（测试计量技术及仪器专业论文）行波型超声电机的摩擦磨损实验装置和磨损实验研究.pdf

备 学 趣 蠢 w a v e 1 y p e u l t r a s o n i cm o t o r at h e s i si n m e a s u r e m e n ta n dt e s t i n gt e c h n o l o g y & i n s 饥l i i l e m s b y w ux i i l a d v i s e db y a s s o c i a t ep r o f e s s o ry a o z h i y u a l l s u b m i 讹di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o fm er - e q u i r e m e m s f o r t l l ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e 血g d e c e m b e r ，2 0 0 9 j j、 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下 进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和 致谢的地方外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著 作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人 和集体，均在文中以明确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复 印件，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签 日 5 0 7 4 5 0 3 9 、5 0 9 7 5 1 3 6 ) 。 波振动，通过定子和转子间的 转矩、惯性小、响应快以及无 的应用前景。由于超声电机是 擦磨损特性研究至关重要。本 1 在充分分析国内外对超声电机定、转子接触表面摩擦磨损特性的基础上，针对目前超声 电机摩擦磨损理论基础尚不完善，特别是尚未出现较为统一的实验方法和实验装置，提出了本 文的内容。 2 依据行波型超声电机定、转子间的相对运动的机理，提出模拟超声电机定、转子接触状 态的摩擦磨损实验装置的设计方案。 3 研制了用于超声电机磨损实验的摩擦磨损实验装置。该实验装置包括有机械结构部件和 驱动控制部件两大部分，通过串口通信实现了计算机对该装置的监控。 4 引入基于数据采集卡a d l i i l kd a q 2 2 0 6 的测试系统设计方案，结合l a b v w 编程，完 成可拓展更多检测环节的控制监测。 5 开展超声电机磨损实验研究，研究摩擦材料的磨损量随预压力、相对转速和定子微振动 振幅的变化规律。调查摩擦材料表面的表面粗糙度和分形维，分析在实验中工作条件下表面粗 糙度( 分形维) 对磨损量响应的变化趋势。提出利用分形几何方法模拟摩擦材料表面轮廓。 关键词：超声电机，磨损，串口通信，磨损率，数据采集卡，分形几何 行波型超声电机的摩擦磨损实验装置和磨损实验研究 a b s t r a c t 1 1 1 i sp r o j e c tw 觞g 锄t e db ym ep r o j e c to fm en a t i o n a ln a t 哪ls c i e n c ef 0 u n 掘i o no fc h i l l a ( c o n t r a c tn o ：5 0 7 4 5 0 3 9 锄d5 0 9 7 513 6 ) u l 缸- a s o n i cn l o t o r ( u s m ) i san o v e lm o t o ru t i l i z i n gt l l em e c h 锄i c a l 、，i b m t i o ni i l 吐1 eu l n 邯o i l i c 毹q u e n c ys c a l em a ti sg e n e r a t e db ym ec o n v e r s ep i e z o e l e c t r i ce 髓c to fp i e z o e l e c t r i cc e 删【l l i c s c o m p a r e d 、玑m 扛a d i t i o n a le l e c 仃o m a g n e 缸cm o t o r ，i tp o s s e sal o to fm e r i t s 吼l c h 嬲f 缸tr e s p o n s e ， d i r e c t l y 枷讥呜、j l ，i 也o u tr e d u c e r ，h i 曲o r i e n t a t i o np r e c i s i o n ，l o ws p e e d 锄db i gt 0 】哪e ，l o c l 【i 】唱i t s e l f w i 廿1 0 u te l e c t r i c i 锣，丘e eo fl n a 孕圯t i ci n t e r f e r e n c ee t c ，w h j c h 梳n gi t 、) l ，i d ea p p l i c a 丘o ni 1 1p r e c i s i o n d i v i n ga n ds oo n s i i l c eo u t p u tf o r c eb y 伍c t i o n 缸e r f a c e ，i t sv e r ) ，i m p o r t a n tt 0d 0r e s e a r c ho nt l l e 扔c t i o n w e a rc h a r a c t 硎s t i c0 f 妇圮c o n t a c t 蠡l c e0 fs t a t o r 觚dr o t o r 蠡竹u s m n em a i l l c 伽n p l i s h e d w o r k i s 雒f o l l o w s ： 1 a1 0 to f 咖d i e so n 衔c t i o n - w e a rc h 掘l c t e r i s t i c0 fs t a t o r 龃dr o t l d r 矗wu s m ，w h i c hw e r e i l i v e s t i g a t e da th o m ea n da b r o a d ，w e r e 龃a l y s e d a c c o r d i i l gt 0t l l ef o u n 如t i o no fm c t i o na n dw e a r 吐屺。巧f o ru s m i m t0 p t i i i l i z e ，锄de s p e c i a l l y 仕呤r ew n tas e to ft e s t h 培m e m o da i l de x p 妇n t a l d e 、r i c ef 0 rt h e o r ys t i l d y ，t h et a s ko fm ep r o j e c tw 弱p r o p o s e d 2 a c c o m l gt 0 1 em e c h a m s mo fr e l a t i v e 如o t i o nb e t w e 饥s t a t o ra i l dr o t o rf 0 rt r a v e l i i 唱t y p e u l 昀s o n i cm o t o r ，ad e s i 印s c h e m eo f 伍c d o n w c a re x p 渤饥t a ld e “c et os i m l a t ct l l ec o n t a c t s i t u a t i o nb e 柳e 饥s t a t o r 锄dr o t o r 、】l 郴p r o p o s e d 3 a 伍c 6 w e 盯e x p e r i i n e n t a ld e v i c ef o rw e a re x p 喇m e n t0 fu l 仃砸o i l i cm o t o r 、) i 郴d e v e l 叩e d ， d e s i 盟o f w l l i c hk l u d e sm e c h a l l i c a l 锄d 嘶v i i l gc o m r 0 1 t h ed e v i c ew 舔c o n t m l l e d 觚d m o i l i t o r e db y c o m p u t e rw i m s e r i a lc o m 脚棚1 i c a 缸o n 4 ad e s i g ns c h e m ef 0 rm e 勰晌ga n dc o n 打0 1 l i n gs y s t e mo ff n c t i o n - v 旧盯e ) 【p e r i m e n t a ld e 、r i c e b 弱e d0 na d “i 】1 【d a q 2 2 0 6w 勰p r o p o s e d w i t hl a b w p r 0 伊a n 硼e d ，c o i l t m l l i n g 姐dm 舢i i 衄面g o f m o r e “i l l ( s 细n l i sd 喇c e 丽l lb ea c c 唧l i s h e d 5 t h ew e a re x p e r i i l l e n tw 雏c a 耐e do n ，a n dv 撕a t i l a wo fw e a rl o s sc h a n g e d 讹p r e - l o a d ， s p e e da n dn l j 眈。崩b r a t i o n 啪ss t u d i e d s u r f a c er o u g t l i l _ e s sa 1 1 d 缸c t a ld i m e i l s i o no f 缸c t i o nr m t e r i a l w e r ei n m e s t i g a _ t e d ，越l dc h a n g e 仃e n do fm es u r f a c ec h a r a c t e r i s t i c su n d e r 也ee x p e r i m e n ts i t u a t i o nw 觞 锄a 1 ) r z e d s i n m l a t i n gn l es u r f a c eo f 衔c t i o nm a t e r i a lb y 丘a c t a lg e o m e 时w 踮p r o p o s e d k e y w o r d s ：u 1 仃勰o i l i cm o t o r ，w e 瓯s 甜a lc o m m u i l i c a t i o n ，w e a rr a t e ，咖a c q u i s i t i o nc a r d ， 胁c t a lg e o m e 仃y 一 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 1 l 电机摩擦磨损特性研究现状3 电机摩擦磨损测试装置4 1 3 1 摩擦磨损实验5 1 3 2 超声电机摩擦磨损装置现状5 1 3 3 超声电机摩擦磨损测试装置发展7 1 4 摩擦磨损存在问题。8 1 5 课题意义及研究内容8 第二章摩擦磨损装置机理分析与设计1 0 2 1 行波型超声电机工作原理1 0 2 2 摩擦磨损实验装置总体方案1 2 2 3 摩擦磨损实验装置设计1 4 2 3 1 机械设计1 4 2 3 2 工作机理分析1 4 2 4 摩擦材料的选用1 6 2 5 电磁电机选择及设置1 7 2 5 1 电磁电机选择1 7 2 5 2 步迸电机的设置1 8 2 6 本章小结2 0 第三章摩擦磨损装置软硬件设计2 1 3 1 软硬件设计总方案2 1 3 1 1 串行接口选择2 l 3 1 2 硬件功能设计2 1 3 1 3 软件功能设计2 2 3 2 定子驱动电路设计2 2 3 2 1 推挽逆变电路2 2 3 2 2 匹配电路实验2 4 3 3 控制电路及其分析2 5 行波型超声电机的摩擦磨损实验装置和磨损实验研究 3 3 1 电源供给模块2 6 3 3 2 光电开关检测模块2 6 3 3 3 接口电路模块2 8 3 - 3 48 2 c 5 4 模块2 8 3 3 5 通信电平转换模块3 3 3 3 6 驱动控制电路实物图3 4 3 4 串口通信及数据格式3 4 3 5 硬件( 单片机) 程序及其分析3 7 3 5 18 9 c 5 2 通信程序的编写3 7 3 5 2 启动实验装置功能3 9 3 5 3 监视功能4 0 3 6 软件程序的编写4 1 3 6 1 软件功能4 1 3 6 2m s c o 舢n 控件与串口通信4 2 3 6 3 主要参数设置4 4 3 6 4 用户界面设计4 5 3 7 本章小结4 7 第四章摩擦磨损装置改进方案4 8 4 1 虚拟仪器系统4 8 4 2 摩擦磨损测试系统改进方案4 9 4 2 1 改进方案总体设计4 9 4 2 2d a q 2 2 0 6 多功能数据采集卡5 0 4 2 3 测试系统软件设计5 1 4 3 本章小结5 4 第五章磨损实验数据研究5 5 5 1 磨损实验。：5 5 5 1 1 实验安排5 5 5 1 2 实验结果5 6 5 2 表面特性研究6 0 5 2 1 表面形貌测量6 0 5 2 2 粗糙度测量。6 l 5 3 分形维研究6 2 ， 6 2 6 2 6 4 6 5 6 6 6 6 6 7 6 8 致i 射。7 l 在学期间的研究成果及发表的学术论文7 2 附录a 行波型超声电机摩擦磨损实验装置实物图7 3 行波型超卢电机的摩擦磨损实验装置和磨损实验研究 图表清单 图1 1k a d a c l l i 设计的摩擦测试装置6 图1 2s u j e e t k 研制的磨损装置6 图1 3 曲建俊研制的超声电机摩擦特性模拟实验台6 图1 40 7 年改进后的超声电机摩擦特性模拟实验台7 图2 1 订w m 一6 0 型超声电机1 0， 图2 2 w m 一6 0 型超声电机结构图1 0 图2 3 町m 石o 型超声电机运行机理图1 l 图2 4 实验台设计方案示意图1 3 图2 5 摩擦磨损实验装置框图1 3 图2 6 摩擦磨损装置设计图1 4 图2 7 摩擦磨损实验装置实物图1 6 图2 8 摩擦系数测量系统1 7 图2 9 森创8 6 b y g 2 5 0 b n 步进电机1 8 图2 1 08 6 b y g 2 5 0 b n 矩频特性曲线1 8 图2 1 1s h 2 0 8 0 6 n 两相混合步进电机细分驱动器1 9 图2 1 2 步进电机驱动器典型接线方式2 0 图3 1 硬件功能图2 2 图3 2 行波型旋转超声电机驱动电路的基本原理图2 3 图3 3 原有t r u m 一6 0 行波型超声电机驱动信号的功率变换电路2 3 图3 4 输出相差万驱动信号的功率变换电路2 4 图3 5 定子驱动电路实物图2 5 一 图3 6 经过匹配电感后驱动定子的波形2 5 图3 7l m 317 可调稳压电源电路2 6 - 图3 8 光电开关模块电路2 7 图3 9 接口电路模块2 8 图3 1 08 2 c 5 4 结构图。2 9 图3 1 18 2 c 5 4 控制电路图3 2 图3 1 2m a x 2 3 2 电路连接原理图3 3 图3 1 3 驱动控制电路实物照片3 4 南京航空航天大学硕士学位论文 图3 1 4 异步通信数据帧格式3 5 图3 1 5 通信工作图3 5 图3 1 6 串口通信控制命令信号结构3 5 图3 1 7 单片机串口通信流程图3 9 图3 1 8 “启动1 号系统”子程序流程4 0 图3 1 9 监视功能基本原理。：4 l 图3 2 0 上位机功能图4 1 图3 2 1 系统主界面4 6 图3 2 2 定时功能界面4 6 图4 1 超声电机摩擦磨损测试系统方案4 9 图4 2d a q 2 2 0 6 数据采集卡，。5 0 图4 3n u d a q 下的各类模块5 0 图4 4 摩擦磨损测试系统面板设计。j 5l 图4 5d a q 2 2 0 6 控制摩擦磨损实验装置5 2 图4 6 计数器o 输出步进电机速度信号5 2 图4 7 转速信号测试原理图5 3 图4 8 连续采集数据的d a q 5 3 图4 9 基于队列的数据采集程序5 3 图4 1 0 当前时间生成文件名的f i l e 5 4 图4 1 1 保存数据5 4 图5 1 1 4 实验磨损量趋势图5 8 图5 22 。实验磨损量趋势图5 9 图5 3 仪器结构关系图6 0 图5 4l i 型接触式表面轮廓测量仪6 l 图5 5 摩擦材料表面的模拟轮廓线6 3 图5 6 摩擦磨损轮廓显示后面板“ 图5 7 摩擦磨损表面轮廓显示面板。6 4 表2 1s h 2 0 8 0 6 n 细分选择表l9 表2 2s h - 2 0 8 0 6 n 电流选择表。l9 表3 18 2 c 5 4 工作方式3 0 表3 。2 控制命令标识码( 部分) 3 6 行波型超声电机的摩擦磨损实验装置和磨损实验研究 表3 3 启动双机的命令结构3 6 表3 4 启动l 号系统的命令结构3 6 表3 5m s c o m m 控件的主要属性4 2 表3 6 计算机接受反馈信号情况( 部分) 4 3 表5 1 1 4 实验磨损数据表5 6 表5 22 4 实验磨损数据表5 8 表5 3 接触面轮廓的统计参数6 l 表5 4 磨合前后摩擦材料的统计参数6 1 表5 5 接触面轮廓的分形参数6 3 ， 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 引言 超声电机( u 1 慨o n i cm o t o r ，缩写u s m ) 利用压电陶瓷的逆压电效应，激发弹性体( 定 产生微幅超声振动( 振动频率在2 0 l 【h z 以上) ，并通过定、转子( 动子) 之间的摩擦作 用，将定子的微观振动转换成转子( 或动子) 的宏观转动( 或直线运动) 。它打破了由电磁效 应获得转速和转矩的传统电机的概念【。 与传统电磁式电机相比，超声电机具有以下优点田： l 、结构紧凑，设计灵活，转矩( 力) 密度大，可以实现电机的短、小、薄。 2 、低速大转矩，无需齿轮减速机构，可实现直接驱动。 3 、电机运动部件惯性小，响应快，断电自锁，具有较大的保持力矩。 4 、位置和速度控制性好，位置分辨率高。 5 、不产生磁场，也不受外界磁场干扰。 6 、低噪声运行。 由于具有以上优点，从上个世纪四十年代，w i l l i 锄s 和b r o w n 申请了历史上第1 个“压 电马达”的专利【3 1 ，揭示了超声电机的基本原理开始，便陆续有多种结构形式的超声电机被 提出。1 9 7 3 年，i b m 公司的b a f n l 提出了具有现代超声电机原理的结构方案f 4 】，利用压电元 件使一种具有牛角尖形的压电振子产生振动，通过压电振子的牛角尖端与转子表面接触、摩 擦来驱动转子转动。1 9 8 3 年，s a s h i d a 提出并制造了一台超声电机行波型超声电机，并 于1 9 8 5 年在美国申请了行波型超声电机专利嘲，该电机实现了由驻波定点、定期推动转子变 换成行波连续不断地推动转子，大大地降低了定子与转子接触面上的摩擦磨损。这种电机的 研究成功，为压电超生电机走向实用阶段开辟了道路。1 9 8 7 年，s a s h i d a 创建了s h i n s e i 工业 公司，正式把行波超声电机作为商品出售：c a n o n 公司将其研发的环形行波超声电机正式应 用到e o s 相机镜头的调焦系统。这标志着超声电机开始走上了实用阶段。 日本许多知名大学和公司都在进行超声电机的研究和生产。日本掌握着世界上许多超声 电机技术发明专利。其中c 觚o n 公司花费1 0 亿日元建立了一条超声电机生产线，每月能生 产2 0 - 4 0 万台超声电机。它所生产的超声电机在照相机自动聚焦系统、手表、汽车、机器 人、核磁共振仪、电动窗帘以及卡片传输机等产品上都得到了成功的应用。c a n o n 公司已有 3 7 种照相机聚焦镜头应用了超声电机，n i k o n 、o l y m p u s 等公司的照相机也逐步应用了超声 电机。s e i k 0 公司研发的集成式超声电机，用作内窥镜的作动器。e p s o n 公司将厚0 4 m m 的微 型超声电机用于昆虫机器人。t ( ) y o t a 公司应用于轿车方向操纵系统的超声电机。k o m c a 行波型超声电机的摩擦磨损实验装置和磨损实验研究 m i n o l 诅公司生产的应用了直线型超声电机的镜头。e p s o n 公司还将两台超薄型超声电机应用 于空中机器人。还有不少公司如s h i n s e i ，h o n 电p a n 雒o n i c ，h i 协c h i 等公司都在发展和生产超 声电机。 在欧美国家中，美国、德国、法国和英国等都不甘落后，它们已经或正在投入大量的人 力、财力、物力开发超声电机，努力赶超日本。特别是美国，仅p e i l l l s y l v 锄i a 州立大学在 1 9 9 4 1 9 9 8 年就投入1 5 亿美元专门从事压电材料和超声电机的研究。事实上，最近几年美国 在宇宙飞船、火星探测器、运载火箭等航空航天工程中都陆续应用了超声电机【2 6 】。德国的 u i l i v e 璐时o ff m c h ec o m e 等大学也在开发超声电机。p h y s i ki n s h l i m e n t ( p i ) 公司开发的基于 直线型超声电机的运动平台在半导体制造中得到应用。u n i v e 体时o fp a d e r b o m 的h e i n z n i x d o r fi n s t i t u t e 研制的驱动轿车顶窗的直线型超声电机。韩国k o r e ai 璐t 细t eo fs c i e n c e 锄d t e c h n o l o 科研制的应有于s u m s u n g 公司手机照相系统中，实现了手机照相系统的光学变焦系 统。 中国的产业化进程相对缓慢。我国超声电机的研究是从8 0 年代末、9 0 年代初开始的， 大致经历了跟踪学习，主动开发、实际应用推广3 个发展时期。1 9 8 5 年到1 9 9 1 年间，国内 的压电、超声波方面的学者王大春、周铁英等开始撰写文章介绍超声波电动机引，1 9 8 9 年 至1 9 9 4 年期间清华大学、上海大学、哈尔滨船舶工程学院、浙江大学等国内高校先后展开了 超声电机的研究，并研制出了各具特色的超声电机【9 】。1 9 9 7 年南京航空航天大学成立了超声 电机研究中心，在近几年来得到快速的发展，自主开发研制了多种超声电机【1 0 】。近几年来， 在国家自然科学基金大力支持下，我国超声电机在应用基础研究和关键技术研究上得到了长 远的发展。 超声电机走向商业化是其发展的必然趋势，但是随着超声电机从实验室走向生产应用， 人们必须解决超声电机的以下不足： l 、运行效率较低。 2 、使用寿命短，目前只适用间隙工作的场合。 3 、生产工艺落后，加工成本高。 超声电机作为一种涉及材料学、机械振动学、摩擦学、电力电子技术等多门学科的机电一 体化产品。尽管部分研究成果已经进入试用阶段，但其完整的数学模型、定、转子( 动子) 的 接触模型、精确估算电机性能的动力学模型等理论问题仍处于探讨与完善阶段。目前国内外对 超声电机的研究主要集中在一些方面： l 、转子接触的摩擦特性。 2 、超声电机的新结构。 3 、超声电机陶瓷材料与摩擦材料。 2 超声电机的性能有至关重要的 声电机的输出特性，限制了超 为此已有诸多专家开始注重超 声电机的摩擦特性的研究。 不同类型的超声电机的摩擦界面的作用形式有所不同，但是，由于它们都基于定子在接触 点上的椭圆运动驱动转子( 动子) 运动，所以不同作用形式的摩擦界面对超声电机定、转子间 的影响规律是相同的【。 超声电机摩擦界面特性包括：摩擦界面动力输出特性、磨损表面的微观表面特性、接触界 面摩擦与磨损特性。包括摩擦材料的弹性模量、摩擦系数、耐磨性及其各向异性在内的摩擦材 料物理化学特性和对环境的依赖性等，同样也决定着摩擦界面的输出特性【。 对超声电机的摩擦特性研究主要集中在以下几个方面： 1 摩擦材料的制作及性能研究。在超声电机摩擦材料的研制方面，曲建俊等研制出以改 型酚醛树脂和聚四氟乙烯为基体的系列定子摩擦材料【l2 1 。e n d o 等研究了摩擦材料料的摩擦系 数与硬度对超声电机性能的影响，并研制出以氯丁橡胶为基体的摩擦材料【1 6 1 。r e h b e i n 等在自 制的高频摩擦磨损实验机上对聚四氟乙烯( p t f e ) 、聚酰亚胺( p i ) 及其符合材料进行研 究。而日本s l l i n s e i 公司的超声电机产品近1 0 年来最大的改进就是摩擦材料，包括摩擦材料的 成分和粘涂方式，使得该公司的超声电机寿命和效率都有了很大的提高。南京航空航天大学精 密驱动研究所采用粘涂法在定子表面制各出环氧树脂基定子摩擦材料，与同种材料的转子摩擦 材料对比实验表明，所研制的定子摩擦材料可以使电机的工作频率变宽、工作稳定性提高，且 对电机机械特性没有不良影响，堵转力矩略有增加【1 7 l 。此外，国内信息产业部电子二十一所 研制的摩擦材料已有单位使用报告【埔】；清华大学研制出以超高分子量聚乙烯为基体的摩擦材 料，但其耐热性较差【1 9 1 。无锡海鹰集团提供的压电材料具有相对稳定性；国电南自和哈工大 研制的用于小力矩的摩擦材料寿命可达2 0 0 0 3 0 0 0 小时。南京航空航天大学精密驱动研究所使 用行波超声电机性能仿真软件，对不同弹性模量对超声电机的输出性能影响进行了分析。 2 超声电机减摩机理研究。对于定、转子接触的摩擦减摩的理论研究，早在1 9 9 2 年， m a c n o 等人便发现，只有把比普通摩擦实验测得的更低的动、静摩擦系数代入理论公式中，才 能得到与实验结果一致的理论【l 们。这是因为，在超声电机工作状态下，定子齿存在法向和切 向振动，法向振动改变摩擦界面上的预压力，而且对转子表面形成了振动冲击，使转子加速破 坏和产生腾空现象；切向振动则改变摩擦器件表面的相对运动速度，同时加载力矩对相对运动 3 行波型超声电机的摩擦磨损实验装置和磨损实验研究 速度影响很大，从而使得其摩擦机理更加复杂化【2 l 】。同年，m a e n o 等人又 降低是由于定、转子间形成的空气动压润滑所导致【2 2 1 。然而，空气动压润 到各国学者的认同。1 9 9 8 年，贺思源发现，超声振动使定、转子的平均真 其摩擦系数降低原因1 2 3 j 。黄明军等发现，超声振动使定、转子的接触时间减少，从而导致摩 擦系数降低【2 4 1 。2 0 0 2 年j w a l l a s c h e kh s t o r c k 研究了在微动情况下的振动减摩现象，并给予 了理论解释，提出了基于行波型超声电机的超声振动减摩理论【2 5 】。曲建俊等通过实验发现垂 直方向超声振动具有减摩作用是引起超声驱动东摩擦系数降低的原因【l 4 1 。 3 超声电机接触界面的建模研究早在1 9 8 8 年，k u r o s a w a 利用线性弹簧模型描述定子和 转子的相互接触【2 6 1 。而随着超声电机摩擦性能研究的深入，h a 曲0 0 d 和m c 伽a 1 1 d 利用状态方 程建立非线性接触模型【2 7 1 。h a g e d o m 等人通过引入弹性转子改善h a g h 0 0 d 的接触模型【2 8 1 ，l e m o a l 和c u s i n 利用三维接触模型解决优化问题，这两个模型考虑了接触层的s l i p 现象【2 纠。 1 9 9 9 年南京航空航天大学赵向东对行波型超声电机的摩擦界面做了系统研究，建立了其仿真 模型并利用该模型分析了摩擦界面的输出特性及影响因素，对摩擦界面的设计提供了依据 【3 们。 4 外部工作环境对摩擦性能的影响研究。k a t 0 和a d a c h i 研究了摩擦系统的动态特性发 现，在往复相对运动的摩擦作用系统中，摩擦条件、预压力和相对运动速度会影响系统的稳定 性。接触表面的磨损导致系统的不稳定运行，而磨损产生的碎片将使得系统更加不稳定【3 。 赵向东认为预压力对超声电机输出特性有最直接影响，并通过对u t r m 6 0 的实验证明预压力 对超声电机输出特性的影响是与摩擦界面的接触状态有关，而这点是摩擦模型所未考虑到的 删。哈尔滨工业大学在不同温度环境下( 2 5 、3 5 、5 5 、7 5 4 种情况下) ，对旋转型行 波超声电机空载情况下，测超声电机的转速变化，并从转子摩擦材料的角度解释了变化原 因【3 3 1 。 1 3 超声电机摩擦磨损测试装置 从上文对超声电机摩擦特性的阐述中，我们可以看出无论是从摩擦材料的性能还是超声电 机工作因素的改变，其中摩擦材料的摩擦磨损情况对超声电机的工作情况具有至关重要的影 响。而最近的研究反映超声电机摩擦材料的磨损会导致超声电机开始出现转速下降、力矩下 降、发出异常声响等超声电机失效现象【3 4 3 5 1 。因此为了揭示摩擦磨损影响超声电机工作的物理 意义以及工作因素对超声电机摩擦材料的影响关系，进一步提高超声电机工作稳定性和寿命， 有必要展开针对超声电机的摩擦磨损实验研究。 4 4 r ， 南京航空航天人学硕士学位论文 1 3 1 摩擦磨损实验 传统意义上的摩擦磨损实验是为了对摩擦副的摩擦磨损现象及其本质进行实验研究，正确 地评价各种因素对摩擦磨损性能的影响，从而确定符合使用要求的摩擦副元件的最优参数，为 工业生产实践提供理论依据。 由于超声电机用摩擦界面实现能量和运动的二次传递的运动机理，因此摩擦界面的摩擦磨 损状况在超声电机运动中起到非常重要的作用。但由于超声电机的运行条件的多样性，导致其 摩擦磨损现象研究十分复杂，如何准确地获取以及分析摩擦磨损过程中的运行参数变化对摩擦 磨损影响规律已成为一个十分重要的研究课题。目前尚未有系统的实验方法和专门的装置。 摩擦磨损实验方法建立的原则应遵循实际生产的应用和摩擦学理论体系的建立。传统的摩 擦磨损实验可根据实验条件和目的分为两大类：第一类是现场实物摩擦磨损实验；第二类是实 验室摩擦磨损模拟实验。 第一类摩擦磨损实验是在实际使用条件下进行的，这种实验的真实性和可靠性较好，但机 器零件在实际使用中磨损一般较慢，机器在不同的工作状况下运行，由于运行条件的不稳定 性，不便研究摩擦磨损的规律性，也难以进行单项工作因素对摩擦磨损影响的观察。第二类实 验装置不需要进行整机实验，只需要模拟机器零件和部件在实际条件下进行实验，同时改变各 项参数来分别测定其对摩擦磨损规律的影响，而且测试数据重现性和规律性较好。 在第二类实验基础上搭建模拟性台架实验的主要目的在于校验实验室实验数据的可靠性和 零件磨损性能设计的合理性。这种模拟实验可以根据给定的工况条件调节各种参数来分别测定 其对摩擦磨损的影响，而且测得的数据重现性和规律性较好，便于进行对比分析。在实验室模 拟实验状态下还可以通过强化实验条件来缩短实验周期，减少实验费用，可用来对机器元件的 材料匹配特性和几何形状特性进行检测评定和优化改进。 借助传统摩擦实验的丰富经验，并结合超声电机特殊的工作原理，展开超声电机摩擦磨损 实验不仅为传统的摩擦磨损实验扩开了新的研究领域，并为超声电机进一步的发展提供了丰富 的资料。 1 3 2 超声电机摩擦磨损装置现状 由于超声电机运行机理的复杂性，工作参数对超声电机运行影响规律的研究也尚处于开始 阶段，部分专家和学者开始搭建基于超声电机运行机理的摩擦测试装置用以观察及研究超声电 机的摩擦性能。 1 9 9 6 年，ka d a c l l i 等研究超声减摩的机理，并设计了一个摩擦测试装置，如图1 1 该装 置由转盘和驱动足组成【3 6 1 。转盘和电磁电机连接，并通过电磁电机驱动转盘转动；驱动足和 两个兰杰文振子连接，并通过兰杰文振子激发驱动足形成微幅高频振动。通过该装置研究转盘 5 行波型超声电机的摩擦磨损实验装置和磨损实验研究 和驱动足之间的摩擦力随转盘转动速度和驱动足振幅的变化规律。1 9 9 8 年p r e h b e i n 和j w a l l a s c h e k 也利用摩擦测试装置研究高分子聚合物与钢、铝与铝的磨损特性。该摩擦测试装置 同样是由转盘和兰杰文振子组成【3 7 】。2 0 0 7 年，s u j e e tk 研制了一个磨损装置，该装载有定子和 转子组成，定子有三个对称的驱动足，通过定子驱动转子转动，他们研究不同材料在预压力下 磨损的变化规律引，如图1 _ 2 。 图1 1k a d a c h i 设计的摩擦测试装置图1 2s u j e e t k 研制的磨损装置 2 0 0 1 年，国内曲建俊等对磨损量随预压力和负载变化的规律展开了研究【1 2 1 ，并设计和制 作了超声电机摩擦特性模拟实验台，如图1 3 ，该实验台有定、转子组成，通过定子驱动转予 转动。2 0 0 7 年，曲建俊等改进了摩擦特性模拟实验台的设计，如图1 4 。改进后的实验台通过 电磁电机驱动转子，并激励定子产生驻波振动，并能够控制预压力、定、转子的相对转动速度 和定子的激励电压。该实验台用于超声减摩机理研究，研究电机转速、预压力、超声波激励电 压和摩擦材料等对定、转子摩擦副摩擦系数的影响规律【3 9 1 。 6 图1 3 曲建俊研制的超声电机摩擦特性模拟实验台 图1 40 7 年改进后的超声电机摩擦特性模拟实验台 1 3 3 超声电机摩擦磨损测试装置发展 随着摩擦学的不断发展，计算机技术的不断完善，超声电机摩擦磨损实验机普遍向自动 化、无人化发展。摩擦磨损实验的多功能化将代替已有的单一对象摩擦磨损实验机，自动控制 程序将被集成到摩擦磨损实验机中，摩擦磨损参数在线测试技术已经势在必行。超声摩擦磨损 实验机将呈以下发展趋势： ( 1 ) 高性能模拟实验台 在超声电机摩擦磨损实验当中，模拟超声电机特性的实验台至关重要，模拟台的搭建在尽 可能模拟真实超声电机工作的前提下，还要考虑到实验台在长时间运转下的稳定性、无噪音 性、便于实验人员操作及替换实验样件、方便安置各类测量装置及调节各项参数。 ( 2 ) 多参数测试集成系统 目前，随着对超声电机摩擦磨损研究的深入，对包括摩擦界面温度、驱动频率、驱动电 压、摩擦系数、磨损重量、磨损率等各项参数在超声电机实验过程中的变化作用观察的不断深 入，现有单一参数的测试装置对实验观察带来了时间上的损耗。融合多功能模块