【摘要】：在現代精密操作領域,微納操作已成為一項關鍵技術,與之對應的就是日益增加的對高分辨率執(zhí)行機構的需求。壓電驅動器利用逆壓電效應和摩擦力將電能轉化為機械能,具有結構簡單、響應快、速度快、定位精度高以及斷電自鎖等特點,在機器人關節(jié)、光學儀器、MEMS、定位工作臺和空間機構等方面均實現了廣泛的應用。與直線型精密壓電驅動器相比,目前對旋轉型精密壓電驅動器及其系統(tǒng)的研究相對較少,且已有的研究成果結構都比較復雜,分辨率也不是很高。而實際機電一體化系統(tǒng)中的很多運動環(huán)節(jié)均為旋轉型,因此,對旋轉精密壓電驅動器的研究在實際應用中具有重要的理論意義和突出的實用價值。本文提出了一種新構型的驅動機構與箝位機構一體的步進旋轉型精密壓電驅動器。首先基于四足旋轉驅動的基本原理分析了旋轉步進型壓電驅動器的致動原理,對各個驅動足的動作順序進行規(guī)劃,根據動作順序確定了對壓電陶瓷組的激勵方式和激勵信號的時序。在確定致動原理基礎上進行壓電陶瓷組極化方向、布置方式、激勵方式的研究。在原理分析基礎上基于壓電金屬復合懸臂梁的基本構型對壓電驅動器的結構進行設計,建立換能器的ANSYS有限元仿真模型并進行靜力分析,完成了換能器的結構設計,得到了合理的結構參數。其次,基于鐵木辛柯彈性梁理論建立了換能器的動力學解析模型,對驅動足端的瞬態(tài)響應以及穩(wěn)態(tài)輸出進行分析,得到了驅動足端部輸出位移響應與驅動信號各參數之間的關系。基于GM模型以及切向接觸理論建立了轉子與驅動足間的接觸摩擦模型,得到了驅動器穩(wěn)定運動即驅動足與轉子間不產生滑移的條件,建立了最大驅動力與預壓力之間的關系。將兩部分模型結合,得到驅動器總體輸出的數學模型,即壓電驅動器的控制模型,建立了壓電驅動器輸出位移與驅動電壓之間的關系,作為后續(xù)控制系統(tǒng)設計的參考模型。最后,根據前文對步進型旋轉壓電驅動器原理的分析以及建立的理論模型,基于Simulink Real-Time平臺設計了壓電驅動器的驅動控制系統(tǒng),對壓電驅動器樣機的輸出特性進行了測試,得到了驅動器輸出位移與激勵電壓幅值、頻率之間的關系以及輸出速度與負載力矩之間的關系,驗證了前文對驅動器原理分析以及所建立的理論模型的正確性。驅動器在開環(huán)實驗條件下的最小位移分辨率為0.095μrad(0.020″),最大輸出轉矩為49N·mm。進一步采用PID控制方法實現了對壓電驅動器位移的閉環(huán)控制,實現了位移對階躍信號、正弦信號的精準跟隨,對階躍信號的穩(wěn)態(tài)響應的最大角度誤差為0.448μrad(0.092″);對正弦信號的跟隨誤差低于信號幅值的6%。
【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】：2018
【分類號】：TH703
【圖文】：

圖 1-3 清華大學超精密定位工作臺基本結構[1學精密機械與物理研究所的陳琦研制的微結合的方式，將宏觀的摩擦驅動與壓實現±5nm 的精密定位，還可以實現對器國內外研究現狀電驅動器的基本結構如圖 1-4 所示。步鏈，由兩個箝位機構和一個驅動機構組提供預緊力及彈性回復力。此種驅動器壓電疊堆 柔性鉸鏈

；最后左側箝位機構通電，完成一個周期的運動。將起來即可得到較大行程。由于上述運動與生物的蠕動將這種驅動器稱為蠕動式驅動器。動式驅動器能夠在保證高分辨率的前提下實現運動行所示的結構圖也可以看出，其整體結構相對復雜，運系統(tǒng)的運動時序，要求較高，同時也導致了驅動頻率速度較慢，因此適合要求輸出力較大、分辨率較高，S.Hsu 等人研制出世界首臺混合型壓電步進精密驅布置在定子上，動子內部為驅動用壓電管。控制信號運動速度能夠達到 6.3 ~ 38mm/s。，A.D.Brisbane 研制出首臺行走型壓電步進精密驅動結構與圖 1-4 基本一致，箝位機構與驅動機構都在動，分辨率也得到提高，可達 5μm。

圖 1-6 AbaloneⅠ型步進驅動器[16]圖 1-7 S.C.Kim 研制的步進型旋轉驅動器[17]在國內，吉林大學是旋轉型壓電步進精密驅動器領域的主要研究機構。趙宏偉等研制的壓電型步進精密旋轉驅動器[18]如圖 1-8 所示，具有結構緊湊、分辨率高（可達 0.255μrad），行程不受限制及運動穩(wěn)定等優(yōu)點。驅動壓電疊堆預緊機構轉子箝位壓電疊堆預緊螺釘柔性鉸鏈驅動轉換機構上層機構下層機構

【參考文獻】

相關期刊論文 前9條

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本文編號：2746155