本文關鍵詞：步進式壓電驅動基礎理論與試驗研究

  更多相關文章： 精密驅動 壓電陶瓷 柔性鉸鏈 尺蠖運動 寄生運動 顯微操作

【摘要】：微/納米級精密驅動與定位技術是超精密加工、精密測量、精密光學、現代醫(yī)療、航空航天等領域的主要支撐技術之一。當前,傳統(tǒng)的驅動裝置已無法滿足諸多領域中對高精度驅動與定位的應用需求。壓電精密驅動技術作為一種新型驅動技術,因其輸出精度高、響應速度快、結構緊湊等顯著優(yōu)勢,被廣泛應用于各類精密驅動裝置中。步進式壓電驅動裝置能克服壓電材料行程較小的不足,因而受到了國內外學者的廣泛關注。但現有步進式壓電驅動裝置存在輸出精度低、承載能力不足、結構復雜等不足,論文在對步進式壓電驅動裝置的運動原理進行系統(tǒng)分析的基礎上,提出采用尺蠖運動原理和寄生慣性運動原理設計研制大行程高精度的壓電驅動裝置,并對相關運動原理進行分析、對整機結構進行優(yōu)化,據此建立了尺蠖型壓電驅動裝置和寄生慣性型壓電驅動裝置的動力學模型。試驗結果表明,所研制的系列壓電驅動裝置能夠在保證輸出精度的同時實現大行程輸出,可為步進式壓電驅動基礎研究提供一定的參考。尺蠖型壓電驅動裝置模仿自然界尺蠖蟲的步進運動原理設計而成,利用多層扭轉柔性鉸鏈和壓電疊堆,通過對鉗位單元、驅動單元、預緊單元的交替時序控制,實現了步進式的大行程高精度旋轉運動輸出。論文分析了所研制的尺蠖型壓電旋轉驅動裝置的運動原理、結構組成,并對其工作狀態(tài)下的變形與應力分布、模態(tài)振型等進行了分析研究。通過構建的試驗測試系統(tǒng)對所研制的尺蠖型壓電驅動裝置進行了試驗分析,測得其旋轉分辨率為4.95μrad,最大轉動速度為6508.5μrad/s,最大輸出轉矩為93.1 N·mm。針對第一臺尺蠖型壓電旋轉驅動裝置結構復雜、集成與控制困難的不足,論文進一步研制了簡化型尺蠖壓電旋轉驅動裝置。采用三角杠桿柔性鉸鏈同時實現鉗位與驅動兩個運動,簡化了尺蠖運動的工作原理與控制過程,進而優(yōu)化了尺蠖旋轉驅動裝置的整體結構。測試結果顯示,其旋轉分辨率為25μrad,最大運轉速度為71300μard/s,最大輸出轉矩為19.6 N·mm。此外,通過對研制的兩臺尺蠖型壓電旋轉驅動裝置原型樣機的計算分析與試驗測試,基于Lu Gre摩擦模型,建立了壓電疊堆、柔性鉸鏈與尺蠖型壓電旋轉驅動裝置的動力學模型。Matlab/Simulink計算結果表明,所建立的整機動力學模型能夠較好地表現尺蠖型壓電旋轉驅動裝置的輸出特性。在實現大行程與高精度輸出的同時,為了達到結構微型化、控制簡單化的目的,論文在對寄生慣性原理進行系統(tǒng)分析的基礎上,研制了寄生慣性型壓電驅動裝置。通過對比多種柔性機構計算方法,指出了彈性梁法的優(yōu)勢,進而獲得了橋式柔性鉸鏈的寄生運動變形量與放大參數。橋式柔性鉸鏈的寄生運動使得壓電疊堆同時實現了兩個方向的運動(驅動運動和預緊運動),從而提高了現有慣性驅動裝置的輸出性能。此外,針對步進式壓電驅動裝置,提出了壓電雙伺服PID閉環(huán)控制方法,使得同一壓電疊堆可實現粗進給、精進給兩種運動狀態(tài),從而有效提高了步進式壓電驅動裝置的輸出分辨率。試驗結果顯示,其開環(huán)旋轉分辨率為6.92μrad;最大運行速度為32000μrad/s;采用壓電雙伺服PID閉環(huán)控制策略,測得其旋轉分辨率可達1.54μrad,約為相同工作條件下非閉環(huán)結果的250倍。為進一步提高寄生慣性型壓電驅動裝置的輸出負載與輸出速度,論文進一步研制了兩種改進型的寄生慣性壓電驅動裝置。其中一種通過使用兩個相互垂直的壓電疊堆,增大了最高運動速度和承載能力,試驗結果顯示其位移分辨率為0.41μm,最高運動速度為0.735 mm/s,最大輸出負載為0.294 N。另一種改進型寄生慣性型壓電驅動裝置使用了平行四邊形柔性鉸鏈,在提高輸出性能的基礎上,使得整體結構更為簡化,測試結果顯示其開環(huán)位移分辨率可達0.04μm,最高運行速度為14.25 mm/s,最大輸出負載為3.43 N。此外,基于Lu Gre摩擦模型,建立了寄生慣性型壓電驅動裝置的動力學模型,Matlab/Simulink的計算結果驗證了該動力學模型的可行性。尺蠖型壓電驅動裝置適用于輸出負載大,且對運動速度要求不高的場合,但其整體結構與控制較復雜;寄生慣性型壓電驅動裝置則更適用于對快速定位有嚴格要求的、空間尺寸受限的場合�；谒兄频某唧缎秃图纳鷳T性型壓電驅動裝置,設計集成了可用于光導纖維微細操作的顯微操作系統(tǒng),并對關鍵部件壓電微型夾持器進行了制造與試驗測試分析。通過集成顯微成像組件和微型力檢測單元,該壓電微型夾持器可以實現對光導纖維等微小物體的實時精細操作。本文關于步進式壓電驅動基礎理論的研究工作,為壓電驅動裝置的設計應用,提供了一定的理論與應用基礎,對擴展壓電精密驅動與定位技術的應用領域具有一定的推動意義。
【關鍵詞】：精密驅動 壓電陶瓷 柔性鉸鏈 尺蠖運動 寄生運動 顯微操作
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TH703
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 緒論12-27
• 1.1 研究背景及意義12-13
• 1.2 壓電驅動裝置的分類及研究現狀13-24
• 1.2.1 直動式壓電驅動裝置14-16
• 1.2.2 步進式壓電驅動裝置16-24
• 1.2.2.1 超聲壓電驅動裝置16-18
• 1.2.2.2 尺蠖壓電驅動裝置18-21
• 1.2.2.3 摩擦慣性壓電驅動裝置21-24
• 1.3 論文主要研究內容24-27
• 第2章 壓電驅動技術基礎理論27-42
• 2.1 壓電效應/逆壓電效應27-28
• 2.2 壓電材料及壓電元件28-35
• 2.2.1 壓電疊堆29-30
• 2.2.2 壓電疊堆動力學模型30-32
• 2.2.3 壓電疊堆遲滯特性研究32-35
• 2.3 柔性鉸鏈35-39
• 2.3.1 柔性鉸鏈的分類35-37
• 2.3.2 柔性鉸鏈的計算方法37-39
• 2.4 精密直線/轉角測量原理及誤差分析39-41
• 2.5 本章小結41-42
• 第3章 尺蠖型壓電驅動裝置設計與試驗研究42-64
• 3.1 尺蠖型壓電旋轉驅動裝置42-52
• 3.1.1 運動原理42-43
• 3.1.2 結構設計與分析43-47
• 3.1.2.1 鉗位單元44-45
• 3.1.2.2 驅動單元45-46
• 3.1.2.3 預緊單元46-47
• 3.1.3 模態(tài)動力學分析47-48
• 3.1.4 驅動裝置輸出特性試驗測試48-52
• 3.1.4.1 試驗測試系統(tǒng)48-49
• 3.1.4.2 試驗測試結果49-52
• 3.2 簡化型尺蠖壓電旋轉驅動裝置52-59
• 3.2.1 結構設計及運動原理52-53
• 3.2.2 結構分析53-56
• 3.2.3 輸出特性試驗測試56-59
• 3.2.3.1 試驗測試系統(tǒng)56-57
• 3.2.3.2 輸出性能測試57-59
• 3.3 尺蠖型壓電驅動裝置動力學模型59-63
• 3.3.1 柔性鉸鏈動力學模型59-60
• 3.3.2 摩擦模型60
• 3.3.4 尺蠖型壓電旋轉驅動裝置動力學模型60-61
• 3.3.5 MATLAB/Simulink仿真實驗61-63
• 3.4 本章小結63-64
• 第4章 寄生慣性型壓電驅動裝置設計與試驗研究64-94
• 4.1 寄生慣性型壓電旋轉驅動裝置64-76
• 4.1.1 寄生慣性運動原理65-66
• 4.1.2 橋式柔性鉸鏈設計及計算66-70
• 4.1.3 驅動裝置輸出特性試驗測試70-73
• 4.1.4 壓電雙伺服PID閉環(huán)控制系統(tǒng)73-76
• 4.2 改進型寄生慣性式壓電直線驅動裝置76-83
• 4.2.1 結構及運動原理76-77
• 4.2.2 鉸鏈設計及計算分析77-79
• 4.2.3 輸出性能試驗測試79-83
• 4.3 改進II型寄生慣性直線驅動裝置83-89
• 4.3.1 結構及運動原理83-84
• 4.3.2 結構分析及計算84-86
• 4.3.3 驅動裝置輸出性能試驗測試86-89
• 4.4 寄生慣性型壓電驅動裝置動力學模型89-93
• 4.4.1 整機動力學模型建立89-91
• 4.4.2 MATLAB/Simulink仿真對比分析91-93
• 4.5 本章小結93-94
• 第5章 壓電驅動裝置在顯微操作中的應用94-102
• 5.1 可用于光纖操作的全壓電驅動型顯微操作系統(tǒng)組建94-96
• 5.1.1 系統(tǒng)要求94-95
• 5.1.2 系統(tǒng)組成95-96
• 5.2 壓電微型夾持器設計制造96-98
• 5.3 試驗測試98-101
• 5.3.1 壓電微型夾持器輸出位移試驗98-99
• 5.3.2 壓電微型夾持器力信號檢測單元試驗99-100
• 5.3.3 光導纖維微夾持操作試驗100-101
• 5.4 本章小結101-102
• 第6章 總結與展望102-104
• 參考文獻104-112
• 附錄112-113
• 作者簡介與攻讀學位期間的主要研究成果113-117
• 致謝117

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