【摘要】：微/納米級(jí)精密驅(qū)動(dòng)技術(shù)是諸多領(lǐng)域賴以發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù),而能夠?qū)崿F(xiàn)直線或旋轉(zhuǎn)等精密位移輸出的執(zhí)行器是精密驅(qū)動(dòng)技術(shù)的核心驅(qū)動(dòng)裝置,其工作性能的優(yōu)劣直接影響微/納米級(jí)精密驅(qū)動(dòng)技術(shù)水平的高低。傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)裝置已經(jīng)難以滿足眾多領(lǐng)域?qū)茯?qū)動(dòng)技術(shù)的性能要求。步進(jìn)型壓電執(zhí)行器作為一種新型驅(qū)動(dòng)裝置,克服了壓電材料形變位移較小的缺陷,具有輸出精度高、速度頻帶寬、工作行程長(zhǎng)、響應(yīng)速度快等顯著優(yōu)勢(shì),被廣泛應(yīng)用于精密驅(qū)動(dòng)裝置。通過(guò)充分調(diào)研與分析,論文以“增大工作行程”為主線,將現(xiàn)有的壓電執(zhí)行器歸納分類,概述其結(jié)構(gòu)配置和工作原理,剖析其衍生關(guān)系和性能差異,并總結(jié)現(xiàn)有壓電執(zhí)行器存在的優(yōu)勢(shì)和缺陷。發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的慣性式壓電執(zhí)行器負(fù)載能力較低,現(xiàn)有的海豹式壓電執(zhí)行器正反運(yùn)動(dòng)不對(duì)稱等不足。針對(duì)這些問(wèn)題,本文提出了兩種柔順足驅(qū)動(dòng)原理:適用于慣性式壓電執(zhí)行器的單輸入、獨(dú)立足驅(qū)動(dòng)原理和適用于海豹式壓電執(zhí)行器的雙輸入、復(fù)合足驅(qū)動(dòng)原理�；趩屋斎�、獨(dú)立足驅(qū)動(dòng)原理,研制了單動(dòng)力輸入、獨(dú)立驅(qū)動(dòng)足壓電直線和旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器�；陔p輸入、復(fù)合足驅(qū)動(dòng)原理,研制了雙動(dòng)力輸入、復(fù)合驅(qū)動(dòng)足壓電直線和旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器。對(duì)執(zhí)行器結(jié)構(gòu)配置和工作原理進(jìn)行了詳細(xì)介紹和分析,建立了壓電陶瓷的機(jī)電轉(zhuǎn)換模型,并推導(dǎo)了驅(qū)動(dòng)原理中直板型柔性鉸鏈和正圓型柔性鉸鏈的柔度矩陣。論文建立了單動(dòng)力輸入、獨(dú)立驅(qū)動(dòng)足壓電直線執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)模型,推導(dǎo)了柔順驅(qū)動(dòng)足輸入與輸出之間的理論關(guān)系。運(yùn)用有限元軟件對(duì)柔順驅(qū)動(dòng)足的變形進(jìn)行了仿真,并對(duì)驅(qū)動(dòng)足的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。搭建試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)該執(zhí)行器樣機(jī)位移輸出與驅(qū)動(dòng)電壓的關(guān)系、運(yùn)動(dòng)分辨率、位移輸出與驅(qū)動(dòng)頻率的關(guān)系、運(yùn)動(dòng)速度與驅(qū)動(dòng)電壓和驅(qū)動(dòng)頻率的關(guān)系、負(fù)載能力、回程誤差以及寄生位移等工作性能進(jìn)行了測(cè)試和分析。建立了柔順驅(qū)動(dòng)足的單鉸鏈偽剛體模型,并利用該偽剛體模型建立了單動(dòng)力輸入、獨(dú)立驅(qū)動(dòng)足壓電旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)模型,分析了驅(qū)動(dòng)足預(yù)緊狀態(tài)對(duì)執(zhí)行器工作性能的影響。運(yùn)用有限元軟件對(duì)該執(zhí)行器柔順驅(qū)動(dòng)足的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了仿真,并對(duì)其驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行了模態(tài)分析。搭建試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)該執(zhí)行器樣機(jī)角位移輸出與驅(qū)動(dòng)電壓的關(guān)系、旋轉(zhuǎn)分辨率、角位移輸出與驅(qū)動(dòng)頻率的關(guān)系、旋轉(zhuǎn)角速度與驅(qū)動(dòng)電壓和驅(qū)動(dòng)頻率的關(guān)系、負(fù)載能力以及回程誤差等工作性能進(jìn)行了測(cè)試和分析。論文建立了雙動(dòng)力輸入、復(fù)合驅(qū)動(dòng)足壓電直線執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)模型,對(duì)其菱形驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理進(jìn)行了理論分析,并推導(dǎo)了雙驅(qū)動(dòng)足的運(yùn)動(dòng)軌跡。運(yùn)用有限元軟件對(duì)菱形驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的變形、運(yùn)動(dòng)以及應(yīng)力分布進(jìn)行了仿真,并對(duì)定子進(jìn)行了模態(tài)分析。搭建試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)該執(zhí)行器樣機(jī)位移輸出與驅(qū)動(dòng)電壓的關(guān)系、運(yùn)動(dòng)分辨率、位移輸出與驅(qū)動(dòng)頻率的關(guān)系、運(yùn)動(dòng)速度與驅(qū)動(dòng)電壓和驅(qū)動(dòng)頻率的關(guān)系、負(fù)載能力、輸出力以及寄生位移等工作性能進(jìn)行了測(cè)試和分析。建立了雙動(dòng)力輸入、復(fù)合驅(qū)動(dòng)足壓電旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)模型,對(duì)多邊形驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了理論分析,并研究了雙驅(qū)動(dòng)足的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。運(yùn)用有限元軟件對(duì)雙驅(qū)動(dòng)足的運(yùn)動(dòng)軌跡和多邊形驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的應(yīng)力分布進(jìn)行了仿真,并對(duì)定子進(jìn)行了模態(tài)分析。搭建試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)該執(zhí)行器樣機(jī)的角位移輸出曲線、旋轉(zhuǎn)分辨率、旋轉(zhuǎn)角速度與驅(qū)動(dòng)電壓和驅(qū)動(dòng)頻率的關(guān)系以及輸出扭矩等工作性能進(jìn)行了測(cè)試和分析。在所開發(fā)的單自由度壓電執(zhí)行器的基礎(chǔ)上,研制了基于平面足驅(qū)動(dòng)的直線 旋轉(zhuǎn)兩自由度壓電執(zhí)行器,對(duì)執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)方案和工作原理進(jìn)行了詳細(xì)介紹和分析,并對(duì)執(zhí)行器樣機(jī)的工作性能進(jìn)行了系統(tǒng)性測(cè)試和分析。論文通過(guò)方案設(shè)計(jì)、建模分析、仿真優(yōu)化和試驗(yàn)驗(yàn)證等系統(tǒng)性研究工作,證明了柔順足驅(qū)動(dòng)原理的可行性,進(jìn)一步驗(yàn)證了所開發(fā)的壓電執(zhí)行器具有良好的輸出性能和工程應(yīng)用前景。
【圖文】：

響應(yīng)速度快，能量密度高等優(yōu)點(diǎn)，但其缺陷是容易受到外界擾，不適于在某些電磁環(huán)境下使用[14]。電材料是一種在電場(chǎng)作用下，利用其逆壓電效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)精密位材料。壓電材料的優(yōu)點(diǎn)在于：（1）驅(qū)動(dòng)精度高，其輸出位移的分驅(qū)動(dòng)電壓決定，能夠達(dá)到亞納米級(jí)；（2）響應(yīng)速度快，能夠達(dá)到微材料剛度高，輸出力大；（4）無(wú)磁場(chǎng)干擾，其本身不產(chǎn)生磁場(chǎng)也不；（5）對(duì)工作條件的要求低，可在真空和低溫環(huán)境下應(yīng)用；（6）環(huán)節(jié)，無(wú)運(yùn)動(dòng)副間隙，無(wú)需潤(rùn)滑，能耗低，發(fā)熱少；（7）機(jī)電轉(zhuǎn)換度大；（8）結(jié)構(gòu)形狀多樣化，設(shè)計(jì)靈活，且易于微型化[16-19]。與的功能材料相比，壓電材料無(wú)論在結(jié)構(gòu)特點(diǎn)方面，還是在驅(qū)動(dòng)性能出明顯的綜合優(yōu)勢(shì)，是精密執(zhí)行器理想的驅(qū)動(dòng)材料[16-19]。因此，研制的精密壓電執(zhí)行器具有廣闊的應(yīng)用空間，如圖 1-1 所示。然陶瓷材料直接作為執(zhí)行器使用，其輸出位移較小，通常只有其幾米，這個(gè)缺陷嚴(yán)重的限制了壓電執(zhí)行器在眾多領(lǐng)域更加廣泛地應(yīng)用設(shè)計(jì)和開發(fā)具備大工作行程的壓電執(zhí)行器成為國(guó)內(nèi)外研究的熱門

能測(cè)試以及方案改進(jìn)等方面的研究具有一定的參考價(jià)值。內(nèi)外研究現(xiàn)狀執(zhí)行器是以壓電材料作為驅(qū)動(dòng)元件，在精密電信號(hào)的控制下壓電材料因其逆壓電效應(yīng)而產(chǎn)生的微小變形，從而實(shí)現(xiàn)精確出的新型驅(qū)動(dòng)裝置。由于壓電材料在結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和驅(qū)動(dòng)性能方的綜合優(yōu)勢(shì)，各國(guó)科研工作人員針對(duì)特定的需求，紛紛致力優(yōu)越工作性能的壓電精密執(zhí)行器。電執(zhí)行器分類個(gè)世紀(jì)，研究人員根據(jù)不同的工程需求和應(yīng)用背景，已經(jīng)開壓電執(zhí)行器，，從而形成了獨(dú)具特色的壓電執(zhí)行器技術(shù)體系。目前的研究進(jìn)展，首先要對(duì)現(xiàn)有的壓電執(zhí)行器進(jìn)行歸納分類據(jù)結(jié)構(gòu)組成和工作原理的不同，可以將現(xiàn)有的壓電執(zhí)行器大型：?jiǎn)纹汀B堆型、機(jī)械放大型、步進(jìn)型和超聲型[22-42]。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN384

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2671849