精密驅(qū)動與傳動-以超聲電機(jī)為例

精密驅(qū)動與傳動

---以超聲電機(jī)為例太行大推力渦扇發(fā)動機(jī)直升機(jī)減速器風(fēng)力發(fā)電太陽能發(fā)電諧波齒輪RV傳動減速器礦山機(jī)械齒輪工程機(jī)械月球探測車高分辨率對地觀測衛(wèi)星航空作動器發(fā)動機(jī)直驅(qū)泵變體飛行器驅(qū)動與傳動多介質(zhì)多形式高效驅(qū)動與傳動精密驅(qū)動與傳動基于功能材料的新型驅(qū)動驅(qū)動傳動負(fù)載功能：原動機(jī)，產(chǎn)生基本運(yùn)動、動力。

(電機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、液壓泵、液力耦合器、磁、電場、功能材料等)功能：運(yùn)動、能量變換、傳遞、分配。(機(jī)械傳動、液體傳動、氣體傳動等)高效、精密、復(fù)合、可靠驅(qū)動研究范圍多介質(zhì)多形式高效驅(qū)動與傳動精密驅(qū)動與傳動基于功能材料的新型驅(qū)動精密驅(qū)動與傳動機(jī)械傳動與驅(qū)動對機(jī)械學(xué)科的影響機(jī)構(gòu)學(xué)與機(jī)械動力學(xué)機(jī)械傳動與驅(qū)動復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)集成科學(xué)機(jī)械的表面/界面科學(xué)高精度、數(shù)字化制造高性能潔凈成形制造機(jī)械的制造與運(yùn)行參數(shù)及其精度測量機(jī)械結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)的安全服役理論生機(jī)電系統(tǒng)與仿生機(jī)械高能束與特種能場制造微納機(jī)械學(xué)與微納制造機(jī)電裝備“機(jī)械系統(tǒng)創(chuàng)新”的四個支撐領(lǐng)域之一以超聲電機(jī)為例環(huán)形行波型USM的定子和轉(zhuǎn)子

工作原理：對極化后的壓電陶瓷元件施加—定的高頻交變電壓，壓電陶瓷隨著高頻電壓的幅值變化而膨脹或收縮，從而在定子彈性體內(nèi)激發(fā)出超聲波振動，這種振動傳遞給與定子緊密接觸的摩擦材料以驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。超聲電動機(jī)將電致伸縮、超聲振動、波動原理這些毫不相干的概念與電機(jī)聯(lián)系在一起，創(chuàng)造出一種完全新型的電動機(jī)。(1)低速大轉(zhuǎn)矩(2)體積小、重量輕

(3)反應(yīng)速度快，控制特性好由于超聲電動機(jī)具有電磁電機(jī)所不具備的許多特點(diǎn)，盡管它的發(fā)明與發(fā)展僅有20多年的歷史，但在宇航、機(jī)器人、汽車、精密定位、醫(yī)療器械、微型機(jī)械等領(lǐng)域已得到成功的應(yīng)用。歐洲將超聲波電機(jī)用于實(shí)驗(yàn)平臺及微動設(shè)備，如1986年獲Nobel物理學(xué)獎的掃描隧道顯微鏡(STM)日本Canon公司將超聲電機(jī)用于其EOS620/650自動聚焦單鏡頭反射式照相機(jī)中清華大學(xué)的周鐵英等申請了國內(nèi)第一項(xiàng)關(guān)于超聲電機(jī)的發(fā)明專利，并且研制了直徑為1mm的微型圓柱式超聲電機(jī)浙江大學(xué)研制了一種縱/扭型超聲電機(jī)吉林大學(xué)在壓電精密驅(qū)動技術(shù)方面獲得的成果哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的超聲電機(jī)專用摩擦材料已經(jīng)滿足了工程應(yīng)用的需要南京航空航天大學(xué)趙淳生院士領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)USM與傳統(tǒng)電磁式電機(jī)相比有無可替代的優(yōu)點(diǎn)，但是它也存在一些問題：(1)控制困難:(2)壽命較短:(3)運(yùn)行效率較低:控制困難控制困難90年代初，日本IzunoY和SenjyuT等人對超聲電機(jī)的控制理論和控制方法進(jìn)行了較為深入的研究，將自動化控制領(lǐng)域常用的模糊控制、遺傳算法及自適應(yīng)控制、預(yù)測控制等引入到超聲電機(jī)控制中來，同時也推動了超聲電機(jī)控制模型研究方面的進(jìn)展，但他們較為偏重針對超聲電機(jī)的強(qiáng)烈非線性及蠕變性方面的控制算法的仿真研究。N.Bigdeli

和M.Haeri

提出了基于Hammerstein結(jié)構(gòu)的模型,該模型不但復(fù)雜,而且是由追蹤和誤差提取的,它并不適用于每個行波超聲電機(jī)。Fazel

Bazrafshan

等研究了一個典型的旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī),提出了模糊Hammerstein型非線性模型結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)由靜態(tài)模糊模型與線性動態(tài)模型串聯(lián),方法計算量較大,通過反轉(zhuǎn)靜態(tài)非線性,模糊Hammerstein模型能夠被集成到標(biāo)準(zhǔn)線性廣義預(yù)測控制器?？刂评щy南航提出了一種超聲電機(jī)頻率自動跟蹤控制技術(shù),使超聲電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化小于5%,而且研制了相應(yīng)的二相驅(qū)動器。控制困難南航提出了一種超聲電機(jī)頻率自動跟蹤控制技術(shù),使超聲電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化小于5%,而且研制了相應(yīng)的二相驅(qū)動器?？刂评щy目前有許多關(guān)于非最佳控制策略的研究,但關(guān)于超聲電機(jī)的控制策略,效率的最優(yōu)控制策略的研究卻很少。(2)壽命較短:提出新型壓電陶瓷極化分區(qū)方案,研制出四相微型驅(qū)動器。(2)壽命較短:

Suresha

等采用微米-納米無機(jī)填料構(gòu)建的復(fù)合材料具有良好的力學(xué)性能和摩擦學(xué)特性。Molazemhosseini

等利用納米二氧化硅和碳纖維制備了具有較好磨損特性的摩擦材料。哈爾濱工業(yè)大學(xué)曲建俊教授在超聲電機(jī)梯度摩擦材料研究、摩擦建模、溫度特性和接觸界面摩擦解析模型等方面開展了研究工作,提出應(yīng)從摩擦學(xué)、材料學(xué)等多學(xué)科角度研究適合超聲電機(jī)的摩擦材料。但關(guān)于有機(jī)納米粒子用于摩擦材料的研究罕有報道。(3)效率低下:復(fù)合激勵行波超聲電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子被視為剛性體，但是,一些細(xì)節(jié)沒有考慮,如摩擦層的切形變,接觸區(qū)域的粘/滑特點(diǎn)等。(3)效率低下:MoalandMinotti

提出一種彈性接觸模型,假設(shè)定子是剛性體,將轉(zhuǎn)子上的摩擦層視為分布式線性彈簧,將分布式彈簧—剛體用在定子和轉(zhuǎn)子之間。(3)效率低下:東京工業(yè)大學(xué)精密智能實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出了基于縱扭和縱彎復(fù)合型直線超聲電機(jī),激勵采用壓電陶瓷與金屬片疊放形式,兩個獨(dú)立振動模態(tài)疊加,正反轉(zhuǎn)一致性好。(3)效率低下:哈爾濱工業(yè)大學(xué)陳維山教授團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)研究了縱振模態(tài)夾心式超聲電機(jī),并在此基礎(chǔ)上研究了縱彎復(fù)合振動模態(tài)球型超聲電機(jī)；南京航空航天大學(xué)趙淳生院士領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)也對此類型電機(jī)也進(jìn)行研究,提出了一種孔式模態(tài)轉(zhuǎn)換超聲電機(jī)；清華大學(xué)周鐵英教授研究團(tuán)隊(duì)提出縱彎扭三梁耦合振動超聲電機(jī)結(jié)構(gòu)；華僑大學(xué)洪尚任教授研究團(tuán)隊(duì)提出了一種斜槽式模態(tài)轉(zhuǎn)換型縱扭超聲電機(jī)。(3)效率低下:對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析發(fā)現(xiàn):1、復(fù)合模態(tài)行波超聲電機(jī)的研究主要集中于圓環(huán)型行波超聲電機(jī),圓盤型行波超聲電機(jī)較少;2、現(xiàn)階段直徑主要集中于45-100mm之間,圓環(huán)軸向彎曲振動振型中振幅不一致性,使得機(jī)械輸出能力受到嚴(yán)重制約;(1)微型、集成式超聲電機(jī)的研發(fā);(2)表面波超聲電機(jī)的研發(fā);(3)用于超聲電機(jī)新型材料(定子材料、摩擦材料、壓電材料)的研發(fā);(4)超聲電機(jī)壽命和可靠性的研究;(5)USM非常環(huán)境(高/低溫、振動/沖擊、低氣壓)下的性能研究;(6)超聲電機(jī)的