基于谐波摩擦减速的低速超声电机的研究

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1、工学博士学位论文基于谐波摩擦减速的低速超声电机的研究RESEARCHONLOWSPEEDULTRASONICMOTORBASEDONHARMONICFRICTIONREDUCTION李霞哈尔滨工业大学2007年12月国内图书分类号：TP211国际图书分类号：681.5工学博士学位论文基于谐波摩擦减速的低速超声电机的研究博士研究生:李霞导师:陈维山教授申请学位:工学博士学科、专业:机械电子工程所在单位:机电工程学院答辩日期:2007年12月授予学位单位:哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP211U.D.C:681.5Dis

2、sertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringRESEARCHONLOWSPEEDULTRASONICMOTORBASEDHARMONICFRICTIONREDUCTIONCandidate:LiXiaSupervisor:Prof.ChenWeishanAcademicDegreeAppliedfor:DoctorofEngineeringSpeciality:MechatronicEngineeringAffiliation:SchoolofMechatronicEngineeringDate

3、ofDefence:December,2007Degree-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTechnology摘要摘要超声电机虽然只有20年发展历史，但由于其具有结构简单、设计灵活、低速、力矩密度大、响应快、无电磁干扰等优点，在航空航天、机器人、光学仪器、医疗器械、精加工、办公自动化、信息产业、汽车等领域中具有广阔的应用前景。但超声电机发展历史较短，输出性能有着很多不足，特别是行波超声电机的低速平滑性能尚不能满足某些特殊领域的实际需要。行波超声电机定子表面质点的振幅通常在微米数量级，不

4、足以克服摩擦副粗糙度对其低速平滑性的影响。为解决这一问题，本文在行波超声电机的基础上引入次级谐波摩擦传动，提出一种低速平滑性好的基于谐波摩擦减速的超声电机，并针对谐波摩擦减速超声电机的结构、工作原理以及次级柔轮的径向变形与电机机械特性的匹配模型进行了全面的研究。谐波摩擦减速超声电机由初级超声行波驱动——双锥面齿行波超声电机，和次级机械行波减速——谐波摩擦传动机构组成。本文首先分析了传统圆环形行波超声电机由于其结构和工作原理而存在的输出力矩小、转子需要轴承定位的问题，提出并研制一种双锥面齿驱动、并通过锥形驱动齿实现自身轴系支承的无轴承行

5、波超声电机。电机定子为双面齿有支撑的对称结构，与两个转子分别接触，增大了电机定转子之间的接触面积，大大提高了电机的输出力矩及电机的热稳定性。定子齿面为锥齿面，利用定转子间的接触锥面对转子直接定位，实现了行波超声电机的无轴承支撑，避免了真空、高低温高辐射等特殊环境给常规驱动技术带来的润滑等难题。该电机定、转子间的接触锥面可实现次级谐波摩擦传动构件——钢球之间相对定子轴同心度的误差补偿，保证各钢球施加于柔轮的应力相对平衡。分析定子关键结构参数定子基体厚度、定子齿高、齿面斜度、齿根高度及定子弹性支撑等对定子谐振频率及振动强度的影响，为定子齿

6、结构参数优化设计提供一定的理论指导。最后验证了行波超声电机定子上质点的椭圆运动轨迹，并利用有限元瞬态分析，证明了双锥面齿行波超声电机在压电陶瓷激励下，可以在定子齿上形成椭圆运动轨迹。谐波摩擦减速超声电机的次级谐波摩擦传动可以有效放大谐波幅值，弱化粗糙度对行波超声电机低速平滑性的不良影响，实现大速比的减速功能，使超声电机的最低平滑速度降低两至三个数量级，以满足许多低速驱动应用场合的需要，进一步扩大超声电机在精密驱动及航空航天等特定领域的应用。-I-哈尔滨工业大学博士学位论文初级双锥面齿行波超声电机和均布在其外圆周上的钢球构成次级谐波摩擦

7、传动系统的机械行波波发生器。当内部的行波超声电机旋转时，钢球挤压柔轮使之产生静态径向变形，变形产生的谐波数与钢球数目相同，钢球绕内部电机轴线转动时，在柔轮上形成绕电机轴线旋转的机械行波。柔轮表面质点产生椭圆运动，当刚轮以一定预紧力压在柔轮上时，刚轮在其和柔轮接触点间的摩擦力作用下，产生旋转运动。当钢球绕内部电机轴线转一周时，刚轮仅转过刚轮内圆周长和柔轮外圆周长差的距离，因此实现了大的减速比。在围绕谐波摩擦减速超声电机结构研究的基础上，分析了谐波摩擦传动的原理、柔轮波形曲线的理论模型以及柔轮质点的运动轨迹，在此基础上分析了谐波摩擦传动系

8、统的传动比。最后分析了柔轮的结构参数对柔轮应力分布的影响。分析柔轮最大径向变形的影响因素，以及谐波摩擦传动比的下限与柔轮最大径向变形的匹配模型。在针对谐波摩擦传动系统各主要构件力学分析的基础上分析柔轮的最大径向变形与双锥