【摘要】：隨著科技的蓬勃發(fā)展,微機(jī)電系統(tǒng)領(lǐng)域?qū)︱?qū)動元件在位移精度、結(jié)構(gòu)小型化、輕量化方面有越來越高的要求,為適應(yīng)工業(yè)發(fā)展需求,國內(nèi)外涌現(xiàn)出諸多新型驅(qū)動器,其中,壓電驅(qū)動器以其精度高、響應(yīng)快、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點成為了研究熱點。本文通過對比國內(nèi)外精密驅(qū)動器的研究現(xiàn)狀及特點,結(jié)合壓電驅(qū)動器的優(yōu)勢,提出了一種壓電雙足直線驅(qū)動器,該驅(qū)動器通過將定子元件采用壓電疊堆與柔性鉸鏈一體化的設(shè)計,簡化了裝配環(huán)節(jié),實現(xiàn)了高精度、大行程、快速連續(xù)的驅(qū)動。通過對柔性鉸鏈的優(yōu)化設(shè)計及相關(guān)實驗研究,驗證了該驅(qū)動器的優(yōu)異性能。本文具體研究工作如下:首先,闡述了驅(qū)動器的研究背景,按照驅(qū)動原理的不同,對精密驅(qū)動技術(shù)的分類進(jìn)行了詳細(xì)闡述。介紹了壓電驅(qū)動器的工作原理,總結(jié)了其主要特點,對四類壓電驅(qū)動器的性能及發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)的分析,通過對比國內(nèi)外相關(guān)壓電驅(qū)動器,結(jié)合壓電驅(qū)動器的基礎(chǔ)理論知識與優(yōu)勢,提出了本研究的主要內(nèi)容及研究意義。然后,介紹了壓電陶瓷的基本理論,分析了壓電疊堆驅(qū)動器的原理特點,依據(jù)壓電疊堆驅(qū)動器的特性、適用領(lǐng)域,提出了本課題以壓電疊堆作為驅(qū)動器的驅(qū)動源。其次,提出了壓電單足直線驅(qū)動器,詳細(xì)分析了其系統(tǒng)組成和工作原理,設(shè)計并制作了定子及夾持機(jī)構(gòu),對結(jié)構(gòu)的傳動部分柔性鉸鏈進(jìn)行了分類及基礎(chǔ)理論分析,設(shè)計并優(yōu)化了柔性鉸鏈的結(jié)構(gòu),通過ANSYS仿真軟件對其進(jìn)行了力學(xué)仿真及整機(jī)模態(tài)分析,證實了該結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性和可行性。搭建壓電單足直線驅(qū)動器實驗平臺,對驅(qū)動足進(jìn)行輸出性能測試,驗證結(jié)構(gòu)設(shè)計的可行性,對驅(qū)動足切向位移與電壓、頻率的關(guān)系進(jìn)行測量,發(fā)現(xiàn)通過改變電壓可以控制切向位移的輸出,驗證了驅(qū)動足可以在較寬的頻帶內(nèi)工作。對壓電單足直線驅(qū)動器步進(jìn)模式進(jìn)行實驗研究,發(fā)現(xiàn)驅(qū)動器的運(yùn)動速度隨著激勵頻率的增大而提高;在連續(xù)驅(qū)動模式下,隨著激勵頻率的增大,壓電單足直線驅(qū)動器的速度逐漸升高,在驅(qū)動頻率為2.2k Hz時,驅(qū)動器空載時達(dá)到最大速度為7.6mm/s,最大輸出力為3.8N。最后,由于壓電單足直線驅(qū)動器需要施加較大的激勵頻率,才能保證驅(qū)動器沿一個方向運(yùn)動一個較大的位移,因此,在壓電單足直線驅(qū)動器的基礎(chǔ)上,將兩個驅(qū)動足并排放置,提出了壓電雙足直線驅(qū)動器。文中詳細(xì)分析了壓電雙足直線驅(qū)動器的結(jié)構(gòu),介紹了兩個驅(qū)動足差動協(xié)調(diào)驅(qū)動的工作原理,利用MATLAB軟件編寫雙足驅(qū)動器的控制程序,搭建實驗平臺,驗證雙驅(qū)動足與驅(qū)動桿接觸狀態(tài)良好。通過對雙驅(qū)動足交替驅(qū)動輸出性能進(jìn)行測試,得到了驅(qū)動桿的位移響應(yīng)上升直線,驗證了雙足低頻交替驅(qū)動的原理,并對驅(qū)動器進(jìn)行了負(fù)載特性實驗研究,發(fā)現(xiàn)隨著負(fù)載逐漸增大,驅(qū)動器的運(yùn)動速度逐漸減小,二者基本呈線性關(guān)系。
【圖文】：

其工作原理是利用逆壓電效應(yīng)，在超聲頻域內(nèi)，激發(fā)原件產(chǎn)生振動，通動子、定子間的摩擦耦合，實現(xiàn)電能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)換并實現(xiàn)動子的機(jī)械超聲壓電驅(qū)動器有直線、旋轉(zhuǎn)兩種運(yùn)動形式，根據(jù)其振動形態(tài)，壓電超可劃分為駐波型、行波型、復(fù)合型等類型[30]。 壓電驅(qū)動器的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀1）壓電步進(jìn)式驅(qū)動器壓電步進(jìn)電機(jī)在機(jī)電一體化中，是很實用又具有代表性的元件。因為其信號轉(zhuǎn)換之后， 來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，因此又稱為階躍電動機(jī)，國外稱Motor 等。隨著微納技術(shù)的蓬勃發(fā)展，航空航天、微電子系統(tǒng)、光學(xué)工動器的要求提升至微納米級[31]，因此，壓電步進(jìn)驅(qū)動器得到了廣泛的應(yīng)，由表 1.1 可以看出，與其他壓電驅(qū)動器相比，壓電步進(jìn)式驅(qū)動器綜合大。目前，，壓電步進(jìn)驅(qū)動器不但得到廣泛應(yīng)用，并且地位也愈發(fā)重要

要求提升至微納米級，因此，壓電步進(jìn)驅(qū)動器得到了廣 1.1 可以看出，與其他壓電驅(qū)動器相比，壓電步進(jìn)式驅(qū)動前，壓電步進(jìn)驅(qū)動器不但得到廣泛應(yīng)用，并且地位也愈圖 1.1 壓電步進(jìn)式雙箝位圖.1 所示，壓電步進(jìn)式驅(qū)動器工作機(jī)理類似于尺蠖[32]，在電動方式為 箝位-驅(qū)動-箝位 ，給雙箝位和壓電驅(qū)動體施加環(huán)，可形成步進(jìn)驅(qū)動。
【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】：2019
【分類號】：TN384

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本文編號：2631095