發(fā)布時間：2020-07-15 15:20

【摘要】：壓電直線電機具有定位精度高、響應(yīng)速度快、設(shè)計靈活、不受電磁干擾等特點,在新興前沿科技領(lǐng)域中有廣闊的應(yīng)用前景。近年來,壓電直線電機在多國研究者的廣泛關(guān)注下得到了快速的發(fā)展,許多發(fā)達國家都憑借著先進的理念與多年技術(shù)積累將壓電電機技術(shù)推向產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展方向,尤其是在精密平臺系統(tǒng)中,新技術(shù)與新產(chǎn)品層出不窮。在中國制造2025背景下,我國核心技術(shù)發(fā)展正面臨巨大的機遇與挑戰(zhàn),研制以壓電電機為基礎(chǔ)、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的精密運動平臺、促進多自由度平臺應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展,將會有力推動我國精密驅(qū)動與定位技術(shù)的發(fā)展。本課題在國家自然科學(xué)基金面上項目(No.51375224)“壓電驅(qū)動的六自由度工作臺及控制方法”和中航工業(yè)產(chǎn)學(xué)研項目(N0.CXY2013NH09)“高精度微位移光學(xué)穩(wěn)像技術(shù)”的資助下,以研究和設(shè)計應(yīng)用于精密運動平臺中的非共振式壓電直線電機為目標,開展了非共振式壓電直線電機的運動模型建立、設(shè)計準則總結(jié)、性能仿真分析、電機實驗驗證、評價方法歸納等多方面的研究工作,遴選綜合性能較為優(yōu)秀的樣機應(yīng)用于多自由度精密平臺,加工裝配樣機并進行性能試驗,所設(shè)計的平臺實現(xiàn)了高精度、大行程、快響應(yīng)的作動。本論文研究的主要內(nèi)容和成果如下:1.總結(jié)壓電直線電機和多自由度運動平臺的特點、分類以及研究現(xiàn)狀。通過調(diào)研國內(nèi)外壓電直線電機和多自由度運動平臺的發(fā)展歷程、研究現(xiàn)狀和應(yīng)用前景,指出了深入研究壓電直線電機及其在多自由度平臺中應(yīng)用的重要意義。2.根據(jù)國內(nèi)外研究成果的調(diào)研,選取非共振式壓電直線電機作為研發(fā)對象,系統(tǒng)地分析了非共振式壓電直線電機的核心元件疊層壓電陶瓷的性能指標、核心輸出部件定子結(jié)構(gòu)工作機理與設(shè)計準則、電機外圍結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法、壓電直線電機的LuGre接觸摩擦模型。3.提出雙足驅(qū)動非共振式壓電直線電機的模型建立方法,并依據(jù)模型分析了電機的三種工作模式。根據(jù)提出的模型設(shè)計了三種不同形式的雙足非共振式壓電直線電機,采用理論與仿真相結(jié)合的方式對電機性能進行了分析,樣機實驗表明,依據(jù)提出的模型設(shè)計的三種電機行程大(與所采用導(dǎo)軌行程相同)、分辨率高(可達0.1μm)。4.提出一種慣性非共振式壓電直線電機的設(shè)計理論,系統(tǒng)地分析了該電機的作動機理,通過理論建模與有限元仿真相結(jié)合的方式對電機結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計,定子采用長柔鉸放大式的設(shè)計,使得該種電機結(jié)構(gòu)緊湊便于小型化與集成化,樣機實驗表明優(yōu)化后的電機滿足了多種設(shè)計要求:定子的驅(qū)動足橫縱向輸出位移得到了放大、輸入信號頻率與電機輸出速度擁有較好的線性度、電機位移分辨率小于1μm。5.分析所述對稱原理樣機、杠桿放大式電機、對稱長柔鉸式電機在實驗中的問題,改進設(shè)計了一種雙柔鉸導(dǎo)向?qū)盈B式非共振壓電直線電機,闡述了該電機的工作原理、性能特點,總結(jié)了本文提出的五種不同形式非共振壓電直線電機的性能參數(shù),提出了量化評價方法,并遴選性能較為優(yōu)秀的兩種樣機進行了二自由度運動平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計與性能試驗。6.根據(jù)所研制的二自由度運動平臺的結(jié)構(gòu)特點,設(shè)計了一種串并聯(lián)結(jié)合的六自由度運動平臺,構(gòu)建了平臺的理論模型與基本控制策略,通過仿真修正了多自由度平臺的控制策略,各自由度的性能試驗表明所設(shè)計的平臺實現(xiàn)了較高精度(平動分辨率小于1μm、轉(zhuǎn)動分辨率小于0.002°)、較大行程(平動行程等于所采用導(dǎo)軌行程,轉(zhuǎn)動行程適用于高精度應(yīng)用領(lǐng)域)、快響應(yīng)(啟停響應(yīng)時間在幾十毫秒級)。
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TM359.4;TH703
【圖文】：

依靠摩擦力驅(qū)動動子產(chǎn)生大行程的運動；而在對稱激勵，是一種單相驅(qū)動方式；壓電驅(qū)動行被用于交替的箝位和移動動子，這種電機中的非共振式電機，通常利用疊層壓電陶瓷作為驅(qū)Pierre Curie 發(fā)現(xiàn)，而逆壓電效應(yīng)在 1881 年由驗證實。1917 年，Langerivin 利用石英的壓電發(fā)現(xiàn)以后，利用該效應(yīng)實現(xiàn)大行程運動的嘗試er 申請的美國專利中提出了一種由壓電板、中過提供合適的信號產(chǎn)生適應(yīng)的扭轉(zhuǎn)模態(tài)使得中 Wiilliams 和 Brown 在專利中提出了將多個壓動的壓電原理樣機如圖 1.2 所示[7]。

圖 1.3 1965 年 V. Lavrinenko 介紹的壓電電機 圖 1.4 1962 年 Stibitz 提出最早的尺蠖電機綜合各種類型的壓電作動器，共振式壓電電機，即超聲電機是被研究的最多的一種作動器。定子以不同的形式與彈性元件組合產(chǎn)生不同的振動，將壓電元件產(chǎn)生的變形轉(zhuǎn)換到需要的方向。任何的共振式電機都可以分為兩種形式，定子上產(chǎn)生的運動形式一般為線運動或橢圓運動，產(chǎn)生這兩種運動的方式千差萬別，如果在一個定子上只有一個共振模態(tài)被激發(fā)出來，可以認為這種電機是單模態(tài)激發(fā)型，而如果激發(fā)的共振模態(tài)多于一個，就被稱為多模態(tài)激發(fā)型。為了使定子做橢圓運動，需要在定子上激發(fā)出單模態(tài)或者在兩個方向激發(fā)出具有一定相位差的模態(tài)�；仡櫝曤姍C的發(fā)展歷史，來自各國的研究者都對電機研究做出了不同程度的推進。繼 20 世紀 50 年代中期，鋯鈦酸鉛被發(fā)現(xiàn)具有壓電材料后，多種新型電機被設(shè)計出來，多家知名企業(yè) Siemen，Matsushita，IBM 等參與到壓電電機的生產(chǎn)制造中，其中，IBM 的Bath 利用驅(qū)動足成楔形的壓電振子與轉(zhuǎn)子接觸通過摩擦來驅(qū)動轉(zhuǎn)子進行轉(zhuǎn)動，但是其推動力較小，性能無法滿足實用要求[14]。20 世紀 70 年代，前蘇聯(lián)科學(xué)院院士 Piotr Vasilijev 使用蘭杰文夾心振子制作壓電電機如圖 1.5[15]，其后，日本學(xué)者 Sashida 在此基礎(chǔ)上研發(fā)了駐波型旋轉(zhuǎn)壓電電機，并且研制了圓環(huán)形壓電振子，如圖 1.6 所示其擁有直梁和環(huán)梁兩種不同結(jié)

圖 1.3 1965 年 V. Lavrinenko 介紹的壓電電機 圖 1.4 1962 年 Stibitz 提出最早的尺蠖電機綜合各種類型的壓電作動器，共振式壓電電機，即超聲電機是被研究的最多的一種作動器。定子以不同的形式與彈性元件組合產(chǎn)生不同的振動，將壓電元件產(chǎn)生的變形轉(zhuǎn)換到需要的方向。任何的共振式電機都可以分為兩種形式，定子上產(chǎn)生的運動形式一般為線運動或橢圓運動，產(chǎn)生這兩種運動的方式千差萬別，如果在一個定子上只有一個共振模態(tài)被激發(fā)出來，可以認為這種電機是單模態(tài)激發(fā)型，而如果激發(fā)的共振模態(tài)多于一個，就被稱為多模態(tài)激發(fā)型。為了使定子做橢圓運動，需要在定子上激發(fā)出單模態(tài)或者在兩個方向激發(fā)出具有一定相位差的模態(tài)�；仡櫝曤姍C的發(fā)展歷史，來自各國的研究者都對電機研究做出了不同程度的推進。繼 20 世紀 50 年代中期，鋯鈦酸鉛被發(fā)現(xiàn)具有壓電材料后，多種新型電機被設(shè)計出來，多家知名企業(yè) Siemen，Matsushita，IBM 等參與到壓電電機的生產(chǎn)制造中，其中，IBM 的Bath 利用驅(qū)動足成楔形的壓電振子與轉(zhuǎn)子接觸通過摩擦來驅(qū)動轉(zhuǎn)子進行轉(zhuǎn)動，但是其推動力較小，性能無法滿足實用要求[14]。20 世紀 70 年代，前蘇聯(lián)科學(xué)院院士 Piotr Vasilijev 使用蘭杰文夾心振子制作壓電電機如圖 1.5[15]，其后，日本學(xué)者 Sashida 在此基礎(chǔ)上研發(fā)了駐波型旋轉(zhuǎn)壓電電機，并且研制了圓環(huán)形壓電振子，如圖 1.6 所示其擁有直梁和環(huán)梁兩種不同結(jié)

【參考文獻】

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本文編號：2756662