近年來(lái)微小機(jī)械與精密機(jī)械成為機(jī)械工程領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一,慣性沖擊式壓電驅(qū)動(dòng)器是其中的重點(diǎn)研究方向之一。該種驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行軌道一般為水平布置,但在實(shí)際應(yīng)用中,存在需要驅(qū)動(dòng)器在傾斜軌道上進(jìn)行快速精密定位的情況,而且隨著科技的發(fā)展,對(duì)驅(qū)動(dòng)器的定位精度、快速性、以及負(fù)載能力提出了更高要求,慣性沖擊式壓電驅(qū)動(dòng)器的性能急需提升。本文基于慣性沖擊原理提出并設(shè)計(jì)一種兩組壓電單晶片振子驅(qū)動(dòng)的直線慣性驅(qū)動(dòng)器,其驅(qū)動(dòng)元件采用壓電單晶片振子,振子分為兩組,一組為主驅(qū)動(dòng)振子提供沿驅(qū)動(dòng)器運(yùn)動(dòng)方向的拉力,另一組為輔助驅(qū)動(dòng)振子提供沿驅(qū)動(dòng)器運(yùn)動(dòng)方向的推力,兩組驅(qū)動(dòng)振子配合驅(qū)動(dòng),較一組振子驅(qū)動(dòng),驅(qū)動(dòng)器的平均速度更快、定位精度更高,拖動(dòng)負(fù)載能力更強(qiáng),具體研究?jī)?nèi)容如下:對(duì)壓電單晶片振子進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,最終確定振子的最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸為鈹青銅基板的長(zhǎng)度、寬度、厚度分別是L_(cu)=80mm、W_(cu)=30mm、T_(cu)=0.4mm,壓電陶瓷層的長(zhǎng)度、寬度、厚度分別是L_p=60mm、W_p=30mm、T_p=0.2mm,且鈹青銅基板與壓電陶瓷的剛度比A=2,此時(shí)振子自由端輸出的慣性力最大并且該振子被稱為最優(yōu)振子。基于有限元理論對(duì)最優(yōu)振子進(jìn)行模態(tài)分析以及諧響應(yīng)分析得到振子的一階固有頻率為75Hz,建立振子的動(dòng)力學(xué)模型并利用MATLAB Simulink進(jìn)行振子動(dòng)力學(xué)仿真,仿真結(jié)果表明振子在對(duì)稱方波驅(qū)動(dòng)下振子自由端輸出的慣性力最大、其次為正弦波、三角波的驅(qū)動(dòng)能力最弱。根據(jù)最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸制作壓電單晶片振子并對(duì)其進(jìn)行性能測(cè)試,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,振子的實(shí)際一階固有頻率為73Hz,相同幅值、頻率電壓下,對(duì)稱方波激勵(lì)下振子自由端輸出的慣性力最大,其次為正弦波,三角波的驅(qū)動(dòng)能力最弱,與仿真結(jié)果一致。對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行受力分析得到驅(qū)動(dòng)器沿水平面和傾斜平面運(yùn)動(dòng)時(shí)的平衡方程,進(jìn)而得出驅(qū)動(dòng)器沿水平面和傾斜平面進(jìn)行雙向穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的條件(1)主驅(qū)動(dòng)振子自由端輸出的慣性力大于輔助驅(qū)動(dòng)振子自由端輸出的慣性力;(2)主輔驅(qū)動(dòng)振子上的激勵(lì)電壓同頻率且需要有180度相位差;建立直線慣性壓電驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)力學(xué)模型并進(jìn)行驅(qū)動(dòng)器樣機(jī)的制作,利用MATLAB Simulink建立驅(qū)動(dòng)器樣機(jī)的傳遞函數(shù)模型,根據(jù)仿真結(jié)果得到驅(qū)動(dòng)器樣機(jī)平均速度與主驅(qū)動(dòng)振子激勵(lì)電壓_1U、直線軌道傾斜角度α的關(guān)系曲線,通過(guò)曲線擬合得到主輔驅(qū)動(dòng)振子激勵(lì)電壓之和對(duì)直線軌道傾斜角度α的變化率,利用MATLTAB編制直線慣性壓電驅(qū)動(dòng)器激勵(lì)電壓輸出程序以及驅(qū)動(dòng)器速度控制程序,并通過(guò)MATLAB中Data Acquisition Toolbox工具箱控制數(shù)據(jù)采集卡輸出振子激勵(lì)電壓。對(duì)制作的直線慣性壓電驅(qū)動(dòng)器樣機(jī)進(jìn)行性能測(cè)試實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,主輔驅(qū)動(dòng)振子配合驅(qū)動(dòng)提升了驅(qū)動(dòng)器樣機(jī)的平均速度從而提高驅(qū)動(dòng)器樣機(jī)的快速定位能力;當(dāng)輔助驅(qū)動(dòng)振子的激勵(lì)電壓為主驅(qū)動(dòng)振子激勵(lì)電壓的30%左右時(shí),驅(qū)動(dòng)器樣機(jī)拖動(dòng)負(fù)載的能力最強(qiáng);減小主輔驅(qū)動(dòng)振子激勵(lì)電壓之差,驅(qū)動(dòng)器樣機(jī)的步距減小,驅(qū)動(dòng)器樣機(jī)的定位精度提高,驅(qū)動(dòng)器樣機(jī)能夠達(dá)到的最小步距與采集卡的最小輸出電壓有關(guān),采集卡模擬輸出端口的位數(shù)越大驅(qū)動(dòng)器樣機(jī)能夠達(dá)到的步距越小;本文最后進(jìn)行了驅(qū)動(dòng)器樣機(jī)勻速控制實(shí)驗(yàn),通過(guò)增加振子激勵(lì)電壓來(lái)補(bǔ)償由于直線軌道傾斜角度α增大而造成的樣機(jī)速度損失,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明隨著直線軌道傾斜角度的增大驅(qū)動(dòng)器樣機(jī)運(yùn)動(dòng)平均速度近似保持不變,最大速度波動(dòng)為12um/s,速度控制效果良好。
【學(xué)位單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TH703
【部分圖文】：

料、壓電高聚物[28]。其中壓電陶瓷材料以其優(yōu)異的壓電性能（機(jī)電耦合系數(shù)50%~70%，壓電應(yīng)變常量 450~750pC/N）在全球壓電材料市場(chǎng)占據(jù) 90%以上份額[29]。最早的壓電陶瓷于上個(gè)世紀(jì) 50 年代由 Jaffe[30]研制而成，本文設(shè)計(jì)的直線慣性壓電驅(qū)動(dòng)器中的壓電單晶片振子，其中的壓電材料就選用壓電陶瓷。

其中的壓電材料就選用壓電陶瓷。圖 1.1 正壓電效應(yīng)示意圖圖 1.2 逆壓電效應(yīng)示意圖1.2.2 壓電驅(qū)動(dòng)器壓電驅(qū)動(dòng)器是一種利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)制成的能夠輸出直線或者旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的裝置，其主要用途是輸出高精度高分辨率的位移。分辨率、結(jié)構(gòu)緊湊高速以及寬頻帶等特點(diǎn)使其滿足各種應(yīng)用領(lǐng)域的需求，諸如生物實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)、半導(dǎo)體設(shè)備、光學(xué)元件校準(zhǔn)、測(cè)試設(shè)備等[31]。壓電驅(qū)動(dòng)器的分類方式有很多種，按照驅(qū)動(dòng)元件分類可以分為疊堆型和晶片型。以壓電陶瓷材料例如壓電陶瓷制成的壓電驅(qū)動(dòng)器往往可以實(shí)現(xiàn)亞納米級(jí)別的定位精度但是其位移范圍往往是微米級(jí)，在實(shí)際應(yīng)用中該種特性會(huì)有一定的局限性，因此需要對(duì)壓電驅(qū)動(dòng)器的輸出位移進(jìn)行位移放大[32]。按照位移放大方式的不同壓電驅(qū)動(dòng)器可以分為內(nèi)部杠桿法、外部杠桿法、頻率杠桿法。其中內(nèi)部杠桿法

其主要結(jié)構(gòu)包括定子和轉(zhuǎn)子，定子產(chǎn)生的超聲振動(dòng)，通過(guò)定子與轉(zhuǎn)子之間的摩擦接觸來(lái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)或者旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。壓電超聲電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、小型輕量、不受磁場(chǎng)影響、低速大轉(zhuǎn)矩、成本低等優(yōu)點(diǎn)，并且壓電超聲電機(jī)不需要變速機(jī)構(gòu)，避免了由于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生振動(dòng)、噪聲、沖擊所帶來(lái)的一系列問(wèn)題。按照超聲波的運(yùn)動(dòng)方式不同壓電超聲電機(jī)主要分為兩類，駐波型壓電超聲電機(jī)和行波型壓電超聲電機(jī)[44][45][46]。世界上最早對(duì)壓電超聲電機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)研究的國(guó)家是前蘇聯(lián)，1965 年Lavrinenko 提出了如圖 1.4 所示的超聲電機(jī)結(jié)構(gòu)，開(kāi)創(chuàng)了對(duì)超聲電機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)研究的先河。該超聲電機(jī)將盤(pán)形壓電材料直接壓在電機(jī)轉(zhuǎn)子上可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的單向移動(dòng)。其他學(xué)者諸如美國(guó)的 Tehon、前蘇聯(lián)的 Wischnewskiy 均提出過(guò)多種不同結(jié)構(gòu)的駐波型壓電超聲電機(jī)[47]。但是這些結(jié)構(gòu)往往只能實(shí)現(xiàn)單方向的運(yùn)動(dòng)，而且傳動(dòng)效率低下，定子和轉(zhuǎn)子之間的磨損大，在實(shí)際應(yīng)用中存在很大困難。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2833058