摩擦驱动型非共振压电叠层直线电机的研究

发布时间：2019-09-07 08:36

【摘要】：直线压电电机以其结构简单、环境适应性好、定位精度高等优点在微纳机电系统、航空航天、机器人等装备上展现了广阔的发展前景。欧美和日本等发达国家的直线压电电机已经开始产业化,并有成熟产品用于火星探测、光学聚焦、生物医学等高新科技领域,但其核心技术处于严格保密状态。针对新兴领域对大行程、高精密驱动技术的迫切需求,自主研发稳定性好、大行程和高精度的直线压电电机,对打破国外技术封锁,促进我国新兴技术领域的发展具有重要意义。直线电机可分为共振型和非共振型,共振型直线压电电机的稳定性差,对加工精度要求也十分苛刻,迄今为止,尚不能解决大行程与高精度定位的稳定性问题,且分辨率不高、速度可控性较差。为提高大行程直线电机的位移分辨率和运行稳定性,本课题利用压电叠层具有输出力大、位移重复性好的优点,在非共振状态下实现了高精度的摩擦驱动。本文主要内容包括:1、分析现有直线超声电机和非共振直线压电电机的各自优势和存在的不足,指出了深入进行直线超声电机研究的必要性。通过分析压电叠层的电学特性和机械特性,对压电叠层作动系统的动态特性进行了研究,为压电叠层作动系统的柔性设计提供依据。2、结合超声电机的摩擦驱动机理和现有的非共振压电电机技术,提出了利用柔性三角位移转化原理实现直线压电电机的非共振摩擦驱动技术。参照超声电机椭圆运动轨迹生成方法,研究了非共振柔性定子驱动足椭圆运动轨迹的形成理论和该类型电机的工作原理。提出具有双向柔性的电机定子结构和具有理想单自由度的定子夹持机构。通过设计、制作样机并进行实验测试,形成柔性定子摩擦驱动型压电叠层直线电机定子及其总体结构的设计方法。实验发现:柔性定子摩擦驱动型直线压电电机能够在1k Hz范围内运行,且稳定性好,但其输出力不大。3、为弥补柔性定子所引起的电机推力较小的不足,提出压电叠层作动系统的“三明治”刚度结构,构建具有刚性定子结构的非共振摩擦驱动直线压电电机。通过研究刚性定子驱动足端部椭圆运动轨迹的形成理论,获得该类型电机的速度特性。建立了电机定子的振动学模型,通过对电机定子进行动力学特性分析,建立非共振型直线压电电机的纵向振幅与其推力特性的关系。通过设计、制作样机并进行实验测试,总结刚性定子摩擦驱动型压电叠层直线电机总体及其定子的设计方法。实验结果表明:刚性定子摩擦驱动型直线电机能够在较宽的频率范围内运行平稳,该类型电机速度与激励频率、激励电压近似成线性关系。与柔性定子结构相比,该类型电机的输出力提高了一个数量级。4、分析非共振直线压电电机实现摩擦驱动的理想模型,提出利用压电叠层作动系统在非共振状态下实现椭圆运动轨迹的两种方式。建立电机系统的纵向振动模型,分析了非共振摩擦驱动型电机的振动脱离特性。针对非共振直线压电电机定、动子间的间歇接触特性,对电机定、动子接触界面进行研究,建立基于库仑摩擦模型的非共振接触动力学分析模型,用于研究电机稳态输出特性的变化规律。实验结果表明:所建模型能够反映电机运行特性的总体趋势,有助于电机性能的预测和优化。5、在摩擦驱动机理的基础上提出差动摩擦驱动原理、结构形式和电激励方式。对差动摩擦型压电叠层直线电机的工作机理进行研究,分析影响差动摩擦性能的主要因素,揭示了频率和预压力对差动摩擦驱动性能的影响规律。研究恒压力差和变压力差两种情况下电机的运动特性,提出差动摩擦非共振直线压电电机在不同频域内的三种运行模式。研究结果表明:该型电机能够在更低频率(20Hz)下稳定运行;在中、高频域内其开环分辨率为微米级,在低频域内开环分辨率可达纳米级。总之,本课题提出的摩擦驱动型压电叠层直线电机对定子的加工精度要求不高,几乎不受温度等环境影响,能实现宽频域(工作频率范围约1k Hz)内稳定的非共振摩擦驱动,差动摩擦型电机的开环分辨率最高可达12nm。
【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】：2014
【分类号】：TM359.4

【参考文献】