三圓柱定子縱彎復(fù)合模式旋轉(zhuǎn)型超聲波電機(jī)的

7/7華僑大學(xué)廈門工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開題報(bào)告系（部）:機(jī)械工程系專業(yè)班級(jí)：機(jī)械工程及自動(dòng)化專業(yè)7班姓名學(xué)號(hào)指導(dǎo)教師職稱學(xué)歷課題名稱三圓柱定子縱彎復(fù)合模式旋轉(zhuǎn)型超聲波電機(jī)的設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）類型（劃√)工程設(shè)計(jì)應(yīng)用研究開發(fā)研究基礎(chǔ)研究其他√本課題的研究目的和意義：本畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的旨在培養(yǎng)學(xué)生結(jié)合以及應(yīng)用所學(xué)的基礎(chǔ)理論知識(shí),進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)一種三圓柱定子縱彎復(fù)合模式旋轉(zhuǎn)型超聲波電機(jī)的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過程中，使學(xué)生如何查找和閱讀相關(guān)文獻(xiàn),掌握有關(guān)工程設(shè)計(jì)的程序、方法和技術(shù)規(guī)范，提高工程設(shè)計(jì)、圖紙繪制和編寫技術(shù)文件的能力.培養(yǎng)獨(dú)立工作,團(tuán)結(jié)協(xié)作和從事產(chǎn)品研發(fā)的實(shí)際能力和水平。?文獻(xiàn)綜述(國(guó)內(nèi)外研究情況及其發(fā)展）:1、超聲波電機(jī)概況超聲波電機(jī)（UltraｓｏniｃMotｏr，USM)是一種直接由功能材料構(gòu)造的新型電機(jī)。其原理、結(jié)構(gòu)及運(yùn)行控制方式均與傳統(tǒng)電機(jī)不同，而最主要的區(qū)別是無繞組和磁極，也無需通過電磁作用產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)力.USM一般由振動(dòng)體(相當(dāng)于傳統(tǒng)電機(jī)中的定子，由壓電陶瓷、金屬塊和移動(dòng)體(相當(dāng)于傳統(tǒng)電機(jī)中的轉(zhuǎn)子，由摩擦材料及金屬等制成）組成。在振動(dòng)體的壓電陶瓷加上超聲頻交流電壓時(shí),壓電陶瓷利用逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生超聲波振動(dòng)，通過振動(dòng)體與移動(dòng)體間的摩擦力即可將這種振動(dòng)變換成移動(dòng)體的旋轉(zhuǎn)或直線型運(yùn)動(dòng)。超聲波電機(jī)是壓電陶瓷、功能材料、機(jī)械振動(dòng)、超精加工、電力電子、控制理論等學(xué)科交叉發(fā)展的結(jié)晶。對(duì)超聲波電機(jī)的研究與開發(fā),在某些領(lǐng)域可取代傳統(tǒng)的小型和微型電磁電機(jī)，在航空航天、機(jī)器人、醫(yī)學(xué)等高科技領(lǐng)域?qū)?huì)引起深刻的技術(shù)革新.可以說，對(duì)超聲波電機(jī)及其控制系統(tǒng)的研究有重要的科學(xué)意義和廣泛的應(yīng)用前景國(guó)內(nèi)外研究水平和動(dòng)態(tài).（１）國(guó)外研究狀況二十世紀(jì)八十年代以來，日本、美國(guó)和德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家都在對(duì)超聲波電機(jī)進(jìn)行大力研究，并在機(jī)器人、汽車電器和照相機(jī)鏡頭等很多方面得到了應(yīng)用.日本在前蘇聯(lián)的科學(xué)家提出了超聲波電機(jī)的設(shè)計(jì)和構(gòu)思后，投入大批的人力、物力開發(fā)超聲波電機(jī),進(jìn)行了大量的研究,并致力于應(yīng)用開發(fā)。目前，日本在超聲波電機(jī)的研究和應(yīng)用上都處于領(lǐng)先地位.它掌握著世界上大多數(shù)超聲波電機(jī)技術(shù)發(fā)明專利.現(xiàn)在幾乎各知名大學(xué)和許多公司都在進(jìn)行超聲波電機(jī)的研究和生產(chǎn).其中Canon公司花費(fèi)１０億日元建立了一條超聲波電機(jī)生產(chǎn)線，每月能生產(chǎn)20－40萬(wàn)臺(tái)超聲波電機(jī)。它除了供給該公司生產(chǎn)的照相機(jī)配套外，還提供日本其他領(lǐng)域使用。日本Sｅiko公司每年生產(chǎn)2０萬(wàn)臺(tái)用于手表的超聲波電機(jī)。還有不少公司，如Shiｎｓei,Hｏnda，Panａｓonｉc，Hitａchi等公司都在發(fā)展和生產(chǎn)超聲波電機(jī)。日本豐田公司1998年還成立了一家子公司，專門研究和開發(fā)用于汽車上的超聲波電機(jī)。該子公司正在開發(fā)力矩為2Nｍ的超聲波電機(jī)，準(zhǔn)備用作驅(qū)動(dòng)小轎車上門窗玻璃的升降裝置.美國(guó)和西歐各國(guó)也正掀起超聲波電機(jī)的研究熱潮。在美國(guó),已有一批公司和大學(xué)從事超聲波電機(jī)的研究，如MIT(麻省理工學(xué)院)的航空航天系空間工程研究中心和電子工程、計(jì)算機(jī)系的人工智能中心都在研制用于空間、智能機(jī)器方面的超聲波電機(jī)。據(jù)有關(guān)方面報(bào)道：美國(guó)政府正在實(shí)施一項(xiàng)研究和生產(chǎn)計(jì)劃，要在最近幾年內(nèi)，使美國(guó)的超聲波電機(jī)年產(chǎn)量達(dá)到１０億臺(tái)以上,趕上并超過日本，預(yù)計(jì)可獲得100０億美元的市場(chǎng)。在德國(guó),有ＵnivｅrsｉtyｏfＰaderbｏrｍ和DａrmstadｔUniｖerｓitｙoｆTechnology在研究超聲波電機(jī),且GmｂH公司的產(chǎn)品已用于奔馳汽車自動(dòng)窗門。在英國(guó)，ＵniversiｔyoｆCambridge工程系對(duì)超聲波電機(jī)進(jìn)行研究和開發(fā),EMS公司已開始小批量生產(chǎn)。在法國(guó)，ＢeｓancｏnUniveｒsity和UｎiversityｏfFrａncheCome也在開發(fā)和研究超聲波電機(jī),但目前尚未見到有關(guān)產(chǎn)品報(bào)導(dǎo)。其他，如意大利、瑞士、新加坡以及南韓等國(guó)家的名牌大學(xué)都有一批人在研究和開發(fā)超聲波電機(jī).目前，在國(guó)外除環(huán)形和棒型行波型USM已開始批量生產(chǎn)和應(yīng)用的同時(shí)，新型的ＵSM研究仍在不斷的進(jìn)行。（2)國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀我國(guó)于２0世紀(jì)８0年代末開始超聲波電機(jī)的研究，90年代后才有較多的研究單位、人員和資金的投入。先后有包括清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、吉林工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)、長(zhǎng)春光機(jī)所、南京航空航天大學(xué)、北京科技大學(xué)、天津大學(xué)、上海冶金研究所、上海交通大學(xué)、東南大學(xué)、華中科技大學(xué)和華僑大學(xué)等十幾個(gè)單位開展了超聲波電機(jī)的研究。在電機(jī)的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)控制方面，各高校和科研單位的側(cè)重點(diǎn)有所不同，但基本上涵蓋了目前已經(jīng)出現(xiàn)的電機(jī)類型。如，清華大學(xué)、天津大學(xué)等單位的壓電直線蠕動(dòng)式USM，東南大學(xué)、浙江大學(xué)等單位的環(huán)形行波型USM,哈爾濱工業(yè)大學(xué)、南京航空航天大學(xué)等單位的圓板型UＳM,華中科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等單位的直線型USM以及長(zhǎng)春光機(jī)所、上海冶金研究所等單位的壓電微型UＳM，基本上反映了國(guó)內(nèi)在超聲波電機(jī)研究領(lǐng)域所做的工作。但目前的水平主要處在理論研究與實(shí)驗(yàn)階段,也取得了不少的研究成果，但到目前為止,尚未進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用。其中,南京航空航天大學(xué)在這方面研究處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的地位，最近幾年已開發(fā)出多種新型超聲波電機(jī)，其中TRUSＭ旋轉(zhuǎn)型行波超聲波電機(jī)系列產(chǎn)品達(dá)到國(guó)際同類產(chǎn)品水平。并且近期已經(jīng)和常州微特電機(jī)總廠正在共建“江蘇省超聲波電機(jī)工程研究中心”。另外,東南大學(xué)超聲波電機(jī)研究組也和國(guó)電南京自動(dòng)化股份有限公司聯(lián)合組建了“國(guó)電南自超聲波電機(jī)研究中心”。目前，國(guó)內(nèi)研究單位正在進(jìn)行研究的主要內(nèi)容有：a)微型USＭ以及USＭ的建模和設(shè)計(jì)理論的研究。ｂ）ＵSM產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用研究：包括環(huán)形行波型USM和棒形扭轉(zhuǎn)復(fù)合型USM的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)研究，驅(qū)動(dòng)控制裝置的小型集成化問題的研究c）新型UＳM運(yùn)動(dòng)機(jī)理和結(jié)構(gòu)的研究，如大力矩USM、無接觸式ＵＳＭ。d）USM驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的研究：包括PID控制、自適應(yīng)頻率跟蹤控制、模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)等。e）新型壓電材料和摩擦材料的研究。但從總體上看，國(guó)內(nèi)研究的深度和廣度,特別在實(shí)用化方面和國(guó)際水平仍有較大的差距，至今尚未見到有國(guó)產(chǎn)超聲波電機(jī)商業(yè)應(yīng)用的報(bào)道,仍有一些根本性的問題有待解決。2、超聲波電機(jī)的工作原理如圖1．1所示為超聲波電機(jī)的工作基本原理示意圖.超聲波電機(jī)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(dòng)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(yīng)即電致伸縮效應(yīng)產(chǎn)生幾十千赫的超聲波振動(dòng)。然后,將這種振動(dòng)通過彈性體和移動(dòng)體之間的摩擦力變換成旋轉(zhuǎn)或直線運(yùn)動(dòng)，或者直接用壓電振子產(chǎn)生彎曲振動(dòng)驅(qū)動(dòng)移動(dòng)體轉(zhuǎn)動(dòng)。圖1.1超聲波電機(jī)的基本原理示意圖從這里可以看出，超聲波電機(jī)是利用壓電陶瓷逆壓電效應(yīng)原理。高頻電源產(chǎn)生信號(hào)的頻率和電機(jī)的固有頻率一致,形成共振，產(chǎn)生高頻機(jī)械振動(dòng)。這種振動(dòng)借助定子和轉(zhuǎn)子間的摩擦耦合來驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng).這就是超聲波電機(jī)的基本工作原理。其能量轉(zhuǎn)換可分為以下兩個(gè)過程：①高頻交流通過壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)把電能轉(zhuǎn)換為定子的機(jī)械能；②定轉(zhuǎn)子之間通過摩擦耦合把定子的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子的機(jī)械能。3、超聲波電機(jī)的分類超聲波電機(jī)利用壓電陶瓷的壓電效應(yīng)及彈性體的機(jī)械振動(dòng),通過轉(zhuǎn)子與定子間的摩擦力來驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng).由于壓電陶瓷的極化形式多樣，彈性體的振動(dòng)模式也具有多樣性，可采用不同的振動(dòng)模態(tài)來產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，因而可以研制出多種不同結(jié)構(gòu)的超聲波電機(jī)，如環(huán)型或盤型、直線型、球型、彎扭耦合型、縱扭復(fù)合型、非接觸型及自校正型等等.一般按照使用的波動(dòng)方式的不同分為駐波型和行波型兩種。根據(jù)輸出運(yùn)動(dòng)的形式不同又可以分為旋轉(zhuǎn)型和直線型。根據(jù)驅(qū)動(dòng)位移的量級(jí)也可以分為一般的超聲波電機(jī)和微動(dòng)超聲波電機(jī)（微米級(jí)和亞微米級(jí)的驅(qū)動(dòng)位移)。而根據(jù)輸出運(yùn)動(dòng)自由度的個(gè)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(duì)超聲波電機(jī)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(jī)可以有很多種不同的形態(tài)。但是，從目前的搜集到的各國(guó)研究資料可以發(fā)現(xiàn),回旋型超聲波電機(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)展前途的一種。最常見的有駐波型超聲波電機(jī)和行波型超聲波電機(jī).駐波型超聲波電機(jī)的特點(diǎn)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(jī)的特點(diǎn)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(jī)的分類情況按驅(qū)動(dòng)方式分按定轉(zhuǎn)子力傳遞接觸方式分按運(yùn)動(dòng)方式分按自由度分超聲波電機(jī)行波型單一模態(tài)型接觸連續(xù)的局部面接觸直線運(yùn)動(dòng)單自由度復(fù)合模態(tài)型連續(xù)的點(diǎn)（線）接觸模態(tài)轉(zhuǎn)換型斷續(xù)的整個(gè)面接觸駐波型單一模態(tài)型斷續(xù)的點(diǎn)(線）接觸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)多自由度復(fù)合模態(tài)型非接觸空氣單一模態(tài)型液體4、超聲波電機(jī)的特點(diǎn)和應(yīng)用超聲波電機(jī)是近二十年來發(fā)展起來的一種新型電機(jī)。它突破了傳統(tǒng)電機(jī)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(yīng)和超聲振動(dòng)來轉(zhuǎn)換能量。與電磁式電機(jī)相比,超聲波電機(jī)具有如下的幾個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)：1、低速大轉(zhuǎn)矩;2、體積小、重量輕；3、反應(yīng)速度快、控制特性好;4、無電磁感應(yīng)影響；5、停止時(shí)具有保持力矩；6、運(yùn)行無噪音;７、形式靈活，設(shè)計(jì)自由度大；8、可在很低的電壓下工作；9、適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)。超聲波電機(jī)以其新穎的工作原理和獨(dú)有的性能特點(diǎn),引起人們的廣泛的注意。它有著很好的應(yīng)用前景。其應(yīng)用領(lǐng)域涉及到航空航天、汽車制造、生物工程、機(jī)器人、儀器儀表、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域.從目前的研究情況來看,超聲波電機(jī)產(chǎn)品可用于照相機(jī)的自動(dòng)聚焦系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器；航空航天領(lǐng)域自動(dòng)駕駛儀伺服驅(qū)動(dòng)器;機(jī)器人或微型機(jī)械自動(dòng)控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器；高級(jí)轎車門窗和座椅靠頭調(diào)節(jié)的驅(qū)動(dòng)裝置;窗簾或百葉窗自動(dòng)升降裝置;CD光盤唱頭驅(qū)動(dòng)裝置;精密儀器儀表、精確定位裝置;醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,如人造心臟的驅(qū)動(dòng)器、人工關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器;強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境條件下設(shè)備的驅(qū)動(dòng)裝置,如未來的磁浮火車；不希望驅(qū)動(dòng)裝置產(chǎn)生磁場(chǎng)的場(chǎng)合，如磁通門的自動(dòng)測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)等?？梢灶A(yù)言，隨著超聲波電機(jī)在工業(yè)界的成功應(yīng)用，將會(huì)發(fā)生一場(chǎng)新的技術(shù)革命。本課題的主要研究?jī)?nèi)容（提綱)和成果形式：（1）閱讀相關(guān)文獻(xiàn)，了解超聲波電機(jī)的原理,依據(jù)設(shè)計(jì)題目提出的要求，進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的論證。(2）繪制三圓柱定子縱彎復(fù)合模式旋轉(zhuǎn)型超聲波電機(jī)各零件的工程圖及裝配圖,進(jìn)行三維建模.(3）翻譯英文資料５０00字左右。(4）撰寫設(shè)計(jì)說明書,格式按學(xué)院相關(guān)規(guī)定。(5)所有設(shè)計(jì)內(nèi)容(圖紙，設(shè)計(jì)說明書等）的紙版和電子版材料。擬解決的關(guān)鍵問題：設(shè)計(jì)制作三圓柱定子縱彎復(fù)合模式旋轉(zhuǎn)型超聲波電機(jī)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得出結(jié)論，該類型電機(jī)不但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊,而且具有良好的輸出性能,如反應(yīng)速度快控制特性好，低速大轉(zhuǎn)矩等優(yōu)點(diǎn)．研究思路、方法和步驟：1研究縱彎復(fù)合模式的驅(qū)動(dòng)機(jī)理，２提出一種三圓柱定子縱彎復(fù)合模式新型機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)型超聲波電機(jī)，3設(shè)計(jì)制作了電機(jī)樣機(jī)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。本課題的進(jìn)度安排：2０1３.11。2０日前?選題２013.1１．2０—２01４。2．2８?調(diào)研,翻譯，收集資料,閱讀文獻(xiàn)，了解超聲電機(jī)原理,構(gòu)思并提出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,完成開題報(bào)告。2０1４.３．1－２014。5。1?進(jìn)行課題的設(shè)計(jì),繪制零件圖及裝配圖，進(jìn)行三維建模。20１4。５。２-2013。5.20 撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文)，格式按學(xué)院相關(guān)規(guī)定。２０14．5.2１-20１4．6．6?答辯與總結(jié),上交材料。參考文獻(xiàn):［1]洪尚任.超聲波馬達(dá)[Ｊ］．自動(dòng)化儀表，1９96，Ｖol。17(1０)：１-4．[２］趙淳生.面向21世紀(jì)的超聲電機(jī)技術(shù)[J]。中國(guó)工程科學(xué),2002，Vol.4（2）:8６-9１．［3]趙淳生.超聲電機(jī)技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社,2007。［4]羅辭勇,盧斌,張帆,蔡珍珍。超聲波電動(dòng)機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用［Ｊ］．微特電機(jī)，20１１,(11）:70-7４．[5］T。Uｃhiki，T．Nakazawat，K.Ｎaｋａmｕra，Ｍ.Ｋurosaｗa，aｎdS。Ueha。Ulｔrasonicmotorutiliｚingｅlasticｆiｎrotｏr[J］。IEＥＥUltｒasｏｎｉcsSymposiuｍ，１9９1，9２9-９32．［6］林書玉．超聲換能器的原理及設(shè)計(jì)[M］。北京:科學(xué)出版社，2００4：１88-１92。［7］胡敏強(qiáng)，金龍，顧菊平．超聲波電機(jī)原理與設(shè)計(jì)［Ｍ］.北京:科學(xué)出版社,20０5：１69－１９0［８]劉劍,趙淳生?；诰匦伪“鍍?nèi)振動(dòng)的直線超聲波電機(jī)的研究[J]．聲學(xué)學(xué)報(bào)，２0０3,28（1）．［9]MinｏrｕKｕroｓatｗa,KｅntaroＮakamurａ，TakasｈiＯkamｏｔｏｅta1.AnUltrasoｎicMotorＵsingBendingＶｉbrａt(yī)iｏnsｏfaShorｔCylｉnｄeｒ［J］．IEEＥＴrａns．Uｌｔrasｏnicｓ，F(xiàn)erｒｏｅlｅｃtriｃsａnｄFreｑuencyCoｎtrol,1989,３６(５）:5１７—５2１［１0]陳建毅.行波型超聲波電機(jī)設(shè)計(jì)制作及其控制系統(tǒng)研究[D］.泉州:華僑大學(xué)，碩士學(xué)位論文,2005。[１1]陳建毅，洪尚任，徐西鵬,孫學(xué)亮,李強(qiáng)松．行波型超聲波電機(jī)定子的對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，20０６，Vol。2１(3）:1００－104．[12］陳如桓。微小旋轉(zhuǎn)型行波超聲電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能分析[Ｄ］.南京:南京航天航空大學(xué)，碩士學(xué)位論文，20１１。［13］ 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