为了提高旋转型行波超声电机定子端面质点的振幅值,设计了一种法兰状定子超声电机,并基于ANSYS软件建立了参数化有限元仿真模型,对其进行了动力学仿真分析。以定子端面振幅值最大为目标函数,基于Workbench对定子4个尺寸参数进行了优化设计,优化后的定子端面振幅值得到了很大的提高。此研究结果将提高法兰状定子超声电机的输出性能。

针对地月测距反射器调整要求,开展了新一代激光反射器地月二维指向调整机构的轻量化设计研究。设计出一款俯仰-方位组合型二维指向调整机构,以超声电机为驱动源,根据质心平衡设计理论,设计质心使机构自身力矩平衡,减小负载对电机驱动力矩的要求,从而实现电机和组成部件的小型化和轻量化。制作出原理样机进行了实验验证,结果表明,其质量、尺寸、自锁和驱动性能均达项目要求,验证了质心设计理论的合理性,实现了对机构的轻量化设计,为高精度地月激光测距及空间指向机构轻量化设计提供了依据。

提出了一种长环形直线驻波超声电机振子,并对该超声电机振子进行了研究。利用有限元分析软件对振子的工作模态进行了分析,阐述了振子的工作原理。对支撑结构、影响振子振动模态固有频率的主要结构参数,进行了数值分析,确定了振子的结构形式。振子与支撑结构采用柔性铰链连接,利用第18阶正交的两个面内弯曲模态工作,实现了电机振子双接触面驱动、正反两个方向运动。证明了该类振子利用面内弯曲振动模态可以实现双面驱动、正反双向直线运动。为环型驻波直线超声电机的设计提供了理论参考。

为了弥补传统的沿光轴切向移入移出变倍镜组方式与沿光轴同向移动变倍镜组方式的变倍机构存在占用空间大、机构复杂、变倍时间长、控制精度低以及断电不能自锁等缺点,设计了一种超声电机驱动的光轴旋转方式移入移出的变倍机构。新变倍机构具有占用空间小、机构简单、变倍完成时间短、转角控制精确、可重复性强以及断电自锁等优点。实验结果表明,该变倍机构在100次可重复性关断特性试验中,平均转速为150r/min,试验得到最长的关断时间为0.756ms,最短的关断时间为0.748ms,关断时间最大误差为0.008ms,旋转变倍机构的最大转角误差为0.432′。最大转角误差在成像面上的偏移量〈0.015mm,其误差在系统所要求的范围内。

超声电机是靠压电陶瓷的逆压电效应激发振子的共振，利用振子、动子之间的摩擦耦合来推动动子运动的。根据合成振子和动子接触面质点的周期运动所需的模态数目，超声电机振型激励技术可以分为单一振动模态类、两同频振动模态叠加类和多个振动模态叠加类，介绍了各类中具有代表性的超声电机的振型激励原理和特点，最后对超声电机振子振型激励技术的发展方向进行了展望。

首先介绍了杆式多自由度超声电机及其工作原理,在此基础上,为提高该种电机其整机动力学输出性能,根据电机振子设计要求,用有限元方法建立了其结构动力学模型并确定了振子结构形式以及压电陶瓷片在杆式超声电机振子中的最佳安放位置;其次基于螺栓联接非线性系统,考虑摩擦、接触等非线性因素对杆式超声电机精确有限元建模。据此设计、制造了杆式超声电机原理样机,实验验证表明很好地满足了电机频率一致性设计。

为获得硬度高、耐磨性好、满足超声电机低速大力矩运行要求的摩擦材料，采用冷压烧结法制备玻璃纤维粉改性聚合物基摩擦材料，研究玻璃纤维粉体积分数对摩擦材料力学性能、超声电机性能以及摩擦学性能的影响。结果表明：玻璃纤维粉可以增大摩擦材料的弹性模量和硬度，降低材料冲击韧性；摩擦材料的摩擦因数随玻璃纤维粉体积分数的增加有明显提升；玻璃纤维粉可以改善摩擦材料的超声电机性能和耐磨性，随着玻璃纤维粉体积分数的增加。摩擦材料的超声电机驱动性能先提高后下降，材料的磨损机制由黏着磨损向较为严重的疲劳磨损转变。在文中研究范围内，玻璃纤维粉体积分数为30％时改性摩擦材料具有最好的超声电机驱动性能和耐磨性。

针对目前对超声电机及其驱动系统的阻抗特性测试均局限于单定子和低电压的现状,提出了超声电机及驱动器组成的并联等效电路整体模型,通过电学仿真得到机电系统的阻抗特性。通过傅里叶分解的方法对电机驱动电压和驱动电流信号进行处理,得到超声电机实际工作中的阻抗特性。通过仿真分析和实验可知：机电系统随着驱动频率的降低,阻抗呈单调增大的趋势,同时电机负载扭矩（小于额定扭矩）越大,系统阻抗越小;机电系统谐振匹配频率越小,系统阻抗越小,同时谐振匹配点越靠近电机共振频率,系统阻抗模随着驱动频率的减小,增大得越快。最后,通过机电系统阻抗特性提出超声电机实际工作的理想频率和驱动器的谐振匹配频率均应略大于电机共振频率的频率点。

这里分别从杆式多自由度超声电机振子的动力学特性设计方法、定转子之间的预压力加载以及确保电机球形转子在关节结构中三自由度运动的结构形式设计等三个方面对基于杆式多自由度超声电机构建机器人腕关节结构进行了相关的研究。针对当前在杆式多自由度超声电机振子的动力学特性设计方法上的不足,提出了在有限元模型中应考虑接触和螺栓预紧力在振子动力学特性中的影响因素,并通过实验验证了该方法的正确性,在腕关节的结构设计方面,通过增设转向环及其转轴与球形转子转轴的垂直交叉布置,巧妙的实现了关节三自由度的运动及电机定、转子之间的预压力的加载、可调。该结构简单、轻巧灵便,对机器人的微型化、轻量化具有积极的意义。