双自由度压电驱动器的设计分析与试验
发布时间：2021-07-06 12:22
现如今,随着科学技术的发展,微观领域逐渐获得了人们的广泛关注,在航空航天领域、超精密机床、微小机器人、MEMS等前沿技术领域,微纳米驱动与定位成为了重中之重。但是,现有的传统的驱动装置无法跟上前沿科学领域的发展,面对前沿科学的快速发展,压电精密驱动技术与仿生驱动技术孕育而生。其中摩擦惯性驱动器和尺蠖型驱动器因为其行程大,机构紧凑,精度高等优点得到了显著发展,并应用于前沿科学中去。因此,设计一款精度高、大行程且驱动力大的驱动器则显得尤为重要。摩擦惯性驱动器与尺蠖型驱动器可以克服驱动器行程小、低分辨率等问题,故近年来得到了广泛的发展。但是却有驱动力小,自由度单一等问题,故本文在分析了国内外众多驱动器的优点与缺点后,综合了步进式驱动原理与柔性铰链等相关知识,提出了惯性摩擦与尺蠖驱动双结合的方式,利用了压电叠堆与柔性铰链放大机构,通过对驱动单元与钳位单元的控制,实现了直线与旋转双自由度的运动方式。于此同时,在现有的实验器材下,设计了一款多自由度的压电驱动器,并对结构进行了仿真与模态分析,确保了驱动器的可行性与实用性。此外,搭建了以此驱动器为核心的实验系统,主要包括了软件硬件部分,并完成所设计压...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：93 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
精密驱动装置的应用
吉林大学硕士学位论文4图1.3南航研究的超声电机1.2.2直驱式压电驱动器直驱式压电驱动器的工作原理主要是直接利用压电材料（压电叠堆，压电片等）产生位移，并通过柔性铰链等机构对位移进行放大和缩小，进而实现精密的驱动与控制。由于采用柔性铰链与压电叠堆共同作用，故直动式压电驱动器具有结构简单、驱动力大、利于控制等优点[22-24]。目前此技术十分成熟，上世纪，美国、德国、日本、英国等国家知名精密加工公司（TOKIN、DSM、Queensgate等公司）已经展开了系统的研究，成功研制了多款运动形式的驱动器[25-27]。国内吉林大学与哈工大博实公司也在这之后展开了对直线驱动器的研究，上海交通大学的Lei-JieLai,Guo-YingGu,andLi-MinZhu[28]等人，对直动式驱动器展开了理论与实验研究，取得了较好的进展，图1.4为激光位移测量下的驱动器。其利用了柔性铰链直接放大压电材料的小位移，测试其最大的位移为67.66μm，可实现对位移平台的精密驱动。
第1章绪论7电材料设计一款多自由度微操作机器人手臂[33]，如图1.8，该设备利用由冲击力驱动的运动机制来移动目标对象。机械手的冲击力可以使牢固地固定在基座上的物体免受静摩擦的影响。由冲击力驱动的运动机构可以行进很长的距离运动通过改变精密装卸平台的物件，就可以实现多种几何形状进行驱动，其最大速度为5mm/s，最大驱动力为13N，定位分辨率为0.1μm。并且此驱动器由多个模块组成，可以实现多种几何配置，例如线性定位设备，三自由度设备等。精密装卸平台机械手主体皮带输送机零件存放区图1.8东京大学YutakaYamagata设计的微型机器手臂2009年，德国F.Claeyssen等人方明了一款基于摩擦惯性式拉杆机构，如图1.9（a），该机构结构紧凑，通过连接杆和位移放大器将叠堆产生的位移进行输出，其直线分辨率可达5.5nm，最高速度可达20mm/s，可满足于需要精密操控与微小空间要求的结构中[34]。加拿大B.Drevniok等人设计的基于粘滑特性的压电驱动器，如图1.9（b）作者通过电机来垂直移动三个被剪切极压电板夹住的轴，轴的一侧由弹簧固定，可手动调节夹紧力。他还在机构中采取设置位移传感器用于测试电动机的性能，并确定最小电压极限，理想弹力和最大可移动质量。经过1500次最大峰值电压70V的信号周期下，测得在克服重力下其平均步长为74±2nm，在有重力影响下其平均步长为97±4nm，由于压电材料的优良属性已经精密控制，解决了在极高的磁场和极低的温度下操作扫描探针所带来的技术挑战，满足于扫描探针显微镜的要求[35]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]行走式尺蠖压电直线驱动器研究现状及关键技术综述[J]. 马立,周莎莎,王坤. 微电机. 2012(07)
[2]平面三自由度惯性压电叠堆移动机构研究[J]. 温建明,马继杰,程光明,曾平,阚君武. 中国机械工程. 2010(18)
[3]应用惯性冲击原理的非对称夹持式压电旋转驱动器的设计[J]. 李晓韬,程光明,杨志刚,马希里,曾平. 光学精密工程. 2010(01)
[4]提高蠕动式压电直线驱动器输出力的研究进展[J]. 张兆成,胡泓. 微特电机. 2009(12)
[5]高速大推力直线型超声电机的设计与实验研究[J]. 李玉宝,时运来,赵淳生,黄卫清. 中国电机工程学报. 2008(33)
[6]尺蠖型压电驱动器的闭环控制[J]. 赵宏伟,杨志刚,范尊强,张志宇,吴博达,程光明. 光学精密工程. 2008(09)
[7]内窥镜诊疗微型机器人发展概述[J]. 王辉静. 大众科技. 2008(04)
[8]新型惯性式压电旋转驱动器[J]. 温建明,程光明,曾平,杨志刚. 吉林大学学报(工学版). 2007(05)
[9]基于粘滑驱动的球基微操作器动力学建模与分析[J]. 郭伟,汪盛,李满天,孙立宁. 机械工程学报. 2007(04)
[10]纳米级步距压电电动机的精密驱动电源[J]. 赵美蓉,胡长德,林玉池. 压电与声光. 2007(02)
博士论文
[1]步进式压电驱动基础理论与试验研究[D]. 李建平.吉林大学 2016
[2]新型压电尺蠖精密驱动器柔性机构分析与实验研究[D]. 张兆成.哈尔滨工业大学 2010
[3]压电陶瓷微定位系统的逻辑规则控制研究[D]. 林伟.华中科技大学 2007
[4]微小管道机器人用惯性式压电执行器的研究[D]. 杨志欣.大连理工大学 2008
[5]压电步进二维精密驱动器理论及实验研究[D]. 刘国嵩.吉林大学 2006
[6]压电式粘滑精密运动机构驱动理论与实验研究[D]. 华顺明.吉林大学 2005
硕士论文
[1]混合驱动式压电多自由度驱动器理论与试验研究[D]. 周明星.吉林大学 2018
[2]步进式压电驱动直线运动系统的研究[D]. 刘宇阳.哈尔滨工业大学 2017
[3]多自由度仿生压电精密驱动器设计分析与试验研究[D]. 曲涵.吉林大学 2014
[4]新型非共振型直线压电电机的研究[D]. 张胜.南京航空航天大学 2012
[5]多足箝位式压电直线电机的研究[D]. 潘雷.南京航空航天大学 2012
[6]用于医学超声的1-3型压电复合材料性能的有限元研究[D]. 解妙霞.陕西师范大学 2006
[7]回转式微动压电电动机及其驱动电源的研究[D]. 胡长德.天津大学 2006
本文编号：3268235
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：93 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
精密驱动装置的应用
吉林大学硕士学位论文4图1.3南航研究的超声电机1.2.2直驱式压电驱动器直驱式压电驱动器的工作原理主要是直接利用压电材料（压电叠堆，压电片等）产生位移，并通过柔性铰链等机构对位移进行放大和缩小，进而实现精密的驱动与控制。由于采用柔性铰链与压电叠堆共同作用，故直动式压电驱动器具有结构简单、驱动力大、利于控制等优点[22-24]。目前此技术十分成熟，上世纪，美国、德国、日本、英国等国家知名精密加工公司（TOKIN、DSM、Queensgate等公司）已经展开了系统的研究，成功研制了多款运动形式的驱动器[25-27]。国内吉林大学与哈工大博实公司也在这之后展开了对直线驱动器的研究，上海交通大学的Lei-JieLai,Guo-YingGu,andLi-MinZhu[28]等人，对直动式驱动器展开了理论与实验研究，取得了较好的进展，图1.4为激光位移测量下的驱动器。其利用了柔性铰链直接放大压电材料的小位移，测试其最大的位移为67.66μm，可实现对位移平台的精密驱动。
第1章绪论7电材料设计一款多自由度微操作机器人手臂[33]，如图1.8，该设备利用由冲击力驱动的运动机制来移动目标对象。机械手的冲击力可以使牢固地固定在基座上的物体免受静摩擦的影响。由冲击力驱动的运动机构可以行进很长的距离运动通过改变精密装卸平台的物件，就可以实现多种几何形状进行驱动，其最大速度为5mm/s，最大驱动力为13N，定位分辨率为0.1μm。并且此驱动器由多个模块组成，可以实现多种几何配置，例如线性定位设备，三自由度设备等。精密装卸平台机械手主体皮带输送机零件存放区图1.8东京大学YutakaYamagata设计的微型机器手臂2009年，德国F.Claeyssen等人方明了一款基于摩擦惯性式拉杆机构，如图1.9（a），该机构结构紧凑，通过连接杆和位移放大器将叠堆产生的位移进行输出，其直线分辨率可达5.5nm，最高速度可达20mm/s，可满足于需要精密操控与微小空间要求的结构中[34]。加拿大B.Drevniok等人设计的基于粘滑特性的压电驱动器，如图1.9（b）作者通过电机来垂直移动三个被剪切极压电板夹住的轴，轴的一侧由弹簧固定，可手动调节夹紧力。他还在机构中采取设置位移传感器用于测试电动机的性能，并确定最小电压极限，理想弹力和最大可移动质量。经过1500次最大峰值电压70V的信号周期下，测得在克服重力下其平均步长为74±2nm，在有重力影响下其平均步长为97±4nm，由于压电材料的优良属性已经精密控制，解决了在极高的磁场和极低的温度下操作扫描探针所带来的技术挑战，满足于扫描探针显微镜的要求[35]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]行走式尺蠖压电直线驱动器研究现状及关键技术综述[J]. 马立,周莎莎,王坤. 微电机. 2012(07)
[2]平面三自由度惯性压电叠堆移动机构研究[J]. 温建明,马继杰,程光明,曾平,阚君武. 中国机械工程. 2010(18)
[3]应用惯性冲击原理的非对称夹持式压电旋转驱动器的设计[J]. 李晓韬,程光明,杨志刚,马希里,曾平. 光学精密工程. 2010(01)
[4]提高蠕动式压电直线驱动器输出力的研究进展[J]. 张兆成,胡泓. 微特电机. 2009(12)
[5]高速大推力直线型超声电机的设计与实验研究[J]. 李玉宝,时运来,赵淳生,黄卫清. 中国电机工程学报. 2008(33)
[6]尺蠖型压电驱动器的闭环控制[J]. 赵宏伟,杨志刚,范尊强,张志宇,吴博达,程光明. 光学精密工程. 2008(09)
[7]内窥镜诊疗微型机器人发展概述[J]. 王辉静. 大众科技. 2008(04)
[8]新型惯性式压电旋转驱动器[J]. 温建明,程光明,曾平,杨志刚. 吉林大学学报(工学版). 2007(05)
[9]基于粘滑驱动的球基微操作器动力学建模与分析[J]. 郭伟,汪盛,李满天,孙立宁. 机械工程学报. 2007(04)
[10]纳米级步距压电电动机的精密驱动电源[J]. 赵美蓉,胡长德,林玉池. 压电与声光. 2007(02)
博士论文
[1]步进式压电驱动基础理论与试验研究[D]. 李建平.吉林大学 2016
[2]新型压电尺蠖精密驱动器柔性机构分析与实验研究[D]. 张兆成.哈尔滨工业大学 2010
[3]压电陶瓷微定位系统的逻辑规则控制研究[D]. 林伟.华中科技大学 2007
[4]微小管道机器人用惯性式压电执行器的研究[D]. 杨志欣.大连理工大学 2008
[5]压电步进二维精密驱动器理论及实验研究[D]. 刘国嵩.吉林大学 2006
[6]压电式粘滑精密运动机构驱动理论与实验研究[D]. 华顺明.吉林大学 2005
硕士论文
[1]混合驱动式压电多自由度驱动器理论与试验研究[D]. 周明星.吉林大学 2018
[2]步进式压电驱动直线运动系统的研究[D]. 刘宇阳.哈尔滨工业大学 2017
[3]多自由度仿生压电精密驱动器设计分析与试验研究[D]. 曲涵.吉林大学 2014
[4]新型非共振型直线压电电机的研究[D]. 张胜.南京航空航天大学 2012
[5]多足箝位式压电直线电机的研究[D]. 潘雷.南京航空航天大学 2012
[6]用于医学超声的1-3型压电复合材料性能的有限元研究[D]. 解妙霞.陕西师范大学 2006
[7]回转式微动压电电动机及其驱动电源的研究[D]. 胡长德.天津大学 2006
本文编号：3268235
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