基于尺蠖運(yùn)動(dòng)仿生原理的壓電蠕動(dòng)直線驅(qū)動(dòng)器,具有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活、尺寸小巧、無(wú)磁干擾、位移分辨率高,且行程大等特點(diǎn),在一些需要精密定位領(lǐng)域,如航天航空、精密光學(xué)、精密加工等,具有廣闊的應(yīng)用前景。這種驅(qū)動(dòng)器箝位方式有兩種,一個(gè)是主動(dòng)(通電)箝位,另一個(gè)是被動(dòng)(斷電)箝位,其中被動(dòng)箝位方式具有斷電自鎖,節(jié)能等優(yōu)勢(shì),成為近年來(lái)地研究熱點(diǎn)。目前,這兩種箝位方式驅(qū)動(dòng)器急需研究的主要問(wèn)題有,驅(qū)動(dòng)器移動(dòng)需要周向支撐,箝位力偏小等。本文研發(fā)了一款被動(dòng)箝位壓電蠕動(dòng)直線驅(qū)動(dòng)器及其驅(qū)動(dòng)電源。該驅(qū)動(dòng)器將三角、杠桿式放大結(jié)構(gòu)與一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念相結(jié)合,成功設(shè)計(jì)出一種新式扁平化壓電蠕動(dòng)驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)方案,有效解決周向定位與箝位力偏小問(wèn)題。其驅(qū)動(dòng)電源不僅小型化,而且驅(qū)動(dòng)電壓、驅(qū)動(dòng)頻率、信號(hào)形式可調(diào),且能脫離上位機(jī)獨(dú)立運(yùn)行。首先,從被動(dòng)箝位蠕動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的工作原理出發(fā),進(jìn)行了驅(qū)動(dòng)器的構(gòu)型設(shè)計(jì)和靜力學(xué)建模,得出了箝位機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則,確定了箝位機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵因素。采用正交實(shí)驗(yàn)方法設(shè)計(jì)出箝位機(jī)構(gòu)合理結(jié)構(gòu)參數(shù);對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了靜力學(xué)建模,并用有限元法進(jìn)行了驗(yàn)證,建立了驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)與剛度的數(shù)學(xué)關(guān)系,確定了其合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)。研究了導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)形式對(duì)驅(qū)動(dòng)效果的影響,確定了導(dǎo)軌的形狀。然后,對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行了仿真分析,引入壓電陶瓷力學(xué)和電學(xué)特性作為分析因素,建立了描述壓電陶瓷位移輸出特性的力學(xué)模型,將其導(dǎo)入到驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)分析中,合理地協(xié)調(diào)了箝位機(jī)構(gòu)大箝位力與容易釋放矛盾,解決了壓電陶瓷與機(jī)械結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)問(wèn)題,完善了驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)分析方法,為驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)。最后,研制出驅(qū)動(dòng)器原理樣機(jī),依據(jù)蠕動(dòng)式工作原理和控制策略,將壓電陶瓷電容特性作為分析因素,建立其工作電學(xué)模型,仿真并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證壓電陶瓷的電學(xué)特性對(duì)驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)態(tài)性能影響規(guī)律,提出了蠕動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)原則,設(shè)計(jì)出小型化驅(qū)動(dòng)電源,搭建出驅(qū)動(dòng)器性能檢測(cè)裝置。在標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)電源和自研驅(qū)動(dòng)電源的驅(qū)動(dòng)下,本款驅(qū)動(dòng)器單側(cè)最大靜態(tài)箝位力為14N,最大運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力為4N,在30V驅(qū)動(dòng)電壓下位移分辨率為0.4μm,在120V驅(qū)動(dòng)電壓和83.33Hz頻率下有效驅(qū)動(dòng)速度為608μm/s。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TH703
【部分圖文】：

該驅(qū)動(dòng)器基于尺蠖運(yùn)動(dòng)原理，使用磁致伸縮材料作模式推動(dòng)導(dǎo)軌直線運(yùn)動(dòng)，具體結(jié)構(gòu)如圖 1-2 所驅(qū)動(dòng)器性能不夠理想。但他所提出的尺蠖式驅(qū)動(dòng)。隨著新材料的問(wèn)世、技術(shù)的更迭以及蠕動(dòng)式驅(qū)動(dòng)式驅(qū)動(dòng)器相繼問(wèn)世，并在精密科學(xué)領(lǐng)域取得大

圖 1-3 首臺(tái)壓電蠕動(dòng)電機(jī)專利圖[24]國(guó)學(xué)者 A.D.Brisbane 研制了首臺(tái) Walker 型蠕動(dòng)采用管狀壓電陶瓷管，箝位機(jī)構(gòu)采用盤裝壓電前的結(jié)構(gòu)，這臺(tái)驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)分辨率有了較大尺寸也可以做小。

箝位機(jī)構(gòu)采用盤裝壓電陶瓷管，結(jié)構(gòu)如圖1-4 所示。相比之前的結(jié)構(gòu)，這臺(tái)驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)分辨率有了較大的提高，并且定子結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單，尺寸也可以做小。圖 1-4 首臺(tái) Walker 型壓電蠕動(dòng)驅(qū)動(dòng)器專利圖[25]1972 年，前蘇聯(lián) G.V.Galutva 等人設(shè)計(jì)了首款采用壓電陶瓷疊堆作為驅(qū)動(dòng)、箝位機(jī)構(gòu)動(dòng)力元件的壓電蠕動(dòng)驅(qū)動(dòng)器[26]。其結(jié)構(gòu)如圖 1-5 所示。由于壓電陶瓷疊堆的應(yīng)用，其研制的壓電蠕動(dòng)驅(qū)動(dòng)器速度、負(fù)載能力和分辨率均獲得一定的提高。圖 1-5 首款壓電陶瓷疊堆驅(qū)動(dòng)的蠕動(dòng)驅(qū)動(dòng)器[26]由于壓電驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，成功商業(yè)化的壓電元件種類愈發(fā)地豐富、技術(shù)愈發(fā)地成熟，在二十世紀(jì) 80 年代末，市面上已有能提供數(shù)千牛驅(qū)動(dòng)力的壓電陶瓷疊堆，并且驅(qū)動(dòng)電壓只需 200V 左右，不僅使得驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為多元化，還能簡(jiǎn)

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2824744