基于惯性原理的直线型压电驱动器理论与实验研究

发布时间：2020-10-09 01:51

　　近年来微小机械与精密机械成为机械工程领域研究的热点之一,惯性冲击式压电驱动器是其中的重点研究方向之一。该种驱动器的运行轨道一般为水平布置,但在实际应用中,存在需要驱动器在倾斜轨道上进行快速精密定位的情况,而且随着科技的发展,对驱动器的定位精度、快速性、以及负载能力提出了更高要求,惯性冲击式压电驱动器的性能急需提升。本文基于惯性冲击原理提出并设计一种两组压电单晶片振子驱动的直线惯性驱动器,其驱动元件采用压电单晶片振子,振子分为两组,一组为主驱动振子提供沿驱动器运动方向的拉力,另一组为辅助驱动振子提供沿驱动器运动方向的推力,两组驱动振子配合驱动,较一组振子驱动,驱动器的平均速度更快、定位精度更高,拖动负载能力更强,具体研究内容如下:对压电单晶片振子进行结构优化,最终确定振子的最优结构尺寸为铍青铜基板的长度、宽度、厚度分别是L_(cu)=80mm、W_(cu)=30mm、T_(cu)=0.4mm,压电陶瓷层的长度、宽度、厚度分别是L_p=60mm、W_p=30mm、T_p=0.2mm,且铍青铜基板与压电陶瓷的刚度比A=2,此时振子自由端输出的惯性力最大并且该振子被称为最优振子。基于有限元理论对最优振子进行模态分析以及谐响应分析得到振子的一阶固有频率为75Hz,建立振子的动力学模型并利用MATLAB Simulink进行振子动力学仿真,仿真结果表明振子在对称方波驱动下振子自由端输出的惯性力最大、其次为正弦波、三角波的驱动能力最弱。根据最优结构尺寸制作压电单晶片振子并对其进行性能测试,实验结果表明,振子的实际一阶固有频率为73Hz,相同幅值、频率电压下,对称方波激励下振子自由端输出的惯性力最大,其次为正弦波,三角波的驱动能力最弱,与仿真结果一致。对驱动器进行受力分析得到驱动器沿水平面和倾斜平面运动时的平衡方程,进而得出驱动器沿水平面和倾斜平面进行双向稳定运动的条件(1)主驱动振子自由端输出的惯性力大于辅助驱动振子自由端输出的惯性力;(2)主辅驱动振子上的激励电压同频率且需要有180度相位差;建立直线惯性压电驱动器的动力学模型并进行驱动器样机的制作,利用MATLAB Simulink建立驱动器样机的传递函数模型,根据仿真结果得到驱动器样机平均速度与主驱动振子激励电压_1U、直线轨道倾斜角度α的关系曲线,通过曲线拟合得到主辅驱动振子激励电压之和对直线轨道倾斜角度α的变化率,利用MATLTAB编制直线惯性压电驱动器激励电压输出程序以及驱动器速度控制程序,并通过MATLAB中Data Acquisition Toolbox工具箱控制数据采集卡输出振子激励电压。对制作的直线惯性压电驱动器样机进行性能测试实验,实验结果表明,主辅驱动振子配合驱动提升了驱动器样机的平均速度从而提高驱动器样机的快速定位能力;当辅助驱动振子的激励电压为主驱动振子激励电压的30%左右时,驱动器样机拖动负载的能力最强;减小主辅驱动振子激励电压之差,驱动器样机的步距减小,驱动器样机的定位精度提高,驱动器样机能够达到的最小步距与采集卡的最小输出电压有关,采集卡模拟输出端口的位数越大驱动器样机能够达到的步距越小;本文最后进行了驱动器样机匀速控制实验,通过增加振子激励电压来补偿由于直线轨道倾斜角度α增大而造成的样机速度损失,实验结果表明随着直线轨道倾斜角度的增大驱动器样机运动平均速度近似保持不变,最大速度波动为12um/s,速度控制效果良好。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TH703
【部分图文】：

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料、压电高聚物[28]。其中压电陶瓷材料以其优异的压电性能（机电耦合系数50%~70%，压电应变常量 450~750pC/N）在全球压电材料市场占据 90%以上份额[29]。最早的压电陶瓷于上个世纪 50 年代由 Jaffe[30]研制而成，本文设计的直线惯性压电驱动器中的压电单晶片振子，其中的压电材料就选用压电陶瓷。

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其中的压电材料就选用压电陶瓷。图 1.1 正压电效应示意图图 1.2 逆压电效应示意图1.2.2 压电驱动器压电驱动器是一种利用压电材料的逆压电效应制成的能够输出直线或者旋转运动的装置，其主要用途是输出高精度高分辨率的位移。分辨率、结构紧凑高速以及宽频带等特点使其满足各种应用领域的需求，诸如生物实验操作平台、半导体设备、光学元件校准、测试设备等[31]。压电驱动器的分类方式有很多种，按照驱动元件分类可以分为叠堆型和晶片型。以压电陶瓷材料例如压电陶瓷制成的压电驱动器往往可以实现亚纳米级别的定位精度但是其位移范围往往是微米级，在实际应用中该种特性会有一定的局限性，因此需要对压电驱动器的输出位移进行位移放大[32]。按照位移放大方式的不同压电驱动器可以分为内部杠杆法、外部杠杆法、频率杠杆法。其中内部杠杆法

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其主要结构包括定子和转子，定子产生的超声振动，通过定子与转子之间的摩擦接触来实现驱动转子进行直线运动或者旋转运动。压电超声电机具有结构简单、小型轻量、不受磁场影响、低速大转矩、成本低等优点，并且压电超声电机不需要变速机构，避免了由于传动机构所产生振动、噪声、冲击所带来的一系列问题。按照超声波的运动方式不同压电超声电机主要分为两类，驻波型压电超声电机和行波型压电超声电机[44][45][46]。世界上最早对压电超声电机进行系统研究的国家是前苏联，1965 年Lavrinenko 提出了如图 1.4 所示的超声电机结构，开创了对超声电机进行系统研究的先河。该超声电机将盘形压电材料直接压在电机转子上可以实现转子的单向移动。其他学者诸如美国的 Tehon、前苏联的 Wischnewskiy 均提出过多种不同结构的驻波型压电超声电机[47]。但是这些结构往往只能实现单方向的运动，而且传动效率低下，定子和转子之间的磨损大，在实际应用中存在很大困难。

【参考文献】