基于十字压电超声换能结构的平面超声电机研究

为了丰富平面超声电机的驱动原理及结构型式,提出十字形压电超声换能式定子驱动的平面超声电机。选定该定子横向杆的面内弯振、纵向杆的面内弯振以及定子的面外弯振作为电机的工作模态。通过面外弯振模态分别与横向杆的面内弯振、纵向杆的面内弯振进行振动耦合,在驱动足上生成沿yoz面和xoz面行进的椭圆轨迹,推动动子交替沿x、y向平移。阐明了该电机的工作原理,基于定子频率一致性工作模态要求,并厘定出最适合驱动频率为24 650 Hz,优化了定子尺寸为25.5 mm×5 mm×5.9 mm。建立定子的FEM模型,对电机进行瞬态分析,当驱动电压250 V时,得到驱动足的x、y、z向振幅可达到3.1、6.2、4.3μm。该电机可望产生较大动力与速度。     

单模态驱动双向运动的斜动子V形直线超声电机

针对双模态超声电机对模态频率一致性要求高以及单模态超声电机难以实现双向运动等问题,提出了一种单模态驱动双向运动的斜动子V形直线超声电机。电机由导轨和V形定子构成,导轨相对于V形定子倾斜安装,V形定子的工作模态为面内对称模态或面内反对称模态,通过切换工作模态改变定子驱动足运动轨迹相对导轨的倾斜方向,实现导轨正反向运动。在分析电机工作原理及设计原则的基础上,推导了电机运行的导轨倾角范围,并对设计制作的原理样机进行了模态实验和机械特性测试。实验表明:在导轨倾角为35°,激励峰峰值电压为600V,预压力为65 N条件下,当电机工作在面内对称模态,导轨正向运动,其最大空载速度为180mm/s,最大输出力为14N;当电机工作在面内反对称模态,导轨反向运动,其最大空载速度为125mm/s,最大输出力为24N。     

三自由度超声电机定子的优化设计

研制了一种基于两个弯振模态和一个纵振模态 ,可分别绕 x,y,z轴转动的圆柱 -球体三自由度超声电机。从电机设计的角度讲 ,使电机的定子具有合适的工作模态是至关重要的。在通常情况下 ,人们往往采用试凑的办法来满足其工作模态的要求。但“试凑法”是经验性的 ,不仅耗时多 ,效率低 ,而且有可能得不到满意的结果。为此 ,本文建立了定子的优化设计数学模型 ,在 MATLAB环境下编写了相应的优化设计程序 ,并根据其优化设计结果 ,设计和制造了定子和电机的原型样机 ,其外径为 2 0 mm,长度为 67mm,重量为 1 5 7g。实验结果表明 :电机定子的模态频率和振型满足设计要求 ,并与优化结果相吻合。故本文提出的优化设计方法是可行和有效的 ,并可大大提高设计效率     

双模态切换式步进超声电机

利用环形定子的两个弯振模态交替工作的原理设计的一种驻波型步进式超声电机具有开环控制下无累积误差的特性。定子环弯振使定子上的驱动齿分别在两个工作模态下运动产生对转子的驱动力,定子齿与转子齿槽相配合实现步进定位,转子齿槽数决定电机步距角。分别对应于两个工作模态的两相正弦驱动信号经切换单元提供给电机,对不同电极扇区的激励控制电机转动方向,工作模态间的切换次数决定转动步数。原理样机转子齿槽数为72个,步距角为2.5°。试验结果表明电机运转稳定,没有失步现象。     

一种基于纵弯模态复合的新型两自由度直线超声电机的研究

提出了一种基于两个弯曲振动模态与一个纵向振动模态复合的新型两自由度直线超声电机。介绍了这种电机的结构特点。阐述了电机实现两个自由度直线运动的原理，并从理论上证明了电机驱动点的运动轨迹为椭圆运动。在此基础上，利用有限元方法设计了电机，并制造了原理性样机。利用PSV-300F多普勒激光测振仪对电机的工作模态进行了测试，实验结果表明，电机的工作振型和工作频率等均满足设计要求。电机的试运行表明了其工作原理和设计结果的正确性，并给出了电机的输出性能。最后指出了该样机存在的问题和改进措施。     

纵弯模态复合的两自由度直线超声电机

所研制的两自由度直线超声电机由一个圆柱形定子和一个滑板组成.通过三组压电陶瓷元件在定子上分别激励出两个互相垂直的弯振模态和一个纵振模态.任一弯振模态和纵振模态的组合,可以驱动滑板沿x或y方向作直线运动.本文从提高电机的输出性能和驱动效率出发,提出了电机设计的要点.这些要点包括工作模态的选择、模态频率的一致性、压电陶瓷元件和支承元件的位置、预压力的大小和干扰模态的影响等.     

模态转换型超声电机中的椭圆运动

讨论了模态转换型超声电机表面质点椭圆运动的形成,研究了基于定、转子耦合和利用独立耦合器的模态转换型超声电机的原理。通过对具有斜槽的纵扭振动耦合器上观察到的表面质点椭圆运动进行的理论分析,提出了一种利用主结构中的子结构的局部振动获得模态转换的方法,可用于模态转换型超声电机的设计。     

环形定子面内回转旋转超声电机原理

提出了利用两个相同的纵振振子与一个圆环相连接的定子结构,配合锥形转子构成的旋转型超声电机。采用两个振子激励下圆环所形成的回转运动推动压在其内圆内的锥形转子旋转的工作方式,定子连续驱动转子可获得较好的输出性能。两个工作模态分别由两个相同的振子激励,容易获得工作频率的一致性。该电机结构简单、制造成本低。原理样机空载转速为54 r/min,堵转力矩为0.33 N.m,起动时间为1.91 ms,关断时间为1.41 ms。     

一种利用纵振的直线超声电机(英文)

设计了一种利用变截面杆纵振模态工作的直线超声电机,该超声电机的特点是有两个变截面杆状并由一半圆环连接。位于圆环中间驱动足顶部质点以椭圆轨迹运动,当驱动足以一定预压力接触动子时,动子将输出直线运动。通过建立定子的有限元模型并对其进行谐响应分析验证了原理的可行性。提出了电机结构设计的要求,并通过有限元方法进行了结构参数灵敏度分析,为该类电机结构的设计提供了高效的方法。样机试验表明,该电机在100mm/s的运行速度下可以推动10N的负载。     

基于弯振模态的螺纹杆式直线超声电机(英文)

介绍了基于弯振模态的螺纹杆式直线超声电机的运行机理.在梁弯曲振动模型的基础上,对螺纹杆式直线超声电机进行动力学分析,推导出电机定子驱动点的空间运动轨迹方程,并阐明了电机运行机理.本文应用有限元法分析了电机的振动模态和结构,设计并研制了样机.样机定子的尺寸为13 mm×13 mm×30 mm,最后对电机输出特性进行了测试,最大输出力为5.2 N.     

Turned off Characteristics of Linear Ultrasonic Motor

The high controllability and high resolution control of linear ultrasonic motors depend on effective control of driving signals.For a good control characteristic,step control which the driver output turned off and on was used.Therefore,a novel dual PWM topology structure ultrasonic motor driver was designed and analyzed.According to the characteristics of the circuits,two kinds of hardware turned off methods named methods A and B were discussed.The differences of the voltage applied on motor by different methods were figured out.Finally,a series of experiments were carried out in the clean room to study the influence of step characteristic by different turn off methods.The experimental results show that the steplength was 230 nm by method A and 125 nm by method B,while cycles of driving signals were 6.The method B has a smaller steplength when cycles are 6.The average steplength varies in non-linear while driving cycles changing.The steplength varies approximately in linear while voltage amplitude changing.Therefore,method B is better to implement step control,because it gets a better control in positioning system.     

大行程纳米级分辨率超精密工作台的发展方向

讨论了大行程纳米级分辨率超精密工作台设计中的关键技术,介绍了目前国内外典型的大行程超精密工作台所采用的设计方案、材料、导轨、驱动方式、测量反馈及控制系统。分析比较后得出:利用石英陶瓷材料、气浮导轨、直线电机非接触驱动、纳米光栅尺测量反馈和开放式数控系统等技术来组建大行程纳米级分辨率超精密工作台是比较理想的方案。     

同步双主轴精密加工系统

介绍了自行研制的小型同步双主轴五轴联动精密加工系统,主体尺寸为680mm×620mm×400mm,主轴最高转速80 000r/min,跳动量小于2μm。利用激光干涉仪测得定位精度为5μm;对直线运动轴伺服系统进行设计,经伺服环调节及性能试验,获得优良的动、静态控制性能。采用直径0.2μm的端铣刀进行平面微铣削加工,获得表面粗糙度值为215nm。结果表明该系统充分具备微小零件的高效加工能力。     

Structural Design and Control of Variable Camber Wing Driven by Ultrasonic Motors

A novel variable camber wing driven by ultrasonic motors is proposed.Key techniques of distributed layout of drive mechanisms,coordination control of distributed ultrasonic motors as well as novel flexible skin undergoing one-dimensional morphing are studied.The system integration of small variable camber wing is achieved.Distributed layout of parallelogram linkages driven by geared ultrasonic motors is adopted for morphing,aimed at reducing the load for each motor and producing various aerodynamic configurations suitable for different flying states.Programmable system-on-chip(PSoC)is used to realize the coordination control of the distributed ultrasonic motors.All the morphing driving systems are assembled in the interior of the wing.The wing surface is covered with a novel smooth flexible skin in order to maintain wing shape and decrease the aerodynamic drag during morphing.Wind tunnel test shows that the variable camber wing can realize morphing under low speed flight condition.Lift and drag characteristics and aerodynamic efficiency of the wing are improved.Appropriate configurations can be selected to satisfy aerodynamic requirements of different flight conditions.The study provides a practical application of piezoelectric precision driving technology in flow control.     

基于球空间极近距离障碍物的超声检测方法

以机器人工作空间的障碍物检测为研究对象，提出了一种不同于传统的超声测距的新的检测方法——研究球空间极近距离障碍物的超声波测距理论和利用相关算法进行信号处理实现抗多径干扰，提高了超声波测量的精度。利用特殊分布的超声传感器阵列进行超声测距和球面三点定位的原理，不仅可以检测出障碍物的空间距离，还可以检测出障碍物的空间方位。     

高精度GPS定位的精密电离层模型

在长距离GPS实时动态定位(RTK)过程中,电离层延迟误差是影响定位精度的主要误差源.目前,由于采用全空间电离层模型精度不够,对长距离RTK定位主要采用双差电离层残差内插方式.本文提出一种新的电离层模型.该模型仅对每个卫星轨迹通过的电离层部分进行建模,可适用于高精度GPS定位.采用香港数据,结果表明,该模型可较好地模拟低纬度电离层变化,并可支持GPS厘米级定位精度.