【摘要】：壓電直線電機(jī)具有定位精度高、響應(yīng)速度快、設(shè)計(jì)靈活、不受電磁干擾等特點(diǎn),在新興前沿科技領(lǐng)域中有廣闊的應(yīng)用前景。近年來(lái),壓電直線電機(jī)在多國(guó)研究者的廣泛關(guān)注下得到了快速的發(fā)展,許多發(fā)達(dá)國(guó)家都憑借著先進(jìn)的理念與多年技術(shù)積累將壓電電機(jī)技術(shù)推向產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展方向,尤其是在精密平臺(tái)系統(tǒng)中,新技術(shù)與新產(chǎn)品層出不窮。在中國(guó)制造2025背景下,我國(guó)核心技術(shù)發(fā)展正面臨巨大的機(jī)遇與挑戰(zhàn),研制以壓電電機(jī)為基礎(chǔ)、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、促進(jìn)多自由度平臺(tái)應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展,將會(huì)有力推動(dòng)我國(guó)精密驅(qū)動(dòng)與定位技術(shù)的發(fā)展。本課題在國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(No.51375224)“壓電驅(qū)動(dòng)的六自由度工作臺(tái)及控制方法”和中航工業(yè)產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)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(jì)應(yīng)用于精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)中的非共振式壓電直線電機(jī)為目標(biāo),開(kāi)展了非共振式壓電直線電機(jī)的運(yùn)動(dòng)模型建立、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則總結(jié)、性能仿真分析、電機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、評(píng)價(jià)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(jī)應(yīng)用于多自由度精密平臺(tái),加工裝配樣機(jī)并進(jìn)行性能試驗(yàn),所設(shè)計(jì)的平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了高精度、大行程、快響應(yīng)的作動(dòng)。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(jī)和多自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的特點(diǎn)、分類(lèi)以及研究現(xiàn)狀。通過(guò)調(diào)研國(guó)內(nèi)外壓電直線電機(jī)和多自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)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(jī)及其在多自由度平臺(tái)中應(yīng)用的重要意義。2.根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究成果的調(diào)研,選取非共振式壓電直線電機(jī)作為研發(fā)對(duì)象,系統(tǒng)地分析了非共振式壓電直線電機(jī)的核心元件疊層壓電陶瓷的性能指標(biāo)、核心輸出部件定子結(jié)構(gòu)工作機(jī)理與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、電機(jī)外圍結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法、壓電直線電機(jī)的LuGre接觸摩擦模型。3.提出雙足驅(qū)動(dòng)非共振式壓電直線電機(jī)的模型建立方法,并依據(jù)模型分析了電機(jī)的三種工作模式。根據(jù)提出的模型設(shè)計(jì)了三種不同形式的雙足非共振式壓電直線電機(jī),采用理論與仿真相結(jié)合的方式對(duì)電機(jī)性能進(jìn)行了分析,樣機(jī)實(shí)驗(yàn)表明,依據(jù)提出的模型設(shè)計(jì)的三種電機(jī)行程大(與所采用導(dǎo)軌行程相同)、分辨率高(可達(dá)0.1μm)。4.提出一種慣性非共振式壓電直線電機(jī)的設(shè)計(jì)理論,系統(tǒng)地分析了該電機(jī)的作動(dòng)機(jī)理,通過(guò)理論建模與有限元仿真相結(jié)合的方式對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),定子采用長(zhǎng)柔鉸放大式的設(shè)計(jì),使得該種電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊便于小型化與集成化,樣機(jī)實(shí)驗(yàn)表明優(yōu)化后的電機(jī)滿足了多種設(shè)計(jì)要求:定子的驅(qū)動(dòng)足橫縱向輸出位移得到了放大、輸入信號(hào)頻率與電機(jī)輸出速度擁有較好的線性度、電機(jī)位移分辨率小于1μm。5.分析所述對(duì)稱(chēng)原理樣機(jī)、杠桿放大式電機(jī)、對(duì)稱(chēng)長(zhǎng)柔鉸式電機(jī)在實(shí)驗(yàn)中的問(wèn)題,改進(jìn)設(shè)計(jì)了一種雙柔鉸導(dǎo)向?qū)盈B式非共振壓電直線電機(jī),闡述了該電機(jī)的工作原理、性能特點(diǎn),總結(jié)了本文提出的五種不同形式非共振壓電直線電機(jī)的性能參數(shù),提出了量化評(píng)價(jià)方法,并遴選性能較為優(yōu)秀的兩種樣機(jī)進(jìn)行了二自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能試驗(yàn)。6.根據(jù)所研制的二自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種串并聯(lián)結(jié)合的六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái),構(gòu)建了平臺(tái)的理論模型與基本控制策略,通過(guò)仿真修正了多自由度平臺(tái)的控制策略,各自由度的性能試驗(yàn)表明所設(shè)計(jì)的平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了較高精度(平動(dòng)分辨率小于1μm、轉(zhuǎn)動(dòng)分辨率小于0.002°)、較大行程(平動(dòng)行程等于所采用導(dǎo)軌行程,轉(zhuǎn)動(dòng)行程適用于高精度應(yīng)用領(lǐng)域)、快響應(yīng)(啟停響應(yīng)時(shí)間在幾十毫秒級(jí))。
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TM359.4;TH703
【圖文】：

依靠摩擦力驅(qū)動(dòng)動(dòng)子產(chǎn)生大行程的運(yùn)動(dòng)；而在對(duì)稱(chēng)激勵(lì)，是一種單相驅(qū)動(dòng)方式；壓電驅(qū)動(dòng)行被用于交替的箝位和移動(dòng)動(dòng)子，這種電機(jī)中的非共振式電機(jī)，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(yàn)證實(shí)。1917 年，Langerivin 利用石英的壓電發(fā)現(xiàn)以后，利用該效應(yīng)實(shí)現(xiàn)大行程運(yùn)動(dòng)的嘗試er 申請(qǐng)的美國(guó)專(zhuān)利中提出了一種由壓電板、中過(guò)提供合適的信號(hào)產(chǎn)生適應(yīng)的扭轉(zhuǎn)模態(tài)使得中 Wiilliams 和 Brown 在專(zhuān)利中提出了將多個(gè)壓動(dòng)的壓電原理樣機(jī)如圖 1.2 所示[7]。

圖 1.3 1965 年 V. Lavrinenko 介紹的壓電電機(jī) 圖 1.4 1962 年 Stibitz 提出最早的尺蠖電機(jī)綜合各種類(lèi)型的壓電作動(dòng)器，共振式壓電電機(jī)，即超聲電機(jī)是被研究的最多的一種作動(dòng)器。定子以不同的形式與彈性元件組合產(chǎn)生不同的振動(dòng)，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(jī)都可以分為兩種形式，定子上產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)形式一般為線運(yùn)動(dòng)或橢圓運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生這兩種運(yùn)動(dòng)的方式千差萬(wàn)別，如果在一個(gè)定子上只有一個(gè)共振模態(tài)被激發(fā)出來(lái)，可以認(rèn)為這種電機(jī)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(gè)，就被稱(chēng)為多模態(tài)激發(fā)型。為了使定子做橢圓運(yùn)動(dòng)，需要在定子上激發(fā)出單模態(tài)或者在兩個(gè)方向激發(fā)出具有一定相位差的模態(tài)�；仡櫝曤姍C(jī)的發(fā)展歷史，來(lái)自各國(guó)的研究者都對(duì)電機(jī)研究做出了不同程度的推進(jìn)。繼 20 世紀(jì) 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(jī)被設(shè)計(jì)出來(lái)，多家知名企業(yè) Siemen，Matsushita，IBM 等參與到壓電電機(jī)的生產(chǎn)制造中，其中，IBM 的Bath 利用驅(qū)動(dòng)足成楔形的壓電振子與轉(zhuǎn)子接觸通過(guò)摩擦來(lái)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，但是其推動(dòng)力較小，性能無(wú)法滿足實(shí)用要求[14]。20 世紀(jì) 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(jī)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(jī)，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(jī) 圖 1.4 1962 年 Stibitz 提出最早的尺蠖電機(jī)綜合各種類(lèi)型的壓電作動(dòng)器，共振式壓電電機(jī)，即超聲電機(jī)是被研究的最多的一種作動(dòng)器。定子以不同的形式與彈性元件組合產(chǎn)生不同的振動(dòng)，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(jī)都可以分為兩種形式，定子上產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)形式一般為線運(yùn)動(dòng)或橢圓運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生這兩種運(yùn)動(dòng)的方式千差萬(wàn)別，如果在一個(gè)定子上只有一個(gè)共振模態(tài)被激發(fā)出來(lái)，可以認(rèn)為這種電機(jī)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(gè)，就被稱(chēng)為多模態(tài)激發(fā)型。為了使定子做橢圓運(yùn)動(dòng)，需要在定子上激發(fā)出單模態(tài)或者在兩個(gè)方向激發(fā)出具有一定相位差的模態(tài)�；仡櫝曤姍C(jī)的發(fā)展歷史，來(lái)自各國(guó)的研究者都對(duì)電機(jī)研究做出了不同程度的推進(jìn)。繼 20 世紀(jì) 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(jī)被設(shè)計(jì)出來(lái)，多家知名企業(yè) Siemen，Matsushita，IBM 等參與到壓電電機(jī)的生產(chǎn)制造中，其中，IBM 的Bath 利用驅(qū)動(dòng)足成楔形的壓電振子與轉(zhuǎn)子接觸通過(guò)摩擦來(lái)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，但是其推動(dòng)力較小，性能無(wú)法滿足實(shí)用要求[14]。20 世紀(jì) 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(jī)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(jī)，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(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 鄧泳紅;張其仔;;中國(guó)應(yīng)對(duì)第四次工業(yè)革命的戰(zhàn)略選擇[J];中州學(xué)刊;2015年06期

2 李海林;王寅;黃衛(wèi)清;梁宇;;一種雙足驅(qū)動(dòng)壓電直線電機(jī)[J];中國(guó)機(jī)械工程;2014年20期

3 陳西府;黃衛(wèi)清;王寅;;動(dòng)摩擦型壓電疊堆直線電機(jī)定子的振動(dòng)特性[J];振動(dòng).測(cè)試與診斷;2014年05期

4 梁宇;黃衛(wèi)清;王寅;李海林;;一種用于非共振壓電直線電動(dòng)機(jī)的新型驅(qū)動(dòng)器[J];微特電機(jī);2013年11期

5 劉英想;姚郁;陳維山;劉軍考;;縱振復(fù)合雙足直線超聲電機(jī)[J];西安交通大學(xué)學(xué)報(bào);2012年08期

6 陽(yáng)波;段吉安;;光電子封裝超精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)末端姿態(tài)調(diào)整[J];中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2011年05期

7 陳西府;王寅;黃衛(wèi)清;潘松;;一種非共振式壓電疊堆直線電機(jī)的機(jī)理與設(shè)計(jì)[J];中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào);2011年15期

8 陳乾偉;時(shí)運(yùn)來(lái);黃衛(wèi)清;;新型塔形直線超聲電機(jī)[J];中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào);2010年36期

9 石勝君;陳維山;劉軍考;謝濤;;大推力推挽縱振彎縱復(fù)合直線超聲電機(jī)[J];中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào);2010年09期

10 李曉韜;程光明;楊志剛;馬希里;曾平;;應(yīng)用慣性沖擊原理的非對(duì)稱(chēng)夾持式壓電旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)[J];光學(xué)精密工程;2010年01期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前6條

1 李建平;步進(jìn)式壓電驅(qū)動(dòng)基礎(chǔ)理論與試驗(yàn)研究[D];吉林大學(xué);2016年

2 王寅;多模式壓電直線電機(jī)的研究[D];南京航空航天大學(xué);2013年

3 時(shí)運(yùn)來(lái);新型直線超聲電機(jī)的研究及其在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)中的應(yīng)用[D];南京航空航天大學(xué);2012年

4 權(quán)哲浩;納米級(jí)步進(jìn)壓電微動(dòng)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能分析研究[D];天津大學(xué);2007年

5 魏強(qiáng);納米定位微位移工作臺(tái)的控制技術(shù)研究[D];山東大學(xué);2006年

6 紀(jì)華偉;壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的微位移工作臺(tái)建模與控制技術(shù)研究[D];浙江大學(xué);2006年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前4條

1 王峗;四自由度并聯(lián)兩指微操作系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模仿真與實(shí)驗(yàn)研究[D];南京航空航天大學(xué);2016年

2 丁冰曉;平面三自由度并聯(lián)微操作平臺(tái)的設(shè)計(jì)與分析[D];天津理工大學(xué);2015年

3 曲涵;多自由度仿生壓電精密驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)分析與試驗(yàn)研究[D];吉林大學(xué);2014年

4 陶惠峰;超精密微位移系統(tǒng)研究[D];浙江大學(xué);2003年

本文編號(hào)：2756662