【摘要】：微納米級精密驅(qū)動與定位技術(shù)是精密光學(xué)、現(xiàn)代醫(yī)療、生物技術(shù)、超精密加工、航空航天等領(lǐng)域的主要支撐技術(shù)之一。壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)以其精度高、響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)緊湊、能量密度高等特點在精密驅(qū)動技術(shù)中得到了廣泛應(yīng)用。為了在較低的電壓驅(qū)動下實現(xiàn)高位置分辨率和大行程的作動,以機械串聯(lián)、電學(xué)并聯(lián)為特點的疊層壓電陶瓷顯示出了特出的優(yōu)勢,并在微納運動控制應(yīng)用場合中得到重視。然而,隨著自動化運動控制系統(tǒng)對執(zhí)行器需求的提高,系統(tǒng)對執(zhí)行器提出了大行程和高精度的雙重需求,限于執(zhí)行機構(gòu)的體積和疊層壓電陶瓷微米量級輸出行程,現(xiàn)有壓電執(zhí)行器難以兼顧上述需求。為獲得高精度和大行程兼具的直線驅(qū)動裝置,本文提出了用四組疊層壓電作動器以差動作動的方式實現(xiàn)步進直線運動的壓電直線電機。該電機在兩種工作模式下能夠分別實現(xiàn)高分辨率和大行程的作動—疊層壓電陶瓷可在單步范圍內(nèi)實現(xiàn)高分辨率的納米級致動,四組疊層作動器差動作動可以實現(xiàn)大行程的運動輸出,理論上可以實現(xiàn)行程無限制。主要研究內(nèi)容如下:首先闡述了壓電直線電機的特點及其分類,對壓電直線電機的研究進展進行了綜述,并對比了不同原理作動方式的特點。總結(jié)了現(xiàn)有高分辨大行動壓電作動系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。根據(jù)單個疊層壓電陶瓷實現(xiàn)大行程作動的原理,并對其材料、結(jié)構(gòu)特點、基本特性以及裝配要求進行了分析。分析了差動作動原理,建立多足差動作動動力學(xué)模型,在此基礎(chǔ)上分析了差動作動方式的能量轉(zhuǎn)換效率。根據(jù)多足差動作動的動力學(xué)模型,提出了四足差動作動壓電直線電機的工作原理,通過分析一個運動周期內(nèi)四足及滑臺的運動狀態(tài)對四足差動作動的控制方法進行了分析,并提出了電機的設(shè)計準則。對驅(qū)動足各功能部件的設(shè)計要求(包括疊層壓電直線電機的封裝設(shè)計、柔性轉(zhuǎn)接頭的應(yīng)用、位移轉(zhuǎn)換機構(gòu)的設(shè)計和耐磨陶瓷球的選用)進行的研究。根據(jù)電機預(yù)壓機構(gòu)的原理對其結(jié)構(gòu)設(shè)計并設(shè)計電機動子的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)。對封裝疊層壓電陶瓷中施加預(yù)緊力的關(guān)鍵零件進行了靜力分析。對整個封裝疊層壓電陶瓷進行了動力學(xué)分析。闡述了激勵信號的實現(xiàn)方法。在上述基礎(chǔ)之上,試制了四足差動作動壓電直線電機樣機。搭建了樣機性能測試實驗平臺。在行程為150mm的滑臺上進行實驗。樣機實驗結(jié)果表明:在設(shè)定的四相電壓激勵下,樣機實現(xiàn)了穩(wěn)定的步進運動,成功驗證了四足差動作動原理。在此基礎(chǔ)上,分別研究了驅(qū)動電壓、頻率、預(yù)壓力對電機輸出特性的影響。實驗表明,樣機的工作電壓范圍為30V-100V,驅(qū)動步距和運行速度隨著電壓的增大而增大;樣機的工作頻率范圍為1Hz-120Hz,運動步距和驅(qū)動速度隨著頻率的增加先增大后減小。在電壓100V、頻率100Hz的激勵下,電機的輸出速度最快,為960μm/s;在電壓30V、頻率120Hz的激勵下,電機的輸出步距最小,為0.26μm。在電壓100V、頻率100Hz的激勵下,滑臺的水平承載力最大,達到25N。
【圖文】：

在需要加工精度高、定位精準的場合。穩(wěn)定精確的輸出事關(guān)生產(chǎn)的質(zhì)量和儀器的精度，壓電直線電機以其微納米的運動精度和定位精度已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在精密、超精密加工、半導(dǎo)體光刻、芯片制造領(lǐng)域、光學(xué)儀器、精密工作臺上。圖 1. 1（a）所示為壓電直線電機在精密光學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用。例如在電子顯微鏡，掃描隧道顯微鏡，掃描電子顯微鏡等光學(xué)儀器中，壓電直線電機起到了精密驅(qū)動和定位的作用。圖 1. 1（b）所示為壓電直線電機在精密和超精密加工的應(yīng)用，壓電直線電機實現(xiàn)了大多數(shù)傳統(tǒng)驅(qū)動方式無法實現(xiàn)的高精度的驅(qū)動定位能力，實現(xiàn)了生產(chǎn)加工能力的大幅提升。圖 1. 1（c）所示為在壓電直線電機在精密位移平臺上的應(yīng)用，能夠保證精密位移平臺所攜帶的物體實現(xiàn)精密運動，因此壓電直線電機在精密位移平臺上屬于核心部件。另外對于半導(dǎo)體光刻和芯片制造領(lǐng)域來說，，微小芯片上的集成電路復(fù)雜而細密，需要有專門的光刻機來完成制造。光刻機屬于世界上人類制造的尖端設(shè)備，價格超過一億美元。掌握其核心技術(shù)或者找到其替代品對于我們國家的芯片生產(chǎn)制造會產(chǎn)生革命性的變革，并打破西方國家對其技術(shù)的壟斷，將會大大降低我國芯片制造的成本。

(a)液壓驅(qū)動方式進行的細胞穿刺 （b）壓電直線電機驅(qū)動的細胞穿刺圖 1. 2 白細胞穿刺效果對比在需要隔離電磁干擾、高溫、低溫的場合。由于原理的優(yōu)勢，壓電直線能夠隔離電磁干擾，還能適應(yīng)較寬的溫度范圍，一般是從零下幾十度到零十度。如圖 1. 3 所示為壓電直線電機用于隔離電磁干擾的典型應(yīng)用場合。（a）磁懸浮列車 (b)核磁共振圖 1. 3 壓電直線電機用于隔離電磁干擾的典型應(yīng)用場合
【學(xué)位授予單位】：華僑大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TM359.4

【參考文獻】

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本文編號：2592161