【摘要】：近年來,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,在微/納操作、精密光學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、超精密加工制造、航空航天等諸多高尖端技術(shù)領(lǐng)域,微/納米級別的定位驅(qū)動技術(shù)對定位驅(qū)動系統(tǒng)的行程和精度有著越來越高的要求。截止目前,傳統(tǒng)的定位驅(qū)動裝置已經(jīng)無法滿足上述眾多領(lǐng)域?qū)Ω呔榷ㄎ或?qū)動技術(shù)的迫切需求。面向這些需求,具有精密定位驅(qū)動功能的新型壓電驅(qū)動器應(yīng)運而生,其中,以壓電元件優(yōu)良動態(tài)特性致動的慣性沖擊式和尺蠖式驅(qū)動器,在精密定位驅(qū)動領(lǐng)域發(fā)展得尤為突出。相較于傳統(tǒng)的驅(qū)動裝置,這些新型壓電驅(qū)動器往往因具有更緊湊的結(jié)構(gòu)、更高的精度、更迅速的響應(yīng)、更大的驅(qū)動力以及更大的運動行程,在上述諸多領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。然而,傳統(tǒng)的壓電陶瓷類驅(qū)動器主要為單自由度的機械式結(jié)構(gòu),輸出形式比較簡單,而且輸出位移較小,這嚴重限制了其自身在更多壓電驅(qū)動技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用。此外,對于一些傳統(tǒng)的壓電晶片型驅(qū)動器而言,往往因不能克服重力影響,而無法高效滿足豎直方向微/納米級別高輸出精度和高承載能力的要求。因此,設(shè)計一種結(jié)構(gòu)緊湊、輸出力大、重復(fù)定位精度高,且能同時兼具直線運動和旋轉(zhuǎn)運動輸出的微小精密壓電驅(qū)動器是相當重要的。針對現(xiàn)有慣性沖擊式和尺蠖式驅(qū)動器分別主要因承載力小、輸出自由度單一的問題,本文提出了慣性沖擊原理、尺蠖驅(qū)動原理相結(jié)合的混合驅(qū)動方案,系統(tǒng)分析了各運動單元驅(qū)動原理及對應(yīng)機械結(jié)構(gòu)的動力學(xué)模型,仿真模擬了其工作狀態(tài)下的變形、應(yīng)力分布各階及模態(tài)振型,并在此理論基礎(chǔ)上試制了驅(qū)動器原型樣機。此外,通過搭建試驗系統(tǒng)對所研制的驅(qū)動器進行運動輸出特性測試,測得其直線運動單元運動分辨率為2.15μm,最大步進位移可達8.62μm,最大承載為93 g;旋轉(zhuǎn)運動單元最小步進轉(zhuǎn)角為46.62μrad,最大步進轉(zhuǎn)角為761.22μrad,最高步進轉(zhuǎn)速可達6031.68μrad/s。試驗結(jié)果表明,本文提出的混合驅(qū)動式壓電多自由度驅(qū)動器,能夠滿足重力方向微/納米級別的高精度旋轉(zhuǎn)/直線輸出和高承載能力的要求,解決了目前壓電雙晶片型慣性沖擊式驅(qū)動器驅(qū)動力不足,構(gòu)尺寸大、輸出自由度單一,承載能力小,在重力方向無法精密驅(qū)動而只能宏觀運動,且更換驅(qū)動機構(gòu)進行精密運動時會造成宏/微切換產(chǎn)生絕對位移偏差等問題。本論文的研究工作對拓展壓電精密驅(qū)動技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域能夠起到一定的推動作用,在微/納操作、精密光學(xué)、超精密加工制造、航空航天等諸多高尖端技術(shù)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。
【圖文】：

吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文下降沿的作用下①→②，，壓電元件迅速伸長，推動沖擊質(zhì)量塊時，沖擊質(zhì)量塊產(chǎn)生向左的慣性力大于地面摩擦力，推動主質(zhì)個步長；當激勵電壓信號緩慢增長時②→③，壓電元件緩慢縮塊向左慢速運動。此時沖擊質(zhì)量塊產(chǎn)生向右的慣性力小于地面相對地面保持不動，就整體而言，整個裝置向左移動一步。上述步驟，即可實現(xiàn)連續(xù)的單向位移。

第 1 章 緒論 1989 年日本東京大學(xué) T. Higuchi 等人的課題組為代表的研究機構(gòu)起步最究也最為系統(tǒng)。該課題組成員除了討論壓電元件的快速變形機理，還研發(fā)應(yīng)用于微機器人手臂、自動裝配線、電火花加工的慣性摩擦式壓電驅(qū)動器[2后，東京大學(xué)的 Torii 等人于 1997 年利用壓電元件和電磁元件開發(fā)了多自性驅(qū)動機構(gòu)，該驅(qū)動器的輸出平動速度達到 190 μm/s、轉(zhuǎn)動速度達到 9.5 m小平動位移為 190 μm，最小轉(zhuǎn)動位移為 0.1 mrad[25]。緊接著于 2003 年， A. Bergander 等人研制了可應(yīng)用于顯微鏡微驅(qū)動定位平臺的慣性摩擦式動器。通過在壓電晶片上設(shè)置電極，在晶片和基板上安裝丘狀凸起，利用蠕動來達到推動動子運動的效果。該驅(qū)動器結(jié)構(gòu)尺寸僅為 8×8×0.5 mm直徑 5.5 mm，可以獲得單步 280 nm 的高精度步距[26]。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TM46

【參考文獻】

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本文編號：2632031