三圆柱定子纵弯复合模式旋转型超声波电机的

7/7华侨大学厦门工学院毕业设计(论文)开题报告系（部）:机械工程系专业班级：机械工程及自动化专业7班姓名学号指导教师职称学历课题名称三圆柱定子纵弯复合模式旋转型超声波电机的设计毕业设计（论文）类型（划√)工程设计应用研究开发研究基础研究其他√本课题的研究目的和意义：本毕业设计的目的旨在培养学生结合以及应用所学的基础理论知识,进行分析和设计一种三圆柱定子纵弯复合模式旋转型超声波电机的设计。在设计过程中，使学生如何查找和阅读相关文献,掌握有关工程设计的程序、方法和技术规范，提高工程设计、图纸绘制和编写技术文件的能力.培养独立工作,团结协作和从事产品研发的实际能力和水平。ﻬ文献综述(国内外研究情况及其发展）:1、超声波电机概况超声波电机（UltraｓｏniｃMotｏr，USM)是一种直接由功能材料构造的新型电机。其原理、结构及运行控制方式均与传统电机不同，而最主要的区别是无绕组和磁极，也无需通过电磁作用产生运动力.USM一般由振动体(相当于传统电机中的定子，由压电陶瓷、金属块和移动体(相当于传统电机中的转子，由摩擦材料及金属等制成）组成。在振动体的压电陶瓷加上超声频交流电压时,压电陶瓷利用逆压电效应产生超声波振动，通过振动体与移动体间的摩擦力即可将这种振动变换成移动体的旋转或直线型运动。超声波电机是压电陶瓷、功能材料、机械振动、超精加工、电力电子、控制理论等学科交叉发展的结晶。对超声波电机的研究与开发,在某些领域可取代传统的小型和微型电磁电机，在航空航天、机器人、医学等高科技领域将会引起深刻的技术革新.可以说，对超声波电机及其控制系统的研究有重要的科学意义和广泛的应用前景国内外研究水平和动态.（１）国外研究状况二十世纪八十年代以来，日本、美国和德国等发达国家都在对超声波电机进行大力研究，并在机器人、汽车电器和照相机镜头等很多方面得到了应用.日本在前苏联的科学家提出了超声波电机的设计和构思后，投入大批的人力、物力开发超声波电机,进行了大量的研究,并致力于应用开发。目前，日本在超声波电机的研究和应用上都处于领先地位.它掌握着世界上大多数超声波电机技术发明专利.现在几乎各知名大学和许多公司都在进行超声波电机的研究和生产.其中Canon公司花费１０亿日元建立了一条超声波电机生产线，每月能生产20－40万台超声波电机。它除了供给该公司生产的照相机配套外，还提供日本其他领域使用。日本Sｅiko公司每年生产2０万台用于手表的超声波电机。还有不少公司，如Shiｎｓei,Hｏnda，Panａｓonｉc，Hitａchi等公司都在发展和生产超声波电机。日本丰田公司1998年还成立了一家子公司，专门研究和开发用于汽车上的超声波电机。该子公司正在开发力矩为2Nｍ的超声波电机，准备用作驱动小轿车上门窗玻璃的升降装置.美国和西欧各国也正掀起超声波电机的研究热潮。在美国,已有一批公司和大学从事超声波电机的研究，如MIT(麻省理工学院)的航空航天系空间工程研究中心和电子工程、计算机系的人工智能中心都在研制用于空间、智能机器方面的超声波电机。据有关方面报道：美国政府正在实施一项研究和生产计划，要在最近几年内，使美国的超声波电机年产量达到１０亿台以上,赶上并超过日本，预计可获得100０亿美元的市场。在德国,有ＵnivｅrsｉtyｏfＰaderbｏrｍ和DａrmstadｔUniｖerｓitｙoｆTechnology在研究超声波电机,且GmｂH公司的产品已用于奔驰汽车自动窗门。在英国，ＵniversiｔyoｆCambridge工程系对超声波电机进行研究和开发,EMS公司已开始小批量生产。在法国，ＢeｓancｏnUniveｒsity和UｎiversityｏfFrａncheCome也在开发和研究超声波电机,但目前尚未见到有关产品报导。其他，如意大利、瑞士、新加坡以及南韩等国家的名牌大学都有一批人在研究和开发超声波电机.目前，在国外除环形和棒型行波型USM已开始批量生产和应用的同时，新型的ＵSM研究仍在不断的进行。（2)国内的研究现状我国于２0世纪８0年代末开始超声波电机的研究，90年代后才有较多的研究单位、人员和资金的投入。先后有包括清华大学、哈尔滨工业大学、吉林工业大学、浙江大学、长春光机所、南京航空航天大学、北京科技大学、天津大学、上海冶金研究所、上海交通大学、东南大学、华中科技大学和华侨大学等十几个单位开展了超声波电机的研究。在电机的结构和驱动控制方面，各高校和科研单位的侧重点有所不同，但基本上涵盖了目前已经出现的电机类型。如，清华大学、天津大学等单位的压电直线蠕动式USM，东南大学、浙江大学等单位的环形行波型USM,哈尔滨工业大学、南京航空航天大学等单位的圆板型UＳM,华中科技大学、哈尔滨工业大学等单位的直线型USM以及长春光机所、上海冶金研究所等单位的压电微型UＳM，基本上反映了国内在超声波电机研究领域所做的工作。但目前的水平主要处在理论研究与实验阶段,也取得了不少的研究成果，但到目前为止,尚未进入商业应用。其中,南京航空航天大学在这方面研究处于国内领先的地位，最近几年已开发出多种新型超声波电机，其中TRUSＭ旋转型行波超声波电机系列产品达到国际同类产品水平。并且近期已经和常州微特电机总厂正在共建“江苏省超声波电机工程研究中心”。另外,东南大学超声波电机研究组也和国电南京自动化股份有限公司联合组建了“国电南自超声波电机研究中心”。目前，国内研究单位正在进行研究的主要内容有：a)微型USＭ以及USＭ的建模和设计理论的研究。ｂ）ＵSM产业化应用研究：包括环形行波型USM和棒形扭转复合型USM的产业化生产技术研究，驱动控制装置的小型集成化问题的研究c）新型UＳM运动机理和结构的研究，如大力矩USM、无接触式ＵＳＭ。d）USM驱动控制技术的研究：包括PID控制、自适应频率跟踪控制、模糊控制、人工神经网络控制技术等。e）新型压电材料和摩擦材料的研究。但从总体上看，国内研究的深度和广度,特别在实用化方面和国际水平仍有较大的差距，至今尚未见到有国产超声波电机商业应用的报道,仍有一些根本性的问题有待解决。2、超声波电机的工作原理如图1．1所示为超声波电机的工作基本原理示意图.超声波电机一般由高频输入电源、定子（压电陶瓷和弹性体）和转子(移动体和耐磨材料)组成。在压电陶瓷上加频率为几十千赫的高频交流电源,利用逆压电效应即电致伸缩效应产生几十千赫的超声波振动。然后,将这种振动通过弹性体和移动体之间的摩擦力变换成旋转或直线运动，或者直接用压电振子产生弯曲振动驱动移动体转动。图1.1超声波电机的基本原理示意图从这里可以看出，超声波电机是利用压电陶瓷逆压电效应原理。高频电源产生信号的频率和电机的固有频率一致,形成共振，产生高频机械振动。这种振动借助定子和转子间的摩擦耦合来驱动电机运动.这就是超声波电机的基本工作原理。其能量转换可分为以下两个过程：①高频交流通过压电陶瓷的逆压电效应把电能转换为定子的机械能；②定转子之间通过摩擦耦合把定子的机械能转换为转子的机械能。3、超声波电机的分类超声波电机利用压电陶瓷的压电效应及弹性体的机械振动,通过转子与定子间的摩擦力来驱动电机转动.由于压电陶瓷的极化形式多样，弹性体的振动模式也具有多样性，可采用不同的振动模态来产生驱动力，因而可以研制出多种不同结构的超声波电机，如环型或盘型、直线型、球型、弯扭耦合型、纵扭复合型、非接触型及自校正型等等.一般按照使用的波动方式的不同分为驻波型和行波型两种。根据输出运动的形式不同又可以分为旋转型和直线型。根据驱动位移的量级也可以分为一般的超声波电机和微动超声波电机（微米级和亚微米级的驱动位移)。而根据输出运动自由度的个数不同可分为单自由度与多自由度.另外还可以根据定子与转子的接触形式分为接触式与非接触式。以上从不同的角度对超声波电机做了整理和分类，具体分类情况可见表１-1。从上面的分类中可以知道超声波电机可以有很多种不同的形态。但是，从目前的搜集到的各国研究资料可以发现,回旋型超声波电机是所有类型中结构较简单，用途最广泛的一种，也是最有发展前途的一种。最常见的有驻波型超声波电机和行波型超声波电机.驻波型超声波电机的特点是变换效率高，但旋转的方向一定，结构尺寸大。行波型超声波电机的特点是结构尺寸小，旋转方向可以改变，速度和位置容易控制。表1-1超声波电机的分类情况按驱动方式分按定转子力传递接触方式分按运动方式分按自由度分超声波电机行波型单一模态型接触连续的局部面接触直线运动单自由度复合模态型连续的点（线）接触模态转换型断续的整个面接触驻波型单一模态型断续的点(线）接触旋转运动多自由度复合模态型非接触空气单一模态型液体4、超声波电机的特点和应用超声波电机是近二十年来发展起来的一种新型电机。它突破了传统电机的概念，没有电磁绕组和磁路，不用电磁相互作用来转换能量,而是利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动来转换能量。与电磁式电机相比,超声波电机具有如下的几个突出的优点：1、低速大转矩;2、体积小、重量轻；3、反应速度快、控制特性好;4、无电磁感应影响；5、停止时具有保持力矩；6、运行无噪音;７、形式灵活，设计自由度大；8、可在很低的电压下工作；9、适应环境能力强。超声波电机以其新颖的工作原理和独有的性能特点,引起人们的广泛的注意。它有着很好的应用前景。其应用领域涉及到航空航天、汽车制造、生物工程、机器人、仪器仪表、医学等领域.从目前的研究情况来看,超声波电机产品可用于照相机的自动聚焦系统的驱动器；航空航天领域自动驾驶仪伺服驱动器;机器人或微型机械自动控制系统的驱动器；高级轿车门窗和座椅靠头调节的驱动装置;窗帘或百叶窗自动升降装置;CD光盘唱头驱动装置;精密仪器仪表、精确定位装置;医学领域,如人造心脏的驱动器、人工关节驱动器;强磁场环境条件下设备的驱动装置,如未来的磁浮火车；不希望驱动装置产生磁场的场合，如磁通门的自动测试转台等。可以预言，随着超声波电机在工业界的成功应用，将会发生一场新的技术革命。本课题的主要研究内容（提纲)和成果形式：（1）阅读相关文献，了解超声波电机的原理,依据设计题目提出的要求，进行设计方案的论证。(2）绘制三圆柱定子纵弯复合模式旋转型超声波电机各零件的工程图及装配图,进行三维建模.(3）翻译英文资料５０00字左右。(4）撰写设计说明书,格式按学院相关规定。(5)所有设计内容(图纸，设计说明书等）的纸版和电子版材料。拟解决的关键问题：设计制作三圆柱定子纵弯复合模式旋转型超声波电机，并进行实验测试，并对实验结果进行分析，得出结论，该类型电机不但结构简单紧凑,而且具有良好的输出性能,如反应速度快控制特性好，低速大转矩等优点．研究思路、方法和步骤：1研究纵弯复合模式的驱动机理，２提出一种三圆柱定子纵弯复合模式新型机构的旋转型超声波电机，3设计制作了电机样机并进行了实验测试。本课题的进度安排：2０1３.11。2０日前ﻩ选题２013.1１．2０—２01４。2．2８ﻩ调研,翻译，收集资料,阅读文献，了解超声电机原理,构思并提出结构设计方案,完成开题报告。2０1４.３．1－２014。5。1ﻩ进行课题的设计,绘制零件图及装配图，进行三维建模。20１4。５。２-2013。5.20 撰写毕业设计（论文)，格式按学院相关规定。２０14．5.2１-20１4．6．6ﻩ答辩与总结,上交材料。参考文献:［1]洪尚任.超声波马达[Ｊ］．自动化仪表，1９96，Ｖol。17(1０)：１-4．[２］赵淳生.面向21世纪的超声电机技术[J]。中国工程科学,2002，Vol.4（2）:8６-9１．［3]赵淳生.超声电机技术与应用［M］.北京:科学出版社,2007。［4]罗辞勇,卢斌,张帆,蔡珍珍。超声波电动机发展现状及应用［Ｊ］．微特电机，20１１,(11）:70-7４．[5］T。Uｃhiki，T．Nakazawat，K.Ｎaｋａmｕra，Ｍ.Ｋurosaｗa，aｎdS。Ueha。Ulｔrasonicmotorutiliｚingｅlasticｆiｎrotｏr[J］。IEＥＥUltｒasｏｎｉcsSymposiuｍ，１9９1，9２9-９32．［6］林书玉．超声换能器的原理及设计[M］。北京:科学出版社，2００4：１88-１92。［7］胡敏强，金龙，顾菊平．超声波电机原理与设计［Ｍ］.北京:科学出版社,20０5：１69－１９0［８]刘剑,赵淳生。基于矩形薄板内振动的直线超声波电机的研究[J]．声学学报，２0０3,28（1）．［9]MinｏrｕKｕroｓatｗa,KｅntaroＮakamurａ，TakasｈiＯkamｏｔｏｅta1.AnUltrasoｎicMotorＵsingBendingＶｉbrａtiｏnsｏfaShorｔCylｉnｄeｒ［J］．IEEＥＴrａns．Uｌｔrasｏnicｓ，FerｒｏｅlｅｃtriｃsａnｄFreｑuencyCoｎtrol,1989,３６(５）:5１７—５2１［１0]陈建毅.行波型超声波电机设计制作及其控制系统研究[D］.泉州:华侨大学，硕士学位论文,2005。[１1]陈建毅，洪尚任，徐西鹏,孙学亮,李强松．行波型超声波电机定子的对比实验研究［J］.电工技术学报，20０６，Vol。2１(3）:1００－104．[12］陈如桓。微小旋转型行波超声电机的结构设计及性能分析[Ｄ］.南京:南京航天航空大学，硕士学位论文，20１１。［13］ 上羽贞行,富川义郎。超声波马达理论与应用[M］。杨志刚，郑学伦译。上海：上海科学技术出版社，1999［14］ 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