aerospace, precision instruments, etc. have more request for the use of motor, such as small size, low noise, no electromagnetic interference, etc. Subjected to the working principle and structure form, the traditional electromagnetic motor can

3、not completely satisfy these requirements.So scientists are exploring a new type of micro motor based on other working principle such as electric motor, the motor of field, ultrasonic motor, the shape memory alloy motor, microwave machine, etc.The ultrasonic motor is developing rapidly and widely ap

4、plied at present because of its outstanding advantages.This paper mainly introduces current application and potential application value of the ultrasonic motor, and the problem that constraints its large-scale application.關(guān)鍵字：超聲電機(jī)，航空航天，機(jī)器人，醫(yī)療，工程工業(yè)。Key words: ultrasonic motor, aerospace, robot, medic

5、al, industrial engineering.超聲電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)超聲電機(jī)與傳統(tǒng)電機(jī)相比, 具有以下特點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、轉(zhuǎn)矩/質(zhì)量比大(是傳統(tǒng)電機(jī)的310倍);低速大扭矩, 無需齒輪減速機(jī)構(gòu), 可實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動;響應(yīng)快(毫秒級);斷電自鎖;在閉環(huán)條件下速度和位置控制性好, 分辨率高;不產(chǎn)生磁場, 不受外界磁場干擾;容易做成直線型超聲電機(jī);形狀可以多樣化(圓的、方的、空心的、桿狀的), 等等。由于其優(yōu)異的性能，超聲電機(jī)在很多場合都可以取代電磁電機(jī)，擁有廣闊的應(yīng)用前景。目前超聲電機(jī)主要應(yīng)用于航空航天，精密儀器，相機(jī)等，其中日本是超聲電機(jī)最發(fā)達(dá)，也是產(chǎn)業(yè)化最早，目前最成熟的國家。在航空航天中的應(yīng)用

6、最近幾年美國在宇宙飛船、火星探測器、運(yùn)載火箭、核彈頭等航空航天工程中都陸續(xù)應(yīng)用了超聲電機(jī)。圖1為美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)和MIT將聯(lián)合研制的超聲電機(jī)應(yīng)用于火星探測微著落器。該電機(jī)扭矩達(dá)2.8 N·m, 使用最低溫度達(dá)-100, 比用傳統(tǒng)的電機(jī)減輕質(zhì)量30%。此外，美國國家航空航天局(NASA)的Coddar Space Flight Center將超聲電機(jī)應(yīng)用于空間機(jī)器人技術(shù)。其中微型機(jī)械手Micro Arm I使用了扭矩5 mN·m的超聲電機(jī)?；鹦菣C(jī)械手Micro Arm II使用了三個扭矩為0.68 N·m和一個扭矩為0.11 N·m的超聲電機(jī)。

7、它們比使用同等功能的傳統(tǒng)電機(jī)輕40%。圖2為美國把微型超聲電機(jī)應(yīng)用于質(zhì)量為7 8 kg的納米衛(wèi)星。 圖1USM 應(yīng)用于火星探測微著落器 圖2 USM 應(yīng)用于納米衛(wèi)星在國內(nèi)，南航大研制的超聲電機(jī)也已經(jīng)應(yīng)用在嫦娥三號的紅外光譜儀上。圖3，應(yīng)用于嫦娥三號上的超聲電機(jī)除了在航天領(lǐng)域，超聲電機(jī)也應(yīng)用于航空領(lǐng)域，其中之一便是飛機(jī)的顫振主動抑制。顫振主動抑制是一個伺服氣動彈性穩(wěn)定性問題，設(shè)計(jì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)，空氣動力與控制系統(tǒng)的相互影響，包括彈性力，慣性力，氣動力和控制力的聯(lián)合作用。早期的顫振主動抑制研究中，驅(qū)動控制面轉(zhuǎn)動的作動器多用液壓伺服系統(tǒng)。而超聲電機(jī)所具有的低速大扭矩，斷電自鎖，響應(yīng)快和扭矩/質(zhì)量比大等優(yōu)點(diǎn)

8、使其成為控制面作動器的最佳選擇。圖為南航大研制的采用TRUM-45型超聲電機(jī)的二維機(jī)翼段面控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖4USM應(yīng)用于機(jī)翼顫振模型試驗(yàn)在機(jī)器人上的應(yīng)用電機(jī)是機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)中的執(zhí)行元件，傳統(tǒng)方法是采用步進(jìn)電動機(jī)、直流伺服電動機(jī)或無刷電動機(jī)。為獲得定位控制系統(tǒng)所要求的低速大轉(zhuǎn)矩， 傳統(tǒng)的驅(qū)動機(jī)構(gòu)必須使用減速傳動機(jī)構(gòu)，這不僅增加了機(jī)構(gòu)部件的復(fù)雜性和機(jī)器人的重量，而且減速齒輪帶來不可避免的間隙和磨損會嚴(yán)重阻礙控制系統(tǒng)快速性和精確性的提高。超聲電機(jī)具有低速大轉(zhuǎn)矩的特點(diǎn)，可直接驅(qū)動機(jī)器人的操作機(jī)構(gòu)，不需傳動機(jī)構(gòu)，減小了傳動裝置的占用空間和質(zhì)量，同時，它還具有響應(yīng)速度快、無電磁噪聲等特點(diǎn)，超聲波電機(jī)的上

9、述特性有助于工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)緊湊、控制精確和動作迅速。圖5是東南大學(xué)研制的超聲電機(jī)驅(qū)動的二軸機(jī)械臂控制系統(tǒng)，機(jī)械臂兩關(guān)節(jié)處分別裝有100mm和60mm 行波超聲電機(jī)，由超聲電機(jī)驅(qū)動機(jī)械臂360度旋轉(zhuǎn)，兩電機(jī)各安裝有3600 線增量式光柵作為位置傳感器。該系統(tǒng)可應(yīng)用于機(jī)器人手臂，可實(shí)現(xiàn)超聲電機(jī)驅(qū)動的二軸機(jī)械臂的快速、精確伺服定位控制。圖5 二自由度機(jī)械臂示意圖和實(shí)物圖在某些特殊環(huán)境下, 要求機(jī)器人的關(guān)節(jié)既具有簡單的結(jié)構(gòu), 又能實(shí)現(xiàn)全方位的運(yùn)動, 如高性能機(jī)器人的柔軟關(guān)節(jié)和擬人機(jī)器人的腕關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、胯關(guān)節(jié)等。多自由度超聲電機(jī)的發(fā)展就可以滿足機(jī)器人領(lǐng)域在這方面的要求。圖6為用球形多自由度電機(jī)驅(qū)動的

10、機(jī)器人手臂。其中肩關(guān)節(jié)采用多自由度超聲電機(jī)驅(qū)動。從圖中機(jī)器手臂的構(gòu)造可以看出, 超聲電機(jī)驅(qū)動的機(jī)器人關(guān)節(jié)具有十分簡單的結(jié)構(gòu), 可以直接和機(jī)器人的其他部位相連, 而不需要安裝復(fù)雜的機(jī)械連接裝置。圖6多自由度電機(jī)驅(qū)動的機(jī)器人手臂在醫(yī)療上的應(yīng)用由于超聲電機(jī)有自身不產(chǎn)生磁場，也不受磁場干擾的特性，因此非常實(shí)用于核磁共振。病人在進(jìn)行核磁共振檢查時，需要注射藥液，注射時要求恒速推進(jìn)，最佳方式是電機(jī)恒速驅(qū)動，但傳統(tǒng)電磁電機(jī)自身會產(chǎn)生磁場，干擾成像。而采用超聲電機(jī)則不會，圖7為南航大用研制的采用TURM-N電機(jī)的注射裝置。圖7USM 應(yīng)用于核磁共振注射器當(dāng)前在生物醫(yī)學(xué)微機(jī)械系統(tǒng)領(lǐng)域研究的主要問題是要尋求微小的

11、、能長期運(yùn)行的動力源，以及將藥裝入膠囊或封裝,并進(jìn)行校驗(yàn)和監(jiān)測。用微制造技術(shù)制造出來的藥品傳送裝置及其系統(tǒng)目前己有許多先進(jìn)的技術(shù)，特別是在通過微探針傳送藥物和注入人體內(nèi)藥物的釋放方面已有很多應(yīng)用。用于藥物傳送的射流微系統(tǒng)包括微型超聲電機(jī)或微壓電泵、電泳膏藥和智能藥丸。超聲電機(jī)作為微型醫(yī)療器械的動力,將牽引醫(yī)療器械引向人體內(nèi)部或向人體傳送藥物。圖8壓電作動器應(yīng)用于智能藥片在基因移植和人工受精的操作過程中,將一微小吸管插入細(xì)胞質(zhì)是不可缺少的一項(xiàng)操作。當(dāng)采用傳統(tǒng)的水壓作動器操作時,由于細(xì)胞膜的彈性,使整個細(xì)胞會發(fā)生很大的變形,如圖9 a所示,這種過大變形會對細(xì)胞核造成傷害。日本Higuchi的實(shí)驗(yàn)室

12、研制出了一套細(xì)胞操作微處理系統(tǒng),如圖9 b所示,該系統(tǒng)利用了沖擊式直線型超聲電機(jī),實(shí)現(xiàn)了平穩(wěn)的動作,使細(xì)胞膜沒有產(chǎn)生如圖9 a的大變形。圖9 a 應(yīng)用水壓作動器穿刺 圖9 b 應(yīng)用沖擊式直線型USM多自由度超聲電機(jī)也應(yīng)用于外科手術(shù)方面。日本慶應(yīng)大學(xué)的竹村等將研制的圓柱形多自由度超聲電機(jī)應(yīng)用于外科鉗子, 并提出用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法來精確控制鉗子的轉(zhuǎn)動角度。圖10多自由度電機(jī)驅(qū)動的外科鉗子在膠囊內(nèi)窺鏡中，如何控制鏡頭的轉(zhuǎn)動和調(diào)焦和一個難題，利用新的壓電管型超聲微電機(jī)為解決這一問題提供了辦法。關(guān)鍵的改進(jìn)在于使用了PI公司的中空壓電陶瓷管超聲電機(jī)和帶有聚焦面的棱鏡。將光纖插在中空超聲電機(jī)內(nèi)部，光線經(jīng)自聚焦

13、透鏡準(zhǔn)直后由棱鏡反射，直至出射時才經(jīng)一個非球面聚焦。電機(jī)工作時可帶動自聚焦透鏡和棱鏡同時旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)形掃描。這可顯著縮短光學(xué)系統(tǒng)工作距離，提高橫向分辨率。同時由于光纖與電機(jī)位于同一側(cè)，縮短了探頭長度，避免了電機(jī)導(dǎo)線遮擋成像等問題。圖11 應(yīng)用于膠囊內(nèi)窺鏡的超聲電機(jī)在工程工業(yè)上的應(yīng)用工程方面，超聲電機(jī)在伺服系統(tǒng)和精密定位平臺系統(tǒng)方面都有廣闊的應(yīng)用前景。超聲電機(jī)具有的低速大力矩、響應(yīng)速度快、保持力矩大和結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，使得它非常適合于非連續(xù)運(yùn)動的伺服控制及直接驅(qū)動。但是目前超聲電機(jī)的伺服應(yīng)用還有一些難題需要解決。這是因?yàn)槌曤姍C(jī)利用定轉(zhuǎn)子間的摩擦驅(qū)動，定轉(zhuǎn)子間的摩擦規(guī)律很難確定，而且定子諧振頻

14、率會隨著溫升而改變，超聲電機(jī)的速度特性隨驅(qū)動條件（如溫度、負(fù)載轉(zhuǎn)矩）而變化。因此，超聲電機(jī)是一種強(qiáng)非線性的時變系統(tǒng)，很難得到精確的數(shù)學(xué)模型。這是超聲電機(jī)在高性能伺服控制中的最大問題。解決這一問題的方法在于提出新的，更精確的控制算法。超聲電機(jī)的控制算法主要有負(fù)載自適應(yīng)頻率跟蹤控制、PI控制、軟件變增益PI 控制、雙模模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制、前反饋控制等。目前，USM 控制策略與控制裝置的研究仍在繼續(xù)，應(yīng)用最新的現(xiàn)代控制理論， 結(jié)合原有的控制方法和控制思路，實(shí)現(xiàn)無靜態(tài)誤差，動態(tài)誤差不斷減小的快速精密的USM 定位與速度控制是USM 研究和應(yīng)用人員不斷追求的目標(biāo)。應(yīng)用于精密定位平臺系統(tǒng)。隨著半導(dǎo)體

15、光刻技術(shù)、微型機(jī)械、精密測量、超精密加工、微裝配和納米技術(shù)的迅速發(fā)展，對精密定位系統(tǒng)的行程、速度和精度等提出了越來越高的要求，其控制精度在微米級，甚至納米級的范圍內(nèi)。精密運(yùn)動系統(tǒng)是集精密位置檢測技術(shù)、驅(qū)動技術(shù)、直線導(dǎo)向技術(shù)、控制技術(shù)為一體的有機(jī)綜合體。其中，驅(qū)動控制技術(shù)直接決定了平臺的速度、精度、行程和整個系統(tǒng)的效率。在傳統(tǒng)的定位技術(shù)中，常選用“伺服電機(jī)+滾珠絲杠”的方式，由于具有運(yùn)動轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，不可避免地存在間隙誤差，雖然經(jīng)過預(yù)緊后可實(shí)現(xiàn)良好的傳動精度，但使其達(dá)到納米級精度代價不菲。直線電磁電機(jī)由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造和維護(hù)成本高、電磁兼容性差，控制系統(tǒng)復(fù)雜等原因，實(shí)現(xiàn)納米級定位需配備復(fù)雜的附屬裝置

16、，其穩(wěn)定性和可靠性還需進(jìn)一步研究。直線超聲電機(jī)作為超聲電機(jī)中的一類，也是利用壓電元件的逆壓電效應(yīng)和彈性體的超聲振動，通過定子和動子之間的摩擦作用，把彈性體的微幅振動轉(zhuǎn)換成動子宏觀的直線運(yùn)動。直線超聲電機(jī)不僅能夠直接產(chǎn)生直線運(yùn)動和牽引力，而且具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)快、斷電自鎖、不受電磁干擾等特點(diǎn)，同時具有較大的行程以及納米級的位移分辨率。利用直線超聲電機(jī)驅(qū)動的平臺，具有傳動鏈短、行程大、定位精度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，使其逐漸成為精密驅(qū)動領(lǐng)域的理想驅(qū)動器。圖12 利用超聲電機(jī)驅(qū)動的精密平臺在工業(yè)應(yīng)用方面，圖13為日本Canon公司裝有環(huán)形行波超聲電機(jī)的照相機(jī)。該相機(jī)聚焦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單, 聚焦快, 噪聲小

17、。Canon公司已有37種照相機(jī)聚焦鏡頭應(yīng)用了超聲電機(jī)。Nikon,Olympus等公司的照相機(jī)也在逐步應(yīng)用超聲電機(jī)。此外，在日本，超聲電機(jī)還被應(yīng)用于手表，用于震動報時。而在市場巨大的汽車產(chǎn)業(yè)，高端汽車要求有更高的自動化水平，更加智能，更加人性化，因?yàn)樾枰罅康碾姍C(jī)作為驅(qū)動和控制元件，比如在座椅靠枕的自動調(diào)節(jié)，在后視鏡的自動調(diào)節(jié)上。而超聲電機(jī)由于其低速大扭矩和斷電自鎖的優(yōu)點(diǎn)，在這些應(yīng)用上都比電磁電機(jī)更加合適。圖13Canon公司基于USM的相機(jī)圖14Seiko將USM 用于手表振動報時圖15 超聲電機(jī)在汽車上的應(yīng)用超聲電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)使得它有廣闊的應(yīng)用前景，因此超聲電機(jī)在全世界范圍內(nèi)都引起了很大的關(guān)

18、注。但是其發(fā)展受到一些問題的困擾，使得超聲電機(jī)目前并沒有被大范圍應(yīng)用，因此解決這些問題變得更加重要。目前超聲電機(jī)的發(fā)展主要存在以下問題。第一，壓電材料的制備技術(shù)。作為超聲電機(jī)的關(guān)鍵材料之一, 壓電元件的性能是制約著電機(jī)的機(jī)械輸出特性。目前對強(qiáng)電場、大功率條件下超聲電機(jī)對壓電材料的壓電性能(機(jī)械品質(zhì)、d33 )和力學(xué)性能(疲勞、斷裂)等具體要求尚缺乏充分的理論和試驗(yàn)研究, 也沒有一定的標(biāo)準(zhǔn)。目前國內(nèi)從事超聲電機(jī)研究的單位都乏壓電陶瓷材料的制備技術(shù)和設(shè)備, 而專業(yè)生產(chǎn)廠家又不了解超聲電機(jī)用壓電材料的性能要求。因此, 迅速開展超聲電機(jī)用壓電材料制備技術(shù)的研究迫在眉睫。第二，超聲電機(jī)的非線性特性。超聲

19、電機(jī)的非線性特點(diǎn)主要體現(xiàn)在大功率條件下壓電材料本構(gòu)關(guān)系、定/轉(zhuǎn)子之間的接觸、驅(qū)動電路等方面。目前對超聲電機(jī)及其驅(qū)動技術(shù)的理論研究尚處在線性理論的框架之類, 這些研究可以讓我們認(rèn)識電機(jī)運(yùn)行的內(nèi)部機(jī)理, 但是對超聲電機(jī)自身存在的一些現(xiàn)象(比如調(diào)節(jié)過程中電機(jī)速度跳躍、突然停轉(zhuǎn)等)卻無法作出合理的解釋。對于超聲電機(jī)非線性特性的研究, 建立其分析模型, 對于超聲電機(jī)產(chǎn)品性能的優(yōu)化具有重要的研究意義。第三，超聲電機(jī)的制造技術(shù)。超聲電機(jī)利用的是微米量級、超聲頻域范圍的機(jī)械振動, 這使得超聲電機(jī)具有定位精度高的優(yōu)點(diǎn), 同時也對超聲電機(jī)的超精加工提出了很高的要求, 尤其是微小型超聲和直線型超聲電機(jī)。另外, 超聲

20、電機(jī)的加工技術(shù)、壓電陶瓷片的粘貼工藝等對于提高超聲電機(jī)產(chǎn)品的一致性和穩(wěn)定性也至關(guān)重要。相信隨著科學(xué)和技術(shù)的進(jìn)步，這些問題最終會得到解決，屆時超聲電機(jī)的應(yīng)用將會有飛躍性的發(fā)展。此外，另一些在精密驅(qū)動和控制領(lǐng)域有廣闊應(yīng)用前景的技術(shù)，如磁致伸縮，人工肌肉，形狀記憶合金等目前也都在研究當(dāng)中。相信當(dāng)這些技術(shù)走進(jìn)千家萬戶的時候，生活必定更加美好。參考文獻(xiàn)：1趙淳生.面向21世紀(jì)超聲電機(jī)技術(shù)的研究.中國工程科學(xué), 2002, 14( 2): 86 912黃國慶,劉群亭,黃衛(wèi)清,等. 直線型超聲電機(jī)研究的現(xiàn)狀.微特電機(jī), 2003, 31( 2): 24 263Takeshi Morita. Miniatur

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