本文關(guān)鍵詞：步進式壓電驅(qū)動基礎(chǔ)理論與試驗研究

  更多相關(guān)文章： 精密驅(qū)動 壓電陶瓷 柔性鉸鏈 尺蠖運動 寄生運動 顯微操作

【摘要】：微/納米級精密驅(qū)動與定位技術(shù)是超精密加工、精密測量、精密光學(xué)、現(xiàn)代醫(yī)療、航空航天等領(lǐng)域的主要支撐技術(shù)之一。當(dāng)前,傳統(tǒng)的驅(qū)動裝置已無法滿足諸多領(lǐng)域中對高精度驅(qū)動與定位的應(yīng)用需求。壓電精密驅(qū)動技術(shù)作為一種新型驅(qū)動技術(shù),因其輸出精度高、響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)緊湊等顯著優(yōu)勢,被廣泛應(yīng)用于各類精密驅(qū)動裝置中。步進式壓電驅(qū)動裝置能克服壓電材料行程較小的不足,因而受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。但現(xiàn)有步進式壓電驅(qū)動裝置存在輸出精度低、承載能力不足、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等不足,論文在對步進式壓電驅(qū)動裝置的運動原理進行系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上,提出采用尺蠖運動原理和寄生慣性運動原理設(shè)計研制大行程高精度的壓電驅(qū)動裝置,并對相關(guān)運動原理進行分析、對整機結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化,據(jù)此建立了尺蠖型壓電驅(qū)動裝置和寄生慣性型壓電驅(qū)動裝置的動力學(xué)模型。試驗結(jié)果表明,所研制的系列壓電驅(qū)動裝置能夠在保證輸出精度的同時實現(xiàn)大行程輸出,可為步進式壓電驅(qū)動基礎(chǔ)研究提供一定的參考。尺蠖型壓電驅(qū)動裝置模仿自然界尺蠖蟲的步進運動原理設(shè)計而成,利用多層扭轉(zhuǎn)柔性鉸鏈和壓電疊堆,通過對鉗位單元、驅(qū)動單元、預(yù)緊單元的交替時序控制,實現(xiàn)了步進式的大行程高精度旋轉(zhuǎn)運動輸出。論文分析了所研制的尺蠖型壓電旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置的運動原理、結(jié)構(gòu)組成,并對其工作狀態(tài)下的變形與應(yīng)力分布、模態(tài)振型等進行了分析研究。通過構(gòu)建的試驗測試系統(tǒng)對所研制的尺蠖型壓電驅(qū)動裝置進行了試驗分析,測得其旋轉(zhuǎn)分辨率為4.95μrad,最大轉(zhuǎn)動速度為6508.5μrad/s,最大輸出轉(zhuǎn)矩為93.1 N·mm。針對第一臺尺蠖型壓電旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、集成與控制困難的不足,論文進一步研制了簡化型尺蠖壓電旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置。采用三角杠桿柔性鉸鏈同時實現(xiàn)鉗位與驅(qū)動兩個運動,簡化了尺蠖運動的工作原理與控制過程,進而優(yōu)化了尺蠖旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置的整體結(jié)構(gòu)。測試結(jié)果顯示,其旋轉(zhuǎn)分辨率為25μrad,最大運轉(zhuǎn)速度為71300μard/s,最大輸出轉(zhuǎn)矩為19.6 N·mm。此外,通過對研制的兩臺尺蠖型壓電旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置原型樣機的計算分析與試驗測試,基于Lu Gre摩擦模型,建立了壓電疊堆、柔性鉸鏈與尺蠖型壓電旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置的動力學(xué)模型。Matlab/Simulink計算結(jié)果表明,所建立的整機動力學(xué)模型能夠較好地表現(xiàn)尺蠖型壓電旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置的輸出特性。在實現(xiàn)大行程與高精度輸出的同時,為了達到結(jié)構(gòu)微型化、控制簡單化的目的,論文在對寄生慣性原理進行系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上,研制了寄生慣性型壓電驅(qū)動裝置。通過對比多種柔性機構(gòu)計算方法,指出了彈性梁法的優(yōu)勢,進而獲得了橋式柔性鉸鏈的寄生運動變形量與放大參數(shù)。橋式柔性鉸鏈的寄生運動使得壓電疊堆同時實現(xiàn)了兩個方向的運動(驅(qū)動運動和預(yù)緊運動),從而提高了現(xiàn)有慣性驅(qū)動裝置的輸出性能。此外,針對步進式壓電驅(qū)動裝置,提出了壓電雙伺服PID閉環(huán)控制方法,使得同一壓電疊堆可實現(xiàn)粗進給、精進給兩種運動狀態(tài),從而有效提高了步進式壓電驅(qū)動裝置的輸出分辨率。試驗結(jié)果顯示,其開環(huán)旋轉(zhuǎn)分辨率為6.92μrad;最大運行速度為32000μrad/s;采用壓電雙伺服PID閉環(huán)控制策略,測得其旋轉(zhuǎn)分辨率可達1.54μrad,約為相同工作條件下非閉環(huán)結(jié)果的250倍。為進一步提高寄生慣性型壓電驅(qū)動裝置的輸出負載與輸出速度,論文進一步研制了兩種改進型的寄生慣性壓電驅(qū)動裝置。其中一種通過使用兩個相互垂直的壓電疊堆,增大了最高運動速度和承載能力,試驗結(jié)果顯示其位移分辨率為0.41μm,最高運動速度為0.735 mm/s,最大輸出負載為0.294 N。另一種改進型寄生慣性型壓電驅(qū)動裝置使用了平行四邊形柔性鉸鏈,在提高輸出性能的基礎(chǔ)上,使得整體結(jié)構(gòu)更為簡化,測試結(jié)果顯示其開環(huán)位移分辨率可達0.04μm,最高運行速度為14.25 mm/s,最大輸出負載為3.43 N。此外,基于Lu Gre摩擦模型,建立了寄生慣性型壓電驅(qū)動裝置的動力學(xué)模型,Matlab/Simulink的計算結(jié)果驗證了該動力學(xué)模型的可行性。尺蠖型壓電驅(qū)動裝置適用于輸出負載大,且對運動速度要求不高的場合,但其整體結(jié)構(gòu)與控制較復(fù)雜;寄生慣性型壓電驅(qū)動裝置則更適用于對快速定位有嚴格要求的、空間尺寸受限的場合�；谒兄频某唧缎秃图纳鷳T性型壓電驅(qū)動裝置,設(shè)計集成了可用于光導(dǎo)纖維微細操作的顯微操作系統(tǒng),并對關(guān)鍵部件壓電微型夾持器進行了制造與試驗測試分析。通過集成顯微成像組件和微型力檢測單元,該壓電微型夾持器可以實現(xiàn)對光導(dǎo)纖維等微小物體的實時精細操作。本文關(guān)于步進式壓電驅(qū)動基礎(chǔ)理論的研究工作,為壓電驅(qū)動裝置的設(shè)計應(yīng)用,提供了一定的理論與應(yīng)用基礎(chǔ),對擴展壓電精密驅(qū)動與定位技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域具有一定的推動意義。
【關(guān)鍵詞】：精密驅(qū)動 壓電陶瓷 柔性鉸鏈 尺蠖運動 寄生運動 顯微操作
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TH703
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 緒論12-27
• 1.1 研究背景及意義12-13
• 1.2 壓電驅(qū)動裝置的分類及研究現(xiàn)狀13-24
• 1.2.1 直動式壓電驅(qū)動裝置14-16
• 1.2.2 步進式壓電驅(qū)動裝置16-24
• 1.2.2.1 超聲壓電驅(qū)動裝置16-18
• 1.2.2.2 尺蠖壓電驅(qū)動裝置18-21
• 1.2.2.3 摩擦慣性壓電驅(qū)動裝置21-24
• 1.3 論文主要研究內(nèi)容24-27
• 第2章 壓電驅(qū)動技術(shù)基礎(chǔ)理論27-42
• 2.1 壓電效應(yīng)/逆壓電效應(yīng)27-28
• 2.2 壓電材料及壓電元件28-35
• 2.2.1 壓電疊堆29-30
• 2.2.2 壓電疊堆動力學(xué)模型30-32
• 2.2.3 壓電疊堆遲滯特性研究32-35
• 2.3 柔性鉸鏈35-39
• 2.3.1 柔性鉸鏈的分類35-37
• 2.3.2 柔性鉸鏈的計算方法37-39
• 2.4 精密直線/轉(zhuǎn)角測量原理及誤差分析39-41
• 2.5 本章小結(jié)41-42
• 第3章 尺蠖型壓電驅(qū)動裝置設(shè)計與試驗研究42-64
• 3.1 尺蠖型壓電旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置42-52
• 3.1.1 運動原理42-43
• 3.1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析43-47
• 3.1.2.1 鉗位單元44-45
• 3.1.2.2 驅(qū)動單元45-46
• 3.1.2.3 預(yù)緊單元46-47
• 3.1.3 模態(tài)動力學(xué)分析47-48
• 3.1.4 驅(qū)動裝置輸出特性試驗測試48-52
• 3.1.4.1 試驗測試系統(tǒng)48-49
• 3.1.4.2 試驗測試結(jié)果49-52
• 3.2 簡化型尺蠖壓電旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置52-59
• 3.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計及運動原理52-53
• 3.2.2 結(jié)構(gòu)分析53-56
• 3.2.3 輸出特性試驗測試56-59
• 3.2.3.1 試驗測試系統(tǒng)56-57
• 3.2.3.2 輸出性能測試57-59
• 3.3 尺蠖型壓電驅(qū)動裝置動力學(xué)模型59-63
• 3.3.1 柔性鉸鏈動力學(xué)模型59-60
• 3.3.2 摩擦模型60
• 3.3.4 尺蠖型壓電旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置動力學(xué)模型60-61
• 3.3.5 MATLAB/Simulink仿真實驗61-63
• 3.4 本章小結(jié)63-64
• 第4章 寄生慣性型壓電驅(qū)動裝置設(shè)計與試驗研究64-94
• 4.1 寄生慣性型壓電旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置64-76
• 4.1.1 寄生慣性運動原理65-66
• 4.1.2 橋式柔性鉸鏈設(shè)計及計算66-70
• 4.1.3 驅(qū)動裝置輸出特性試驗測試70-73
• 4.1.4 壓電雙伺服PID閉環(huán)控制系統(tǒng)73-76
• 4.2 改進型寄生慣性式壓電直線驅(qū)動裝置76-83
• 4.2.1 結(jié)構(gòu)及運動原理76-77
• 4.2.2 鉸鏈設(shè)計及計算分析77-79
• 4.2.3 輸出性能試驗測試79-83
• 4.3 改進II型寄生慣性直線驅(qū)動裝置83-89
• 4.3.1 結(jié)構(gòu)及運動原理83-84
• 4.3.2 結(jié)構(gòu)分析及計算84-86
• 4.3.3 驅(qū)動裝置輸出性能試驗測試86-89
• 4.4 寄生慣性型壓電驅(qū)動裝置動力學(xué)模型89-93
• 4.4.1 整機動力學(xué)模型建立89-91
• 4.4.2 MATLAB/Simulink仿真對比分析91-93
• 4.5 本章小結(jié)93-94
• 第5章 壓電驅(qū)動裝置在顯微操作中的應(yīng)用94-102
• 5.1 可用于光纖操作的全壓電驅(qū)動型顯微操作系統(tǒng)組建94-96
• 5.1.1 系統(tǒng)要求94-95
• 5.1.2 系統(tǒng)組成95-96
• 5.2 壓電微型夾持器設(shè)計制造96-98
• 5.3 試驗測試98-101
• 5.3.1 壓電微型夾持器輸出位移試驗98-99
• 5.3.2 壓電微型夾持器力信號檢測單元試驗99-100
• 5.3.3 光導(dǎo)纖維微夾持操作試驗100-101
• 5.4 本章小結(jié)101-102
• 第6章 總結(jié)與展望102-104
• 參考文獻104-112
• 附錄112-113
• 作者簡介與攻讀學(xué)位期間的主要研究成果113-117
• 致謝117

【相似文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 劉建芳;《新型驅(qū)動技術(shù)·壓電驅(qū)動與控制》專題文章導(dǎo)讀[J];光學(xué)精密工程;2005年03期

2 楊志剛;;《壓電驅(qū)動與控制技術(shù)》專題文章導(dǎo)讀[J];光學(xué)精密工程;2006年04期

3 朱麗;侯麗雅;章維一;;基于壓電驅(qū)動的數(shù)字化微噴射技術(shù)的研究[J];機床與液壓;2008年08期

4 吳博達,鄂世舉,楊志剛,程光明;壓電驅(qū)動與控制技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用[J];機械工程學(xué)報;2003年10期

5 王立文;高殿榮;楊林杰;李巖;王廣義;范卓立;;壓電驅(qū)動微泵泵膜振動有限元分析[J];機械工程學(xué)報;2006年04期

6 秦嵐,蔡秀梅,彭慧,劉京誠,潘英俊;空間分布壓電驅(qū)動的多自由度微定位新方法[J];壓電與聲光;2002年01期

7 楊興,周兆英,葉雄英,李楠,趙慧貞,羅小兵;壓電驅(qū)動膜片式微型氣泵[J];壓電與聲光;2005年04期

8 耿照新;崔大付;劉長春;;兩種壓電驅(qū)動自吸微泵的研制與性能比較[J];納米技術(shù)與精密工程;2006年04期

9 陳磊;王化明;朱劍英;;大行程壓電驅(qū)動旋轉(zhuǎn)平臺的設(shè)計與分析[J];機械制造與自動化;2009年02期

10 肖獻強;李欣欣;楊志剛;程光明;;基于壓電驅(qū)動的細胞微量注射裝置的研究[J];機械設(shè)計與制造;2005年12期

中國重要會議論文全文數(shù)據(jù)庫 前3條

1 王國輝;周兆英;袁松梅;劉長庚;;壓電驅(qū)動微噴霧粒特性的理論和實驗分析[A];第三次全國會員代表大會暨學(xué)術(shù)會議論文集[C];2002年

2 方華軍;劉理天;任天令;;硅基PZT壓電驅(qū)動掃描微鏡的設(shè)計與優(yōu)化[A];中國微米、納米技術(shù)第七屆學(xué)術(shù)會年會論文集（一）[C];2005年

3 耿照新;崔大付;王海寧;劉長春;陳興;;壓電驅(qū)動微閥與微泵集成結(jié)構(gòu)的設(shè)計與分析[A];第三屆全國微全分析系統(tǒng)學(xué)術(shù)會議論文集[C];2005年

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前4條

1 路士州;壓電驅(qū)動撞針式高黏性液體微量分配技術(shù)研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2015年

2 路崧;壓電驅(qū)動非接觸噴射點膠閥的設(shè)計理論與實驗研究[D];吉林大學(xué);2016年

3 李建平;步進式壓電驅(qū)動基礎(chǔ)理論與試驗研究[D];吉林大學(xué);2016年

4 賈宏光;基于變比模型的壓電驅(qū)動微位移工作臺控制方法研究[D];中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所;2000年

中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 王寰斌;疊堆驅(qū)動二維慣性壓電驅(qū)動機構(gòu)研究[D];吉林大學(xué);2009年

2 吳祥君;慣性壓電驅(qū)動機構(gòu)及磁作用影響研究[D];吉林大學(xué);2009年

3 王濤;正壓力變化式慣性壓電驅(qū)動機構(gòu)研究[D];吉林大學(xué);2006年

4 翟士偉;全壓電驅(qū)動納米級宏/微定位系統(tǒng)的研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2008年

5 吳佳杰;基于壓電驅(qū)動的多自由度微操縱平臺及其測控技術(shù)的研究[D];浙江大學(xué);2011年

6 朱玉龍;基于雙壓電驅(qū)動宏微結(jié)合的納米定位臺研究[D];蘇州大學(xué);2013年

7 梅清;一種壓電驅(qū)動微噴霧化干燥技術(shù)的研究[D];蘇州大學(xué);2014年

8 陳怡儒;雙腔并聯(lián)壓電驅(qū)動無閥微泵的研究[D];大連理工大學(xué);2009年

9 蔡秀梅;空間分布壓電驅(qū)動的多自由度微定位工作臺位姿控制模型與實驗研究[D];重慶大學(xué);2002年

10 張鵬;內(nèi)箝位步進式壓電驅(qū)動機構(gòu)研究[D];吉林大學(xué);2005年

，

本文編號：974336