【摘要】：利用慣性沖擊力形成驅(qū)動是構(gòu)造運動機(jī)構(gòu)的一種新方式。而沖擊力大多數(shù)情況下是通過機(jī)械撞擊獲得的，控制相對較難且容易對機(jī)構(gòu)造成損壞。由于壓電元件具有響應(yīng)速度快、能量轉(zhuǎn)換效率高、結(jié)構(gòu)簡單、易于微小型化等優(yōu)點。因此壓電元件是構(gòu)造慣性沖擊式驅(qū)動機(jī)構(gòu)的理想動力元件之一。而利用壓電元件的快速變形產(chǎn)生慣性沖擊力形成驅(qū)動的機(jī)構(gòu)稱為壓電型慣性沖擊式驅(qū)動器。 本文以壓電雙晶片為驅(qū)動源，基于慣性沖擊運動原理設(shè)計并制作了一種兩自由度壓電型慣性沖擊式精密驅(qū)動器樣機(jī)，對其進(jìn)行了試驗測試。 全文共分五章，內(nèi)容如下： 緒論 由于精密工程關(guān)鍵技術(shù)超精密定位的需求，壓電驅(qū)動器得到了大力研究。沖擊是振動的一種特殊形式，有其利弊，利用壓電元件產(chǎn)生的沖擊力構(gòu)造驅(qū)動器也是最近新興的精密驅(qū)動器研究領(lǐng)域。對精密驅(qū)動器的主要類型、壓電 WP=82 驅(qū)動器的特點、類型和典型應(yīng)用及驅(qū)動材料等進(jìn)行了綜述，認(rèn)為壓電材料在實現(xiàn)精密驅(qū)動上具有相當(dāng)大的優(yōu)勢。同時也指出了目前國內(nèi)外壓電型精密驅(qū)動存在的問題。簡述了國內(nèi)外在壓電慣性沖擊方面的研究重點和研究成果。最后概述了本文的主要研究工作內(nèi)容。 壓電陶瓷性能分析與慣性沖擊運動原理 壓電驅(qū)動的基礎(chǔ)是壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。 衡量壓電陶瓷的性能參數(shù)主要有介電常數(shù)(、彈性常數(shù)s、壓電常數(shù)d、機(jī)電耦合系數(shù)K、機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm、等，結(jié)合所選用的壓電材料，本章著重介紹了PZT材料的介電常數(shù)矩陣、彈性常數(shù)矩陣和壓電常數(shù)矩陣形式，將應(yīng)用與有限元分析中。壓電材料作為一種具有壓電效應(yīng)的彈性體，在不同的邊界條件下，選擇不同的自變量，有四組壓電方程與之對應(yīng)。 壓電雙晶片采用了壓電振子的LE振動模式，是一種輸出位移大，可控性好，反應(yīng)速度快，適合于慣性沖擊精密驅(qū)動場合的壓電元件。結(jié)合已有的懸臂梁式壓電雙晶片理論公式推導(dǎo)出壓電晶片和基板尺寸參數(shù)對其自由端部位移、剛度和頻率的影響趨勢，為確定壓電雙晶片尺寸提供了理論依據(jù)。 慣性沖擊運動原理是所設(shè)計的壓電型兩自由度驅(qū)動器的原理依據(jù)，運用它構(gòu)思出利用壓電雙晶片形成直線運動和旋轉(zhuǎn)運動的方法。 三. 慣性沖擊式驅(qū)動器結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析 在分析了試驗室前期設(shè)計的兩種平面內(nèi)多自由度慣性沖擊式驅(qū)動器結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，提出新的驅(qū)動器結(jié)構(gòu)方案—采用軸孔配合結(jié)構(gòu)，能夠 WP=83 實現(xiàn)軸向移動和繞軸心轉(zhuǎn)動兩個自由度運動，該結(jié)構(gòu)便于運動導(dǎo)向和驅(qū)動力輸出。通過試驗測試和有限元計算兩種方式對驅(qū)動器的核心驅(qū)動部件壓電雙晶片振子進(jìn)行了靜力學(xué)和動力學(xué)分析，得出了壓電雙晶片尺寸與其性能的一般關(guān)系，驗證了第二章的理論分析。為了提高測試速度和準(zhǔn)確性，編寫了壓電雙晶片靜變形、滯環(huán)和蠕變自動測試程序，大大方便了壓電元器件的測試。分析了摩擦阻力影響和摩擦阻力調(diào)整裝置的結(jié)構(gòu)形式—柔性鉸鏈，比較了彈簧調(diào)節(jié)和壓電疊堆調(diào)節(jié)兩種方式，以及彈簧選取要求。簡要敘述了驅(qū)動器機(jī)械本體，包括機(jī)械底座、移動軸和連接件，在設(shè)計過程中應(yīng)當(dāng)注意的問題。 四. 慣性沖擊式驅(qū)動器的試驗 在分析了調(diào)節(jié)激勵頻率和調(diào)節(jié)激勵幅值兩種調(diào)節(jié)方式后，得出不同激勵頻率下壓電雙晶片振子的位移響應(yīng)相位和幅值不同，而不同激勵幅值作用下的位移響應(yīng)相位相同，幅值不同，因此決定采用激勵幅值調(diào)節(jié)方式實現(xiàn)驅(qū)動器步長和速度的調(diào)節(jié)�；诜嫡{(diào)節(jié)方式，根據(jù)壓電雙晶片振子對不同頻率有效ramp激勵響應(yīng)幅值的關(guān)系確定驅(qū)動器的驅(qū)動頻率后，測試了驅(qū)動器的直線運動步長，帶載能力、速度和旋轉(zhuǎn)運動的步長和帶載能力。測試結(jié)果為直線運動：最小穩(wěn)定運動步長0.1μm，移動速度最大可以達(dá)到2mm/min，最大載荷能力為50g；旋轉(zhuǎn)運動：最小穩(wěn)定運動步長6.25μrad，最大載荷為15N·mm。在試驗的基礎(chǔ)上，提出了驅(qū)動器的控制策略。 五. 結(jié)論與展望 WP=84 給出了全文的主要結(jié)論，并提出了下一步的深入研究內(nèi)容。
【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】：2004
【分類號】：TH112
【圖文】：

（2）慣性沖擊式[25-40]。根據(jù)動量定理，通過慣性塊和壓電體配合實現(xiàn)驅(qū)動。其原理如圖 1-4（a）所示，圖中 Moved object 是機(jī)械結(jié)構(gòu)本體，Piezo是壓電體，Weight 是慣性塊。在原理圖中的一個工作周期以后整個機(jī)構(gòu)左移一小步，如果繼續(xù)施加這種周期性激勵信號，可以實現(xiàn)機(jī)構(gòu)的整體繼續(xù)左移，從而實現(xiàn)大行程。可以得出這種形式具有構(gòu)造簡單，容易實現(xiàn)，通過對壓電體隨所施加激勵信號的控制，可以實現(xiàn)驅(qū)動器的高精度，大行程目標(biāo)的特點，但是負(fù)載能力與其他方式相比較弱，不過可以通過調(diào)整機(jī)械結(jié)構(gòu)本體與接觸面之間的摩擦力來改善慣性沖擊式驅(qū)動器的承載能力。圖 1-4（b）為慣性沖擊驅(qū)動器的一個應(yīng)用實例－用來實現(xiàn)細(xì)胞微操作，吸附管固定住細(xì)胞，采用慣性沖擊式驅(qū)動器驅(qū)動毛細(xì)管探針。在驅(qū)動器的作用下，毛細(xì)管探針在很短時間內(nèi)獲得很大的沖量，這樣就會產(chǎn)生很大的沖擊力，從而使毛細(xì)管探針迅速穿透細(xì)胞壁插進(jìn)細(xì)胞內(nèi)，完成吸取內(nèi)部介質(zhì)的功能。圖 1-3 直接驅(qū)動式原理及應(yīng)用

（2）慣性沖擊式[25-40]。根據(jù)動量定理，通過慣性塊和壓電體其原理如圖 1-4（a）所示，圖中 Moved object 是機(jī)械結(jié)構(gòu)本電體，Weight 是慣性塊。在原理圖中的一個工作周期以后整步，如果繼續(xù)施加這種周期性激勵信號，可以實現(xiàn)機(jī)構(gòu)的整體實現(xiàn)大行程。可以得出這種形式具有構(gòu)造簡單，容易實現(xiàn)，所施加激勵信號的控制，可以實現(xiàn)驅(qū)動器的高精度，大行程目負(fù)載能力與其他方式相比較弱，不過可以通過調(diào)整機(jī)械結(jié)構(gòu)間的摩擦力來改善慣性沖擊式驅(qū)動器的承載能力。圖 1-4（b動器的一個應(yīng)用實例－用來實現(xiàn)細(xì)胞微操作，吸附管固定住沖擊式驅(qū)動器驅(qū)動毛細(xì)管探針。在驅(qū)動器的作用下，毛細(xì)管內(nèi)獲得很大的沖量，這樣就會產(chǎn)生很大的沖擊力，從而使毛透細(xì)胞壁插進(jìn)細(xì)胞內(nèi)，完成吸取內(nèi)部介質(zhì)的功能。圖 1-3 直接驅(qū)動式原理及應(yīng)用

第一章 緒 論）蠕動式[10-24]，因仿照生物界爬行動物運動原振動位移經(jīng)過某種方式轉(zhuǎn)換后即可形成連續(xù)與直動式機(jī)構(gòu)的差別在于通過箝位裝置的使精密位移。圖 1-5(a)是蠕動式壓電直線位移器徑向伸縮的壓電圓筒，與直桿之間留有微小管。當(dāng)控制驅(qū)動電路，使 A 縮小壓緊在直桿 即向右移動了一步，然后 B 夾緊，A 松開，。這樣由 A、B、C 構(gòu)成的移動件整體即向右形成了連續(xù)的精密位移，其直線移動精度可般機(jī)械位移裝置配合使用時，即可構(gòu)成滿足構(gòu)，其結(jié)構(gòu)布置圖如 1-5(b)所示[10-12]。A C B

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