諧波減速式超聲波電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究
陳維山，李霞，劉軍考
(哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱150001)
摘要：提出并設(shè)計(jì)了一種低速輸出的諧波減速式行波超聲波電動(dòng)機(jī)，分析了其工作原理，并利用樣機(jī)研究了行波超聲波電動(dòng)機(jī)和組裝后的諧波超聲波電動(dòng)機(jī)的頻率速度特性，獲得雙面齒行波超聲波電動(dòng)機(jī)和諧波減速式超聲波電動(dòng)機(jī)的****空載速度，且實(shí)驗(yàn)獲得的傳動(dòng)比比設(shè)計(jì)的理論傳動(dòng)比大百分之二十。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該電機(jī)能夠低速可靠的運(yùn)行。
0 引 言
相對(duì)于傳統(tǒng)的電磁電機(jī)，超聲波電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)矩／質(zhì)量比大、低速大扭矩等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)，響應(yīng)快，能夠斷電自鎖，不產(chǎn)生磁場(chǎng)，也不受外界磁場(chǎng)干擾，能夠適應(yīng)高低溫真空等惡劣條件。因此，超聲波電動(dòng)機(jī)技術(shù)在20世紀(jì)末得到迅速發(fā)展，并在航空航天、機(jī)器人、汽車(chē)、精密定位儀、微型機(jī)械等領(lǐng)域得到成功的應(yīng)用。
雖然超聲波電動(dòng)機(jī)具有低速大力矩的特點(diǎn)，但直接利用現(xiàn)有的超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)轉(zhuǎn)速相對(duì)還比較高。若通過(guò)調(diào)頻、調(diào)壓等手段使其運(yùn)行在低速狀態(tài)，則存在速度穩(wěn)定性差的問(wèn)題。因此為獲得較低速的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，本文將諧波摩擦傳動(dòng)原理應(yīng)用于行波型超聲波電動(dòng)機(jī)中，將超聲波電動(dòng)機(jī)和諧波減速器相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種諧波減速式超聲波電動(dòng)機(jī)，解釋了其工作原理，并制作了諧波減速式超聲波電動(dòng)機(jī)樣機(jī)。
1諧波減速式超聲波電動(dòng)機(jī)工作原理
l 1行波超聲波電動(dòng)機(jī)運(yùn)行原理
行波超聲波電動(dòng)機(jī)的定子是由壓電陶瓷和金屬?gòu)椥泽w粘接而成，本文設(shè)計(jì)的行波超聲波電動(dòng)機(jī)采用在定子上下表面分別粘有壓電陶瓷片的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。定子金屬?gòu)椥泽w上下表面每片壓電陶瓷片由一相正弦波電壓激勵(lì)出一列駐波，上下兩片陶瓷
片的分布在空間上相差1／4波長(zhǎng)，兩片陶瓷片由時(shí)間上相差1／4周期的兩相高頻信號(hào)激勵(lì)，每相激勵(lì)產(chǎn)生的駐波疊加后在定子的外圓周形成彎曲行波，定子齒端的質(zhì)點(diǎn)做橢圓運(yùn)動(dòng)，通過(guò)定轉(zhuǎn)子接觸面的切向剪切力驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方向與行波的傳播方向相反。圖2為電機(jī)的行波激勵(lì)示意圖。
在上、下陶瓷片處分別通以V0sin(ωt)、V0cos(ωt)的激勵(lì)信號(hào)，則上下兩片壓電陶瓷片的振動(dòng)方程為：
式中：V0為激勵(lì)電壓的振幅；θ為空間角度；ω為振動(dòng)角頻率；t為振動(dòng)時(shí)間；
，n為定子圓周
上的波數(shù)。則由兩個(gè)正交駐波生成的行波可以表示為：
1 2諧波摩擦傳動(dòng)的運(yùn)行原理
諧波摩擦傳動(dòng)是在諧波齒輪傳動(dòng)理論的基礎(chǔ)上提出的一種利用摩擦力進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞的傳動(dòng)方式，利用諧波傳動(dòng)和摩擦學(xué)原理，把柔輪和剛輪做成了無(wú)齒的光滑表面，利用柔輪和剛輪過(guò)盈配合產(chǎn)生的過(guò)盈力產(chǎn)生摩擦所需要的正壓力，從而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞所需要的力矩。相對(duì)于諧波齒輪傳動(dòng)，諧波摩擦傳動(dòng)具有加工容易、成本低、傳動(dòng)過(guò)程中振動(dòng)比較小、容易提高傳動(dòng)精度等優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)然由于諧波摩擦傳動(dòng)利用剛輪和柔輪之間的過(guò)盈配合產(chǎn)生的摩擦力實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)和力的傳動(dòng)，因此設(shè)計(jì)時(shí)首先要從理論上避免剛輪、柔輪之間的運(yùn)動(dòng)滑移及卡死現(xiàn)象。
行波超聲波電動(dòng)機(jī)和分布其圓周外的滾動(dòng)體共同構(gòu)成波發(fā)生器，通過(guò)布置在行波超聲波電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子連接件外圓周上的三個(gè)滾動(dòng)體擠壓柔輪，使柔輪產(chǎn)生周期性的彈性變形，柔輪和剛輪之間通過(guò)摩擦接觸實(shí)現(xiàn)速度和力矩的傳遞，從而形成固定波形的三波摩擦式諧波電機(jī)。圖3為轉(zhuǎn)子連接件、柔輪和剛輪的裝配關(guān)系簡(jiǎn)化圖。當(dāng)柔輪固定，轉(zhuǎn)子連接件主動(dòng)、剛輪為從動(dòng)時(shí)，柔輪在轉(zhuǎn)子連接件和滾動(dòng)體的共同作用下產(chǎn)生變形，在和滾動(dòng)體接觸點(diǎn)處與剛輪完全接觸，在沒(méi)有和滾動(dòng)體接觸處柔輪和剛輪完全脫開(kāi)。轉(zhuǎn)子連接件的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，接觸、脫開(kāi)兩種情況依次變化，循環(huán)往復(fù)。
當(dāng)波發(fā)生器旋轉(zhuǎn)，柔輪沿剛輪滾動(dòng)，若無(wú)滑動(dòng)滾動(dòng)，則兩輪中之一應(yīng)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)取決于周長(zhǎng)差的角度。對(duì)于本文，柔輪固定，波發(fā)生器輸入，剛輪輸出。當(dāng)波發(fā)生器旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，剛輪沿轉(zhuǎn)子連接件的旋轉(zhuǎn)方向轉(zhuǎn)過(guò)的角度：
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