Φ45mm直径旋转行波超声电机的设计【6张图/24400字】【优秀机械毕业设计论文】
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45
mm
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超声
电机
机电
设计
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机械
毕业设计
论文
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-
45 mm直径旋转行波超声电机的设计
文档包括:
说明书一份,54页,24400字左右.
任务书一份.
开题报告一份.
翻译一份.
图纸共6张:
A2-装配图.dwg
A3-定子.dwg
A3-外壳.dwg
A3-支架.dwg
A3-轴.dwg
A3-转子.dwg
摘要：超声电机是基于功能材料的新型电机。它利用压电材料的逆压电效应，激发弹性体（定子）在超声频段内的微幅振动，通过定、转子（动子）之间的摩擦作用将振动转换成转子（动子）的旋转（直线）运动并输出功率、驱动负载。因其具有体积小、转速低、力矩大/质量比大、响应快、无噪声、不产生电磁干扰、不受电磁干扰等优良特性，因此，在航空航天、机器人、精密仪器仪表等许多重要领域内显示出广泛的应用前景。为了适应于工程上对超声电机的需求，本文设计的一种直径为45mm的旋转行波超声电机，完成了一下工作：
1．分析总结了超声电机技术的发展与现状,简介了超声电机的应用；
2．阐释了旋转行波超声电机的驱动机理，介绍了驻波产生机理，推导了定子弹性体的行波运动方程及其表面质点的椭圆运动方程；
3．利用理论推导与数值计算方法对定子的振动模态进行了分析，计算出了45mm直径超声电机B09工作模态的固定频率和振型；
4．设计出了直径为45mm的旋转行波超声电机的装配图和主要零件工作图。
5．编制完成定子的加工工艺。
关键词：超声电机，模态计算，设计技术,定子工艺。
Design of the traveling wave ultrasonic motor with diameter of 45mm
Student: Li Dongfei Class: 050313
Adviser: He Honglin
Abstract : The ultrasonic motor (USM) is a novel motor with completely new structure and new driving principle. As an new member of the motors, the USM makes use of the reverse piezoelectric effect of the piezoelectric ceramal to excite the stator elastomer of the motor to obtain micro-oscillation amplitude of the piezo-actuator at one of its resonant frequencies in the ultrasonic range, and turns the vibration into the revolving (or straight line) motion of the friction between the stator and rotor, out putting power and driving the loads. Of the characteristics of low mass, large output torque, high response speed, making no noise and no magnetic disturbance, the USM has been expected to use in many important fields. Just because of this, this theme launches a research on the design technique of the rotary traveling wave ultrasonic motor. It achieves the following achievements:
1. The development of the ultrasonic motor has been summarized; the application of the USM is also introduced.
2. The driving principle of the rotary traveling wave ultrasonic motor is explained and described.
3. The work vibration mode of the stator for the USM with diameter of 45mm is calculated by using the analysis theory and finite element method.
4. A rotary traveling wave ultrasonic motor with diameter of 45mm diameter has been designed.
5. Prepare the processing technic of importance spare parts.
Keywords: Ultrasonic motor, vibrating mode, design technique, processing technic 。
Signature of the Adviser:
目 录
1 绪论
1.1 超声电机技术的发展与现状 1
1.2 超声电动机的分类 4
1.3 超声电动机的特点和应用 5
1.3.1 超声电机的特点 5
1.3.2 超声电机的应用 7
1. 4 本文研究的目标和内容安排 8
2 旋转行波超声电机的运动传递原理
2.1引言 9
2.2 旋转型行波超声电机的工作原理及其基本结构 9
2.2.1 旋转行波超声电机的工作原理 9
2.2.2 旋转行波超声电机的结构 10
2.3旋转型行波超声电机的运动传递机理分析 11
2.3.1压电陶瓷的压电效应及压电振子 11
2.3.2弯曲驻波振动的产生 13
2.3.3弯曲行波运动形成及描述 13
2.3.4 压电陶瓷的极化配置及激励方式 16
2.3.5 定子表面质点的椭圆运动 18
2.4 本章小结 20
3 定子振动模态计算
3.1超声电机模态分析法 21
3.1.1解析法 21
3.1.2定子振动频率 21
3.1.3.定子振动振幅 22
3.2有限元分析法 24
3.2.1 ANSYS概要 24
3.2.2 定子模态分析与ANSYS计算 24
4 环形行波超声电机的设计
4.1超声电机设计方法 34
4.2综合设计 35
4.3超声电机的定子设计 36
4.3.1内外径的选择 36
4.3.2振动模态设计 37
4.3.3定子厚度设计 37
4.3.4定子齿设计 38
4.3.5定子支撑部设计 39
4.4环形行波超声电机转子的设计 39
4.5环形行波超声电机的设计 40
4.5.1 电机的装配结构 40
4.5.2定子基本参数的结构尺寸 40
4.5.3转子的设计 41
5 编制主要零部件的加工工艺
5.1 零件的材料与工艺分析 42
5.2 工艺规程设计 43
5.3 制定工艺路线 43
5. 4 刀具的选择及确定切削用量 45
6 全文总结
6.1 本文的主要工作 47
6.2工作展望 47
参考文献 48
致谢 49
附录 50
毕业设计（论文）任务书
I、毕业设计(论文)题目：φ45mm旋转行波超声电机的设计
II、毕 业设计(论文)使用的原始资料(数据)及设计技术要求：
本课题旨在设计一台直径为45mm的旋转行波超声电机。设计要求及技术条件如下：
（1）定子的工作模态为B09，固有频率处于超声频域（45~55KHz）；
（2）电机堵转力矩在0.15Nm以上；
（3）电机最高转速≥200r/min；
（4）电机质量≤150g ，电机尺寸≤50mm×50mm×22mm；
(5) 电机工作环境温度在－25 oC~55 oC之内。
（6）输出功率2W。
III、毕 业设计(论文)工作内容及完成时间：
1. 搜集有关资料，熟悉超声电机原理，撰写开题报告； 2.16－3.1 2周
2. 相关外文文献资料的阅读与翻译（6000字符以上）； 3.2－3.8 1周
3. 初定定子结构尺寸，选定定子工作模态； 3.9－3.22 2周
4. 电机主要部件（定子、转子）的设计与计算； 3.23－4.19 4周
5. 绘制电机的装配图及其各零件工作图； 4.20－5.17 4周
6. 编制电机主要零件工艺 5.18－5.24 1周
7. 撰写毕业论文； 5.25－6.14 3周
8. 答辩准备及毕业答辩 6.15－6.19 1周
Ⅳ 、主 要参考资料：
[1]胡敏强，金龙. 超声波电机的原理与设计，北京：科学出版社，2005
[2] 赵淳生. 超声波电机技术及应用.北京：科学技术出版社，2007
[3] 尹燕丽. 超声马达及其驱动控制系统. 洛阳工学院硕士学位论文，2004
[4] 贺红林. 超声电机及其在机器人上的应用研究. 南京航空航天大学博士论文，2006.11
[5] 石斌. 环形行波超声马达及其驱动控制的研究. 东南大学博士学位论文，2001
[6]Heiner Storck，Jorg wallaschek. The effect of tangential elasticity of the contact layer
between stator and rotor in traveling wave ultrasonic motors. Int. journal of non-linear
Mechanics 2003(38):143-159
- 内容简介：
-
毕业设计（论文） 题目： 45 旋转行波超声电机的设计 院 ( 系 ) 航空与机械工程学院 专 业名称 机械设计制造及其自动化 班级学号 05031322 学生姓名 李东飞 指导教师 贺红林 二 年 六 月 毕业设计（论文） 开题报告 题目： 45 旋转行波超声电机 设计 院 ( 系 ) 航空与机械工程学院 专 业名称 机械设计制造及其自动化 班级学号 05031322 学生姓名 李东飞 指导教师 贺红林 二 年 二 月 工 艺 规 程 零件名称 定子 班 级 050313 姓 名 李东飞 指导老师 贺红林 2009 年 5 月 25 日 毕业设计（论文） 题 目： 45旋转行波超声电机的设计 学 院： 航空与机械工程学院 专业名称： 机械设计制造及其自动化 班级学号： 05031322 学生姓名： 李东飞 指导教师： 贺红林 二 年 六 月 毕业设计（论文） 翻译 题目： 各类超声电机的工作原理的介绍 院 ( 系 ) 航空与机械工程学院 专 业名称 机械设计制造及其自动化 班级学号 05031322 学生姓名 李东飞 指导教师 贺红林 二 年 三 月 5 编制主要零部件的加工工艺 件的材料与工艺分析 件材料的选择 零件材料的选择主要是考虑到满足使用要求，同时兼顾材料的工艺性和经济性。 超声电机的定子材料选用 较高的强度、弹性、耐磨性和抗磁性，在热态和冷态下压力加工性良好，有较高的抗燃性，可焊接和钎焊，可切削性好 。 压电陶瓷：选用 料制作。 粘结剂：粘结剂时将压电陶瓷和定子弹性环紧密地粘结在一起。压电陶瓷是超声电机的心脏，它与振动体的粘结质量直接影响电机性能，为此提出如下要求： a)粘接强度高， 20上高频率高强度振 动不脱落； b)胶层疲劳极限高，电机寿命长； c)胶层无收缩应力又要弹性变形，确保电动机振动波形不发生畸形； d)电阻率趋近于零，使振子体与电极既牢固粘结又要电位相等； e)固化时间短，以便于批量生产 。 根据以上要求和原则，在本课题中定子的材料选择情况如下： 弹性体： 压电陶瓷： 粘结剂：环氧胶 件的工艺性分析 定子共有两组加工表面，他们之间 有一定的位置要求。现分述如下： a. 以毛胚外圆为中心的加工表面 这一组加工表面包括：端 面和外圆， 15 35内锥面，三个孔 3孔，还有在平面上的 角。 b. 以底面为基准的加工表面 这一组加工表面包括：均布 35的内圆槽。 由以上分析可知，对于这两组加工表面而言，可以先加工其中一组表面，然后借助于专用夹具加工另一组表面，并且保证它们之间的位置精确要求及表面粗糙度。 定零件工艺规程的原则和技术要求 要求 : 制定零件机械加工工艺过程是生产技术准备工作的一个 重要组成部分。一个零件可以采用不同的工艺过程制造出来，但正确与合理的工艺过程应满足以下基本要求： （ 1） 保证产品的质量符合图纸和技术要求条件所规定的要求； （ 2） 保证提高生产率和改善劳动条件； （ 3） 保证经济性的合理。 技术依据： （ 1） . 产品零件图 和 技术条件； （ 2） . 毛坯生产和供应条件； （ 3） . 年生产纲领 （ 4） . 本车间生产条件（包括设备，工人技术等级，劳动场合条件等）； （ 5） . 工艺技术条件，手册等。 产类型的确定 计算零 件生产纲领的公式： N=Q*n(1+&%)(1+ %) 其中： Q=1000 件 /年（产品的年产量） n=1 件 /个 （每 个电机 该零件的数量） &=4（零件的备品率） =1（零件的废品率） 则 N=1000+4%)x(1+1%)=1050（件） 根据生产纲领确定该零件为成批生产。 定工艺路线 制定工艺路线的出发点，应当适时零件的几何形状、尺寸精度及位置精度等技术要求能得到合理的保证。在生产纲领已确定为大批生产的条件下，可以考虑采用万能性机床配以专用工夹具 ，并尽量使工序集中来提高生产率。除此之外，还应当考虑经济效果，以便使生产成本尽量下降。根据零件的结构形状和技术要求，现初步制定两种工艺路线方案： 工艺路线方案一 工序 00 下料。 工序 05 粗车端面，车外圆，车内斜面深 2 工序 10 半精车外圆 45，钻 14通孔，镗孔 15。 工序 15 精车，切断 工序 20 划线找正 3孔及螺纹孔。 工序 25 钻 3孔并锪倒角，螺纹孔为 1。 工序 30 攻螺纹 工序 35 铣端面及圆槽深 工序 40 调转工件并铣圆槽及平面持均布 工序 45 去毛刺，。 工序 50 检验入库 工艺路线方案二 工序 00 下料。 工序 05 粗车端面，车外圆，钻 14通孔。 工序 10 半精车外圆 45，车 135内斜面深 2孔 15。 工序 15 精车端面，倒角 1切断。 工序 20 铣端面及圆槽深 工序 25 调转工件并铣圆槽及平面持均布 工序 30 去毛刺，划线找正 3孔及螺纹孔。 工序 35 钻 3孔并锪倒角，螺纹孔为 1。 工序 40 攻螺纹 工序 45 检验入库 工艺方案的比较与分析 方案一和方案二比较，方案一 工序 20 到 30加工不太合理，先钻孔和攻螺纹孔的基准面选取困难，会因后面基准面的选择二影响产品零件的质量，而方案二则有效解决了这问题，考虑到方案二的检验次数少等不利因素，综合考虑选取方案三为最后加工方案，即： 工艺路线方案三： 工序 00 下料。 工序 05 粗车端面，车外圆，钻 14通孔。 工序 10 半精车外圆 45，车 135内斜面深 2孔 15。 工序 15 精车端面，倒角 1切断。 工序 20 检验 工序 25 铣端面及圆槽深 工序 30 去毛刺。 工序 35 调转工件并铣圆槽及平面持均布 工序 40 去毛刺，划线找正 3孔及螺纹孔。 工序 45 检验。 工序 50 钻 3孔并锪倒角，螺纹孔为 1。 工序 55 攻螺纹 工序 60 检验入库。 以上工艺过程详见附表 1“机械加工工艺过程卡片” 。 具的选用 刀具是影 响 切削加工的 重 要工 具合理地选用刀具 ， 是保证产品质量和提高切削效率的 重 要 要 件。选择刀具型式和结构时，应考虑 以下因素： 1 生产 性质 2机床类型 3工艺方案 4，工件的形状和尺寸 5加工精度 6加工表面的粗糙度 7、工 件材料 8、 生产 率等，刀具应根据以上要求合理选择。 算切削用量 工序 5， 10和 15：选用卧式车床 成形车削制定进给量。 工序 25及 35： 铣 45圆槽 ，保证尺寸 （参考切削手册表 3 切削速度：参考有关手册，确定 v=7m/ 采用高速钢镶齿三面刃铣刀 及专用立铣刀 ， 25数 z=20。则 000v/ 000 27/ 225=38（ r/ 现采用 据机床使用说明书（见工艺手册），取 实际切削速度为 v= 000= 225 000=m/ 当 ，工作台的每分钟进给量 fm=20 0（ m/ 查机床说明书，刚好有 0m/直接选用该值。 工序 45： 钻、扩 39 1. 钻孔 14镗孔 15定进给量 f：根据切削手册表 f=r。由于本零件在加工 15 度零件，故进给量应乘系数 f=（ mm/r） 根据 取 f=r。 切削速度：根据切削手册表 得切削速度 v=18m/ 根据机床说明书，取 95r/实际切削速度为 v= 000= 25 195/1000=m/ 工序 50：钻孔 3 1钻 90 。 f=mm/r） （切削手册表 v=20m/ （切削手册表 所以 000v/ D=1000 20/ 50（ r/ 按机床取 60r/ v= 采用 90锪钻，为缩短辅助时间，取倒角时的主轴转速与扩孔时相同。 工序 55：攻螺纹 公制螺纹 v=s=6m/以 38r/机床选取 95r/ v= 最后，将以上各工序切削用量、工时定额的计算结果，连同其它加工数据，一并填入机械加工工艺过程综合卡片，见工艺单 。 毕业设计（论文）任务书 I、毕业设计 (论文 )题目： 45声 电机的 设计 业设计 (论文 )使用的原始资料 (数据 )及设计技术要求： 本课题旨在设计一 台 直径为 45机 。 设计 要求 及技术条件 如下 ： （ 1）定子的工作模态为 有频率处于超声频域 （ 4555； （ 2） 电机 堵转力矩在 （ 3） 电机 最高转速 200r/ （ 4） 电机 质量 150g ， 电机 尺寸 5002 (5) 电机 工作环 境温度在 25 5 （ 6）输出功率 2W。 业设计 (论文 )工作内容及完成时间： 1. 搜集有 关资料，熟悉超声电机原理，撰写开题报告； 2周 2. 相关外文文献资料的阅读与翻译（ 6000字符以上）； 1周 3. 初定定子结构尺寸，选定定子工作模态 ； 2周 4. 电机主要部件（定子、转子）的设计与计 算； 4周 5. 绘制电机的装配图及其各零件工作图； 4周 6. 编制电机主要零件 工艺 1 周 7. 撰写毕业论文； 3周 8. 答辩准备及 毕业答 辩 1周 、主 要参考资料： 1胡敏强，金龙 . 超声波电机的原理与设计，北京：科学出版社， 2005 2 赵淳生 . 超声波电机技术及应用 学技术出版社， 2007 3 尹燕丽 . 超声马达及其驱动控制系统 . 洛阳工学院硕士学位论文， 2004 4 贺红林 . 超声电机及其在机器人上的应用研究 . 南京航空航天大学博士 论文 ， 5 石斌 . 环形行波超声马达及其驱动控制的 研究 . 东南大学博士学位论文， 2001 6of of in of 003(38):143空与机械工 程 学院 机械设计制造及其自动化 专业 050313 班 学生（签名）： 李东飞 日期：自 2009 年 2 月 16 日至 2009 年 6 月 19 日 指导教师（签名）： 助理指导教师 (并指出所负责的部分 )： 机械设计 系（室） 主任（签名）： 附注 :任务书应该附在已完成的毕业设计说明书首页。 1 学士学位论文原创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师的指导下独立完成的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含法律意义上已属于他人的任何形式的研究成果 ,也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌航空 大学 可以将本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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 作者签名： 日期： 导师签名： 日期： 1 本科生 毕业设计（论文）开题报告 题目 ： 45径 旋转 行波超声电机的设计 专 业 名 称 机械设计制造及其自动化 班 级 学 号 050313 班 22 号 学 生 姓 名 李东飞 指 导 教 师 贺红林 填 表 日 期 2009 年 2 月 16 日 2 一 超声电机是一种 全新概念的 微特 电机。 它的工作原理 是 利用压电材料的逆压电效应，激发弹性体 在超声频率范围内 微幅振动，并通过定子和转子之间的摩擦作用将其转换成转子（动子）的旋转（直线）运动。 由于 这种新型电机的工作频率一般在 20上 , 故 得名 “超声电机 ”。 超声电机突破了传统电机的概念，没有电磁绕组和磁路，不以电磁的相互作用来传递 能量。 图 行波超声电机 图 图 一 由于超声电机具有全新 的原理与结构，因而它与传统电磁型电机 具有如下特点： A)优点： （ 1） 结构紧凑 、 设计灵活 、 转矩质量比大，是一般电磁电机的 5 10 倍，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（毫秒级）。断电自锁，且具有较大的保持力矩 力 ； （ 4） 位置和速度控制精度高，位移分辨率高、响应快 ； （ 5）不产生也不受磁场磁性干扰； （ 6） 低 噪声 运行，噪声在 45下（距离电机轴端 100测量） ； （ 7） 如果设计合理，压电材料和摩擦材料选用适当，则可在真空、 高 /低温等极端环境下工作。 B)缺点 ： 3 （ 1） 功率输出小，效率较低。超声电机在工作时存在两个能量的转换过程：一是通过逆压电效应将电能转换为定子振动的机械能；二是通过摩擦作用将定子的微幅振动转换为转子（动子）的宏观运动。因此它的输出功率小于 50W； （ 2） 寿命较短，不适合于连续运转的场合 ； （ 3） 对驱动信号的要去严格，且成本较高。 综合以上 特点， 所以超声电机 既 是一种全新的自动控制执行元件，也是一种崭新的传动模式，是对 传统电磁驱动原理的突破和有力的补充。 由于超声电机 设计灵活，结构多样，目前尚无同意系统的分类方 法下表 1列举的从不同角度划分的超声电机的类型： 分类方法 类型 波的传播方式 性波型、驻波型 运动输出方式 旋转型、直线型 定、转子的接触方式 接触式、非接触式 压电元件对定子的的激振方式 共振式、非共振式 转子运动的自由度 单自由度、多自由度 驱动点的位移方向相对与定子工作表面的几何关系 面外模式、面内模式 定子的结构形式 板式、杆式、环式 表一 超声电机的 应用涉及到 航空航天 、精密仪器仪表、伺服机构、医疗器械、办公自动化设备 、汽车制造、等 众多领域。从目前的 情况来看，超声电机可以广泛应用于照 相机的自动聚焦系统 盘头驱动装置 、 精确定位装置等。由于超声电机所具有的独特优点，它 还将 广泛用于机器人、微型机械的驱动、精密仪器的驱动、强磁场环境下设备驱动装置等 。综上所述，研发和推广超声电机技术 将不断完善电机方面的理论知识和丰富电机的产品的类型，并极大地促进工业智能化、自动化的发展。将取代传统的小型或微型电机。并能够在上述领域得到广泛的应用，并促进该领域的技术革新。因此，对超声电机的研究有着非常广泛的应用的前景，良好的实用价值和重要的科学意义。 二、国内外研究概况及发展趋势（含文献综述） 4 1 国内外研究概 况 1948 年， 请了历史上第一个“压电马达”的专利，这一发明点燃了研究超声电机的火花。 1961 年，日本 司利用音叉的往复位移驱动钟表齿轮，这种钟表的工作频率为 360 月误差只有一分钟，打破了那个时代的纪录，也是人类尝试利用弹性振动获得动力的开始。大约十年之后，即在 1970 1972 年， 司又开发出一种直线型驱动器和步进电机，其中使用了压电振子这一关键元件。由于这种压电振子的共振频率为数十千赫兹以上，因其振幅极小，无 法获得较大的转矩和转速。 驱 动 振 子 （ 1 ） 驱 动 振 子 （ 2 ）转 子图 2 H. V. 制的超声波电动机 1965 年，前苏联 出的超声电机利用压电板的振动来驱动转子。请了国家专利，并归纳出了超声电机具有结构简单、成本低、低速大扭矩、单位体积能量密度大、运动精确、能量转换效率高等特性。 1973 年， 出了具有现代超声电机原理的结构方案。它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、摩擦来驱使转子转动。 1975 年， 他利用弹簧将矩形压电复合板的边缘压在转子上，通过激发板的纵向振动模态来驱动转子。 1981 年，立陶宛 功地构造了一种能够驱动较大负载的超声电机，这种电机定子为一个在两个金属块之间夹紧压电元件所组成的超声换能器。用该 5 换能器激发与转子接触的振动片的纵向振动。通过此振动片 与转子间的摩擦来驱动转子转动。这种结构的优点在于不仅能降低共振频率，而且能放大振幅。该电机被用来驱动唱片机的转盘，成为那个时代最 先被实际应用的压电作动器。 日本 研究基础上，于 1982 年提出并制造了新的驻波型压电超声电机，该电机使用 子，驱动频率为 27 8 输入功率为 90 w，机械输出功率为 50 w，输出扭矩为 0 25 N m，输出转速为 2 000r 率 55。可以说， 制的 这个压电超声电机，在性能上是第一次能够满足实际使用的要求。由于该电机的振动片与转子的接触是固定在一个位置上，接触表面上存在着严重的磨损问题。为了解决这个问题， 于 1983 年提出并制造了另一台超声电机 行波型超声电机，并于 1985 年在美国申请了行波型超声电机的专利。该电机实现了由驻波定点、定期推动转子变换成由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，为压电超声电机走向实用阶段开辟了道路。同年， 先提出了两种行波型直线电机，一种是环梁式，一种是直梁式。 1985 年 ，日本 制了第一台单相驱动的纵扭复合型超声电机。电机转速为 120 r 大输出转矩 1 3 N m，效率高达 80。 1987 年，松下公司的伊势等人在 行波电机的基础上提出了一种环形行波超声电机，该电机定子采用齿结构来放大定子振动的振幅，大大提高了电机的效率。同年， 式把行波超声电机作为商品出售； 子光学系统 )相机镜头的调焦系统 中。这标志着超声电机开始走上了实用阶段。自 研制的超声电机产品化后，这种全新概念的电机逐渐引起人们研究和开发的兴趣，各种不同激振原 理不同结构形式、不同性能的超声电机应运而生 。 在日本掀起了利用各种振动模 的研究热潮，如利用纵向、弯曲、扭转等振动来获得椭圆运动。这 种电机的研究成功，为压电超声电机走向实用阶段开辟了道路。 1987 年，这种行波超声电机终于达到了商业应用，此后许多压电超声电机新产品不断地研制出来并推向市场。到了 80 年代中期日本已形成三个系统的超声电机：即日立马克赛尔 6 公司的熊田先生设计的驻波扭转耦合器系统；松下电器公司的行波系统和新生公司左七田先生设计的弯曲波模态系统。到了 80 年代末 90 年代初，西方先进的国家如美国、德国等也都有超声电机研究的报道。进入 90 年代以后，有关压电超声电机的研究已趋向多元化，即大型和微型电机。目前大型超声电机的扭矩已达400Nm， 而微型超声电机的直径仅为 2 超声电机是一个机电耦合系统，它涉及到振动学、摩擦学、波动理论、材料科学、计算科学、电力电子技术、自动控制技术和实验技术等，是一项跨学科的高新技术。目前，日本处于超声电机技术的世界领先地位，它拥有大部分的压电超声电机的专利。最近几年，美国和西欧各国也正掀起压电超声电机的研究热潮。尤其是美国，已有一批公司和大学从事超声电机的研究， 航空航天学院空间工程研究中心 电子科学系的人工智能研究中心都在从事这方面的研究。美国立大学在 19941998 年投资上 亿美元从事超声电机的开发。 我国是在二十世纪八十年代中后期开始研究压电超声电机 ，起步比较晚，但研究发展迅速 。从九十年代初期开始，在国内一些高校和科研所中，如南京航空航天大学、清华大学、浙江大学、哈尔滨工业大学、吉林大学、东南大学、 中科院长春光机所 等，逐步开展了压电超声电机的研究 并取得了可喜的成果 。包括对压电超声电机的运动机理、控制方法以及原形样机的研制和试验。随着我国对压电超声电机的研究的不断深入，也研制出一些性能较好的压电超声电机，已经接近商业应用的水平。南京航空航天大学 精密驱动研究所 研制的直径 60 行波型超声电机的部分性能已经达到并超过国际的先进水平， 同时 也存在不少差距，如使用寿命、效率等，所以需要进一步 提高 。 (2)发展趋势 从国内外近几年的研究状况来看，许多新型直线型超 声电 机以及许多多自由度超声电机被开发和应用。除此之外，可以归纳出超声电机还有一下三个重要的发展方向： （ 1）研制新型摩擦材料和压电材料，以提高超声电机的寿命和对环境的适应性：由于超声电机靠摩擦耦合来传递扭矩，摩擦界面的磨损和疲劳是不可避免 7 的。这大大限制来了其应用 。 （ 2）微型化和集成化：如前所述，与传统电磁电机相比，超声电机没有线圈，结构简单并易于加工，转矩 /体积比大。尺寸减小时效率基本不变化，非常适合作为微机电系统（ 的作动器。因此微型化和集成化是超声电机的重要发展方向。 （ 3） 应用于生物医学工程：生物医学工程离不开对细胞的加工、传递、分离和融合，以及细胞内物质（细胞核、染色体、基因）的转移、重组、拉伸、固定等操作。对只有几微米的细胞来说，关键动作是接近细胞时的精细微调，要求分辨率达几十纳米，要完成以上操作，需要定位精度高和操作能力精细的驱动装置。目前这些工作主要依靠收受过专门训练的技术人员的手工完成，工作效率很低，成功 率也很低。 位移分辨率高、响应快的超声电机将可以成功解决这一难题。 其中 我国超声电机 技术产业化所需要解决的关键问题 ： a)压电材料的制备技术 ； b)超声电机的非线性 特性研究； c)超声电机的制造技术。 三、研究内容 总结和分析国内外超声电机 特别是行波超声电机的 发展和现状； 旋转 式 行波超声电机驱动机理 的 研究； 旋转 式行波超声电 机 定子、转子结构方案 的设计和分析 ； 旋转 式行波超声电机 定子的振动模态分析与计算； 45转 式 行波超声电机 的装配草图设计 与绘制 ； 45 旋转 式 行波超声 电机的零、部件设计 。 四、研究方案 （技术路线） 8 五 、目标、主要特色及工作进度 （ 1）研究 目标 本课题旨在 设计一台直径为 45 旋转 行波超声电机。 设计要求及技术条件如下： 定子工作模态 为 有频率处于超声频域（ 4050 9 电机堵转力矩在 上 电机最高转速 200r/ 电机质量 150g ，电机尺寸 5002 电机工作环境温度在 25 5 内 。 （ 2） 主要特色 现代微特电机技术融合了电机、计算机、电力电子、自 动控制、精密机械 、新材料和新工艺等多种高新技术，是现代仪器设备 自动化、工业 自动化、办公 自动化和家庭生活自动化不可缺少的重要技术。传统电机难以满足当前航空、航天等国防装备以及其他电子设备、精密仪器等对电机提出的短、小、轻、薄 、低噪声、无电磁干扰等要求 。 就目前的研究现状来说，超声电机是新型电机中技术较为成熟的一种 ，并且在许多领域已经得到了实际应用。 因此 本 课题 开展超声电机研究，其选题具有一定 的 新颖性，所研究的技术将具一定的先进性和前瞻性。 （ 3） 工作内容及完成时间 1. 搜集有 关资料，熟悉超声电机原理，撰写开题报告； 2 周 2. 相关外文文献资料的阅读与翻译（ 6000 字符以上）； 1 周 3. 初定定子结构尺寸，选定定子工作模态 ； 2 周 4. 电机主要部件（定子、转子）的设计与计算； 4 周 5. 绘制电机的装配图及其各零件工作图； 4 周 6. 编制电机主要零件工艺 1 周 7. 撰写毕业论文； 3 周 8. 答辩准备及毕业答辩 1 周 10 六 、 主要 参考文献 1 胡敏强，金龙 . 超声波电机的原理与设计，北京：科学出版社， 2005 2 赵淳生 . 超声波电机 的发展与 应用 .J3 赵淳生 . 21 世纪超声电机技术与展望 . 振动、测试与诊断， 4 贺红林 . 超声电机及其在机器人上的应用研究 . 南京航空航天大学博士学位论文， 5 石斌 . 环形行波超声马达及其驱动控制的研究 . 东南大学博士学位论文，2001 6 of of in of 2003(38):1437 上羽贞行，富川义朗 . 超声波马达理论与应用 海科技出版社， 1998 8 et of 2003
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