复合放大被动箝位压电蠕动直线驱动器研究

发布时间：2020-09-22 18:09

　　基于尺蠖运动仿生原理的压电蠕动直线驱动器,具有结构设计灵活、尺寸小巧、无磁干扰、位移分辨率高,且行程大等特点,在一些需要精密定位领域,如航天航空、精密光学、精密加工等,具有广阔的应用前景。这种驱动器箝位方式有两种,一个是主动(通电)箝位,另一个是被动(断电)箝位,其中被动箝位方式具有断电自锁,节能等优势,成为近年来地研究热点。目前,这两种箝位方式驱动器急需研究的主要问题有,驱动器移动需要周向支撑,箝位力偏小等。本文研发了一款被动箝位压电蠕动直线驱动器及其驱动电源。该驱动器将三角、杠杆式放大结构与一体化结构设计理念相结合,成功设计出一种新式扁平化压电蠕动驱动器结构方案,有效解决周向定位与箝位力偏小问题。其驱动电源不仅小型化,而且驱动电压、驱动频率、信号形式可调,且能脱离上位机独立运行。首先,从被动箝位蠕动驱动器的工作原理出发,进行了驱动器的构型设计和静力学建模,得出了箝位机构和驱动机构的设计原则,确定了箝位机构和驱动机构设计关键因素。采用正交实验方法设计出箝位机构合理结构参数;对驱动机构进行了静力学建模,并用有限元法进行了验证,建立了驱动机构结构参数与刚度的数学关系,确定了其合理的结构参数。研究了导轨结构形式对驱动效果的影响,确定了导轨的形状。然后,对驱动器进行了仿真分析,引入压电陶瓷力学和电学特性作为分析因素,建立了描述压电陶瓷位移输出特性的力学模型,将其导入到驱动器的结构变形协调分析中,合理地协调了箝位机构大箝位力与容易释放矛盾,解决了压电陶瓷与机械结构变形协调问题,完善了驱动器的结构分析方法,为驱动器设计提供了理论指导。最后,研制出驱动器原理样机,依据蠕动式工作原理和控制策略,将压电陶瓷电容特性作为分析因素,建立其工作电学模型,仿真并实验验证压电陶瓷的电学特性对驱动器的动态性能影响规律,提出了蠕动驱动器的驱动电源的设计原则,设计出小型化驱动电源,搭建出驱动器性能检测装置。在标准驱动电源和自研驱动电源的驱动下,本款驱动器单侧最大静态箝位力为14N,最大运动驱动力为4N,在30V驱动电压下位移分辨率为0.4μm,在120V驱动电压和83.33Hz频率下有效驱动速度为608μm/s。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TH703
【部分图文】：

尺蠖,驱动器

该驱动器基于尺蠖运动原理，使用磁致伸缩材料作模式推动导轨直线运动，具体结构如图 1-2 所驱动器性能不够理想。但他所提出的尺蠖式驱动。随着新材料的问世、技术的更迭以及蠕动式驱动式驱动器相继问世，并在精密科学领域取得大

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图 1-3 首台压电蠕动电机专利图[24]国学者 A.D.Brisbane 研制了首台 Walker 型蠕动采用管状压电陶瓷管，箝位机构采用盘装压电前的结构，这台驱动器的运动分辨率有了较大尺寸也可以做小。

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箝位机构采用盘装压电陶瓷管，结构如图1-4 所示。相比之前的结构，这台驱动器的运动分辨率有了较大的提高，并且定子结构变得简单，尺寸也可以做小。图 1-4 首台 Walker 型压电蠕动驱动器专利图[25]1972 年，前苏联 G.V.Galutva 等人设计了首款采用压电陶瓷叠堆作为驱动、箝位机构动力元件的压电蠕动驱动器[26]。其结构如图 1-5 所示。由于压电陶瓷叠堆的应用，其研制的压电蠕动驱动器速度、负载能力和分辨率均获得一定的提高。图 1-5 首款压电陶瓷叠堆驱动的蠕动驱动器[26]由于压电驱动技术的发展，成功商业化的压电元件种类愈发地丰富、技术愈发地成熟，在二十世纪 80 年代末，市面上已有能提供数千牛驱动力的压电陶瓷叠堆，并且驱动电压只需 200V 左右，不仅使得驱动器结构设计更为多元化，还能简

【参考文献】