0496-60mm旋轉(zhuǎn)行波超聲電機設(shè)計及工藝【優(yōu)秀含6張CAD圖+說明書+工藝卡】
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旋轉(zhuǎn)型行波超聲電機
帕薩迪納，CA91109，加利福尼亞理工學院噴氣推進實驗室；
科斯塔梅薩，CA92627，材料質(zhì)量檢測中心，威廉梅蘭迪亞。
摘要：旋轉(zhuǎn)型超聲波電機逐漸發(fā)展為太空飛船的微型驅(qū)動器及其子系統(tǒng)。此技術(shù)應(yīng)用于有著嚴格要求的商業(yè)產(chǎn)品中，為了更加有效地設(shè)計此類電機而采用分析工具。分析模型用于檢測在旋轉(zhuǎn)超聲電機中激勵產(chǎn)生的彎曲行波。這個有限元分析模型為環(huán)形，被用于預(yù)測環(huán)形定子的振動頻率和模態(tài)響應(yīng)。此模型給設(shè)計高效率的超聲波電機提供依據(jù)，定子的設(shè)計包括齒槽、壓電體、定子的幾何外形等方面，定子是由他們有機地組合而成。理論計算值與實驗結(jié)果的比較表明這將是一個值得世人所關(guān)注的課題。與此同時，超聲波電機還被用于機械臂，他們是否能夠在火星的環(huán)境下正常運行的研究還在進行中。
關(guān)鍵詞：驅(qū)動器，彈性體，壓電電機，超聲波電機，定子與轉(zhuǎn)子，模態(tài)分析。
2. 緒論
當前，美國國家航空和宇宙航行局一直致力于縮小未來太空飛船的體積和減少其質(zhì)量的研究。為了與這變化想適應(yīng)，超聲波電機逐漸成為機械裝置簡化的一個重要的手段。傳統(tǒng)的微型電磁式電機由于受制造工藝的限制，一般這類電機為了達到速度與扭矩相適應(yīng)需要使用齒輪減速機構(gòu)，采用這個將會增加設(shè)備的質(zhì)量、體積和機構(gòu)的復(fù)雜性，同時增加系統(tǒng)的部件也會降低系統(tǒng)的可靠度?，F(xiàn)在所介紹的旋轉(zhuǎn)壓電電機將是微型設(shè)備中的未來潛在驅(qū)動裝置，這種馬達具有低速大轉(zhuǎn)矩，堵轉(zhuǎn)力矩高、結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)快等特點，可以將外形制成環(huán)形（應(yīng)用于光學，配線通過中心的電子儀表組件）。目前，一個關(guān)于超聲波電機在宇宙環(huán)境中工作情況的課題正在研究中，換句話說，它能夠在低溫和真空的環(huán)境下有效可靠地運行。
超聲波電機按工作模式劃分，可以分為靜態(tài)和動態(tài)兩種；按運動方式可以分為旋轉(zhuǎn)式和直線式兩種；按執(zhí)行機構(gòu)的形狀可以分為梁式、桿式和板式等等。盡管它們之間有區(qū)別，但是他們的工作原理都是一樣，即利用壓電效應(yīng)產(chǎn)生的激勵：彈性體（通常與壓電陶瓷結(jié)合）的細小變形通過精確靜態(tài)機構(gòu)或者動態(tài)諧振的方法擴大。一些超聲波馬達已經(jīng)在一些要求結(jié)構(gòu)緊湊和做間歇運動的領(lǐng)域進行產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。這些應(yīng)用包括：照相機的鏡頭自動調(diào)焦、手表馬達以及結(jié)構(gòu)緊湊的打字機。傳統(tǒng)電磁電機為了得到和超聲波電機一樣轉(zhuǎn)矩—速度特性，需要添加齒輪減速機構(gòu)，因此增加電機的尺寸、質(zhì)量和傳動裝置的復(fù)雜性。超聲波電機有高的自鎖力，它能提供精確的零位移。此外，由于這些電機是依靠摩擦力矩驅(qū)動的，所以在無外力的作用下產(chǎn)生反驅(qū)動，因此讓人關(guān)注的與其他電機相比更高的堵轉(zhuǎn)扭矩。電機的組成部件的數(shù)量少代表了潛在故障點的數(shù)目會相應(yīng)減少。超聲波電機的優(yōu)良特性被人們所看好，將其應(yīng)用于有著體積小，間歇運動要求的機器人上。
圖1為超聲波電機（環(huán)形行波超聲波電機）的工作原理。行波形成于由環(huán)形彈性體構(gòu)成的定子的表面上，并在轉(zhuǎn)子的表面產(chǎn)生橢圓運動。 定子表面質(zhì)點的橢圓運動驅(qū)動轉(zhuǎn)子和與之相聯(lián)的軸旋轉(zhuǎn)。在定子表面添加齒槽結(jié)構(gòu)是用于增大振動幅度，以此提高電機的轉(zhuǎn)速。超聲波電機的運轉(zhuǎn)依靠運動的定子和轉(zhuǎn)子之間的接觸面產(chǎn)生的摩擦。這也是設(shè)計如何延長接觸面的使用壽命的關(guān)鍵問題。
圖1 旋轉(zhuǎn)型行波超聲波電機工作原理示意圖
3. 工作原理
超聲波電機一般的工作原理是通過擴大和重復(fù)振子的細小應(yīng)變來產(chǎn)生總的機械運動。振子引起與轉(zhuǎn)子相接觸的定子接觸面上的質(zhì)點產(chǎn)生一個軌跡運動，和在轉(zhuǎn)子與定子之間的分界面產(chǎn)生的摩擦，以此擴大微小運動來產(chǎn)生定子的大運動。這一結(jié)構(gòu)如圖1所示。振子是壓電陶瓷受到激勵在定子內(nèi)部產(chǎn)生行波，致使定子上的質(zhì)點做橢圓運動。在置于定子之上的轉(zhuǎn)子上施加預(yù)緊力和旋轉(zhuǎn)的定子和轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生摩擦力，依靠這些擴大接觸面上的細微應(yīng)變。此運動的轉(zhuǎn)換過程與齒輪機構(gòu)類似，產(chǎn)生與行波頻率相比更低的旋轉(zhuǎn)速度。
定子的下層的厚度設(shè)為，在定子粘有一定厚度的一組壓電體，這些壓電體按照一定的順序和位置與定子的后表面結(jié)合，壓電陶瓷的厚度設(shè)為?？偤穸葹椋@是壓電陶瓷的厚度與定子的厚度之和（其中粘結(jié)層厚度忽略不計）。整體高度可以隨著徑向位置變化而變化。定子的外半徑為，內(nèi)孔半徑為。為了產(chǎn)生行波，由兩個相差四分之一的波長信號構(gòu)成壓電陶瓷的極化方向，這樣的極化方式也能被用來消除定子的范圍和最大撓曲。定子上的齒槽在徑向位置上成環(huán)形分布。
為了在定子內(nèi)部產(chǎn)生行波，需要同時激勵出兩個相同的正交振型。在同一模式中，兩個極化節(jié)粘于定子上，以此構(gòu)成由壓電驅(qū)動器，這就是模型。從幾何學上分析這個模型，結(jié)果表明激勵出兩個狀態(tài)分別為和信號，將會產(chǎn)生頻率為的行波。同時，通過改變驅(qū)動信號的工作狀態(tài)，行波的方向也會相應(yīng)地發(fā)現(xiàn)變化。
4. 理論模型
超聲波電機的運動方程源于漢密爾頓原理，這個分析模型被許多學者所推導(dǎo)過（比如Hagood、A. McFarland和Kagawa等）。定子的通用運動方程歸納如下：
式中，[M]、[C]、[K]、[P]、[G]分別為質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣、機電耦合矩陣和電容矩陣，矢量{x}、{j}、{}、{}和{Q}分別是模型的振幅、電勢正常外力向量、切向力矢量和電荷矢量。振幅矢量{x}和其他廣義矢量能夠通過能量平衡原理定義，如Rayleigh Ritz 原理。但是，這個方法忽略了定子上的齒槽的作用。環(huán)形定子也會隨著內(nèi)支撐板徑向位置的變化而變化，這可能會導(dǎo)致不合要求的結(jié)果出現(xiàn)。即使三維有限元分析方法（FEM）可以精確預(yù)測模型的固有頻率和定子的瞬態(tài)響應(yīng)特性，但這是一個復(fù)雜的計算過程。此外，決定設(shè)計模型往往需要通過三維有限元分析軟件核實計算響應(yīng)模型和共振頻率。由于此方法的所提及的缺點，需要改進過去所描述的周期性有限元，這也是基于超聲波馬達的對稱特性。環(huán)形有限元如圖2所示，其中都是自由度。橫向移動量穿過每個部分，其表現(xiàn)方程如下：
式中，表示徑向振動頻率，指標m、n分別是沿著q和r方向的模型。當假設(shè)橫向切力和旋轉(zhuǎn)慣性效應(yīng)忽略不計，質(zhì)量和剛度矩陣能按照標準變化理論推導(dǎo)。因此，解決特征值問題可以得到正常頻率和模型的外形。
用標準的公式表示，其中包括了定子齒槽的作用。其他廣義坐標的制定細節(jié)也和這些類似確定。這些將會在作者以后的出版物中提及。
5. 對壓電電機的分析
對非線性、定子—轉(zhuǎn)子之間的動態(tài)聯(lián)接模型分析時，主要討論的內(nèi)容包括預(yù)測電機的潛在穩(wěn)定狀態(tài)和在臨界設(shè)計參數(shù)的情況下電機的運行瞬態(tài)性能，比如接觸面上的法向力、齒高、定子的徑向切面。有限元的運算法則被融入分析軟件中，MATLAB的代碼被用于確定定子模型的特征。模型反應(yīng)出定子的形狀、壓電陶瓷的極化模式和定子齒的相關(guān)參數(shù)。一旦選定定子的每個細節(jié)，那么模型的響應(yīng)也確定了。這也可以在電腦中進行實時監(jiān)測，如圖2所示，此時的模型中的參數(shù)已經(jīng)給定，（m，n）=（4，0）。利用電子點模式的干涉測量儀驗證預(yù)測的模型響應(yīng)特性，結(jié)果非常直觀，如圖3（左）。
MATLAB成為觀察超聲波電機工作狀態(tài)一種新的工具，能夠在電腦上模擬仿真。該軟件能夠模擬旋轉(zhuǎn)電機中彎曲行波在定子中工作狀態(tài)（圖4）。
圖2 環(huán)形有限元分析模型
圖3 模態(tài)響應(yīng)和共振頻率（左圖）和實驗檢測（右圖）
采用有限元的分析模型，以此構(gòu)建馬達。表1為直徑為1.71英寸鋼結(jié)構(gòu)定子所預(yù)測的振型和精確的共振頻率。在此表中的結(jié)果顯示理論值和實際值相對吻合，為了
圖4 利用動畫展示超聲波馬達的工作原理。
定子以行波的形式運動，轉(zhuǎn)子在定子的上面旋轉(zhuǎn)。
表1 一個超聲波馬達的共振頻率的理論值和實驗值
輸入方式
固定頻率
測量頻率
(m,n)
(KHz)
(KHz)
(4,0)
14.88
14.55
(5,0)
22.48
22.37
(6,0)
31.45
31.34
圖7 在溫度為與真空度為的環(huán)境下，
直徑為1.1英寸的超聲波電機的實驗檢測到的轉(zhuǎn)矩—速度曲線
檢測真空和低溫對馬達的影響。一個直徑為1.1英寸的超聲波馬達在一個低溫實驗室進行測試，此實驗利用SATEC系統(tǒng)，實驗測試轉(zhuǎn)矩與速度的曲線如圖7所示。結(jié)果表明在進行伺服控制的馬達能夠在溫度低于和真空度為的環(huán)境下非常穩(wěn)定的運行。這一結(jié)果是一個鼓勵，同時也意味著在未來決定超聲波馬達能否在火星的模擬環(huán)境下運轉(zhuǎn)的研究中還有需要的工作要做。
6. 結(jié)論
有限元模型被用來分析超聲波電機的光譜響應(yīng)，包括各式各樣的外形結(jié)構(gòu)和組成材料的超聲波電機。模態(tài)響應(yīng)和預(yù)測的共振情況可以利用實驗的方法確定，其中有光譜測量法和干涉分析法。此外，還有像MATLAB這類簡單的分析平臺的交互式用戶界面軟件分析超聲波電機的模態(tài)行為。同時還可以用于研究各種定子參數(shù)。
致謝
在此感謝MIT航空宇航研究中心的，Nesbitt .W .Hagood IV。感謝他在IRTWG項目的合作期間給我的幫助．本文中結(jié)果的原稿從行星靈巧的操作者的課題中獲得。這課題由Dr. Paul Schenker負責，由加利福尼亞大學噴氣推進實驗中心出資，同時與美國航天宇航局簽訂協(xié)議。Mr. David和Dr. Chuck Weisbin是TRIGW項目的負責人。
參考文獻
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