四足差动作动压电直线电机的研究

发布时间：2020-03-20 20:34

【摘要】：微纳米级精密驱动与定位技术是精密光学、现代医疗、生物技术、超精密加工、航空航天等领域的主要支撑技术之一。压电陶瓷的逆压电效应以其精度高、响应快、结构紧凑、能量密度高等特点在精密驱动技术中得到了广泛应用。为了在较低的电压驱动下实现高位置分辨率和大行程的作动,以机械串联、电学并联为特点的叠层压电陶瓷显示出了特出的优势,并在微纳运动控制应用场合中得到重视。然而,随着自动化运动控制系统对执行器需求的提高,系统对执行器提出了大行程和高精度的双重需求,限于执行机构的体积和叠层压电陶瓷微米量级输出行程,现有压电执行器难以兼顾上述需求。为获得高精度和大行程兼具的直线驱动装置,本文提出了用四组叠层压电作动器以差动作动的方式实现步进直线运动的压电直线电机。该电机在两种工作模式下能够分别实现高分辨率和大行程的作动—叠层压电陶瓷可在单步范围内实现高分辨率的纳米级致动,四组叠层作动器差动作动可以实现大行程的运动输出,理论上可以实现行程无限制。主要研究内容如下:首先阐述了压电直线电机的特点及其分类,对压电直线电机的研究进展进行了综述,并对比了不同原理作动方式的特点。总结了现有高分辨大行动压电作动系统的发展趋势。根据单个叠层压电陶瓷实现大行程作动的原理,并对其材料、结构特点、基本特性以及装配要求进行了分析。分析了差动作动原理,建立多足差动作动动力学模型,在此基础上分析了差动作动方式的能量转换效率。根据多足差动作动的动力学模型,提出了四足差动作动压电直线电机的工作原理,通过分析一个运动周期内四足及滑台的运动状态对四足差动作动的控制方法进行了分析,并提出了电机的设计准则。对驱动足各功能部件的设计要求(包括叠层压电直线电机的封装设计、柔性转接头的应用、位移转换机构的设计和耐磨陶瓷球的选用)进行的研究。根据电机预压机构的原理对其结构设计并设计电机动子的导向结构。对封装叠层压电陶瓷中施加预紧力的关键零件进行了静力分析。对整个封装叠层压电陶瓷进行了动力学分析。阐述了激励信号的实现方法。在上述基础之上,试制了四足差动作动压电直线电机样机。搭建了样机性能测试实验平台。在行程为150mm的滑台上进行实验。样机实验结果表明:在设定的四相电压激励下,样机实现了稳定的步进运动,成功验证了四足差动作动原理。在此基础上,分别研究了驱动电压、频率、预压力对电机输出特性的影响。实验表明,样机的工作电压范围为30V-100V,驱动步距和运行速度随着电压的增大而增大;样机的工作频率范围为1Hz-120Hz,运动步距和驱动速度随着频率的增加先增大后减小。在电压100V、频率100Hz的激励下,电机的输出速度最快,为960μm/s;在电压30V、频率120Hz的激励下,电机的输出步距最小,为0.26μm。在电压100V、频率100Hz的激励下,滑台的水平承载力最大,达到25N。
【图文】：

压电直线电机,精密驱动,典型场

在需要加工精度高、定位精准的场合。稳定精确的输出事关生产的质量和仪器的精度，压电直线电机以其微纳米的运动精度和定位精度已经广泛的应用在精密、超精密加工、半导体光刻、芯片制造领域、光学仪器、精密工作台上。图 1. 1（a）所示为压电直线电机在精密光学系统的应用。例如在电子显微镜，扫描隧道显微镜，扫描电子显微镜等光学仪器中，压电直线电机起到了精密驱动和定位的作用。图 1. 1（b）所示为压电直线电机在精密和超精密加工的应用，压电直线电机实现了大多数传统驱动方式无法实现的高精度的驱动定位能力，实现了生产加工能力的大幅提升。图 1. 1（c）所示为在压电直线电机在精密位移平台上的应用，能够保证精密位移平台所携带的物体实现精密运动，因此压电直线电机在精密位移平台上属于核心部件。另外对于半导体光刻和芯片制造领域来说，，微小芯片上的集成电路复杂而细密，需要有专门的光刻机来完成制造。光刻机属于世界上人类制造的尖端设备，价格超过一亿美元。掌握其核心技术或者找到其替代品对于我们国家的芯片生产制造会产生革命性的变革，并打破西方国家对其技术的垄断，将会大大降低我国芯片制造的成本。

核磁共振,白细胞,压电直线电机,电磁干扰

(a)液压驱动方式进行的细胞穿刺（b）压电直线电机驱动的细胞穿刺图 1. 2 白细胞穿刺效果对比在需要隔离电磁干扰、高温、低温的场合。由于原理的优势，压电直线能够隔离电磁干扰，还能适应较宽的温度范围，一般是从零下几十度到零十度。如图 1. 3 所示为压电直线电机用于隔离电磁干扰的典型应用场合。（a）磁悬浮列车 (b)核磁共振图 1. 3 压电直线电机用于隔离电磁干扰的典型应用场合
【学位授予单位】：华侨大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM359.4

【参考文献】