压电型两自由度惯性冲击式精密驱动器试验研究

发布时间：2020-08-13 19:32

【摘要】：利用惯性冲击力形成驱动是构造运动机构的一种新方式。而冲击力大多数情况下是通过机械撞击获得的，控制相对较难且容易对机构造成损坏。由于压电元件具有响应速度快、能量转换效率高、结构简单、易于微小型化等优点。因此压电元件是构造惯性冲击式驱动机构的理想动力元件之一。而利用压电元件的快速变形产生惯性冲击力形成驱动的机构称为压电型惯性冲击式驱动器。本文以压电双晶片为驱动源，基于惯性冲击运动原理设计并制作了一种两自由度压电型惯性冲击式精密驱动器样机，对其进行了试验测试。全文共分五章，内容如下：绪论由于精密工程关键技术超精密定位的需求，压电驱动器得到了大力研究。冲击是振动的一种特殊形式，有其利弊，利用压电元件产生的冲击力构造驱动器也是最近新兴的精密驱动器研究领域。对精密驱动器的主要类型、压电 WP=82 驱动器的特点、类型和典型应用及驱动材料等进行了综述，认为压电材料在实现精密驱动上具有相当大的优势。同时也指出了目前国内外压电型精密驱动存在的问题。简述了国内外在压电惯性冲击方面的研究重点和研究成果。最后概述了本文的主要研究工作内容。压电陶瓷性能分析与惯性冲击运动原理压电驱动的基础是压电效应和逆压电效应。衡量压电陶瓷的性能参数主要有介电常数(、弹性常数s、压电常数d、机电耦合系数K、机械品质因数Qm、等，结合所选用的压电材料，本章着重介绍了PZT材料的介电常数矩阵、弹性常数矩阵和压电常数矩阵形式，将应用与有限元分析中。压电材料作为一种具有压电效应的弹性体，在不同的边界条件下，选择不同的自变量，有四组压电方程与之对应。压电双晶片采用了压电振子的LE振动模式，是一种输出位移大，可控性好，反应速度快，适合于惯性冲击精密驱动场合的压电元件。结合已有的悬臂梁式压电双晶片理论公式推导出压电晶片和基板尺寸参数对其自由端部位移、刚度和频率的影响趋势，为确定压电双晶片尺寸提供了理论依据。惯性冲击运动原理是所设计的压电型两自由度驱动器的原理依据，运用它构思出利用压电双晶片形成直线运动和旋转运动的方法。三. 惯性冲击式驱动器结构设计与分析在分析了试验室前期设计的两种平面内多自由度惯性冲击式驱动器结构的优缺点的基础上，提出新的驱动器结构方案—采用轴孔配合结构，能够 WP=83 实现轴向移动和绕轴心转动两个自由度运动，该结构便于运动导向和驱动力输出。通过试验测试和有限元计算两种方式对驱动器的核心驱动部件压电双晶片振子进行了静力学和动力学分析，得出了压电双晶片尺寸与其性能的一般关系，验证了第二章的理论分析。为了提高测试速度和准确性，编写了压电双晶片静变形、滞环和蠕变自动测试程序，大大方便了压电元器件的测试。分析了摩擦阻力影响和摩擦阻力调整装置的结构形式—柔性铰链，比较了弹簧调节和压电叠堆调节两种方式，以及弹簧选取要求。简要叙述了驱动器机械本体，包括机械底座、移动轴和连接件，在设计过程中应当注意的问题。四. 惯性冲击式驱动器的试验在分析了调节激励频率和调节激励幅值两种调节方式后，得出不同激励频率下压电双晶片振子的位移响应相位和幅值不同，而不同激励幅值作用下的位移响应相位相同，幅值不同，因此决定采用激励幅值调节方式实现驱动器步长和速度的调节。基于幅值调节方式，根据压电双晶片振子对不同频率有效ramp激励响应幅值的关系确定驱动器的驱动频率后，测试了驱动器的直线运动步长，带载能力、速度和旋转运动的步长和带载能力。测试结果为直线运动：最小稳定运动步长0.1μm，移动速度最大可以达到2mm/min，最大载荷能力为50g；旋转运动：最小稳定运动步长6.25μrad，最大载荷为15N·mm。在试验的基础上，提出了驱动器的控制策略。五. 结论与展望 WP=84 给出了全文的主要结论，并提出了下一步的深入研究内容。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2004
【分类号】：TH112
【图文】：

原理图,惯性冲击式

（2）惯性冲击式[25-40]。根据动量定理，通过惯性块和压电体配合实现驱动。其原理如图 1-4（a）所示，图中 Moved object 是机械结构本体，Piezo是压电体，Weight 是惯性块。在原理图中的一个工作周期以后整个机构左移一小步，如果继续施加这种周期性激励信号，可以实现机构的整体继续左移，从而实现大行程。可以得出这种形式具有构造简单，容易实现，通过对压电体随所施加激励信号的控制，可以实现驱动器的高精度，大行程目标的特点，但是负载能力与其他方式相比较弱，不过可以通过调整机械结构本体与接触面之间的摩擦力来改善惯性冲击式驱动器的承载能力。图 1-4（b）为惯性冲击驱动器的一个应用实例－用来实现细胞微操作，吸附管固定住细胞，采用惯性冲击式驱动器驱动毛细管探针。在驱动器的作用下，毛细管探针在很短时间内获得很大的冲量，这样就会产生很大的冲击力，从而使毛细管探针迅速穿透细胞壁插进细胞内，完成吸取内部介质的功能。图 1-3 直接驱动式原理及应用

原理图,直接驱动,驱动器,惯性冲击式

（2）惯性冲击式[25-40]。根据动量定理，通过惯性块和压电体其原理如图 1-4（a）所示，图中 Moved object 是机械结构本电体，Weight 是惯性块。在原理图中的一个工作周期以后整步，如果继续施加这种周期性激励信号，可以实现机构的整体实现大行程。可以得出这种形式具有构造简单，容易实现，所施加激励信号的控制，可以实现驱动器的高精度，大行程目负载能力与其他方式相比较弱，不过可以通过调整机械结构间的摩擦力来改善惯性冲击式驱动器的承载能力。图 1-4（b动器的一个应用实例－用来实现细胞微操作，吸附管固定住冲击式驱动器驱动毛细管探针。在驱动器的作用下，毛细管内获得很大的冲量，这样就会产生很大的冲击力，从而使毛透细胞壁插进细胞内，完成吸取内部介质的功能。图 1-3 直接驱动式原理及应用

压电驱动器,精密位移,直杆,压电

第一章绪论）蠕动式[10-24]，因仿照生物界爬行动物运动原振动位移经过某种方式转换后即可形成连续与直动式机构的差别在于通过箝位装置的使精密位移。图 1-5(a)是蠕动式压电直线位移器径向伸缩的压电圆筒，与直杆之间留有微小管。当控制驱动电路，使 A 缩小压紧在直杆即向右移动了一步，然后 B 夹紧，A 松开，。这样由 A、B、C 构成的移动件整体即向右形成了连续的精密位移，其直线移动精度可般机械位移装置配合使用时，即可构成满足构，其结构布置图如 1-5(b)所示[10-12]。A C B

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