双弯曲螺杆型压电作动器设计制作与实验研究

发布时间：2017-08-05 08:01

  本文关键词：双弯曲螺杆型压电作动器设计制作与实验研究

  更多相关文章： 压电作动器 精密螺旋传动 压电振动 旋转直线运动

【摘要】：压电电机是近年来迅速发展起来的一种新型电机,它是以压电材料的逆压电效应为电机的驱动源,迫使其电机定子产生振动,进而通过转子与定子间的摩擦副传递力和力矩。由于压电电机驱动原理与传统的电磁型电机不同,具有结构紧凑、体积小、易于实现微型化等特点,能够满足人们对微型驱动器提出的诸多新要求,在医疗、航天、微机电系统(MEMS)等一些磁场敏感度高且高定位精度要求的领域有着广泛的应用。本文将精密螺旋传动和压电振动相结合,提出一种双弯曲螺杆型压电作动器。作动器主要是利用自由约束的圆柱体在空间上相互正交的两个一阶弯曲振型,将压电陶瓷片置于其最大应变处,通过振动的叠加在定子驱动端的内表面合成一个驱动行波,通过螺纹副实现了输出轴的旋转-直线运动的输出。首先,介绍了该压电作动器的结构及其工作原理,包括自由梁的弯曲振动,压电元件的振动模式,定子端面行波的合成,定子端表面质点椭圆运动的形成,以及螺纹驱动的机理。通过对作动器驱动机理的分析,为其结构设计提供了理论依据。其次,根据理论分析,在ANSYS有限元分析软件中建立作动器定子有限元模型。通过对作动器定子的模态分析和谐响应分析,得出了定子材料参数和结构尺寸对定子工作频率和端面振幅影响的关系曲线,借此进行定子结构的优化设计,从而确定了定子结构参数的具体尺寸。最后,根据定子结构优化设计的结果制作了实验样机和专用驱动电源,通过具体的测试数据验证了理论分析和仿真研究的正确性。在驱动频率15.8kHz、电压峰峰值为300V的情况下,该作动器的最大输出力为2.5N,最大空载速度为1.146mm/s。
【关键词】：压电作动器 精密螺旋传动 压电振动 旋转直线运动
【学位授予单位】：太原科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM302
【目录】：

• 中文摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 绪论9-20
• 1.1 本文研究背景及意义9-10
• 1.1.1 研究背景9-10
• 1.1.2 研究意义10
• 1.2 压电电机的发展及研究现状10-15
• 1.2.1 压电电机的发展10-13
• 1.2.2 螺纹驱动型压电电机的研究现状13-15
• 1.3 压电电机的特点、分类及应用15-19
• 1.3.1 压电电机的特点15-17
• 1.3.2 压电电机的分类17
• 1.3.3 压电电机的应用17-19
• 1.4 主要研究内容19-20
• 第二章 双弯曲螺杆型压电作动器设计与分析20-40
• 2.1 压电分析20-28
• 2.1.1 压电效应与逆压电效应20-21
• 2.1.2 压电材料的性质21-28
• 2.2 弯曲振动分析28-31
• 2.3 作动器结构设计31-32
• 2.4 驱动原理分析32-38
• 2.4.1 作动器的工作原理32-34
• 2.4.2 端面行波的产生34-36
• 2.4.3 端面质点运动轨迹36-37
• 2.4.4 有效驱动分析37-38
• 2.5 本章小结38-40
• 第三章 作动器材料选择与参数优化40-51
• 3.1 模态分析概述40-42
• 3.2 定子有限元模型建立42-44
• 3.2.1 结构单元选择42
• 3.2.2 材料参数与尺寸参数42-44
• 3.2.3 模型建立与网格划分44
• 3.3 定子结构的模态分析及工作模态的选择44-45
• 3.4 定子的材料选择与结构优化45-50
• 3.4.1 定子材料的选择45-48
• 3.4.2 定子结构优化48-50
• 3.5 本章小结50-51
• 第四章 双弯曲螺杆型压电作动器实验研究51-59
• 4.1 实验样机与实验装置51-52
• 4.1.1 实验样机51-52
• 4.1.2 实验装置52
• 4.2 作动器的模态实验52-53
• 4.3 作动器输出性能测试53-55
• 4.3.1 作动器输出速度与驱动频率的关系53
• 4.3.2 作动器输出速度与相差的关系53-54
• 4.3.3 作动器输出特性与驱动电压的关系54-55
• 4.3.4 作动器机械特性55
• 4.4 驱动电源设计55-58
• 4.5 本章小结58-59
• 第五章 总结和展望59-61
• 5.1 全文总结59-60
• 5.2 本文的创新点60
• 5.3 今后研究工作展望60-61
• 参考文献61-65
• 致谢65-66
• 攻读硕士学位期间发表的论文及学术成果66-67

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本文编号：623811