《超聲電機的應用》word版

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

2、cience 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 ca

3、nnot 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 a

4、pplied 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.關鍵字：超聲電機，航空航天，機器人，醫(yī)療，工程工業(yè)。Key words: ultrasonic motor, aerospace, robot, medi

5、cal, industrial engineering.超聲電機的優(yōu)點超聲電機與傳統(tǒng)電機相比, 具有以下特點:結構簡單、緊湊、轉矩/質量比大(是傳統(tǒng)電機的310倍);低速大扭矩, 無需齒輪減速機構, 可實現直接驅動;響應快(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;不產生磁場, 不受外界磁場干擾;容易做成直線型超聲電機;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，超聲電機在很多場合都可以取代電磁電機，擁有廣闊的應用前景。目前超聲電機主要應用于航空航天，精密儀器，相機等，其中日本是超聲電機最發(fā)達，也是產業(yè)化最早，目前最成熟的國家。在航空航天中的應

6、用最近幾年美國在宇宙飛船、火星探測器、運載火箭、核彈頭等航空航天工程中都陸續(xù)應用了超聲電機。圖1為美國噴氣推進實驗室(JPL)和MIT將聯(lián)合研制的超聲電機應用于火星探測微著落器。該電機扭矩達2.8 N·m, 使用最低溫度達-100, 比用傳統(tǒng)的電機減輕質量30%。此外，美國國家航空航天局(NASA)的Coddar Space Flight Center將超聲電機應用于空間機器人技術。其中微型機械手Micro Arm I使用了扭矩5 mN·m的超聲電機?；鹦菣C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

7、。它們比使用同等功能的傳統(tǒng)電機輕40%。圖2為美國把微型超聲電機應用于質量為7 8 kg的納米衛(wèi)星。 圖1USM 應用于火星探測微著落器 圖2 USM 應用于納米衛(wèi)星在國內，南航大研制的超聲電機也已經應用在嫦娥三號的紅外光譜儀上。圖3，應用于嫦娥三號上的超聲電機除了在航天領域，超聲電機也應用于航空領域，其中之一便是飛機的顫振主動抑制。顫振主動抑制是一個伺服氣動彈性穩(wěn)定性問題，設計飛機結構，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，驅動控制面轉動的作動器多用液壓伺服系統(tǒng)。而超聲電機所具有的低速大扭矩，斷電自鎖，響應快和扭矩/質量比大等優(yōu)

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

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

10、動的機器人手臂。其中肩關節(jié)采用多自由度超聲電機驅動。從圖中機器手臂的構造可以看出, 超聲電機驅動的機器人關節(jié)具有十分簡單的結構, 可以直接和機器人的其他部位相連, 而不需要安裝復雜的機械連接裝置。圖6多自由度電機驅動的機器人手臂在醫(yī)療上的應用由于超聲電機有自身不產生磁場，也不受磁場干擾的特性，因此非常實用于核磁共振。病人在進行核磁共振檢查時，需要注射藥液，注射時要求恒速推進，最正確方式是電機恒速驅動，但傳統(tǒng)電磁電機自身會產生磁場，干擾成像。而采用超聲電機則不會，圖7為南航大用研制的采用TURM-N電機的注射裝置。圖7USM 應用于核磁共振注射器當前在生物醫(yī)學微機械系統(tǒng)領域研究的主要問題是要尋求

11、微小的、能長期運行的動力源，以及將藥裝入膠囊或封裝,并進行校驗和監(jiān)測。用微制造技術制造出來的藥品傳送裝置及其系統(tǒng)目前己有許多先進的技術，特別是在通過微探針傳送藥物和注入人體內藥物的釋放方面已有很多應用。用于藥物傳送的射流微系統(tǒng)包括微型超聲電機或微壓電泵、電泳膏藥和智能藥丸。超聲電機作為微型醫(yī)療器械的動力,將牽引醫(yī)療器械引向人體內部或向人體傳送藥物。圖8壓電作動器應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胞質是不可缺少的一項操作。當采用傳統(tǒng)的水壓作動器操作時,由于細胞膜的彈性,使整個細胞會發(fā)生很大的變形,如圖9 a所示,這種過大變形會對細胞核造成傷害。日本Higuchi的

12、實驗室研制出了一套細胞操作微處理系統(tǒng),如圖9 b所示,該系統(tǒng)利用了沖擊式直線型超聲電機,實現了平穩(wěn)的動作,使細胞膜沒有產生如圖9 a的大變形。圖9 a 應用水壓作動器穿刺 圖9 b 應用沖擊式直線型USM多自由度超聲電機也應用于外科手術方面。日本慶應大學的竹村等將研制的圓柱形多自由度超聲電機應用于外科鉗子, 并提出用神經網絡的方法來精確控制鉗子的轉動角度。圖10多自由度電機驅動的外科鉗子在膠囊內窺鏡中，如何控制鏡頭的轉動和調焦和一個難題，利用新的壓電管型超聲微電機為解決這一問題提供了辦法。關鍵的改進在于使用了PI公司的中空壓電陶瓷管超聲電機和帶有聚焦面的棱鏡。將光纖插在中空超聲電機內部，光線經

13、自聚焦透鏡準直后由棱鏡反射，直至出射時才經一個非球面聚焦。電機工作時可帶動自聚焦透鏡和棱鏡同時旋轉，從而實現環(huán)形掃描。這可顯著縮短光學系統(tǒng)工作距離，提高橫向分辨率。同時由于光纖與電機位于同一側，縮短了探頭長度，避免了電機導線遮擋成像等問題。圖11 應用于膠囊內窺鏡的超聲電機在工程工業(yè)上的應用工程方面，超聲電機在伺服系統(tǒng)和精密定位平臺系統(tǒng)方面都有廣闊的應用前景。超聲電機具有的低速大力矩、響應速度快、保持力矩大和結構簡單等優(yōu)點，使得它非常適合于非連續(xù)運動的伺服控制及直接驅動。但是目前超聲電機的伺服應用還有一些難題需要解決。這是因為超聲電機利用定轉子間的摩擦驅動，定轉子間的摩擦規(guī)律很難確定，而且定子

14、諧振頻率會隨著溫升而改變，超聲電機的速度特性隨驅動條件（如溫度、負載轉矩）而變化。因此，超聲電機是一種強非線性的時變系統(tǒng)，很難得到精確的數學模型。這是超聲電機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。超聲電機的控制算法主要有負載自適應頻率跟蹤控制、PI控制、軟件變增益PI 控制、雙模模糊控制、神經元網絡控制、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)，應用最新的現代控制理論， 結合原有的控制方法和控制思路，實現無靜態(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 研究和應用人員不斷追求的目標。應用于精密定位平臺系統(tǒng)。隨著

15、半導體光刻技術、微型機械、精密測量、超精密加工、微裝配和納米技術的迅速發(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。精密運動系統(tǒng)是集精密位置檢測技術、驅動技術、直線導向技術、控制技術為一體的有機綜合體。其中，驅動控制技術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)的定位技術中，常選用“伺服電機+滾珠絲杠”的方式，由于具有運動轉換環(huán)節(jié)，不可避免地存在間隙誤差，雖然經過預緊后可實現良好的傳動精度，但使其達到納米級精度代價不菲。直線電磁電機由于結構復雜、制造和維護成本高、電磁兼容性差，控制系統(tǒng)復雜等原因，實現納米級定位需配備復雜的附

16、屬裝置，其穩(wěn)定性和可靠性還需進一步研究。直線超聲電機作為超聲電機中的一類，也是利用壓電元件的逆壓電效應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換成動子宏觀的直線運動。直線超聲電機不僅能夠直接產生直線運動和牽引力，而且具有結構簡單、響應快、斷電自鎖、不受電磁干擾等特點，同時具有較大的行程以及納米級的位移分辨率。利用直線超聲電機驅動的平臺，具有傳動鏈短、行程大、定位精度高、響應速度快等優(yōu)點，使其逐漸成為精密驅動領域的理想驅動器。圖12 利用超聲電機驅動的精密平臺在工業(yè)應用方面，圖13為日本Canon公司裝有環(huán)形行波超聲電機的照相機。該相機聚焦系統(tǒng)結構簡單, 聚焦快,

17、噪聲小。Canon公司已有37種照相機聚焦鏡頭應用了超聲電機。Nikon,Olympus等公司的照相機也在逐步應用超聲電機。此外，在日本，超聲電機還被應用于手表，用于震動報時。而在市場巨大的汽車產業(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，因為需要大量的電機作為驅動和控制元件，比如在座椅靠枕的自動調節(jié)，在后視鏡的自動調節(jié)上。而超聲電機由于其低速大扭矩和斷電自鎖的優(yōu)點，在這些應用上都比電磁電機更加合適。圖13Canon公司基于USM的相機圖14Seiko將USM 用于手表振動報時圖15 超聲電機在汽車上的應用超聲電機的優(yōu)點使得它有廣闊的應用前景，因此超聲電機在全世界范圍內都引起了很

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

19、。超聲電機的非線性特點主要表達在大功率條件下壓電材料本構關系、定/轉子之間的接觸、驅動電路等方面。目前對超聲電機及其驅動技術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識電機運行的內部機理, 但是對超聲電機自身存在的一些現象(比如調節(jié)過程中電機速度跳躍、突然停轉等)卻無法作出合理的解釋。對于超聲電機非線性特性的研究, 建立其分析模型, 對于超聲電機產品性能的優(yōu)化具有重要的研究意義。第三，超聲電機的制造技術。超聲電機利用的是微米量級、超聲頻域范圍的機械振動, 這使得超聲電機具有定位精度高的優(yōu)點, 同時也對超聲電機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。另外,

20、 超聲電機的加工技術、壓電陶瓷片的粘貼工藝等對于提高超聲電機產品的一致性和穩(wěn)定性也至關重要。相信隨著科學和技術的進步，這些問題最終會得到解決，屆時超聲電機的應用將會有飛躍性的發(fā)展。此外，另一些在精密驅動和控制領域有廣闊應用前景的技術，如磁致伸縮，人工肌肉，形狀記憶合金等目前也都在研究當中。相信當這些技術走進千家萬戶的時候，生活必定更加美好。參考文獻：1趙淳生.面向21世紀超聲電機技術的研究.中國工程科學, 2002, 14( 2): 86 912黃國慶,劉群亭,黃衛(wèi)清,等. 直線型超聲電機研究的現狀.微特電機, 2003, 31( 2): 24 263Takeshi Morita. Minia

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