低刚度梁连接组合式超声致动器及其驱动点运动形态研究

发布时间：2018-07-02 07:12

本文选题：超声致动器 + 低刚度梁连接　；参考：《哈尔滨工业大学》2016年博士论文

【摘要】：压电超声致动器具有直接驱动、响应速度快、无电磁干扰、定位精度高、结构简单、设计灵活等特点,可广泛应用于航空航天、光学仪器、微机电系统、机器人、半导体制造、医疗器械等领域。目前,丰富超声致动器的致动功能,并且使致动器与机构、系统有机结合已经成为超声致动器的重要研究方向。此外,利用不同模态复合激励的超声致动器多数存在模态简并问题,简并的效果直接影响着致动器的输出性能。因此,在设计阶段有效简化模态简并过程并且保障简并效果,是超声致动器领域需要进一步研究的问题。本文围绕超声致动器驱动点的椭圆运动形态及低刚度梁连接组合式致动器展开研究,采用以低刚度梁连接换能器的方式构造超声振子,针对连接梁建立数学模型,以振子驱动点运动形态为主要研究对象,分析驱动点的椭圆运动形态的产生及调节方法,形成了理论基础。通过理论、有限元仿真、实验验证三者相结合的方法,研制了单驱动点、双驱动点及多驱动点致动的新型超声致动器原理样机,分别实现了两自由度、双输出及单自由度致动功能,达到了验证理论正确性、简化模态简并过程或避免模态简并问题、获得新的致动特性等目的。超声致动器的驱动点运动形态决定了致动器的输出特性。为了确定驱动点的椭圆运动形态的产生及调节方法,首先分析了压电陶瓷的特性、梁的振动模式以及梁受压电陶瓷激振的原理;接着研究了单一换能器在空间不同平面内构造驱动点椭圆运动轨迹,从而实现致动功能的方法;为了便于模态简并、避免换能器振动模态相互干扰,采用低刚度梁连接多个换能器的方式构造振子,并设计了两种梁结构,建立梁的数学模型,分析其驱动点空间各平面椭圆运动形态的构造方法及主要影响因素。以上内容的研究为构造驱动点具有预期椭圆运动形态的多换能器组合结构超声致动器确立了理论基础。超声致动器的多功能化的体现之一是多自由度驱动功能的实现。为此,以两自由度致动为目的,对单驱动点运动形态及致动器激励方法进行了研究,并研制了采用单点致动的两款新型超声致动器原理样机,采用多模态激励、模态切换的方式产生并调整驱动点的椭圆运动形态,分别实现了单自由度致动、两自由度致动功能,从而验证了基于低刚度三角梁连接方式产生及调节超声致动器的驱动点椭圆运动形态的方法的有效性、低刚度梁与镜像对称结构相结合构造振子对简化模态简并过程的作用。超声致动器的多功能化还可以体现为采用一个致动器实现对多个动子的驱动。面向小型双转子机构,提出并采用了单振子多点组合、协调致动的方式,对双驱动点运动形态及致动器的激励方法进行了研究,研制了采用双驱动点致动的新型超声致动器原理样机,分析了致动器工作原理及驱动点椭圆运动形态的产生及调节方法,通过实验测定了致动器振动特性及致动特性。该致动器可以同时驱动两个转子并且能够实现转子同向、反向及异速运动。研究发现,利用旋转对称结构的两个相同正交振动模态复合激励致动器可有效避免模态简并问题。为了充分利用该特性,实现单自由度旋转致动功能,研制了具有旋转对称结构的振子及旋转致动器原理样机,结合有限元仿真对多点组合驱动的方式、致动器工作原理、驱动点椭圆运动形态的产生及调节方法进行了研究,验证了基于低刚度带驱动齿平梁连接方式产生及调节超声致动器驱动点椭圆运动形态的有效性、低刚度梁与旋转对称结构相结合构造振子对避免模态简问题的作用。
[Abstract]:This paper studies the characteristics of piezoelectric ceramics , the vibration mode of the beam and the principle of single - degree - of - freedom actuator . It has been used in the fields of aerospace , optical instrument , micro - electro - mechanical system , robot , semiconductor manufacturing , medical device , etc . This paper studies the motion form of single drive point and the actuating method of actuator , and develops the principle prototype of two new ultrasonic actuator with single point actuation . The method of multi - modal excitation and mode switching is used to generate and adjust the elliptical motion of the driving point .
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB552

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