压电步进式直线驱动器的设计及实验研究

发布时间：2020-04-17 17:08

【摘要】：随着科技的蓬勃发展,微机电系统领域对驱动元件在位移精度、结构小型化、轻量化方面有越来越高的要求,为适应工业发展需求,国内外涌现出诸多新型驱动器,其中,压电驱动器以其精度高、响应快、可靠性强等优点成为了研究热点。本文通过对比国内外精密驱动器的研究现状及特点,结合压电驱动器的优势,提出了一种压电双足直线驱动器,该驱动器通过将定子元件采用压电叠堆与柔性铰链一体化的设计,简化了装配环节,实现了高精度、大行程、快速连续的驱动。通过对柔性铰链的优化设计及相关实验研究,验证了该驱动器的优异性能。本文具体研究工作如下:首先,阐述了驱动器的研究背景,按照驱动原理的不同,对精密驱动技术的分类进行了详细阐述。介绍了压电驱动器的工作原理,总结了其主要特点,对四类压电驱动器的性能及发展现状进行了详细的分析,通过对比国内外相关压电驱动器,结合压电驱动器的基础理论知识与优势,提出了本研究的主要内容及研究意义。然后,介绍了压电陶瓷的基本理论,分析了压电叠堆驱动器的原理特点,依据压电叠堆驱动器的特性、适用领域,提出了本课题以压电叠堆作为驱动器的驱动源。其次,提出了压电单足直线驱动器,详细分析了其系统组成和工作原理,设计并制作了定子及夹持机构,对结构的传动部分柔性铰链进行了分类及基础理论分析,设计并优化了柔性铰链的结构,通过ANSYS仿真软件对其进行了力学仿真及整机模态分析,证实了该结构设计的合理性和可行性。搭建压电单足直线驱动器实验平台,对驱动足进行输出性能测试,验证结构设计的可行性,对驱动足切向位移与电压、频率的关系进行测量,发现通过改变电压可以控制切向位移的输出,验证了驱动足可以在较宽的频带内工作。对压电单足直线驱动器步进模式进行实验研究,发现驱动器的运动速度随着激励频率的增大而提高;在连续驱动模式下,随着激励频率的增大,压电单足直线驱动器的速度逐渐升高,在驱动频率为2.2k Hz时,驱动器空载时达到最大速度为7.6mm/s,最大输出力为3.8N。最后,由于压电单足直线驱动器需要施加较大的激励频率,才能保证驱动器沿一个方向运动一个较大的位移,因此,在压电单足直线驱动器的基础上,将两个驱动足并排放置,提出了压电双足直线驱动器。文中详细分析了压电双足直线驱动器的结构,介绍了两个驱动足差动协调驱动的工作原理,利用MATLAB软件编写双足驱动器的控制程序,搭建实验平台,验证双驱动足与驱动杆接触状态良好。通过对双驱动足交替驱动输出性能进行测试,得到了驱动杆的位移响应上升直线,验证了双足低频交替驱动的原理,并对驱动器进行了负载特性实验研究,发现随着负载逐渐增大,驱动器的运动速度逐渐减小,二者基本呈线性关系。
【图文】：

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其工作原理是利用逆压电效应，在超声频域内，激发原件产生振动，通动子、定子间的摩擦耦合，实现电能与机械能的转换并实现动子的机械超声压电驱动器有直线、旋转两种运动形式，根据其振动形态，压电超可划分为驻波型、行波型、复合型等类型[30]。压电驱动器的国内外发展现状1）压电步进式驱动器压电步进电机在机电一体化中，是很实用又具有代表性的元件。因为其信号转换之后，来驱动执行机构，因此又称为阶跃电动机，国外称Motor 等。随着微纳技术的蓬勃发展，航空航天、微电子系统、光学工动器的要求提升至微纳米级[31]，因此，压电步进驱动器得到了广泛的应，由表 1.1 可以看出，与其他压电驱动器相比，压电步进式驱动器综合大。目前，，压电步进驱动器不但得到广泛应用，并且地位也愈发重要

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要求提升至微纳米级，因此，压电步进驱动器得到了广 1.1 可以看出，与其他压电驱动器相比，压电步进式驱动前，压电步进驱动器不但得到广泛应用，并且地位也愈图 1.1 压电步进式双箝位图.1 所示，压电步进式驱动器工作机理类似于尺蠖[32]，在电动方式为箝位-驱动-箝位，给双箝位和压电驱动体施加环，可形成步进驱动。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN384

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