摩擦力可调式非对称惯性压电旋转驱动器的研究

发布时间：2017-04-03 06:06

  本文关键词：摩擦力可调式非对称惯性压电旋转驱动器的研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：惯性式压电精密驱动器是一类利用压电元件形成惯性冲击运动的装置。根据国内外研究现状,惯性式压电精密驱动器具有结构简单、响应速度快、分辨率高、大行程、运动速度快和成本低等主要优点,但是也存在电路控制或摩擦控制要求高、摩擦影响大和输出载荷能力小这三个方面的主要缺点,一定程度上制约了惯性式压电精密驱动器的进一步发展、应用和推广。因此,针对现有主要问题,本文制定了相应的研究策略,提出了以非对称结构夹持的悬臂式压电双晶片振子为驱动元件、利用惯性冲击形成运动的摩擦力可调式非对称惯性压电旋转驱动器。通过理论分析、仿真测试和试验测试三个层次,对悬臂式压电双晶片振子和所提出的摩擦力可调式非对称惯性压电旋转驱动器进行了系统研究,分析了振子的基本特性、静态特性和动态特性及其影响因素,测试了驱动器的主要性能参数并进行了评估。1.对称夹持悬臂式压电双晶片振子特性研究。首先,提出将周期性电信号激励等效为端部简谐力激励,并利用该方法建立了振子在对称夹持条件下的动力学模型和方程。通过对系统参数的分析与测试,获得了振子振动系统全响应的解析式。仿真和试验结果证明了所建立的振子动力学模型的正确性,以及所提出的建立动力学方程等效方法的可行性。其次,对振子的端部动态位移、驱动力的影响因素进行了仿真分析,仿真结果表明：振子的端部动态位移幅值随端部静态位移输入、压电双晶片长度的增加而显著增加,而受刚度系数和端部质量的影响较小；振子的驱动力幅值随静态位移输入、压电双晶片长度和端部质量的增加而显著增加,而受刚度系数的影响较小。2.非对称夹持悬臂式压电双晶片振子特性研究。根据非对称夹持条件不同,提出了非对称材料夹持和非对称结构夹持两种非对称夹持方式。基于对称夹持条件下所构建的振子动力学方程,从力学角度出发,提出了两种振子在非对称夹持条件下的驱动方案,并分别对其驱动原理的可行性进行了理论分析。在理论分析基础上,通过仿真和试验对两种方法的驱动可行性进行了验证。结果表明,振子在短夹持侧的端部位移幅值和加速度均大于长夹持侧,能产生较大的驱动力,因此选择该方案作为振子的非对称夹持方式。另一方面,夹持差在5mm时振子长短夹持侧加速度幅值差达到最大,故选用该夹持差作为振子的工作条件。3.摩擦力可调式非对称惯性压电旋转驱动器的理论设计与仿真研究。确定了驱动器运动主体采用双振子对称布置之后,针对驱动器的现有主要问题,提出了运用机械控制方式、摩擦力调节装置和磁力放大机构来解决现有问题的研究策略。根据驱动器的惯性冲击工作原理和研究策略,设计了驱动器的整机结构,确定了有磁力作用和无磁力作用下的两类工作状态,对运动过程进行了阐述。根据驱动器工作原理,建立了驱动器整机动力学方程,并利用Simulink组建了整机动力学仿真系统,提出了一种时序叠加法来获得非对称结构夹持振子的运动状态。最后对驱动器的步距输出特性进行了仿真测试,测试结果表明驱动器理论分辨率可达1.20grad。4.摩擦力可调式非对称惯性压电旋转驱动器试验研究。对A和B两种工作状态下驱动器的摩擦力矩特性、频率特性、电压特性、步距角输出特性、速度输出特性和载荷输出特性分别进行了测试。试验结果表明,所研制的驱动器最小分辨率为0.85μrad,回退率约为24%,步距角响应曲线与仿真结果吻合度好；驱动器正常工作的频率区间为1至7Hz；A工作状态驱动器步距角稳定输出的摩擦力矩范围为1.485N·mm至2.475N·mm,B工作状态驱动器步距角稳定输出的摩擦力矩范围为0至5.445N-mm,在一定范围内,驱动器步距角输出的线性度随摩擦力矩的增大而增大；B工作状态驱动器的转速和载荷输出性能比A工作状态驱动器更好,其最大角速度和输出载荷分别可达4.02 rad/s和980 mN。总体来说,所研制的摩擦力可调式非对称惯性压电旋转驱动器具有结构简单、频率响应快、大行程、运动速度快、无电磁干扰和污染等基础优势,兼备驱动方式独特、控制电路和机械结构简单、摩擦控制要求低、驱动元件成本低廉、无蠕变和迟滞的特色优势,还具有步距输出稳定、分辨率高、摩擦力可调、步距角输出线性度和可控性好、输出载荷和转速可改善的特点。
【关键词】：非对称夹持 旋转驱动器 悬臂式压电双晶片振子 摩擦力
【学位授予单位】：浙江师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH703
【目录】：

• 摘要4-7
• ABSTRACT7-13
• 第1章 绪论13-31
• 1.1 引言13-14
• 1.2 压电精密驱动器分类与国内外研究现状14-27
• 1.2.1 超声式压电精密驱动器15-17
• 1.2.2 直动式压电精密驱动器17-18
• 1.2.3 尺蠖式压电精密驱动器18-21
• 1.2.4 惯性式压电精密驱动器21-27
• 1.3 选题意义和本文研究内容27-31
• 1.3.1 选题意义27-28
• 1.3.2 本文研究内容28-31
• 第2章 压电陶瓷材料和压电方程31-43
• 2.1 压电材料与分类32
• 2.2 压电材料基本特性和主要性能参数32-35
• 2.2.1 压电材料的介电性和介电系数32-33
• 2.2.2 压电材料的压电性和压电系数33-34
• 2.2.3 压电材料的铁电性和电滞曲线34-35
• 2.3 压电材料其它性能参数35-37
• 2.3.1 机电耦合系数35-36
• 2.3.2 机械品质因数36
• 2.3.3 压电材料的弹性和柔度系数36-37
• 2.4 边界条件37-38
• 2.5 压电方程38-40
• 2.6 振动模式40-41
• 2.7 本章小结41-43
• 第3章 压电双晶片振子分析与研究43-73
• 3.1 压电双晶片振子基本特性理论分析43-49
• 3.1.1 压电双晶片振子基本结构43-45
• 3.1.2 压电双晶片振子振动模式45-46
• 3.1.3 压电双晶片振子支撑方式46-47
• 3.1.4 压电双晶片振子压电方程47-49
• 3.2 对称夹持悬臂式压电双晶片振子特性分析49-62
• 3.2.1 对称夹持振子静态特性理论分析49-50
• 3.2.2 对称夹持振子动态特性理论分析和动力学模型50-51
• 3.2.3 对称夹持振子振动系统参数和全响应分析51-54
• 3.2.4 对称夹持振子动力学仿真分析54-56
• 3.2.5 对称夹持振子动态特性试验分析56-59
• 3.2.6 对称夹持振子端部动态位移与驱动力影响因素分析59-62
• 3.3 非对称夹持悬臂式压电双晶片振子特性分析62-72
• 3.3.1 非对称夹持的定义与分类62
• 3.3.2 非对称夹持驱动原理理论分析62-63
• 3.3.3 非对称材料夹持的驱动原理可行性理论分析63-64
• 3.3.4 非对称材料夹持振子动态特性有限元仿真分析64-67
• 3.3.5 非对称材料夹持振子动态特性试验分析67-69
• 3.3.6 非对称结构夹持的驱动原理可行性理论分析69-70
• 3.3.7 非对称结构夹持振子动态特性有限元仿真分析70-71
• 3.3.8 非对称结构夹持振子动态特性试验分析71-72
• 3.4 本章小结72-73
• 第4章 摩擦力可调式非对称惯性压电旋转驱动器设计和仿真73-91
• 4.1 驱动器关键技术与研究策略73-74
• 4.2 驱动器惯性冲击工作原理理论分析74-77
• 4.3 驱动器整机设计和运动过程分析77-80
• 4.3.1 驱动器整机结构和工作状态设计77-78
• 4.3.2 运动主体和摩擦力调节装置设计78-79
• 4.3.3 运动过程分析79-80
• 4.4 驱动器整机动力学模型80-82
• 4.5 驱动器摩擦力分析和摩擦模型选择82-83
• 4.6 驱动器整机Simulink仿真83-88
• 4.6.1 驱动器整机动力学仿真系统83-84
• 4.6.2 振子夹持状态子系统84-87
• 4.6.3 摩擦模型子系统87-88
• 4.6.4 步距角输出特性仿真测试88
• 4.7 本章小结88-91
• 第5章 摩擦力可调式非对称惯性压电旋转驱动器性能试验91-101
• 5.1 试验系统91-93
• 5.2 驱动器性能测试与分析93-99
• 5.2.1 驱动器步距角输出特性测试与分析93-94
• 5.2.2 驱动器摩擦力矩特性测试与分析94-95
• 5.2.3 驱动器驱动频率特性测试与分析95-96
• 5.2.4 驱动器驱动电压特性测试与分析96-97
• 5.2.5 驱动器角速度输出和载荷输出特性测试与分析97-99
• 5.3 驱动器性能评估与比较99-100
• 5.4 本章小结100-101
• 第6章 结论与展望101-105
• 6.1 结论101-103
• 6.2 展望103-105
• 参考文献105-109
• 致谢109-111
• 攻读学位期间取得的研究成果111-115
• 浙江师范大学学位论文诚信承诺书115

【参考文献】

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1 刘丽兰;刘宏昭;吴子英;王忠民;;机械系统中摩擦模型的研究进展[J];力学进展;2008年02期

2 陈奎孚,张森文;半功率点法估计阻尼的一种改进[J];振动工程学报;2002年02期

3 郑建明;赵升吨;魏树国;;Fuzzy iterative learning control of electro-hydraulic servo system for SRM direct-drive volume control hydraulic press[J];Journal of Central South University of Technology;2010年02期

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本文编号：283823