冲击式超声波钻驱动器设计及实验研究.pdf

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1、硕士学位论文冲击式超声波钻驱动器设计及实验研究DESIGNANDEXPERIMENTALSTUDYOFAPERCUSSIVEULTRASONICDRILLDRIVER(学术型)艾麦提·布拉丁哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：V476.3学校代码：10213国际图书分类号：621密级：公开工学硕士学位论文冲击式超声波钻驱动器设计及实验研究硕士研究生：艾麦提·布拉丁导师：全齐全副教授申请学位：工学硕士学科：航空宇航制造工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:V476.3U.D.C:621Dissertationfort

2、heMasterDegreeinEngineeringDESIGNANDEXPERIMENTALSTUDYOFAPERCUSSIVEULTRASONICDRILLDRIVERCandidate：AimaitiBuladingSupervisor：AssociateProf.QiquanQuanAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：AeronauticsandAstronauticsManufacturingEngineeringAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateo

3、fDefence：June2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要钻探是探测月球、火星等地外天体星壤的重要途径。冲击式超声波钻以结构简单、体积小、能耗低、所需钻压力小、无需润滑等特点，在地外天体探测任务中展现出显著优势。由于冲击式超声波钻工具头部损耗以及振动系统自身的刚度、温度以及施加在钻头上的负载等随时间变化，超声波钻共振频率随时间变化，这使冲击式超声波钻钻进效率急剧下降。本文以实时跟踪冲击式超声波钻共振频率，维持高钻进效率为目标，通过理论分析、仿真、实验等手段，对冲击式超声波

4、钻的驱动特性进行研究，研制冲击式超声波钻驱动器。对冲击式超声波钻工作原理、驱动特性进行研究。分析冲击式超声波钻机械结构、组成部分以及其工作原理；分析换能器各项参数，建立换能器数学模型；基于换能器数学模型，分析换能器驱动特性，分析锁相环法驱动换能器时的失效原因，并对换能器进行阻抗匹配。基于换能器驱动特性，对冲击式超声波钻驱动特性进行研究。基于工作原理、驱动特性，设计冲击式超声波钻驱动器驱动电路。根据冲击式超声波钻驱动要求，分别设计冲击式超声波钻驱动电路控制单元、信号产生单元、电压转换单元、信号放大单元，产生幅值300~400V、频率范围10~20kHz、频率分辨率为0.01Hz的相位、幅值、频率

5、实时远程可调的驱动信号。基于驱动电路传递函数，优化驱动电路元器件参数，优化驱动电路驱动信号。基于驱动特性，研究冲击式超声波钻谐振控制。设计信号采集电路，分别分析信号采集电路时间响应特性、稳定性；在信号采集电路信号采集特性的基础上，设计换能器谐振控制算法；基于换能器谐振控制算法，研究冲击式超声波钻谐振控制算法；基于冲击式超声波钻谐振控制算法，研究冲击式超声波钻恒振幅控制算法，提高冲击式超声波钻工作稳定性。不同条件下，测试冲击式超声波钻驱动器驱动特性。采用不同的驱动方法驱动换能器、冲击式超声波钻，检测换能器驱动参数，测试驱动电路、控制算法控制效果；采用频率跟踪法驱动不同钻压力下的冲击式超声波钻，测

6、试驱动器不同钻压力下的驱动稳定性；采用频率跟踪法、恒振幅法驱动钻压力为3N的冲击式超声波钻，对比两种驱动方法下冲击式超声波钻的工作稳定性，分析驱动器驱动参数与冲击式超声波钻工作稳定性之间的关系，为我国小行星钻取采样任务提供技术参考。关键词：冲击式超声波钻；驱动电路；谐振控制；试验验证-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractDrillingisanimportantwaytodetectcelestialobjectssuchastheMoonandtheMars.Percussiveultrasonicdrills(PUD)havetheadvantagesofsimplestru

7、cture,smallvolume,lowenergyconsumption,lowrequireddrillingpressure,nolubrication,andsoon,exhibitingsignificantadvantagesinextraterrestrialcelestialexplorationtasks.Theinfluenceoftheload,environmentand