混合驱动式压电多自由度驱动器理论与试验研究

发布时间：2020-04-18 11:05

【摘要】：近年来,随着科学技术的发展,在微/纳操作、精密光学、生物医学、超精密加工制造、航空航天等诸多高尖端技术领域,微/纳米级别的定位驱动技术对定位驱动系统的行程和精度有着越来越高的要求。截止目前,传统的定位驱动装置已经无法满足上述众多领域对高精度定位驱动技术的迫切需求。面向这些需求,具有精密定位驱动功能的新型压电驱动器应运而生,其中,以压电元件优良动态特性致动的惯性冲击式和尺蠖式驱动器,在精密定位驱动领域发展得尤为突出。相较于传统的驱动装置,这些新型压电驱动器往往因具有更紧凑的结构、更高的精度、更迅速的响应、更大的驱动力以及更大的运动行程,在上述诸多领域中得到广泛的应用。然而,传统的压电陶瓷类驱动器主要为单自由度的机械式结构,输出形式比较简单,而且输出位移较小,这严重限制了其自身在更多压电驱动技术领域的应用。此外,对于一些传统的压电晶片型驱动器而言,往往因不能克服重力影响,而无法高效满足竖直方向微/纳米级别高输出精度和高承载能力的要求。因此,设计一种结构紧凑、输出力大、重复定位精度高,且能同时兼具直线运动和旋转运动输出的微小精密压电驱动器是相当重要的。针对现有惯性冲击式和尺蠖式驱动器分别主要因承载力小、输出自由度单一的问题,本文提出了惯性冲击原理、尺蠖驱动原理相结合的混合驱动方案,系统分析了各运动单元驱动原理及对应机械结构的动力学模型,仿真模拟了其工作状态下的变形、应力分布各阶及模态振型,并在此理论基础上试制了驱动器原型样机。此外,通过搭建试验系统对所研制的驱动器进行运动输出特性测试,测得其直线运动单元运动分辨率为2.15μm,最大步进位移可达8.62μm,最大承载为93 g;旋转运动单元最小步进转角为46.62μrad,最大步进转角为761.22μrad,最高步进转速可达6031.68μrad/s。试验结果表明,本文提出的混合驱动式压电多自由度驱动器,能够满足重力方向微/纳米级别的高精度旋转/直线输出和高承载能力的要求,解决了目前压电双晶片型惯性冲击式驱动器驱动力不足,构尺寸大、输出自由度单一,承载能力小,在重力方向无法精密驱动而只能宏观运动,且更换驱动机构进行精密运动时会造成宏/微切换产生绝对位移偏差等问题。本论文的研究工作对拓展压电精密驱动技术的应用领域能够起到一定的推动作用,在微/纳操作、精密光学、超精密加工制造、航空航天等诸多高尖端技术领域有着广阔的应用前景。
【图文】：

运动原理,基本组成,驱动器,惯性冲击式

吉林大学硕士学位论文下降沿的作用下①→②，，压电元件迅速伸长，推动冲击质量块时，冲击质量块产生向左的惯性力大于地面摩擦力，推动主质个步长；当激励电压信号缓慢增长时②→③，压电元件缓慢缩块向左慢速运动。此时冲击质量块产生向右的惯性力小于地面相对地面保持不动，就整体而言，整个装置向左移动一步。上述步骤，即可实现连续的单向位移。

摩擦式,驱动单元,推拉,惯性

第 1 章绪论 1989 年日本东京大学 T. Higuchi 等人的课题组为代表的研究机构起步最究也最为系统。该课题组成员除了讨论压电元件的快速变形机理，还研发应用于微机器人手臂、自动装配线、电火花加工的惯性摩擦式压电驱动器[2后，东京大学的 Torii 等人于 1997 年利用压电元件和电磁元件开发了多自性驱动机构，该驱动器的输出平动速度达到 190 μm/s、转动速度达到 9.5 m小平动位移为 190 μm，最小转动位移为 0.1 mrad[25]。紧接着于 2003 年， A. Bergander 等人研制了可应用于显微镜微驱动定位平台的惯性摩擦式动器。通过在压电晶片上设置电极，在晶片和基板上安装丘状凸起，利用蠕动来达到推动动子运动的效果。该驱动器结构尺寸仅为 8×8×0.5 mm直径 5.5 mm，可以获得单步 280 nm 的高精度步距[26]。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM46

【参考文献】