夹持半径可调式仿生压电旋转驱动器的设计分析与试验研究

发布时间：2016-11-25 08:38

  本文关键词：夹持半径可调式仿生压电旋转驱动器的设计分析与试验研究，由笔耕文化传播整理发布。

《吉林大学》 2013年

夹持半径可调式仿生压电旋转驱动器的设计分析与试验研究

傅璐  

【摘要】：超精密驱动定位技术是精密光学、微机械装配、超精密加工、生物医学以及航空航天等高科技领域的关键技术之一。随着现代科学技术的快速发展，，对于结构紧凑、定位精度高的微小型驱动器的需求日益迫切。基于仿生运动原理的压电步进式驱动器作为一类新型驱动器，具有定位精度高、工作稳定性好、承载能力强等优点，已经成为超精密驱动技术领域的一个重要分支。 本文在对仿生步进式压电旋转驱动器的工作原理进行系统性分析的基础上，着重针对驱动器机械结构方面加工精度要求高、装配难度大以及输出性能方面分辨率较低、承载能力不足、转速较低等现存问题，提出了一种夹持半径可调的新式仿生压电旋转驱动器方案，并对驱动器的整体结构和工作原理进行了设计分析。 本文提出的新式仿生压电旋转驱动器参照自然界尺蠖运动设计而成，主要由钳位机构、驱动机构和升降机构等部分组成，本文介绍了各组成单元的结构设计过程以及工作原理，并对各组成单元进行了详细的受力分析。本文采用杠杆结构对钳位压电叠堆的位移进行放大，建立了杠杆结构几何模型。采用有限元仿真方法对驱动器的变形与应力分布、强度、刚度以及模态振型进行分析，并对结果进行评价。利用有限元软件Abaqus对步进式工作过程进行动态仿真分析，证实了驱动器的机械结构及驱动信号时序设计的合理性。 仿生压电旋转驱动器采用压电叠堆和柔性铰链分别作为动力元件和传动元件，利用压电叠堆的逆压电效应实现电能向机械能的转换，结合柔性铰链的传动作用为精密驱动定位提供动力源。论文分析了压电叠堆的基本特性，介绍了压电叠堆的结构及工作原理，对压电叠堆的迟滞特性进行了分析和测试。在此基础上，本文对柔性铰链的结构形式、选材、加工方法进行了细致分析，建立了柔性铰链空间力学模型，并对不同类型柔性铰链的性能进行了比较分析，据此选取直角柔性铰链和正圆柔性铰链分别作为驱动器线性位移输出和转角位移输出的精密传动单元。 本文研制了仿生压电旋转驱动器样机，构建了用于驱动器输出性能测试的试验系统，对试验系统的组成和工作原理进行了分析。在此基础上，对驱动器样机输出性能进行了试验测试，当驱动电压为8V时驱动器达到最高旋转分辨率0.25μrad，空载时驱动器最高旋转速度为77354.4μrad/s，驱动器稳定运转时最大输出扭矩为37Nmm，还对驱动器钳位机构夹持力、驱动器运转稳定性以及旋转速度等参数进行了测试。实验发现论文研制的精密旋转驱动器具有分辨率高、稳定性好、承载能力强、定位精确等优点。 本文采用斜射式激光三角测量法对仿生压电旋转驱动器的转角位移进行测量，并对转角位移测量过程进行了分析，推导了旋转驱动器测量过程中的转角位移相对误差模型。研究发现可以将位移传感器采集的线性位移近似为位移采集点转过的弧长，当旋转驱动器的实际转角为1000μrad时，采用这种近似测量方法得到的相对转角误差仅为0.077%。此外，结合斜射式激光三角测量法的测量原理和仿生压电旋转驱动器的结构特点，本文设计了用于转角位移测量的组合式标杆。 通过对已有的压电旋转驱动器进行分析发现，由于夹持半径为定值，旋转速度仅能够通过改变驱动电压和驱动频率进行调节，调节方式比较单一，并且转速调节范围较小，限制了驱动器的适用范围。针对上述问题，本文首次创新性提出了变夹持半径转速调节方式，设计了用于调节夹持半径的升降机构，夹持半径的调节范围为10.6mm至25mm。本文对不同的夹持半径下转子的输出转角进行测试，经测试发现夹持半径与驱动器的输出转角表现出明显的反比关系，其中在驱动电压为100V的条件下，当夹持半径为23mm时，转子连续运转十步累计输出的转角位移约为3260μrad，当夹持半径为14mm时，转子输出的转角位移约为5480μrad，试验结果验证了变夹持半径转速调节方式的可行性。

【关键词】：
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TH703.8
【目录】：

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