發(fā)布時間：2017-11-03 00:05

  本文關鍵詞：彎振復合型壓電驅動器的激勵方法與實驗研究

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【摘要】：壓電驅動器以其能量密度大、定位精度高、響應速度快、電磁兼容性好等優(yōu)點可以應用到航天、精密機械等一些具有特殊要求的場合。在多種類型的壓電驅動器中,彎振復合型壓電驅動器通過將相互正交的彎振模態(tài)進行合理的組合,避免了模態(tài)特征頻率簡并帶來的眾多問題。為了使彎振復合型壓電驅動器具備更高的機電耦合效率和更好的機械輸出特性,本文以其激勵方法為出發(fā)點,設計了五種不同激勵方法下的彎振復合型壓電驅動器,來對比分析哪種激勵方法可以使彎振復合型壓電驅動器具有更優(yōu)良的特性。本文首先確定了彎振復合型壓電驅動器的新構型,該構型采用壓電陶瓷夾心式結構,利用壓電陶瓷的d33工作模式以提高機電耦合效率,其橫截面形狀均為圓形,可以保證兩正交的同階彎振模態(tài)特征頻率的一致。接著,分析了彎振復合型壓電驅動器的致動原理,推導出了驅動足處質點的橢圓軌跡,并確立了該構型驅動器的五種激勵方法,分別為半片壓電陶瓷激勵、整片兩極化分區(qū)陶瓷單電極激勵、整片兩極化分區(qū)陶瓷雙電極激勵、整片四極化分區(qū)陶瓷雙電極激勵和整片四極化分區(qū)陶瓷四電極激勵。然后根據(jù)彎振復合型壓電驅動器的工作性能需求確定了各部分的材料。最后建立了彎振復合型壓電驅動器的等效電路模型,并對其導納圓進行了推導和參數(shù)分析,得出了等效電路模型參數(shù)的計算公式,為后續(xù)的實驗部分提供了理論指導。在理論分析的基礎上,本文利用ANSYS軟件對五種激勵方法下的彎振復合型壓電驅動器建立了有限元參數(shù)化模型,利用模態(tài)分析得到了所需的二階彎振模態(tài),調節(jié)結構參數(shù)使其特征頻率達到35k Hz左右,確定出了最終的結構參數(shù),并驗證了該對稱結構使得水平和豎直方向上二階彎振模態(tài)的特征頻率一致,也驗證了固定座與法蘭之間的薄壁環(huán)可以大大減少法蘭的夾持對壓電驅動器特征頻率和振動模態(tài)的影響。接著進行了諧響應分析和瞬態(tài)分析,分別得到了五種激勵方法下彎振復合型壓電驅動器的機電耦合效率和驅動足質點的振動軌跡。最后研究了整片壓電陶瓷中未極化區(qū)域寬度對彎振復合型壓電驅動器特征頻率、機電耦合效率和驅動足質點振幅的影響。仿真結果表明:整片四極化分區(qū)陶瓷激勵的方法為最優(yōu)。根據(jù)仿真中確定好的結構參數(shù)研制出了五個不同激勵方法下的彎振復合型壓電驅動器,五個壓電驅動器具有一致的外形尺寸,利用阻抗分析儀對它們進行了阻抗特性測試,測量出各自的阻抗頻率曲線和導納圓,得到了等效電路模型參數(shù)值,并進行了阻抗匹配;利用激光測振儀對它們進行了模態(tài)振型測試,得到了各自在水平方向和豎直方向上的振速響應曲線和所需的二階彎振模態(tài),以及共振頻率;進行了熱耦合特性測試,得到了空載運行時的溫升特性,運行溫度對各自驅動足振幅的影響以及對各自阻抗特性的影響;搭建了實驗平臺,分別測得五個樣機的機械輸出特性和帶載運行時的溫升特性;針對這五種不同激勵方法研制出了專用的激勵電源,利用示波器觀測了專用電源的輸出電壓信號的波形、幅值和頻率值,并利用實驗平臺測試了在該專用電源的激勵下五個彎振復合型壓電驅動器的機械輸出特性。
【關鍵詞】：壓電驅動器 彎振復合型 激勵方法 熱耦合特性 專用電源
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN384
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 緒論10-19
• 1.1 課題背景及研究的目的和意義10-11
• 1.2 壓電驅動器的國內外研究現(xiàn)狀及分析11-17
• 1.2.1 國外研究現(xiàn)狀11-13
• 1.2.2 國內研究現(xiàn)狀13-16
• 1.2.3 國內外文獻綜述簡析16-17
• 1.3 本文的主要研究內容17-19
• 第2章 彎振復合型壓電驅動器的激勵方法與電學模型19-28
• 2.1 引言19
• 2.2 壓電驅動器的基本結構與激勵方法19-24
• 2.2.1 彎振復合型壓電驅動器的基本結構19-20
• 2.2.2 彎振復合型壓電驅動器的致動原理分析20-22
• 2.2.3 彎振復合型壓電驅動器的激勵方法22-24
• 2.3 壓電驅動器的電學模型24-26
• 2.4 本章小結26-28
• 第3章 不同激勵方法下驅動器的振動特性研究28-39
• 3.1 引言28
• 3.2 壓電驅動器的模態(tài)與結構參數(shù)分析28-32
• 3.3 壓電驅動器的諧響應分析32-34
• 3.4 壓電驅動器驅動足振動軌跡分析34-36
• 3.5 壓電陶瓷未極化區(qū)參數(shù)影響分析36-38
• 3.6 本章小結38-39
• 第4章 不同激勵方法下驅動器的實驗研究39-65
• 4.1 引言39
• 4.2 壓電驅動器實驗樣機的研制39-41
• 4.2.1 壓電驅動器零件的加工40-41
• 4.2.2 壓電驅動器的裝配41
• 4.3 阻抗特性測試與阻抗匹配41-44
• 4.3.1 阻抗特性測試41-43
• 4.3.2 阻抗匹配43-44
• 4.4 模態(tài)振型測試44-46
• 4.5 熱耦合特性測試46-52
• 4.5.1 空載運行的溫度 -時間特性測試46-50
• 4.5.2 運行溫度對壓電驅動器驅動足振幅的影響50-51
• 4.5.3 運行溫度對壓電驅動器阻抗特性的影響51-52
• 4.6 驅動特性測試52-57
• 4.6.1 機械輸出特性測試52-54
• 4.6.2 帶載運行的溫度 -時間特性測試54-57
• 4.7 專用激勵電源的研制57-63
• 4.7.1 專用電源設計仿真57-60
• 4.7.2 專用電源性能綜合測試60-63
• 4.8 本章小結63-65
• 結論65-67
• 參考文獻67-71
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表的論文及其它成果71-73
• 致謝73

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本文編號：1133745