| 諧波減速式超聲波電動機的設(shè)計與實驗研究
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)計了一種低速輸出的諧波減速式行波超聲波電動機，分析了其工作原理，并利用樣機研究了行波超聲波電動機和組裝后的諧波超聲波電動機的頻率速度特性，獲得雙面齒行波超聲波電動機和諧波減速式超聲波電動機的****空載速度，且實驗獲得的傳動比比設(shè)計的理論傳動比大百分之二十。實驗結(jié)果表明該電機能夠低速可靠的運行。
0 引 言
相對于傳統(tǒng)的電磁電機，超聲波電動機具有結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)矩／質(zhì)量比大、低速大扭矩等特點，可實現(xiàn)直接驅(qū)動，響應(yīng)快，能夠斷電自鎖，不產(chǎn)生磁場，也不受外界磁場干擾，能夠適應(yīng)高低溫真空等惡劣條件。因此，超聲波電動機技術(shù)在20世紀末得到迅速發(fā)展，并在航空航天、機器人、汽車、精密定位儀、微型機械等領(lǐng)域得到成功的應(yīng)用。
雖然超聲波電動機具有低速大力矩的特點，但直接利用現(xiàn)有的超聲波電動機驅(qū)動，電機轉(zhuǎn)速相對還比較高。若通過調(diào)頻、調(diào)壓等手段使其運行在低速狀態(tài)，則存在速度穩(wěn)定性差的問題。因此為獲得較低速的驅(qū)動機構(gòu)，本文將諧波摩擦傳動原理應(yīng)用于行波型超聲波電動機中，將超聲波電動機和諧波減速器相結(jié)合，設(shè)計了一種諧波減速式超聲波電動機，解釋了其工作原理，并制作了諧波減速式超聲波電動機樣機。
1諧波減速式超聲波電動機工作原理
l 1行波超聲波電動機運行原理
行波超聲波電動機的定子是由壓電陶瓷和金屬彈性體粘接而成，本文設(shè)計的行波超聲波電動機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。定子金屬彈性體上下表面每片壓電陶瓷片由一相正弦波電壓激勵出一列駐波，上下兩片陶瓷
片的分布在空間上相差1／4波長，兩片陶瓷片由時間上相差1／4周期的兩相高頻信號激勵，每相激勵產(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)點做橢圓運動，通過定轉(zhuǎn)子接觸面的切向剪切力驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動方向與行波的傳播方向相反。圖2為電機的行波激勵示意圖。
在上、下陶瓷片處分別通以V0sin(ωt)、V0cos(ωt)的激勵信號，則上下兩片壓電陶瓷片的振動方程為：
式中：V0為激勵電壓的振幅；θ為空間角度；ω為振動角頻率；t為振動時間；
，n為定子圓周
上的波數(shù)。則由兩個正交駐波生成的行波可以表示為：
1 2諧波摩擦傳動的運行原理
諧波摩擦傳動是在諧波齒輪傳動理論的基礎(chǔ)上提出的一種利用摩擦力進行運動和動力傳遞的傳動方式，利用諧波傳動和摩擦學(xué)原理，把柔輪和剛輪做成了無齒的光滑表面，利用柔輪和剛輪過盈配合產(chǎn)生的過盈力產(chǎn)生摩擦所需要的正壓力，從而產(chǎn)生運動和動力傳遞所需要的力矩。相對于諧波齒輪傳動，諧波摩擦傳動具有加工容易、成本低、傳動過程中振動比較小、容易提高傳動精度等優(yōu)點，當(dāng)然由于諧波摩擦傳動利用剛輪和柔輪之間的過盈配合產(chǎn)生的摩擦力實現(xiàn)運動和力的傳動，因此設(shè)計時首先要從理論上避免剛輪、柔輪之間的運動滑移及卡死現(xiàn)象。
行波超聲波電動機和分布其圓周外的滾動體共同構(gòu)成波發(fā)生器，通過布置在行波超聲波電動機轉(zhuǎn)子連接件外圓周上的三個滾動體擠壓柔輪，使柔輪產(chǎn)生周期性的彈性變形，柔輪和剛輪之間通過摩擦接觸實現(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。圖3為轉(zhuǎn)子連接件、柔輪和剛輪的裝配關(guān)系簡化圖。當(dāng)柔輪固定，轉(zhuǎn)子連接件主動、剛輪為從動時，柔輪在轉(zhuǎn)子連接件和滾動體的共同作用下產(chǎn)生變形，在和滾動體接觸點處與剛輪完全接觸，在沒有和滾動體接觸處柔輪和剛輪完全脫開。轉(zhuǎn)子連接件的連續(xù)轉(zhuǎn)動，接觸、脫開兩種情況依次變化，循環(huán)往復(fù)。
當(dāng)波發(fā)生器旋轉(zhuǎn)，柔輪沿剛輪滾動，若無滑動滾動，則兩輪中之一應(yīng)轉(zhuǎn)過一個取決于周長差的角度。對于本文，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，剛輪沿轉(zhuǎn)子連接件的旋轉(zhuǎn)方向轉(zhuǎn)過的角度：
式中：db——剛輪內(nèi)徑；
dg—— 柔輪未變形外徑。
柔輪固定，波發(fā)生器輸入，剛輪輸出時，諧波摩擦傳動的傳動比為：
式中：i——諧波摩擦傳動的傳動比；
dg——柔輪未變形外圓直徑；
db——剛輪內(nèi)圓直徑；
w0——柔輪徑向變形量。
2諧波減速式行波超聲波電動機的結(jié)構(gòu)設(shè)計
本文設(shè)計的諧波減速式超聲波電動機包括雙錐面齒行波超聲波電動機、滾動體以及用以實現(xiàn)諧波摩擦傳動柔輪和剛輪。諧波超聲波電動機各組成部分的設(shè)計在下文將一一研究。
2 1雙面齒行波超聲波電動機的設(shè)計
美國航空航天局研制的雙面齒行波超聲波電動機，已成功用于火星登陸機器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動。其超聲波電動機“定子”轉(zhuǎn)動，“轉(zhuǎn)子”固定不動，須加一個三通路的導(dǎo)電滑環(huán)給定子上的壓電陶瓷通以兩路超聲頻率交變電壓信號，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，并且導(dǎo)電滑環(huán)增加了摩擦阻力，降低了系統(tǒng)的可靠性。本文設(shè)計的雙錐面齒驅(qū)動的自支撐軸系行波超聲波電動機定子固定不動，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。電機結(jié)構(gòu)如圖4所示，
包括定子、左轉(zhuǎn)子、右轉(zhuǎn)子、左右轉(zhuǎn)子連接件、摩擦材料和螺栓。由于定子設(shè)計為雙面齒的對稱結(jié)構(gòu)，定子的兩個齒端面分別與轉(zhuǎn)子接觸，不但增大了定轉(zhuǎn)子間的接觸面積，增大了電機的輸出力矩和力矩密度，且定子不易隨溫度變化產(chǎn)生熱變形，理論上雙面齒超聲波電動機的輸出力矩可以達到單面齒超聲波電動機輸出力矩的一倍，而其質(zhì)量只提高很小。定轉(zhuǎn)子接觸面設(shè)計為錐面接觸。
定子兩側(cè)的錐形齒面具有三方面的作用：(1)作為定轉(zhuǎn)子間的摩擦驅(qū)動面；(2)設(shè)計為錐面一定程度上增加了定轉(zhuǎn)子之間的接觸面積，進而增大驅(qū)動力；(3)作為轉(zhuǎn)子的軸向支撐面，另外轉(zhuǎn)子設(shè)計有凸緣，利用轉(zhuǎn)子凸緣和定子齒面外側(cè)實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的徑向定位，從而實現(xiàn)了對轉(zhuǎn)子的無軸承支撐與定位。為避免轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中由于運轉(zhuǎn)不穩(wěn)定造成的定轉(zhuǎn)子之間出現(xiàn)卡死現(xiàn)象，轉(zhuǎn)子凸緣側(cè)面和定子齒外側(cè)面設(shè)計有間隙。
在定子圓板雙錐面各加工出齒，以增大定子的橫向振動幅值。轉(zhuǎn)子與定子接觸的端面貼有摩擦材料，摩擦材料與定子齒直接接觸，能夠保證定轉(zhuǎn)子間既具有良好的預(yù)緊彈性，又具有較大的徑向剛度。左右轉(zhuǎn)子的運動通過連接件連接，以實現(xiàn)共同旋轉(zhuǎn)。一共采用了兩片壓電陶瓷片，分別粘貼在定子彈性體的上下表面。
2 2諧波減速式超聲波電動機的結(jié)構(gòu)設(shè)計
為降低超聲波電動機的運行速度，拓展超聲波電動機的應(yīng)用范圍，將諧波摩擦傳動原理應(yīng)用于行波型超聲波電動機中，由超聲波波發(fā)生器、柔輪和剛輪組成低速輸出的諧波減速式行波超聲波電動機。
超聲波發(fā)生器由雙錐面齒自支撐軸系行波超聲波電動機和布置在其轉(zhuǎn)子連接件外圓周上的滾動體組成。相對于雙波諧波傳動，三波諧波傳動具有接觸時接觸面積大、承載能力強、自動定心性好、回差小、運動平穩(wěn)等優(yōu)點，因此本文的超聲波發(fā)生器設(shè)計為具有固定波形的三波發(fā)生器。由于諧波摩擦式傳動方式的波發(fā)生器和柔輪之間通過滾動摩擦的形式傳遞轉(zhuǎn)速和力矩，柔輪需要大的起動力矩。本文的滾動體選用滾珠而不是傳動的柔性軸承，柔輪僅需要小的起動力矩，降低了傳遞過程中的能量損失，提高了傳遞效率。
柔輪設(shè)計為杯型結(jié)構(gòu)，剛輪設(shè)計為圓錐結(jié)構(gòu)，設(shè)計傳動比為100。諧波減速式超聲波電動機的結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。剛輪采用錐面設(shè)計，可以通過預(yù)緊彈簧調(diào)節(jié)剛輪使其沿柔輪軸向移動，實現(xiàn)了剛輪與柔輪之間預(yù)緊力的調(diào)節(jié)，避免因加工和裝配誤差使柔輪與剛輪接觸不到或接觸過緊。另外，滾動體相對定子軸同心度的誤差補償依靠超聲波波發(fā)生器定轉(zhuǎn)子之間的錐形齒面實現(xiàn)，保證了各滾珠施加于柔輪的應(yīng)力相對平衡。該電機柔輪固定，剛輪作為從動輪。
3實驗研究
3．1定子阻抗特性測試
在行波超聲波電動機裝配前，利用Agilent4294A阻抗分析儀測量樣機的阻抗，以便實驗時為電機提供準確的工作激勵頻率。圖6、圖7分別為輸入電壓有效值為O．5V時，兩片驅(qū)動壓電陶瓷的阻抗頻率曲線，從圖中可以看出所測量的超聲振子兩片陶瓷片的實際諧振頻率分別為26．513 kHz、26．523 kHz，動態(tài)阻抗分別為1．355 kΩ、l 22l kΩ。由阻抗分析儀測出的兩片驅(qū)動壓電陶瓷片上的諧振頻率、動態(tài)阻抗略有偏差，這是由于兩片壓電陶瓷本身尺寸參數(shù)的差異以及與彈性體的粘接膠層厚度有一定差異引起的。
3 2超聲波電動機速度性能測試
利用自行研制的諧波超聲波電動機樣機進行實驗測試，諧波減速式超聲電機樣機照片如圖8所示。
在預(yù)緊力為5 N、驅(qū)動電壓為100V時，通過調(diào)節(jié)輸入電壓的激勵頻率分別得到雙面齒行波超聲波電動機與諧波減速式超聲波電動機旋轉(zhuǎn)速度隨工作頻率變化曲線，如圖9、圖10所示。
圖9為雙面齒行波超聲波電動機樣機的頻率速度變化曲線，從圖中可以看出，整個電機裝配前后的諧振頻率值發(fā)生了變化，裝配后的實際的諧振頻率為26 6 kHz。這主要是由于裝配后，轉(zhuǎn)子的預(yù)緊力對定子諧振頻率產(chǎn)生了一定的影響，從而使諧振頻率點右移了約l00Hz。電機諧振區(qū)域左側(cè)的速度很低，到達諧振區(qū)域，速度迅速增加，過了諧振區(qū)域，速度下降變得緩慢。
圖10為總裝后的諧波減速式超聲波電動機的頻率一速度變化曲線，圖中的曲線顯示，行波電機和剛輪、柔輪組裝以后，電機的諧振頻率值發(fā)生了變化，總裝配的工作諧振頻率為26．66 kHz。這主要 是由于裝配后，柔輪和剛輪的質(zhì)量相當(dāng)于給行波超聲波電動機施加一定的負載，因此行波超聲波電動機的工作諧振頻率發(fā)生了變化。比較圖9與圖10可知，在施加相同的預(yù)緊力及驅(qū)動電壓的情況下，雙面齒行波超聲波電動機的****空載速度為96 r／min，而裝配好的諧波超聲波電動機的空載速度為O. 8 r／min，速度比為120，比設(shè)計的減速比100大百分之二十。這是由于柔輪和剛輪的加工誤差和測量誤差以及摩擦過程中的滑移決定的。按照摩擦諧波傳動機構(gòu)的傳動比的理論公式可以知道，柔輪未變形外徑和剛輪內(nèi)徑?jīng)Q定著傳動比的大小，因此柔輪和剛輪的加工精度以及測量精度是引起諧波傳動傳動比理論值與測量值差異的重要因素。另外，摩擦傳動過程中存在著不可避免的由摩擦材料變形引起的彈性滑移。
4結(jié)語
超聲波電動機具有低速大力矩的特點，但傳統(tǒng)超聲波電動機速度相對還較高，為獲得較低速的超聲波電動機，本文將諧波摩擦傳動原理應(yīng)用于行波型超聲波電動機中，提出并設(shè)計了一種低速輸出的諧波減速式行波超聲波電動機。雙錐面齒行波超聲波電動機利用定轉(zhuǎn)子間的接觸錐面實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子直接定位，解決了利用軸承定位需要潤滑的問題。定子具有雙錐面齒結(jié)構(gòu)，定子上下表面均布置有壓電陶瓷，同時該電動機具有雙轉(zhuǎn)子，因此增大r其輸出力矩和力矩密度。由于定子采用對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計，大大提高了電機的熱穩(wěn)定性。
通過對自行研制的諧波超聲波電動機的頻率速度特性變化的測試，獲得了雙面齒行波超聲波電動機的****空載以及諧波超聲波電動機的****空載速度。由于剛輪、柔輪的加工精度誤差和測量精度誤差以及剛輪、柔輪及柔輪和滾動體之間可能發(fā)生的滑移引起的誤差，摩擦傳動部分的實測傳動比大于設(shè)計的傳動比百分之二十。經(jīng)過對樣機的實驗測試，本文設(shè)計的諧波減速式超聲波電動機能夠可靠的在低速下運行，因此可以應(yīng)用于空間機器人、行星車等航空航天領(lǐng)域，大大拓展了超聲波電動機的應(yīng)用范圍。
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