基于尺蠖運動仿生原理的壓電蠕動直線驅(qū)動器,具有結(jié)構(gòu)設(shè)計靈活、尺寸小巧、無磁干擾、位移分辨率高,且行程大等特點,在一些需要精密定位領(lǐng)域,如航天航空、精密光學、精密加工等,具有廣闊的應(yīng)用前景。這種驅(qū)動器箝位方式有兩種,一個是主動(通電)箝位,另一個是被動(斷電)箝位,其中被動箝位方式具有斷電自鎖,節(jié)能等優(yōu)勢,成為近年來地研究熱點。目前,這兩種箝位方式驅(qū)動器急需研究的主要問題有,驅(qū)動器移動需要周向支撐,箝位力偏小等。本文研發(fā)了一款被動箝位壓電蠕動直線驅(qū)動器及其驅(qū)動電源。該驅(qū)動器將三角、杠桿式放大結(jié)構(gòu)與一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計理念相結(jié)合,成功設(shè)計出一種新式扁平化壓電蠕動驅(qū)動器結(jié)構(gòu)方案,有效解決周向定位與箝位力偏小問題。其驅(qū)動電源不僅小型化,而且驅(qū)動電壓、驅(qū)動頻率、信號形式可調(diào),且能脫離上位機獨立運行。首先,從被動箝位蠕動驅(qū)動器的工作原理出發(fā),進行了驅(qū)動器的構(gòu)型設(shè)計和靜力學建模,得出了箝位機構(gòu)和驅(qū)動機構(gòu)的設(shè)計原則,確定了箝位機構(gòu)和驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵因素。采用正交實驗方法設(shè)計出箝位機構(gòu)合理結(jié)構(gòu)參數(shù);對驅(qū)動機構(gòu)進行了靜力學建模,并用有限元法進行了驗證,建立了驅(qū)動機構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)與剛度的數(shù)學關(guān)系,確定了其合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)。研究了導軌結(jié)構(gòu)形式對驅(qū)動效果的影響,確定了導軌的形狀。然后,對驅(qū)動器進行了仿真分析,引入壓電陶瓷力學和電學特性作為分析因素,建立了描述壓電陶瓷位移輸出特性的力學模型,將其導入到驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)分析中,合理地協(xié)調(diào)了箝位機構(gòu)大箝位力與容易釋放矛盾,解決了壓電陶瓷與機械結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)問題,完善了驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)分析方法,為驅(qū)動器設(shè)計提供了理論指導。最后,研制出驅(qū)動器原理樣機,依據(jù)蠕動式工作原理和控制策略,將壓電陶瓷電容特性作為分析因素,建立其工作電學模型,仿真并實驗驗證壓電陶瓷的電學特性對驅(qū)動器的動態(tài)性能影響規(guī)律,提出了蠕動驅(qū)動器的驅(qū)動電源的設(shè)計原則,設(shè)計出小型化驅(qū)動電源,搭建出驅(qū)動器性能檢測裝置。在標準驅(qū)動電源和自研驅(qū)動電源的驅(qū)動下,本款驅(qū)動器單側(cè)最大靜態(tài)箝位力為14N,最大運動驅(qū)動力為4N,在30V驅(qū)動電壓下位移分辨率為0.4μm,在120V驅(qū)動電壓和83.33Hz頻率下有效驅(qū)動速度為608μm/s。
【學位單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TH703
【部分圖文】：

該驅(qū)動器基于尺蠖運動原理，使用磁致伸縮材料作模式推動導軌直線運動，具體結(jié)構(gòu)如圖 1-2 所驅(qū)動器性能不夠理想。但他所提出的尺蠖式驅(qū)動。隨著新材料的問世、技術(shù)的更迭以及蠕動式驅(qū)動式驅(qū)動器相繼問世，并在精密科學領(lǐng)域取得大

圖 1-3 首臺壓電蠕動電機專利圖[24]國學者 A.D.Brisbane 研制了首臺 Walker 型蠕動采用管狀壓電陶瓷管，箝位機構(gòu)采用盤裝壓電前的結(jié)構(gòu)，這臺驅(qū)動器的運動分辨率有了較大尺寸也可以做小。

箝位機構(gòu)采用盤裝壓電陶瓷管，結(jié)構(gòu)如圖1-4 所示。相比之前的結(jié)構(gòu)，這臺驅(qū)動器的運動分辨率有了較大的提高，并且定子結(jié)構(gòu)變得簡單，尺寸也可以做小。圖 1-4 首臺 Walker 型壓電蠕動驅(qū)動器專利圖[25]1972 年，前蘇聯(lián) G.V.Galutva 等人設(shè)計了首款采用壓電陶瓷疊堆作為驅(qū)動、箝位機構(gòu)動力元件的壓電蠕動驅(qū)動器[26]。其結(jié)構(gòu)如圖 1-5 所示。由于壓電陶瓷疊堆的應(yīng)用，其研制的壓電蠕動驅(qū)動器速度、負載能力和分辨率均獲得一定的提高。圖 1-5 首款壓電陶瓷疊堆驅(qū)動的蠕動驅(qū)動器[26]由于壓電驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展，成功商業(yè)化的壓電元件種類愈發(fā)地豐富、技術(shù)愈發(fā)地成熟，在二十世紀 80 年代末，市面上已有能提供數(shù)千牛驅(qū)動力的壓電陶瓷疊堆，并且驅(qū)動電壓只需 200V 左右，不僅使得驅(qū)動器結(jié)構(gòu)設(shè)計更為多元化，還能簡

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 于靖軍;郝廣波;陳貴敏;畢樹生;;柔性機構(gòu)及其應(yīng)用研究進展[J];機械工程學報;2015年13期

2 馬立;謝煒;劉波;孫立寧;;柔性鉸鏈微定位平臺的設(shè)計[J];光學精密工程;2014年02期

3 靳宏;金龍;徐志科;吳明清;鮑詩杰;;壓電疊堆位移放大致動器的動態(tài)特性[J];振動與沖擊;2012年21期

4 裴先茹;高海榮;;壓電材料的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀[J];安徽化工;2010年03期

5 夏永泉;賈建軍;;用于航空遙感的二維像移補償鏡的設(shè)計[J];紅外;2008年08期

6 陳維山;李霞;謝濤;;超聲波電動機在太空探測中的應(yīng)用[J];微特電機;2007年01期

7 劉建芳;趙宏偉;華順明;楊志剛;曾平;;主動驅(qū)動/被動箝位型壓電精密步進驅(qū)動器研究[J];機械設(shè)計與研究;2006年06期

8 文海;王曉慧;趙巍;王浩;李龍土;桂治輪;;高溫壓電陶瓷研究進展[J];硅酸鹽學報;2006年11期

9 葉云岳;;現(xiàn)代新型直線驅(qū)動技術(shù)及其應(yīng)用[J];電氣技術(shù);2005年06期

10 雷淑梅,匡同春,白曉軍,成曉玲,向雄志,謝致微,葉永權(quán);壓電陶瓷材料的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J];佛山陶瓷;2005年03期

相關(guān)博士學位論文 前5條

1 靳宏;基于壓電疊堆的大力矩微位移平臺研究[D];東南大學;2016年

2 郭文峰;基于三角放大箝位的壓電蠕動直線驅(qū)動器研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2014年

3 李燕斌;靜電梳齒結(jié)構(gòu)的MEMS分析和優(yōu)化設(shè)計[D];華中科技大學;2008年

4 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;2006年

5 劉建芳;壓電步進精密驅(qū)動器理論及實驗研究[D];吉林大學;2005年

相關(guān)碩士學位論文 前6條

1 連安志;步進式精密直線壓電驅(qū)動器的設(shè)計與研究[D];長安大學;2015年

2 邵明坤;粘滑式慣性壓電精密驅(qū)動器設(shè)計分析與試驗研究[D];吉林大學;2015年

3 章皓;電熱式MEMS微鏡驅(qū)動控制技術(shù)研究[D];蘇州大學;2014年

4 潘雷;多足箝位式壓電直線電機的研究[D];南京航空航天大學;2012年

5 杜習波;基于三角放大原理的壓電型精密定位機構(gòu)研究[D];河南理工大學;2009年

6 周曉峰;基于PZT微定位系統(tǒng)控制研究[D];浙江大學;2004年

本文編號：2824744