多自由度超声电机的研究进展.pdf
《多自由度超声电机的研究进展.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《多自由度超声电机的研究进展.pdf(8页珍藏版)》请在文库网上搜索。
1、第 卷 年第 期 月.多自由度超声电机的研究进展陈建毅 林星陵 吴庆勇(厦门城市职业学院 智能制造学院 福建 厦门)摘 要:超声电机是一种以逆压电效应为驱动原理的新型特种电机 具有结构简单、响应快速、定位精度好、可直接驱动等诸多优点 多自由度超声电机是一种重要的类型和研究热点 可实现空间中的多维运动和驱动输出 在微摄像机镜头、机器人关节、生物医学等领域具有显著的应用优势 本文从两类结构形式的定子进行分类 对国内外多自由度超声电机的研究进展进行总结和归纳 重点概述两类不同多自由度超声电机的结构优化、输出特性和应用方面等相关研究成果 为其进一步研究提供参考关键词:超声电机 多自由度 驱动机理 环形
2、行波型定子 柱状夹心式定子中图分类号:文献标志码:文章编号:()():.:收稿日期:修回日期:基金项目:福建省中青年教师教育科研项目(科技类)()厦门市自然科学基金项目联合项目()福建省海洋新能源和智能装备应用技术协同创新中心资助作者简介:陈建毅()男 博士 教授 研究方向为超声电机及压电精密驱动技术 引 言超声电机是一种新型的压电驱动器 涉及了机械学、压电学、振动学、摩擦学和自动控制等多门学科 是微特电机和精密驱动技术前沿领域的研究热点 与传统电机的电磁驱动工作原理完全不同超声电机利用压电陶瓷的逆压电效应将电能转化成机械能 激发出定子的超声振动 再通过定子和转子(动子)之间的摩擦作用直接驱动
3、电机的转子(动子)的运动 它具有响应快、定位精度高、可直接驱动负载等独特优点 在精密仪器、航空航天、武器装备、生物医疗等众多领域具有广阔的应用前景 并在相机自动对焦系统和精密定位平台等精密驱动领域已经商业化应用 我国举世瞩目的探月工程中“嫦娥四号”在人类历史上第一次登陆月球背面“嫦娥五号”成功带回月壤等重大科技项目均有超声电机应用的身影 其中 小型化和轻量化的超声电机发挥了重要作用 助力探测器在月球表面精准“挖土”凸显了超声电机的独特优势多自由度超声电机是超声电机一种重要的类型和研究前沿 依靠单个压电振子的多模态组合或者通过多个压电振子的组合 实现空间上多个自由度的运动和动力输出 在电机的结构
4、形式、小型化、轻量化、驱动便捷、控制精度、分辨率、多维驱动等方面具有明显优势 受到越来越多的关注 近年来 随着科学技术不断的发展和微特电机应用领域 期陈建毅等:多自由度超声电机的研究进展不断的扩大 对多自由度驱动系统的集成度、控制精度、功率密度、稳定性等关键性能提出了更高的要求 国内外学者针对多自由度超声电机开展大量的研究 研制了多种不同驱动机理和结构形式的多自由度超声电机 使其体积更小、具有更高控制精度 在微摄像机镜头、机器人关节、生物医学等领域显示出独特的应用优势 本文综述了环形定子多自由度超声电机和柱状定子多自由度超声电机的研究进展 对两类电机的新结构、优化设计、输出性能和应用方面等取得
5、相关研究成果进行了总结为其进一步研究提供一些有益的参考 环形定子多自由度超声电机的研究进展 环形定子多自由度超声电机主要由环形定子和球形转子组成 主要有组合式和多模态式 组合式是最主要的形式 通过多个行波型环形定子(环形压电陶瓷片和金属弹性体粘结而成)组合 依靠每个环形定子形成的驱动转矩共同作用驱动一个球形转子可实现球形转子绕不同轴的转动 即多自由度运动目前常见的多个行波型环形定子组合式主要有四定子二自由度、三定子三自由度、外转子三定子三自由度、内置定子驱动的三定子三自由度等结构 多模态式的环形定子多自由度超声电机主要通过环形定子的多种共振模态叠加组合来实现驱动球形转子绕相应轴的转动 实现多自
6、由度运动 行波型环形定子工作原理在行波型环形定子上激励相位差相差为 的两相正交信号 从而在定子表面上激发出同幅值、同频 但相位差为 的两相驻波 其在法向方向上的合成位移为()()()式中()为振动的振幅 为环形定子振动模态的节圆数(驻波的波数)为施加的交变电压角频率两相驻波在环形定子内叠加后形成沿某一方向传播的弯曲行波 表示为 ()()()由于定子上质点的法向位移均相同 则定子表面法向位移 由板壳理论 可知定子表面质点由行波产生的切向位移为 ()()()式中 为定子中性面与定子上表面的有效距离由式()和式()可推出:()()/()由式()可知定子表面质点的运动为椭圆轨迹因此 行波型环形定子驱动
7、机理是在两相交变电压的相互作用下 在弹性体内形成两相弯曲振动驻波 进而合成一个沿圆环周向运动的弯曲振动行波 行波使定子表面各质点作椭圆运动 并借助定子和转子之间的摩擦作用直接驱动转子运动 四定子二自由度球形超声电机早在 年 等人提出了二自由度球形超声电机 其主体结构由空间上两对相互垂直的行波型环形定子(即四个对称定子)环绕一个球形转子组成 其结构示意图如图 所示 每对定子可控制球形转子沿一个方向旋转 通过控制两对环形定子实现球形转子两个自由度的运动 通过调节两相激励信号的相位差 可以输出不同的速度、方向这是最基本的驱动原理 该电机样机的最高转速是/最大输出转矩 该电机由一对定子驱动时 另一对定
8、子会产生阻力 导致电机负载增加 运行不平稳、易发热 降低了电机的效率 年 浙江大学郭吉丰等人提出了一种自适应调心结构的四定子二自由度超声电机 该电机同样采用两对行波型环形定子 并增加对心的调整机构 保证每个定子的接触圆周均匀地接触球形转子 研制出定子直径、球转子直径 的实验样机 样机的输出转速在 轴和 轴分别为/和/输出转矩分别为 和 且运行稳定 年 等设计一种内部具有 倾斜角度定子齿 利用四个定子齿的倾斜表面和球转子同时接触 并利用碟形弹簧施加压力 驱动球转子运动 研制直径、球转子直径 的实验样机 最高转速 /最大输出转矩为 图 二自由度球形超声电机的结构示意图 卷 三定子三自由度球形超声电
9、机 年 等人在四定子二自由度进行结构改进 通过三个行波型环形定子在空间圆周上均匀分布来驱动球形转子 三个定子中心线交于一点(即转子的球心)相互之间成 度夹角分布如图 所示 当施加激励信号 三个定子产生驱动球形转子的驱动转矩(绕着各自中心轴线回转、)三个驱动转矩在空间上叠加所产生的合转矩可驱动球形转子做旋转运动 其在空间上的矢量和()即为球形转子回转转矩的方向这样 可分别通过控制三个定子驱动转矩来协同控制 实现球形转子在三自由度方向的旋转运动 研制了定子直径 、球形转子直径 的电机样机 在谐振频率、驱动电压 样机最高转速为 /最大输出转矩为 该类型结构电机具有较高的稳定性和力能效率 现已进入了商
10、业化生产和应用阶段 年 罗均等人将多自由度球形超声电机应用到机器人仿生眼机构的驱动 通过球形转子实现多个自由度旋转 从而可以驱动仿生眼球(摄像头)转动和位置控制 年 傅平等人提出了一种基于板簧支撑结构的三定子三自由度球形超声电机 如图 所示 该电机使用螺旋板簧支撑结构来解决球转子与定子之间的对心问题和提供预紧力 使定子自动对心和预紧力更加均匀一致 研制定子直径 、球形转子直径 的电机样机 在驱动电压 电机样机的最高转速 /最大输出转矩 且各方向运转平稳 年 牛子杰等人提出了基于柔性底座的 个行波型环形定子多自由度球形超声电机 该电机由 个环形定子、个柔性底座、个支架和 个球形转子组成 通过采用
11、了柔性底座弹性结构 实现电机的球转子和定子之间具有一定的预紧力 同时改进环形定子表面的齿状结构 将其齿面形貌和球转子表面同曲率半径的圆弧 从而保证球转子和定子齿面能够紧密贴合 年 郭语等人提出了一种具有同步调心结构的多自由度球形超声电机 由 个行波型环形定子共同夹持驱动 个球形转子 通过采用类似三爪卡盘的端面螺纹机构实现三个定子的同步调心采用有限元分析软件建立了基于响应面模型的多目标优化模型 对定子结构参数进行优化 提高了定子表面振幅图 三个行波型环形定子组合式多自由度超声电机图 板簧支撑结构的三自由度球形超声电机 外转子三自由度球形超声电机 年 等人设计和研制了一种适用于管道中摄像的外转子多
12、自由度超声电机 如图 所示 该电机采用直径 的三个行波型环形定子和摄像头构成外转子 金属球和支撑轴固定不动 电机驱动时 三个环形定子施加激励信号产生绕着各自中心轴线回转的驱动转矩 这三个驱动转矩的空间矢量和即为外转子回转力矩的方向同样 通过三个定子驱动力矩的不同组合和协同控制产生各种回转方向 驱动外转子的三自由度的旋转运动 通过相位差的控制可以方便实现转向控制通过频率控制实现旋转精度控制 该多自由度超声电机已经成功应用于管道检查的内窥镜摄像机镜头的转向机构 可以使摄像机镜头顺利通过直径为 期陈建毅等:多自由度超声电机的研究进展 且截面具有一个 拐角的管道 并且拍摄图像质量良好 如图 所示 该电
13、机具有高响应性与高精度的优点 控制摄像头可以实现了沿管道侧壁旋转超过 旋转位置精度误差在 以内图 外转子球型多自由度超声电机图 外转子多自由度超声电机在管道检查设备应用 内置定子驱动的三自由度球形超声电机 年 李争等人提出一种内置定子球壳内部驱动的新型多自由度超声电机 如图 所示图 内置定子驱动的多自由度超声电机该类型电机主要由 个球形转子、个环状定子以及基座支承轴和预压调节器组成 个定子对称分布于球形转子内部 各定子中心轴连接线夹角为 度 该电机驱动时 驱动电源分别对球壳内的三个定子施加激励信号 此时 个定子均产生弯曲行波 在预压力的作用下环形定子与球形转子内层接触形成绕着各自中心轴线回转的
14、驱动力矩、这三个驱动力矩的空间矢量和()即为该多自由度球形超声电机输出转矩矢量 球形转子可以在三个驱动转矩的共同作用下产生任何一个方向的旋转运动 实现电机的三自由度驱动 研制了定子直径 球转子的结构为内球直径为、外球直径为 的电机样机 测试样机的机械输出特性 在不同激励频率下的 轴、轴、轴的输出转速分别为 /、/、/年 李争等人进一步研究不同预压力的定子和球转子接触和输出特性 该电机可以获得大的输出转矩 在 的预压力 最高转速 /最大输出转矩 环形复合定子的多自由度超声电机 年 等人提出一种基于一个环形复合定子的多自由度超声电机 并对其在人工眼球定位系统的应用进行研究 该电机利用环形复合定子的
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 自由度 超声 电机 研究进展