【摘要】：在現(xiàn)代精密操作領(lǐng)域,微納操作已成為一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),與之對(duì)應(yīng)的就是日益增加的對(duì)高分辨率執(zhí)行機(jī)構(gòu)的需求。壓電驅(qū)動(dòng)器利用逆壓電效應(yīng)和摩擦力將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)快、速度快、定位精度高以及斷電自鎖等特點(diǎn),在機(jī)器人關(guān)節(jié)、光學(xué)儀器、MEMS、定位工作臺(tái)和空間機(jī)構(gòu)等方面均實(shí)現(xiàn)了廣泛的應(yīng)用。與直線型精密壓電驅(qū)動(dòng)器相比,目前對(duì)旋轉(zhuǎn)型精密壓電驅(qū)動(dòng)器及其系統(tǒng)的研究相對(duì)較少,且已有的研究成果結(jié)構(gòu)都比較復(fù)雜,分辨率也不是很高。而實(shí)際機(jī)電一體化系統(tǒng)中的很多運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)均為旋轉(zhuǎn)型,因此,對(duì)旋轉(zhuǎn)精密壓電驅(qū)動(dòng)器的研究在實(shí)際應(yīng)用中具有重要的理論意義和突出的實(shí)用價(jià)值。本文提出了一種新構(gòu)型的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與箝位機(jī)構(gòu)一體的步進(jìn)旋轉(zhuǎn)型精密壓電驅(qū)動(dòng)器。首先基于四足旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的基本原理分析了旋轉(zhuǎn)步進(jìn)型壓電驅(qū)動(dòng)器的致動(dòng)原理,對(duì)各個(gè)驅(qū)動(dòng)足的動(dòng)作順序進(jìn)行規(guī)劃,根據(jù)動(dòng)作順序確定了對(duì)壓電陶瓷組的激勵(lì)方式和激勵(lì)信號(hào)的時(shí)序。在確定致動(dòng)原理基礎(chǔ)上進(jìn)行壓電陶瓷組極化方向、布置方式、激勵(lì)方式的研究。在原理分析基礎(chǔ)上基于壓電金屬?gòu)?fù)合懸臂梁的基本構(gòu)型對(duì)壓電驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),建立換能器的ANSYS有限元仿真模型并進(jìn)行靜力分析,完成了換能器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),得到了合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)。其次,基于鐵木辛柯彈性梁理論建立了換能器的動(dòng)力學(xué)解析模型,對(duì)驅(qū)動(dòng)足端的瞬態(tài)響應(yīng)以及穩(wěn)態(tài)輸出進(jìn)行分析,得到了驅(qū)動(dòng)足端部輸出位移響應(yīng)與驅(qū)動(dòng)信號(hào)各參數(shù)之間的關(guān)系�；贕M模型以及切向接觸理論建立了轉(zhuǎn)子與驅(qū)動(dòng)足間的接觸摩擦模型,得到了驅(qū)動(dòng)器穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)即驅(qū)動(dòng)足與轉(zhuǎn)子間不產(chǎn)生滑移的條件,建立了最大驅(qū)動(dòng)力與預(yù)壓力之間的關(guān)系。將兩部分模型結(jié)合,得到驅(qū)動(dòng)器總體輸出的數(shù)學(xué)模型,即壓電驅(qū)動(dòng)器的控制模型,建立了壓電驅(qū)動(dòng)器輸出位移與驅(qū)動(dòng)電壓之間的關(guān)系,作為后續(xù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的參考模型。最后,根據(jù)前文對(duì)步進(jìn)型旋轉(zhuǎn)壓電驅(qū)動(dòng)器原理的分析以及建立的理論模型,基于Simulink Real-Time平臺(tái)設(shè)計(jì)了壓電驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng),對(duì)壓電驅(qū)動(dòng)器樣機(jī)的輸出特性進(jìn)行了測(cè)試,得到了驅(qū)動(dòng)器輸出位移與激勵(lì)電壓幅值、頻率之間的關(guān)系以及輸出速度與負(fù)載力矩之間的關(guān)系,驗(yàn)證了前文對(duì)驅(qū)動(dòng)器原理分析以及所建立的理論模型的正確性。驅(qū)動(dòng)器在開環(huán)實(shí)驗(yàn)條件下的最小位移分辨率為0.095μrad(0.020″),最大輸出轉(zhuǎn)矩為49N·mm。進(jìn)一步采用PID控制方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)壓電驅(qū)動(dòng)器位移的閉環(huán)控制,實(shí)現(xiàn)了位移對(duì)階躍信號(hào)、正弦信號(hào)的精準(zhǔn)跟隨,對(duì)階躍信號(hào)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的最大角度誤差為0.448μrad(0.092″);對(duì)正弦信號(hào)的跟隨誤差低于信號(hào)幅值的6%。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TH703
【圖文】：

圖 1-3 清華大學(xué)超精密定位工作臺(tái)基本結(jié)構(gòu)[1學(xué)精密機(jī)械與物理研究所的陳琦研制的微結(jié)合的方式，將宏觀的摩擦驅(qū)動(dòng)與壓實(shí)現(xiàn)±5nm 的精密定位，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)器國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀電驅(qū)動(dòng)器的基本結(jié)構(gòu)如圖 1-4 所示。步鏈，由兩個(gè)箝位機(jī)構(gòu)和一個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組提供預(yù)緊力及彈性回復(fù)力。此種驅(qū)動(dòng)器壓電疊堆 柔性鉸鏈

；最后左側(cè)箝位機(jī)構(gòu)通電，完成一個(gè)周期的運(yùn)動(dòng)。將起來(lái)即可得到較大行程。由于上述運(yùn)動(dòng)與生物的蠕動(dòng)將這種驅(qū)動(dòng)器稱為蠕動(dòng)式驅(qū)動(dòng)器。動(dòng)式驅(qū)動(dòng)器能夠在保證高分辨率的前提下實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)行所示的結(jié)構(gòu)圖也可以看出，其整體結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，運(yùn)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)時(shí)序，要求較高，同時(shí)也導(dǎo)致了驅(qū)動(dòng)頻率速度較慢，因此適合要求輸出力較大、分辨率較高，S.Hsu 等人研制出世界首臺(tái)混合型壓電步進(jìn)精密驅(qū)布置在定子上，動(dòng)子內(nèi)部為驅(qū)動(dòng)用壓電管�？刂菩盘�(hào)運(yùn)動(dòng)速度能夠達(dá)到 6.3 ~ 38mm/s。，A.D.Brisbane 研制出首臺(tái)行走型壓電步進(jìn)精密驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)與圖 1-4 基本一致，箝位機(jī)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)都在動(dòng)，分辨率也得到提高，可達(dá) 5μm。

圖 1-6 AbaloneⅠ型步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器[16]圖 1-7 S.C.Kim 研制的步進(jìn)型旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器[17]在國(guó)內(nèi)，吉林大學(xué)是旋轉(zhuǎn)型壓電步進(jìn)精密驅(qū)動(dòng)器領(lǐng)域的主要研究機(jī)構(gòu)。趙宏偉等研制的壓電型步進(jìn)精密旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器[18]如圖 1-8 所示，具有結(jié)構(gòu)緊湊、分辨率高（可達(dá) 0.255μrad），行程不受限制及運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)壓電疊堆預(yù)緊機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)子箝位壓電疊堆預(yù)緊螺釘柔性鉸鏈驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)上層機(jī)構(gòu)下層機(jī)構(gòu)

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2746155