三圓柱定子縱彎復(fù)合模式旋轉(zhuǎn)型超聲波電機(jī)的

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。三圓柱定子縱彎復(fù)合模式旋轉(zhuǎn)型超聲波電機(jī)的畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))開題報(bào)告華僑大學(xué)廈門工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開題報(bào)告系（部）：機(jī)械工程系 專業(yè)班級：機(jī)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(jī)的設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）類型（劃）工程設(shè)計(jì)應(yīng)用研究開發(fā)研究基礎(chǔ)研究其他一、 本課題的研究目的和意義：本畢業(yè)設(shè)計(jì)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(jìn)行分析和設(shè)計(jì)一種三圓柱定子縱彎復(fù)合模式旋轉(zhuǎn)型超聲波電機(jī)的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過程中，使學(xué)生 如何查找和閱讀相關(guān)文獻(xiàn)，掌握

2、有關(guān)工程設(shè)計(jì)的程序、方法和技術(shù)規(guī)范，提高工程設(shè)計(jì)、圖紙繪制和編寫技術(shù)文件的能力。培養(yǎng)獨(dú)立工作，團(tuán)結(jié)協(xié)作和從事產(chǎn)品研發(fā)的實(shí)際能力和水平。二、 文獻(xiàn)綜述（國內(nèi)外研究情況及其發(fā)展）：1、超聲波電機(jī)概況超聲波電機(jī)（Ultrasonic Motor， USM）是一種直接由功能材料構(gòu)造的新型電機(jī)。其原理、結(jié)構(gòu)及運(yùn)行控制方式均與傳統(tǒng)電機(jī)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(yùn)動力。USM 一般由振動體(相當(dāng)于傳統(tǒng)電機(jī)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(jī)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(shí)，壓電陶瓷利用逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生超聲波振動，通過

3、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(yùn)動。超聲波電機(jī)是壓電陶瓷、功能材料、機(jī)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(jī)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(jī)，在航空航天、機(jī)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(jī)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(dá)國家都在對超聲波電機(jī)進(jìn)行大力研究，并在機(jī)器人、汽車電器和照相機(jī)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(jī)的設(shè)計(jì)和構(gòu)思后，投入大批的人力

4、、物力開發(fā)超聲波電機(jī)，進(jìn)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(jī)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(jī)技術(shù)發(fā)明專利?，F(xiàn)在幾乎各知名大學(xué)和許多公司都在進(jìn)行超聲波電機(jī)的研究和生產(chǎn)。其中 Canon 公司花費(fèi) 10 億日元建立了一條超聲波電機(jī)生產(chǎn)線，每月能生產(chǎn) 2040 萬臺超聲波電機(jī)。它除了供給該公司生產(chǎn)的照相機(jī)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(jī)。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(jī)。日本豐田公司 1998 年還成立了一家子公

5、司，專門研究和開發(fā)用于汽車上的超聲波電機(jī)。該子公司正在開發(fā)力矩為 2Nm 的超聲波電機(jī)，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(jī)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(jī)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(jì)算機(jī)系的人工智能中心都在研制用于空間、智能機(jī)器方面的超聲波電機(jī)。據(jù)有關(guān)方面報(bào)道：美國政府正在實(shí)施一項(xiàng)研究和生產(chǎn)計(jì)劃，要在最近幾年內(nèi)，使美國的超聲波電機(jī)年產(chǎn)量達(dá)到 10 億臺以上，趕上并超過日本，預(yù)計(jì)可獲得 1000 億美元的市場。在德國，有 University of Paderborm 和 Darmstadt

6、University of Technology 在研究超聲波電機(jī)，且 GmbH 公司的產(chǎn)品已用于奔馳汽車自動窗門。在英國，University of Cambridge 工程系對超聲波電機(jī)進(jìn)行研究和開發(fā)，EMS 公司已開始小批量生產(chǎn)。在法國，Besancon University 和 Universityof Franche Come 也在開發(fā)和研究超聲波電機(jī)，但目前尚未見到有關(guān)產(chǎn)品報(bào)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(jī)。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(shí)，新型的 USM 研究仍在不斷的進(jìn)行。（2）國內(nèi)的研究

7、現(xiàn)狀我國于 20 世紀(jì) 80 年代末開始超聲波電機(jī)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(jī)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(gè)單位開展了超聲波電機(jī)的研究。在電機(jī)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(diǎn)有所不同，但基本上涵蓋了目前已經(jīng)出現(xiàn)的電機(jī)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)

8、大學(xué)等單位的直線型 USM 以及長春光機(jī)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(jī)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(shí)驗(yàn)階段，也取得了不少的研究成果，但到目前為止，尚未進(jìn)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(jī)，其中 TRUSM 旋轉(zhuǎn)型行波超聲波電機(jī)系列產(chǎn)品達(dá)到國際同類產(chǎn)品水平。并且近期已經(jīng)和常州微特電機(jī)總廠正在共建“江蘇省超聲波電機(jī)工程研究中心”。另外，東南大學(xué)超聲波電機(jī)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(jī)研究中心”。目前，國內(nèi)研究單位正在進(jìn)行研究的主要內(nèi)容

9、有：a) 微型 USM 以及 USM 的建模和設(shè)計(jì)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(yùn)動機(jī)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(shí)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(jī)商業(yè)應(yīng)用的報(bào)道，仍有一些根本性的問題有待解決。2、超聲波電機(jī)的工作原理如圖

10、1.1所示為超聲波電機(jī)的工作基本原理示意圖。超聲波電機(jī)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(yùn)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(jī)的基本原理示意圖從這里可以看出，超聲波電機(jī)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(jī)的固有頻率一致，形成共振，產(chǎn)生高頻機(jī)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(jī)運(yùn)動。這就是超聲波電機(jī)的基本工作原理。其能量轉(zhuǎn)換可

11、分為以下兩個(gè)過程：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(jī)械能；定轉(zhuǎn)子之間通過摩擦耦合把定子的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子的機(jī)械能。3、超聲波電機(jī)的分類超聲波電機(jī)利用壓電陶瓷的壓電效應(yīng)及彈性體的機(jī)械振動，通過轉(zhuǎn)子與定子間的摩擦力來驅(qū)動電機(jī)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(jī)，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(yùn)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(jī)和微

12、動超聲波電機(jī)（微米級和亞微米級的驅(qū)動位移）。而根據(jù)輸出運(yùn)動自由度的個(gè)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)和行波型超聲波電機(jī)。駐波型超聲波電機(jī)的特點(diǎn)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(jī)的特點(diǎn)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-

13、1 超聲波電機(jī)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(yùn)動方式分按自由度分超聲波電機(jī)行波型單一模態(tài)型接觸連續(xù)的局部面接觸直線運(yùn)動單自由度復(fù)合模態(tài)型連續(xù)的點(diǎn)（線）接觸模態(tài)轉(zhuǎn)換型斷續(xù)的整個(gè)面接觸駐波型單一模態(tài)型斷續(xù)的點(diǎn)（線）接觸旋轉(zhuǎn)運(yùn)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(jī)的特點(diǎn)和應(yīng)用超聲波電機(jī)是近二十年來發(fā)展起來的一種新型電機(jī)。它突破了傳統(tǒng)電機(jī)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(jī)相比，超聲波電機(jī)具有如下的幾個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)：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

14、電磁感應(yīng)影響；5、停止時(shí)具有保持力矩；6、運(yùn)行無噪音；7、形式靈活，設(shè)計(jì)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(qiáng)。超聲波電機(jī)以其新穎的工作原理和獨(dú)有的性能特點(diǎn)，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(jī)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(jī)產(chǎn)品可用于照相機(jī)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(jī)器人或微型機(jī)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(qiáng)

15、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(jī)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。三、 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(xiàn)，了解超聲波電機(jī)的原理，依據(jù)設(shè)計(jì)題目提出的要求，進(jìn)行設(shè)計(jì)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(jī)各零件的工程圖及裝配圖，進(jìn)行三維建模。（3）翻譯英文資料5000字左右。（4）撰寫設(shè)計(jì)說明書，格式按學(xué)院相關(guān)規(guī)定。（5）所有設(shè)計(jì)內(nèi)容（圖紙，設(shè)計(jì)說明書等）的紙版和電子版材料。四、 擬解決的關(guān)鍵問題：設(shè)計(jì)制作三圓柱定子縱彎復(fù)合模式旋轉(zhuǎn)型超聲波電機(jī)，

16、并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得出結(jié)論，該類型電機(jī)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(diǎn). 五、 研究思路、方法和步驟：1研究縱彎復(fù)合模式的驅(qū)動機(jī)理，2提出一種三圓柱定子縱彎復(fù)合模式新型機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)型超聲波電機(jī)，3設(shè)計(jì)制作了電機(jī)樣機(jī)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試。六、 本課題的進(jìn)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(xiàn)，了解超聲電機(jī)原理，構(gòu)思并提出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，完成開題報(bào)告。2014.3.1-2014.5.1 進(jìn)行課題的設(shè)計(jì)，繪制零件圖及裝配圖，進(jìn)行三維建模。2014.5.2-2013.

17、5.20 撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)（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。七、 參考文獻(xiàn)：1 洪尚任. 超聲波馬達(dá)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(jī)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(jī)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(jī)發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用J. 微特電機(jī)，2011, (11): 70-74.5 T. Uchiki, T. Nakazawat, K. Nakamura, M. Kurosawa,

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