非共振式压电直线电机的研究及其在多自由度平台中的应用

发布时间：2020-07-15 15:20

【摘要】：压电直线电机具有定位精度高、响应速度快、设计灵活、不受电磁干扰等特点,在新兴前沿科技领域中有广阔的应用前景。近年来,压电直线电机在多国研究者的广泛关注下得到了快速的发展,许多发达国家都凭借着先进的理念与多年技术积累将压电电机技术推向产业化的发展方向,尤其是在精密平台系统中,新技术与新产品层出不穷。在中国制造2025背景下,我国核心技术发展正面临巨大的机遇与挑战,研制以压电电机为基础、具有自主知识产权的精密运动平台、促进多自由度平台应用的产业化发展,将会有力推动我国精密驱动与定位技术的发展。本课题在国家自然科学基金面上项目(No.51375224)“压电驱动的六自由度工作台及控制方法”和中航工业产学研项目(N0.CXY2013NH09)“高精度微位移光学稳像技术”的资助下,以研究和设计应用于精密运动平台中的非共振式压电直线电机为目标,开展了非共振式压电直线电机的运动模型建立、设计准则总结、性能仿真分析、电机实验验证、评价方法归纳等多方面的研究工作,遴选综合性能较为优秀的样机应用于多自由度精密平台,加工装配样机并进行性能试验,所设计的平台实现了高精度、大行程、快响应的作动。本论文研究的主要内容和成果如下:1.总结压电直线电机和多自由度运动平台的特点、分类以及研究现状。通过调研国内外压电直线电机和多自由度运动平台的发展历程、研究现状和应用前景,指出了深入研究压电直线电机及其在多自由度平台中应用的重要意义。2.根据国内外研究成果的调研,选取非共振式压电直线电机作为研发对象,系统地分析了非共振式压电直线电机的核心元件叠层压电陶瓷的性能指标、核心输出部件定子结构工作机理与设计准则、电机外围结构的设计方法、压电直线电机的LuGre接触摩擦模型。3.提出双足驱动非共振式压电直线电机的模型建立方法,并依据模型分析了电机的三种工作模式。根据提出的模型设计了三种不同形式的双足非共振式压电直线电机,采用理论与仿真相结合的方式对电机性能进行了分析,样机实验表明,依据提出的模型设计的三种电机行程大(与所采用导轨行程相同)、分辨率高(可达0.1μm)。4.提出一种惯性非共振式压电直线电机的设计理论,系统地分析了该电机的作动机理,通过理论建模与有限元仿真相结合的方式对电机结构进行了优化设计,定子采用长柔铰放大式的设计,使得该种电机结构紧凑便于小型化与集成化,样机实验表明优化后的电机满足了多种设计要求:定子的驱动足横纵向输出位移得到了放大、输入信号频率与电机输出速度拥有较好的线性度、电机位移分辨率小于1μm。5.分析所述对称原理样机、杠杆放大式电机、对称长柔铰式电机在实验中的问题,改进设计了一种双柔铰导向层叠式非共振压电直线电机,阐述了该电机的工作原理、性能特点,总结了本文提出的五种不同形式非共振压电直线电机的性能参数,提出了量化评价方法,并遴选性能较为优秀的两种样机进行了二自由度运动平台的结构设计与性能试验。6.根据所研制的二自由度运动平台的结构特点,设计了一种串并联结合的六自由度运动平台,构建了平台的理论模型与基本控制策略,通过仿真修正了多自由度平台的控制策略,各自由度的性能试验表明所设计的平台实现了较高精度(平动分辨率小于1μm、转动分辨率小于0.002°)、较大行程(平动行程等于所采用导轨行程,转动行程适用于高精度应用领域)、快响应(启停响应时间在几十毫秒级)。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM359.4;TH703
【图文】：

压电电机,大行程,专利,压电

依靠摩擦力驱动动子产生大行程的运动；而在对称激励，是一种单相驱动方式；压电驱动行被用于交替的箝位和移动动子，这种电机中的非共振式电机，通常利用叠层压电陶瓷作为驱Pierre Curie 发现，而逆压电效应在 1881 年由验证实。1917 年，Langerivin 利用石英的压电发现以后，利用该效应实现大行程运动的尝试er 申请的美国专利中提出了一种由压电板、中过提供合适的信号产生适应的扭转模态使得中 Wiilliams 和 Brown 在专利中提出了将多个压动的压电原理样机如图 1.2 所示[7]。

压电电机

图 1.3 1965 年 V. Lavrinenko 介绍的压电电机图 1.4 1962 年 Stibitz 提出最早的尺蠖电机综合各种类型的压电作动器，共振式压电电机，即超声电机是被研究的最多的一种作动器。定子以不同的形式与弹性元件组合产生不同的振动，将压电元件产生的变形转换到需要的方向。任何的共振式电机都可以分为两种形式，定子上产生的运动形式一般为线运动或椭圆运动，产生这两种运动的方式千差万别，如果在一个定子上只有一个共振模态被激发出来，可以认为这种电机是单模态激发型，而如果激发的共振模态多于一个，就被称为多模态激发型。为了使定子做椭圆运动，需要在定子上激发出单模态或者在两个方向激发出具有一定相位差的模态。回顾超声电机的发展历史，来自各国的研究者都对电机研究做出了不同程度的推进。继 20 世纪 50 年代中期，锆钛酸铅被发现具有压电材料后，多种新型电机被设计出来，多家知名企业 Siemen，Matsushita，IBM 等参与到压电电机的生产制造中，其中，IBM 的Bath 利用驱动足成楔形的压电振子与转子接触通过摩擦来驱动转子进行转动，但是其推动力较小，性能无法满足实用要求[14]。20 世纪 70 年代，前苏联科学院院士 Piotr Vasilijev 使用兰杰文夹心振子制作压电电机如图 1.5[15]，其后，日本学者 Sashida 在此基础上研发了驻波型旋转压电电机，并且研制了圆环形压电振子，如图 1.6 所示其拥有直梁和环梁两种不同结

尺蠖,电机,压电电机

【参考文献】