三圓柱定子縱彎復(fù)合模式旋轉(zhuǎn)型超聲波電機的

7/7華僑大學(xué)廈門工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告系（部）:機械工程系專業(yè)班級：機械工程及自動化專業(yè)7班姓名學(xué)號指導(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)型超聲波電機的設(shè)計畢業(yè)設(shè)計（論文）類型（劃√)工程設(shè)計應(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,進行分析和設(shè)計一種三圓柱定子縱彎復(fù)合模式旋轉(zhuǎn)型超聲波電機的設(shè)計。在設(shè)計過程中，使學(xué)生如何查找和閱讀相關(guān)文獻,掌握有關(guān)工程設(shè)計的程序、方法和技術(shù)規(guī)范，提高工程設(shè)計、圖紙繪制和編寫技術(shù)文件的能力.培養(yǎng)獨立工作,團結(jié)協(xié)作和從事產(chǎn)品研發(fā)的實際能力和水平。?文獻綜述(國內(nèi)外研究情況及其發(fā)展）:1、超聲波電機概況超聲波電機（UltraｓｏniｃMotｏr，USM)是一種直接由功能材料構(gòu)造的新型電機。其原理、結(jié)構(gòu)及運行控制方式均與傳統(tǒng)電機不同，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)生運動力.USM一般由振動體(相當(dāng)于傳統(tǒng)電機中的定子，由壓電陶瓷、金屬塊和移動體(相當(dāng)于傳統(tǒng)電機中的轉(zhuǎn)子，由摩擦材料及金屬等制成）組成。在振動體的壓電陶瓷加上超聲頻交流電壓時,壓電陶瓷利用逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生超聲波振動，通過振動體與移動體間的摩擦力即可將這種振動變換成移動體的旋轉(zhuǎn)或直線型運動。超聲波電機是壓電陶瓷、功能材料、機械振動、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。對超聲波電機的研究與開發(fā),在某些領(lǐng)域可取代傳統(tǒng)的小型和微型電磁電機，在航空航天、機器人、醫(yī)學(xué)等高科技領(lǐng)域?qū)鹕羁痰募夹g(shù)革新.可以說，對超聲波電機及其控制系統(tǒng)的研究有重要的科學(xué)意義和廣泛的應(yīng)用前景國內(nèi)外研究水平和動態(tài).（１）國外研究狀況二十世紀(jì)八十年代以來，日本、美國和德國等發(fā)達國家都在對超聲波電機進行大力研究，并在機器人、汽車電器和照相機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的設(shè)計和構(gòu)思后，投入大批的人力、物力開發(fā)超聲波電機,進行了大量的研究,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)和許多公司都在進行超聲波電機的研究和生產(chǎn).其中Canon公司花費１０億日元建立了一條超聲波電機生產(chǎn)線，每月能生產(chǎn)20－40萬臺超聲波電機。它除了供給該公司生產(chǎn)的照相機配套外，還提供日本其他領(lǐng)域使用。日本Sｅiko公司每年生產(chǎn)2０萬臺用于手表的超聲波電機。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。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。該子公司正在開發(fā)力矩為2Nｍ的超聲波電機，準(zhǔn)備用作驅(qū)動小轎車上門窗玻璃的升降裝置.美國和西歐各國也正掀起超聲波電機的研究熱潮。在美國,已有一批公司和大學(xué)從事超聲波電機的研究，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、計算機系的人工智能中心都在研制用于空間、智能機器方面的超聲波電機。據(jù)有關(guān)方面報道：美國政府正在實施一項研究和生產(chǎn)計劃，要在最近幾年內(nèi)，使美國的超聲波電機年產(chǎn)量達到１０億臺以上,趕上并超過日本，預(yù)計可獲得100０億美元的市場。在德國,有ＵnivｅrsｉtyｏfＰaderbｏrｍ和DａrmstadｔUniｖerｓitｙoｆTechnology在研究超聲波電機,且GmｂH公司的產(chǎn)品已用于奔馳汽車自動窗門。在英國，ＵniversiｔyoｆCambridge工程系對超聲波電機進行研究和開發(fā),EMS公司已開始小批量生產(chǎn)。在法國，ＢeｓancｏnUniveｒsity和UｎiversityｏfFrａncheCome也在開發(fā)和研究超聲波電機,但目前尚未見到有關(guān)產(chǎn)品報導(dǎo)。其他，如意大利、瑞士、新加坡以及南韓等國家的名牌大學(xué)都有一批人在研究和開發(fā)超聲波電機.目前，在國外除環(huán)形和棒型行波型USM已開始批量生產(chǎn)和應(yīng)用的同時，新型的ＵSM研究仍在不斷的進行。（2)國內(nèi)的研究現(xiàn)狀我國于２0世紀(jì)８0年代末開始超聲波電機的研究，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)、長春光機所、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)等十幾個單位開展了超聲波電機的研究。在電機的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動控制方面，各高校和科研單位的側(cè)重點有所不同，但基本上涵蓋了目前已經(jīng)出現(xiàn)的電機類型。如，清華大學(xué)、天津大學(xué)等單位的壓電直線蠕動式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以及長春光機所、上海冶金研究所等單位的壓電微型UＳM，基本上反映了國內(nèi)在超聲波電機研究領(lǐng)域所做的工作。但目前的水平主要處在理論研究與實驗階段,也取得了不少的研究成果，但到目前為止,尚未進入商業(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，其中TRUSＭ旋轉(zhuǎn)型行波超聲波電機系列產(chǎn)品達到國際同類產(chǎn)品水平。并且近期已經(jīng)和常州微特電機總廠正在共建“江蘇省超聲波電機工程研究中心”。另外,東南大學(xué)超聲波電機研究組也和國電南京自動化股份有限公司聯(lián)合組建了“國電南自超聲波電機研究中心”。目前，國內(nèi)研究單位正在進行研究的主要內(nèi)容有：a)微型USＭ以及USＭ的建模和設(shè)計理論的研究。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)動控制裝置的小型集成化問題的研究c）新型UＳM運動機理和結(jié)構(gòu)的研究，如大力矩USM、無接觸式ＵＳＭ。d）USM驅(qū)動控制技術(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，國內(nèi)研究的深度和廣度,特別在實用化方面和國際水平仍有較大的差距，至今尚未見到有國產(chǎn)超聲波電機商業(yè)應(yīng)用的報道,仍有一些根本性的問題有待解決。2、超聲波電機的工作原理如圖1．1所示為超聲波電機的工作基本原理示意圖.超聲波電機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。然后,將這種振動通過彈性體和移動體之間的摩擦力變換成旋轉(zhuǎn)或直線運動，或者直接用壓電振子產(chǎn)生彎曲振動驅(qū)動移動體轉(zhuǎn)動。圖1.1超聲波電機的基本原理示意圖從這里可以看出，超聲波電機是利用壓電陶瓷逆壓電效應(yīng)原理。高頻電源產(chǎn)生信號的頻率和電機的固有頻率一致,形成共振，產(chǎn)生高頻機械振動。這種振動借助定子和轉(zhuǎn)子間的摩擦耦合來驅(qū)動電機運動.這就是超聲波電機的基本工作原理。其能量轉(zhuǎn)換可分為以下兩個過程：①高頻交流通過壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)把電能轉(zhuǎn)換為定子的機械能；②定轉(zhuǎn)子之間通過摩擦耦合把定子的機械能轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子的機械能。3、超聲波電機的分類超聲波電機利用壓電陶瓷的壓電效應(yīng)及彈性體的機械振動,通過轉(zhuǎn)子與定子間的摩擦力來驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動.由于壓電陶瓷的極化形式多樣，彈性體的振動模式也具有多樣性，可采用不同的振動模態(tài)來產(chǎn)生驅(qū)動力，因而可以研制出多種不同結(jié)構(gòu)的超聲波電機，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方式的不同分為駐波型和行波型兩種。根據(jù)輸出運動的形式不同又可以分為旋轉(zhuǎn)型和直線型。根據(jù)驅(qū)動位移的量級也可以分為一般的超聲波電機和微動超聲波電機（微米級和亞微米級的驅(qū)動位移)。而根據(jù)輸出運動自由度的個數(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超聲波電機做了整理和分類，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可以有很多種不同的形態(tài)。但是，從目前的搜集到的各國研究資料可以發(fā)現(xiàn),回旋型超聲波電機是所有類型中結(jié)構(gòu)較簡單，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和行波型超聲波電機.駐波型超聲波電機的特點是變換效率高，但旋轉(zhuǎn)的方向一定，結(jié)構(gòu)尺寸大。行波型超聲波電機的特點是結(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超聲波電機的分類情況按驅(qū)動方式分按定轉(zhuǎn)子力傳遞接觸方式分按運動方式分按自由度分超聲波電機行波型單一模態(tài)型接觸連續(xù)的局部面接觸直線運動單自由度復(fù)合模態(tài)型連續(xù)的點（線）接觸模態(tài)轉(zhuǎn)換型斷續(xù)的整個面接觸駐波型單一模態(tài)型斷續(xù)的點(線）接觸旋轉(zhuǎn)運動多自由度復(fù)合模態(tài)型非接觸空氣單一模態(tài)型液體4、超聲波電機的特點和應(yīng)用超聲波電機是近二十年來發(fā)展起來的一種新型電機。它突破了傳統(tǒng)電機的概念，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)和超聲振動來轉(zhuǎn)換能量。與電磁式電機相比,超聲波電機具有如下的幾個突出的優(yōu)點：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、停止時具有保持力矩；6、運行無噪音;７、形式靈活，設(shè)計自由度大；8、可在很低的電壓下工作；9、適應(yīng)環(huán)境能力強。超聲波電機以其新穎的工作原理和獨有的性能特點,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,超聲波電機產(chǎn)品可用于照相機的自動聚焦系統(tǒng)的驅(qū)動器；航空航天領(lǐng)域自動駕駛儀伺服驅(qū)動器;機器人或微型機械自動控制系統(tǒng)的驅(qū)動器；高級轎車門窗和座椅靠頭調(diào)節(jié)的驅(qū)動裝置;窗簾或百葉窗自動升降裝置;CD光盤唱頭驅(qū)動裝置;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)動器、人工關(guān)節(jié)驅(qū)動器;強磁場環(huán)境條件下設(shè)備的驅(qū)動裝置,如未來的磁浮火車；不希望驅(qū)動裝置產(chǎn)生磁場的場合，如磁通門的自動測試轉(zhuǎn)臺等?？梢灶A(yù)言，隨著超聲波電機在工業(yè)界的成功應(yīng)用，將會發(fā)生一場新的技術(shù)革命。本課題的主要研究內(nèi)容（提綱)和成果形式：（1）閱讀相關(guān)文獻，了解超聲波電機的原理,依據(jù)設(shè)計題目提出的要求，進行設(shè)計方案的論證。(2）繪制三圓柱定子縱彎復(fù)合模式旋轉(zhuǎn)型超聲波電機各零件的工程圖及裝配圖,進行三維建模.(3）翻譯英文資料５０00字左右。(4）撰寫設(shè)計說明書,格式按學(xué)院相關(guān)規(guī)定。(5)所有設(shè)計內(nèi)容(圖紙，設(shè)計說明書等）的紙版和電子版材料。擬解決的關(guān)鍵問題：設(shè)計制作三圓柱定子縱彎復(fù)合模式旋轉(zhuǎn)型超聲波電機，并進行實驗測試，并對實驗結(jié)果進行分析，得出結(jié)論，該類型電機不但結(jié)構(gòu)簡單緊湊,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．研究思路、方法和步驟：1研究縱彎復(fù)合模式的驅(qū)動機理，２提出一種三圓柱定子縱彎復(fù)合模式新型機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)型超聲波電機，3設(shè)計制作了電機樣機并進行了實驗測試。本課題的進度安排：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，了解超聲電機原理,構(gòu)思并提出結(jié)構(gòu)設(shè)計方案,完成開題報告。2０1４.３．1－２014。5。1?進行課題的設(shè)計,繪制零件圖及裝配圖，進行三維建模。20１4。５。２-2013。5.20 撰寫畢業(yè)設(shè)計（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:［1]洪尚任.超聲波馬達[Ｊ］．自動化儀表，1９96，Ｖol。17(1０)：１-4．[２］趙淳生.面向21世紀(jì)的超聲電機技術(shù)[J]。中國工程科學(xué),2002，Vol.4（2）:8６-9１．［3]趙淳生.超聲電機技術(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。超聲波電動機發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用［Ｊ］．微特電機，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[M］。北京:科學(xué)出版社，2００4：１88-１92。［7］胡敏強，金龍，顧菊平．超聲波電機原理與設(shè)計［Ｍ］.北京:科學(xué)出版社,20０5：１69－１９0［８]劉劍,趙淳生?；诰匦伪“鍍?nèi)振動的直線超聲波電機的研究[J]．聲學(xué)學(xué)報，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.行波型超聲波電機設(shè)計制作及其控制系統(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,李強松．行波型超聲波電機定子的對比實驗研究［J］.電工技術(shù)學(xué)報，20０６，Vol。2１(3）:1００－104．[12］陳如桓。微小旋轉(zhuǎn)型行波超聲電機的結(jié)構(gòu)設(shè)計及性能分析[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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