夾持半徑可調(diào)式仿生壓電旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器的設(shè)計分析與試驗研究
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《吉林大學(xué)》 2013年
夾持半徑可調(diào)式仿生壓電旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器的設(shè)計分析與試驗研究
傅璐
【摘要】:超精密驅(qū)動定位技術(shù)是精密光學(xué)、微機(jī)械裝配、超精密加工、生物醫(yī)學(xué)以及航空航天等高科技領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,,對于結(jié)構(gòu)緊湊、定位精度高的微小型驅(qū)動器的需求日益迫切;诜律\(yùn)動原理的壓電步進(jìn)式驅(qū)動器作為一類新型驅(qū)動器,具有定位精度高、工作穩(wěn)定性好、承載能力強(qiáng)等優(yōu)點,已經(jīng)成為超精密驅(qū)動技術(shù)領(lǐng)域的一個重要分支。 本文在對仿生步進(jìn)式壓電旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器的工作原理進(jìn)行系統(tǒng)性分析的基礎(chǔ)上,著重針對驅(qū)動器機(jī)械結(jié)構(gòu)方面加工精度要求高、裝配難度大以及輸出性能方面分辨率較低、承載能力不足、轉(zhuǎn)速較低等現(xiàn)存問題,提出了一種夾持半徑可調(diào)的新式仿生壓電旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器方案,并對驅(qū)動器的整體結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行了設(shè)計分析。 本文提出的新式仿生壓電旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器參照自然界尺蠖運(yùn)動設(shè)計而成,主要由鉗位機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)和升降機(jī)構(gòu)等部分組成,本文介紹了各組成單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程以及工作原理,并對各組成單元進(jìn)行了詳細(xì)的受力分析。本文采用杠桿結(jié)構(gòu)對鉗位壓電疊堆的位移進(jìn)行放大,建立了杠桿結(jié)構(gòu)幾何模型。采用有限元仿真方法對驅(qū)動器的變形與應(yīng)力分布、強(qiáng)度、剛度以及模態(tài)振型進(jìn)行分析,并對結(jié)果進(jìn)行評價。利用有限元軟件Abaqus對步進(jìn)式工作過程進(jìn)行動態(tài)仿真分析,證實了驅(qū)動器的機(jī)械結(jié)構(gòu)及驅(qū)動信號時序設(shè)計的合理性。 仿生壓電旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器采用壓電疊堆和柔性鉸鏈分別作為動力元件和傳動元件,利用壓電疊堆的逆壓電效應(yīng)實現(xiàn)電能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換,結(jié)合柔性鉸鏈的傳動作用為精密驅(qū)動定位提供動力源。論文分析了壓電疊堆的基本特性,介紹了壓電疊堆的結(jié)構(gòu)及工作原理,對壓電疊堆的遲滯特性進(jìn)行了分析和測試。在此基礎(chǔ)上,本文對柔性鉸鏈的結(jié)構(gòu)形式、選材、加工方法進(jìn)行了細(xì)致分析,建立了柔性鉸鏈空間力學(xué)模型,并對不同類型柔性鉸鏈的性能進(jìn)行了比較分析,據(jù)此選取直角柔性鉸鏈和正圓柔性鉸鏈分別作為驅(qū)動器線性位移輸出和轉(zhuǎn)角位移輸出的精密傳動單元。 本文研制了仿生壓電旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器樣機(jī),構(gòu)建了用于驅(qū)動器輸出性能測試的試驗系統(tǒng),對試驗系統(tǒng)的組成和工作原理進(jìn)行了分析。在此基礎(chǔ)上,對驅(qū)動器樣機(jī)輸出性能進(jìn)行了試驗測試,當(dāng)驅(qū)動電壓為8V時驅(qū)動器達(dá)到最高旋轉(zhuǎn)分辨率0.25μrad,空載時驅(qū)動器最高旋轉(zhuǎn)速度為77354.4μrad/s,驅(qū)動器穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時最大輸出扭矩為37Nmm,還對驅(qū)動器鉗位機(jī)構(gòu)夾持力、驅(qū)動器運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性以及旋轉(zhuǎn)速度等參數(shù)進(jìn)行了測試。實驗發(fā)現(xiàn)論文研制的精密旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器具有分辨率高、穩(wěn)定性好、承載能力強(qiáng)、定位精確等優(yōu)點。 本文采用斜射式激光三角測量法對仿生壓電旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器的轉(zhuǎn)角位移進(jìn)行測量,并對轉(zhuǎn)角位移測量過程進(jìn)行了分析,推導(dǎo)了旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器測量過程中的轉(zhuǎn)角位移相對誤差模型。研究發(fā)現(xiàn)可以將位移傳感器采集的線性位移近似為位移采集點轉(zhuǎn)過的弧長,當(dāng)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器的實際轉(zhuǎn)角為1000μrad時,采用這種近似測量方法得到的相對轉(zhuǎn)角誤差僅為0.077%。此外,結(jié)合斜射式激光三角測量法的測量原理和仿生壓電旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)特點,本文設(shè)計了用于轉(zhuǎn)角位移測量的組合式標(biāo)桿。 通過對已有的壓電旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),由于夾持半徑為定值,旋轉(zhuǎn)速度僅能夠通過改變驅(qū)動電壓和驅(qū)動頻率進(jìn)行調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)方式比較單一,并且轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍較小,限制了驅(qū)動器的適用范圍。針對上述問題,本文首次創(chuàng)新性提出了變夾持半徑轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方式,設(shè)計了用于調(diào)節(jié)夾持半徑的升降機(jī)構(gòu),夾持半徑的調(diào)節(jié)范圍為10.6mm至25mm。本文對不同的夾持半徑下轉(zhuǎn)子的輸出轉(zhuǎn)角進(jìn)行測試,經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)夾持半徑與驅(qū)動器的輸出轉(zhuǎn)角表現(xiàn)出明顯的反比關(guān)系,其中在驅(qū)動電壓為100V的條件下,當(dāng)夾持半徑為23mm時,轉(zhuǎn)子連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)十步累計輸出的轉(zhuǎn)角位移約為3260μrad,當(dāng)夾持半徑為14mm時,轉(zhuǎn)子輸出的轉(zhuǎn)角位移約為5480μrad,試驗結(jié)果驗證了變夾持半徑轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方式的可行性。
【關(guān)鍵詞】:
【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】:2013
【分類號】:TH703.8
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10 劉登云;陳洪濤;楊志剛;程光明;;壓電疊堆泵的初步研究[J];液壓與氣動;2007年03期
中國重要會議論文全文數(shù)據(jù)庫 前5條
1 孫健;孫啟健;劉彥菊;冷勁松;;一種基于柔性放大機(jī)構(gòu)的壓電疊堆泵設(shè)計[A];復(fù)合材料:創(chuàng)新與可持續(xù)發(fā)展(下冊)[C];2010年
2 袁欣;裘進(jìn)浩;季宏麗;孫佳;邱濤;;新型壓電疊堆泵的設(shè)計與實驗研究[A];Proceedings of the 2010 Symposium on Piezoelectricity,Acoustic Waves and Device Applications[C];2010年
3 王文濤;吳鑫;鮑士偉;陳四海;;壓電陶瓷驅(qū)動的F-P腔可調(diào)諧濾波器的結(jié)構(gòu)設(shè)計[A];2009年先進(jìn)光學(xué)技術(shù)及其應(yīng)用研討會論文集(下冊)[C];2009年
4 冷勁松;;智能可變形飛行器的關(guān)鍵技術(shù)[A];智能可變形飛行器發(fā)展前景及我們的選擇——新觀點新學(xué)說學(xué)術(shù)沙龍文集(32)[C];2009年
5 龍威;袁銳波;曾浩;張宗成;;壓電式氣動伺服閥控制策略的研究[A];第十五屆流體動力與機(jī)電控制工程學(xué)術(shù)會議論文集[C];2011年
中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條
1 趙宏偉;尺蠖型壓電驅(qū)動器基礎(chǔ)理論與試驗研究[D];吉林大學(xué);2006年
2 劉國嵩;壓電步進(jìn)二維精密驅(qū)動器理論及實驗研究[D];吉林大學(xué);2006年
3 吳猛;超磁致壓電混合精密驅(qū)動機(jī)構(gòu)及其控制技術(shù)研究[D];吉林大學(xué);2009年
4 許有熊;壓電開關(guān)調(diào)壓型氣動數(shù)字比例壓力閥的研究[D];南京理工大學(xué);2009年
5 劉后廣;新型人工中耳壓電振子聽力補(bǔ)償?shù)睦碚撆c實驗研究[D];上海交通大學(xué);2011年
6 胡笑奇;非回轉(zhuǎn)非容積型無閥壓電泵的動力學(xué)分析和實驗研究[D];南京航空航天大學(xué);2012年
7 張兆成;新型壓電尺蠖精密驅(qū)動器柔性機(jī)構(gòu)分析與實驗研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2010年
8 嵇佳斌;納米壓痕/劃痕測試裝置的設(shè)計與試驗研究[D];吉林大學(xué);2010年
9 李曉韜;壓電自感應(yīng)式慣性驅(qū)動器的理論及試驗研究[D];吉林大學(xué);2010年
10 何麗鵬;微小型主動閥壓電泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計理論及控制系統(tǒng)的研究[D];吉林大學(xué);2010年
中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條
1 傅璐;夾持半徑可調(diào)式仿生壓電旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器的設(shè)計分析與試驗研究[D];吉林大學(xué);2013年
2 袁欣;壓電疊堆泵的設(shè)計與實驗研究[D];南京航空航天大學(xué);2011年
3 黨永;非諧振壓電疊堆發(fā)電特性研究[D];大連理工大學(xué);2010年
4 施韜;磁—壓電作用旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器作用機(jī)理與試驗研究[D];吉林大學(xué);2012年
5 鐘麗娜;光纖布喇格光柵電流傳感技術(shù)的研究[D];燕山大學(xué);2006年
6 王麗榮;基于橢圓形放大機(jī)構(gòu)的壓電驅(qū)動式高速開關(guān)閥研究[D];吉林大學(xué);2006年
7 呂超;新型壓電步進(jìn)直線精密驅(qū)動器結(jié)構(gòu)的研究[D];吉林大學(xué);2006年
8 毛艷清;基于V型導(dǎo)軌壓電疊堆慣性驅(qū)動器的研究[D];吉林大學(xué);2008年
9 王寰斌;疊堆驅(qū)動二維慣性壓電驅(qū)動機(jī)構(gòu)研究[D];吉林大學(xué);2009年
10 潘雷;多足箝位式壓電直線電機(jī)的研究[D];南京航空航天大學(xué);2012年
本文關(guān)鍵詞:夾持半徑可調(diào)式仿生壓電旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器的設(shè)計分析與試驗研究,由筆耕文化傳播整理發(fā)布。
本文編號:191612
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